German Title: Von Sptlc2 abgeleitetes Sphinganin ist für die entzündliche TLR4-Signalübertragung in Makrophagen unverzichtbar

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Abstract

Macrophages are key players in initiating, regulating, and driving inflammation, which, depending on the intensity and duration, can be extremely helpful or harmful during immune responses. A major pathway in macrophages driving inflammatory signaling is mediated through activation of the pattern recognition receptor Toll-like receptor (TLR) 4. After recognizing its ligand, lipopolysaccharide (LPS), TLR4 recruits adaptor proteins to the cell membrane, thereby initiating downstream signal transduction and triggering inflammation. Whether this recruitment is dependent solely on protein-protein interactions between TLR4 and adaptor proteins is unknown. Bioactive sphingolipids are regulators of multiple (patho-) physiological processes and have been associated with inflammatory macrophage signaling, with the underlying mechanisms remaining uncertain. Here, I report that the sphingolipid sphinganine physically interacted with the adaptor proteins MyD88, TIRAP, and Tollip and promoted the recruitment of MyD88 to the cell membrane. LPS induced the expression and activity of Sptlc2, which is the key enzyme of sphingolipid metabolism, catalyzing sphinganine production and subsequent sphingolipid biosynthesis. Myeloid cell-specific deficiency in Sptlc2 was found to decrease the membrane recruitment of MyD88 and to inhibit LPS-induced M1-like macrophage growth, marker expression, metabolic activity, and cytokine production. Overexpression of membrane-anchored MyD88 in Sptlc2-deficient macrophages restored cell growth, M1-like macrophage marker expression, and inflammatory cytokine production. In an LPS-induced sepsis mouse model, Sptlc2 was upregulated in macrophages, while Sptlc2 deficiency attenuated inflammation and ameliorated symptoms of sepsis. In a melanoma mouse model in which LPS was detectable in the tumor microenvironment, Sptlc2 was upregulated in tumor macrophages, and Sptlc2 deficiency decreased anti-tumor myeloid cell responses and increased tumor growth. Therefore, sphinganine biosynthesis is required for the initiation of TLR4 signal transduction and serves as a checkpoint involved in pattern recognition by macrophages. In summary, this work sheds new light on the multifaceted role of sphingolipids as signaling molecules and underlines the huge potential of sphingolipid modulation to treat disease-associated inflammation.

Translation of abstract (German)

Makrophagen haben eine entscheidende Funktion bei der Auslösung, Regulation und Förderung von Entzündungen, die je nach Intensität und Dauer äußerst hilfreich oder schädlich für Immunantworten sein können. Ein Hauptsignalweg, der die Entzündungssignale in Makrophagen antreibt, wird durch die Aktivierung des Mustererkennungsrezeptors Toll-like-Rezeptor (TLR) 4 vermittelt. Nach Erkennung seines Liganden Lipopolysaccharid (LPS) rekrutiert TLR4 Adapterproteine zur Zellmembran, um die nachgeschalteten Signalwege zu initiieren und Entzündungen auszulösen. Bislang ist nicht bekannt, ob diese Rekrutierung ausschließlich von Protein-Protein-Wechselwirkungen zwischen TLR4 und Adapterproteinen abhängt. Bioaktive Sphingolipide sind Regulatoren mehrerer (patho-) physiologischer Prozesse und wurden mit der Signalübertragung in inflammatorischen Makrophagen in Verbindung gebracht, wobei die zugrunde liegenden Mechanismen noch unklar sind. In dieser Arbeit berichte ich, dass das Sphingolipid Sphinganin direkt mit den Adapterproteinen MyD88, TIRAP und Tollip interagierte und die Rekrutierung von MyD88 an die Zellmembran förderte. LPS induzierte die Expression und Aktivität von Sptlc2, dem Schlüsselenzym im Sphingolipid-Metabolismus, das die Produktion von Sphinganin und die anschließende Sphingolipid-Biosynthese katalysiert. Ein Mangel von Sptlc2, spezifisch in myeloiden Zellen, reduzierte die Membranrekrutierung von MyD88 und hemmte das LPS-induzierte Wachstum, die M1-ähnliche Marker-Expression, die Stoffwechselaktivität und die Zytokin-Produktion der Makrophagen. Überexpression von membranständigem MyD88 stellte das Zellwachstum, die Expression von M1-ähnlichen Markern und die Produktion entzündlicher Zytokine in Sptlc2-defizienten Makrophagen wieder her. In einem LPS-induzierten Sepsis-Mausmodell wurde Sptlc2 in Makrophagen hochreguliert, wohingegen ein Sptlc2-Mangel die Entzündung abschwächte und die Symptome der Sepsis verbesserte. In einem Melanom-Mausmodell, in dem LPS im Tumormikromilieu nachweisbar war, war Sptlc2 in Tumormakrophagen hochreguliert, und ein Sptlc2-Mangel verringerte die anti-tumoralen Reaktionen der myeloiden Zellen und erhöhte das Tumorwachstum. Zusammenfassend lässt sich daraus festhalten, dass die Sphinganin-Biosynthese für die Initiierung der TLR4-Signaltransduktion erforderlich ist und als Kontrollpunkt für die Mustererkennung durch Makrophagen dient. VI Zusammenfassend wirft diese Arbeit ein neues Licht auf die vielfältige Rolle von Sphingolipiden als Signalmoleküle und unterstreicht das enorme Potenzial der Sphingolipid-Modulation bei der Behandlung krankheitsbedingter Entzündungen.