The Role of Acid Ceramidase during Plasmodium Infection and Tumorigenesis
Acid ceramidase (Ac) is part of the sphingolipid metabolism. By hydrolysing ceramide to sphingosine, which is further degraded to sphingosine-1-phosphate (S1P), Ac is a key regulator of the sphingolipid rheostat. Ceramide is a bioactive molecule involved in many cellular processes. It forms ceramide-enriched platforms at the plasma membrane, enabling receptor clustering and induction of signalling cascades.
Studies show that Ac and ceramide play a role in several infectious diseases. However, their impact on malaria-causing Plasmodium (P.) infection remains elusive. Using global and cell type-specific Ac-deficient mice, the present study aimed to investigate the role of host cell-intrinsic Ac activity and ceramide on the course of P. yoelii infection. Interestingly, systemic ablation of Ac led to reduced parasitemia and decreased T cell responses in the initial phase of infection. However, analysis of cell type-specific Ac-deficient mice showed that cell-intrinsic ceramide levels in myeloid cells and T cells did not significantly affect the course of P. yoelii infection. Instead, a dysregulated erythropoiesis with reduced numbers of reticulocytes, the target cells of P. yoelii parasites, was identified as underlying mechanism of alleviated parasitemia and delayed T cell responses in Ac KO mice. Well in line, pharmacological inhibition of Ac by carmofur in P. yoelii-infected wild type mice had similar effects on parasitemia and erythropoiesis. Noteworthy, even therapeutic application of carmofur after manifestation of the infection was efficient in reducing the parasite burden.
In addition to its role in parasitic infections, the function of Ac in T cell-mediated immune responses during tumorigenesis was investigated. While the ceramide-generating enzyme acid sphingomyelinase has been extensively studied in T cells, the role of Ac in T cells is largely unknown. Therefore, T cell-specific Ac-deficient mice were used to analyse the impact of Ac on T cell function. In vitro experiments revealed increased T cell receptor signalling in both, Ac-deficient CD4+ and CD8+ T cells, accompanied by an enhanced cytotoxic phenotype. Moreover, antigen-specific Ac-deficient CD8+ T cells exhibited an increased killing capacity in vitro. Strikingly, T cell-specific Ac ablation led to an elevated anti-tumoral immune response, resulting in decreased melanoma progression in vivo.
In summary, this study provides evidence for the involvement of Ac and cell-endogenous ceramide in modulating the course of P. yoelii infection and T cell immune responses during tumorigenesis.Die saure Ceramidase (Ac) ist Teil des Sphingolipid-Metabolismus. Durch die Hydrolyse von Ceramid zu Sphingosin, welches weiter zu Sphingosin-1-Phosphat (S1P) abgebaut wird, ist das Enzym ein wichtiger Regulator des Sphingolipid-Rheostats. Ceramid ist ein bioaktives Molekül, das an vielen zellulären Prozessen beteiligt ist. Es bildet Ceramid-reiche Plattformen in der Plasmamembran, welche das Clustern von Rezeptoren und die Aktivierung von Signalkaskaden beeinflussen.
Studien konnten belegen, dass Ac und Ceramid eine wichtige Rolle in verschiedenen Infektionskrankheiten spielen. Welchen Einfluss sie auf die Malaria-verursachenden Plasmodien (P.)-Infektionen haben, ist bislang jedoch nicht bekannt. Mit Hilfe von globalen und zelltypspezifischen Ac-defizienten Mäusen sollte im Rahmen der vorliegenden Arbeit daher die Rolle der wirtszelleigenen Ac-Aktivität und des zellintrinsischen Ceramids auf den Verlauf der P. yoelii-Infektion im Mausmodell untersucht werden. Interessanterweise wiesen Ac-defiziente (Ac KO) Mäuse in der frühen Phase der Infektion eine deutlich verringerte Parasitämie und eine verminderte T-Zell-Antwort auf. Die Analyse von zelltypspezifischen Ac-defizienten Mäusen zeigte jedoch, dass die zellintrinsischen Ceramidspiegel in myeloiden Zellen und T-Zellen keinen signifikanten Einfluss auf den Verlauf der P. yoelii-Infektion haben. Stattdessen konnte eine gestörte Erythropoese, die mit einer reduzierten Anzahl von Retikulozyten, den Zielzellen der P. yoelii-Parasiten, einherging, als Ursache für die verringerte Parasitämie sowie der daraus resultierenden, verzögerten T-Zell-Reaktion in Ac KO-Mäusen identifiziert werden. Die pharmakologische Ac-Inhibition durch Carmofur in P. yoelii-infizierten Wildtyp-Mäusen führte ebenfalls zu einer dysregulierten Erythropoese und zu einer geringeren Parasitenlast. Auch die therapeutische Anwendung von Carmofur nach Manifestation der Infektion resultierte, im Vergleich zu Vehikel-behandelten Tieren, in einer effizienten Reduktion der Parasitämie.
Zusätzlich zur Rolle von Ac in parasitären Infektionen sollte ihre Funktion in T‑Zellvermittelten Immunantworten während der Tumorgenese untersucht werden. Während die Rolle der Ceramid-bildenden sauren Sphingomyelinase in T-Zellen bereits umfassend untersucht wurde, gibt es bislang kaum Studien, die sich mit der Funktion des Ceramid-abbauenden Enzym Ac in T-Zellen befassen. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe von T-Zell-spezifischen Ac-defizienten Mäusen der Einfluss zellintrinsischer Ac-Aktivität auf die T-Zell-Funktion analysiert. In vitro Experimente zeigten sowohl für Ac-defiziente CD4+, als auch für CD8+ T-Zellen eine stärkere Aktivierung des T-Zell-Rezeptor-Signalweges, sowie eine erhöhte Expression von zytotoxischen Molekülen. Darüber hinaus wiesen antigenspezifische, Ac-defiziente CD8+ T-Zellen in vitro eine erhöhte zytolytische Kapazität auf. In vivo führte die Depletion von Ac in T-Zellen zu einer verstärkten anti-tumoralen Immunantwort und zu geringerem Tumorwachstum.
Zusammenfassend zeigt die vorliegende Studie, dass Ac und zellintrinsische Ceramidspiegel den Verlauf von P. yoelii-Infektionen, sowie die T-Zell-Funktion während der Tumorgenese maßgeblich beeinflussen.