Synthesis and optimization of new sphingolipid sensors for metabolism and trafficking studies

Abstract

Over the past decade, sphingolipids have emerged as a new class of modulators of various cell functions. Ceramide, which is the central molecule in the biosynthesis of sphingolipids and glycosphingolipids, is involved in the regulation of different cellular events, including cell senescence, differentiation, and apoptosis.1 In the de novo pathway, ceramide is biosynthesized from L-serine in four steps, the last one being the Δ4-desaturation of dihydroceramide to ceramide by the action of dihydroceramide desaturase (Des1).

The discovery of new Des1 inhibitors with improved potency and selectivity would be greatly accelerated with the help of high-throughput screening (HTS) assays. Toward this end, the design of an efficient probe to quantify the enzyme activity is capital. In this Thesis, we wish to report that (Z)-Δ6-dihydroceramide is a suitable Des1 substrate and that the resulting Δ4,6- diene product can be efficiently trapped in a Diels-Alder reaction with a fluorescent TAD derivative for further quantification.2 In addition, the unanticipated observation that the isomeric (E)-Δ6-dihydroceramide is a non competitive Des1 inhibitor provides valuable information about the conformational requirements of the enzyme active site.

The design of HTS assay to monitor Des1 activity on solid support by anchoring the (Z)-Δ6-dihydroceramide as Des1 substrate and the use of a fluorescent reporter in an array system will be presented.

(1) Yang, J.; Yu, Y.; Sun, S.; Duerksen-Hughes, P. J. Ceramide and Other Sphingolipids in Cellular Responses. Cell Biochem. Biophys. 2004, 40 (3), 323–350.

(2) De Bruycker, K.; Billiet, S.; Houck, H. A.; Chattopadhyay, S.; Winne, J. M.; Du Prez, F. E. Triazolinediones as Highly Enabling Synthetic Tools. Chem. Rev. 2016, 116 (6), 3919–3974.

Durant la última dècada, els esfingolípids han constituït una nova classe de moduladors en les funcions cel·lulars. La ceramida, sent la molècula central en la biosíntesi d’esfingolípids i glicoesfingolípids, està involucrada en la regulació de differents processos cel·lulars, incloent la senescència cel·lular, la diferenciació, i l’apoptosi.1 En la síntesi de novo, la ceramida es biosintetitza a partir de quatre passos de reacció a partir de la L-serina, sent l’últim d’ells la Δ4- dessaturació de la dihidroceramida per formar la ceramida corresponent, per mitjà de l’acció de l’enzim dihidroceramida desaturasa (Des1).

El descobriment de nous inhibidors amb gran potència i selectivitat de Des1 podria accelerar- se amb l’ajut d’assajos “high-throughput screening” o HTS. Amb aquesta finalitat, és necessari el disseny d’una prova eficient per tal de quantificar l’activitat d’aquest enzim. En aquesta Tesi Doctoral es descriu que els derivats de la (Z)-Δ6-dihidroceramida són substrats adients de la Des1 i que el producte Δ4,6-diènic pot ser fàcilment atrapat amb un derivat del TAD fluorescent2 per a la posterior quantificació de l’adducte format. A més a més, s’ha observat que la (E)-Δ6-dihidroceramida isòmerica és un inhibidor no competitiu de la Des1, fet que proporciona informació molt valuosa sobre els requeriments conformacionals del centre actiu de l’enzim.

Finalment, es desenvoluparà el disseny d’un assaig HTS per tal de monitoritzar l’activitat de Des1 en suport sòlid mitjançant la immobilització de la (Z)-Δ6-dihidroceramida com a substrat de Des1 i l’ús d’un agent fluorescent del tipus TAD per a la posterior quantificació en sistemes de microarray.

(1) Yang, J.; Yu, Y.; Sun, S.; Duerksen-Hughes, P. J. Ceramide and Other Sphingolipids in Cellular Responses. Cell Biochem. Biophys. 2004, 40 (3), 323–350.

(2) De Bruycker, K.; Billiet, S.; Houck, H. A.; Chattopadhyay, S.; Winne, J. M.; Du Prez, F. E. Triazolinediones as Highly Enabling Synthetic Tools. Chem. Rev. 2016, 116 (6), 3919–3974.