Chemical approaches to the study of the ceramide synthase activity

Abstract

Sphingolipids (SLs) are one of the major classes of lipids in eukaryotes. In addition to being essential structural components of cell membranes, SLs also play capital roles as signalling molecules. Ceramides (Cer) are a family of bioactive SLs consisting of a long chain base (LCB), known as the sphingoid base, linked to a fatty acid (FA) of variable chain length via an amide bond. Due to their metabolic inter-relations with other SL species, Cer are considered key intermediates in the SL pathway. Cer are important second messengers in several cellular processes including apoptosis, autophagy, cell differentiation and sensescence. Ceramide synthases (CerS) are a group of enzymes, primarily localised at the endoplasmic reticulum, that catalyse the N–acylation of sphingoid bases such as sphingosine (So) and dihydrosphingosine (dhSo), using acyl CoA thioesters of variable chain lengths, to afford Cer and dihydroceramides (dhCer), respectively. Six isoforms of CerS (CerS1–6) have been identified in mammals. Each CerS isoform utilizes a small subset of FA-CoAs of defined chain lengths and, thus, each of them produces specific Cer populations. In the recent years, it has become apparent that Cer with different acyl chains vary in their biophysical properties and in the signalling pathways they participate. Furthermore, Cer with defined acyl chain lengths have been found to be implicated in the onset of a variety of human diseases, including cancer, type-2 diabetes mellitus, Alzheimer’s disease, multiple sclerosis and cardiomyopathy. In this context, the development of appropriate tools to study the activity of CerS enzymes, which is crucial to decipher the molecular mechanisms by which Cer elicit their effects, was the ultimate goal of the present doctoral thesis. The first part of this thesis was devoted to the development of a new CerS activity assay based on the Förster Resonance Energy Transfer (FRET) phenomenon. To that end, we designed and synthesized a series of fluorescently labelled (or labelable) 1-deoxy sphingoid probes derived from spisulosine, a small library of clickable FA analogues of different chain lengths, and a collection of bicyclo[6.1.0]nonyne (BCN) or 1,2,4,5-tetrazine (Tz) based fluorescent reagents. The absorption and fluorescence emission properties of these compounds was thoroughly studied in various solvents by means of cuvette-based experiments. Based on these studies, we anticipated that a highly efficient FRET process would take place between the donor-acceptor fluorophore pairs that had been selected, namely MCC/NBD and NBD/NR. Next, the metabolic incorporation of the different spisulosin-based probes and the FA analogues was evaluated in various biological contexts. Mass spectrometry analysis evidenced an extensive metabolization of the synthetic LCB probes and the FA analogues by CerS enzymes to form the corresponding Cer metabolites. Unfortunately, the FA analogues were also incorporated into other lipidic metabolic pathways, resulting in the generation of a strong fluorescence background after the fluorescent labelling reactions. Our different attempts to solve this issue were unfruitful and, thus, the development of the FRET based fluorescence assay to determine the CerS activity could not be achieved. The second part of this thesis was aimed at the development of new click-formed proteolysis targeting chimeras (CLIPTACs) targeting the ubiquitination and proteasomal degradation of CerS, as an alternative to small molecule inhibitors for the modulation of the CerS activity. To this end, we designed and synthesized four BCN derivatives containing known ligands for recruiting different E3 ubiquitin ligases. These BCN-tagged E3 ligase recruiters will be used in future studies in combination with an azido-functionalized analogue of the CerS substrate Jaspine B to obtain the desired CLIPTACs.

Los esfingolípidos (SLs) son una de las principales categorías de lípidos presentes en los organismos eucariotas. Los SL no sólo son componentes estructurales esenciales de las membranas celulares, sino que también actúan como moléculas señalizadoras. Las ceramidas (Cer) son una tipología de SL que están formadas por una base esfingoide y una cadena de ácido graso de longitud variable unidos a través de un enlace amida. Las Cer participan como segundos mensajeros en procesos celulares como la apoptosis, la autofagia, la diferenciación celular y la senescencia. Las ceramida sintasas (CerS) son un grupo de enzimas del retículo endoplasmático que catalizan la N-acilación de bases esfingoides, como la esfingosina, utilizando acil-CoAs de distintas longitudes, para dar Cer. En los mamíferos se han descrito seis isoformas de la CerS y cada una de ellas tiene preferencia por un pequeño grupo de ácidos grasos de longitud de cadena definida, por lo que cada una produce perfiles de Cer característicos. En los últimos años se ha visto que la longitud de la cadena acilo de las Cer influye en sus propiedades biofísicas y en las cascadas de señalización en las que participan. Además, se sabe que ciertas Cer están involucradas en el desarrollo de distintas enfermedades como el cáncer, la diabetes, el Alzheimer o la esclerosis múltiple. En este sentido, el desarrollo de herramientas adecuadas para el estudio de la actividad de CerS es fundamental para descifrar los mecanismos moleculares a través de los cuáles actúan las Cer, siendo este el objetivo principal que se persiguió en la presente tesis doctoral. La primera parte de la tesis se centró en el desarrollo de un nuevo ensayo para determinar la actividad CerS por medio del fenómeno de FRET. Para ello, se diseñaron y sintetizaron una serie de sondas esfingoides derivadas de la espisulosina, una pequeña quimioteca de análogos de ácidos grasos “clicables” de distintas longitudes de cadena y una colección de reactivos fluorescentes marcados con un grupo biciclo[6.1.0]nonino (BCN) o 1,2,4,5-tetrazina (Tz). Las propiedades de absorción y emisión de fluorescencia de estos compuestos fueron estudiadas en varios disolventes a través de experimentos “en cubeta”. En base a estos experimentos anticipamos que las parejas de fluoróforos seleccionadas eran adecuadas para su uso en experimentos de FRET. A continuación, se evaluó la incorporación metabólica de las distintas sondas esfingoides y de los varios análogos de ácidos grasos en medios biológicos. Los estudios de lipidómica mostraron que tanto las sondas como los análogos de ácidos grasos eran procesados por las CerS para dar las Cer correspondientes. Sin embargo, los análogos de ácidos grasos también entraron en otras rutas metabólicas de los lípidos dando lugar a un elevado ruido de fondo tras la reacción de marcaje de fluorescencia. Nuestros intentos para solventar este problema fueron en vano y, por tanto, finalmente no fue posible la implementación del ensayo de fluorescencia para medir la actividad CerS. En la segunda parte de la tesis se propuso el desarrollo de nuevos CLIPTACs dirigidos a la degradación de CerS, como alternativa a los inhibidores clásicos para la modulación de la actividad CerS. Para ello se diseñaron y sintetizaron cuatro derivados de BCN que contuvieran un ligando para reclutar distintos enzimas E3 ligasas de ubiquitina. Estos reclutadores de E3 ligasa serán utilizados en un futuro en combinación con un derivado de la Jaspina B, un análogo del sustrato de las CerS, para obtener los CLIPTACs deseados.