The role of acid ceramidase in host defense against enteropathogenic bacterial infection
The sphingolipid family comprises important components of the cellular membrane and its members ceramide (Cer), sphingosine (Sph) and sphingosine-1-phosphate (S1P) are involved in various cellular processes. Ceramide is the central hub of the sphingolipid metabolism and is hydrolysed by acid ceramidase (Ac) to form Sph, which gives rise to S1P. The functions of sphingolipid enzymes have been investigated in infections or gut inflammation, however studies on the role of Ac in intestinal inflammation are limited and are lacking in the context of gut infection.
In the present study, the impact of Ac on the host response against attaching and effacing bacterial infection of the gut was investigated using the natural murine enteropathogen Citrobacter (C.) rodentium. Mouse strains with systemic and cell type specific Ac depletion were implemented to unravel the contribution of Ac to the distinct cellular responses in gut infection. Global Ac deficiency enhanced susceptibility to C. rodentium induced colitis, with influx of inflammatory immune cells into the colonic mucosa. Acid ceramidase depletion in intestinal organoids, a 3D ex vivo model of the epithelium, and C. rodentium infection of mice with epithelial specific deletion revealed that Ac does not impair epithelial function under homeostasis nor during disease. Macrophage and granulocyte specific Ac ablation showed modest effects in colonic histopathology and cytokine milieu, indicating that Ac is of minor importance in these cells to combat bacterial infection. Acid ceramidase deficiency in T cells aggravated bacterial-induced colitis, with a pro-inflammatory cytokine release in the colon originating from overshooting T helper (Th)1 and Th17 responses. CD4+ and CD8+ cytotoxic T lymphocytes further contributed to intestinal inflammation. These hyperactive, pro-inflammatory T cell responses were also systemically evident. Finally, RNA sequencing of CD4+ T cells revealed that Ac may influence T cell activation and differentiation through alternative splicing, oxidative phosphorylation and signaling proteins such as D-aspartate methyltransferase and the interferon alpha/beta receptor.
In conclusion, Ac seems to function as a checkpoint controlling effector T cell function. Thus, Ac expression in T cells, but not in epithelial cells, macrophages and granulocytes, is an important factor for host protection in intestinal infection.
Die Familie der Sphingolipide umfasst wichtige Komponenten der Zellmembran, darüber hinaus sind ihre Vertreter Ceramid (Cer), Sphingosin (Sph) und Sphingosin-1-phosphat (S1P) an diversen zellulären Prozessen beteiligt. Ceramid ist der zentrale Knotenpunkt des Sphingolipid-Stoffwechsels und wird durch die saure Ceramidase (Ac) zu Sph hydrolysiert, aus dem wiederum S1P entsteht. Die Funktion von Enzymen des Sphingolipidsystems wurde in Bezug auf Infektionen oder entzündliche Darmerkrankungen untersucht, jedoch ist die Studienlage zur Rolle von Ac bei Darmentzündungen begrenzt und Studien zu seiner Rolle in der Darminfektion sind nicht vorhanden.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Auswirkung von Ac auf die zelluläre Wirtsreaktion gegenüber einer bakteriellen Darminfektion unter Verwendung des natürlichen murinen Enteropathogens Citrobacter (C.) rodentium untersucht. Um den Einfluss dieses Enzyms auf die Funktion der verschiedenen Zellen zur Abwehr des Pathogens zu untersuchen, wurden Mauslinien mit systemischer und Zelltyp-spezifischer Depletion von Ac eingesetzt. Die globale Ac-Defizienz führte zu einer verstärkten Kolitis in der C. rodentium Infektion, wobei entzündliche Immunzellen vermehrt in die Darmschleimhaut einwanderten. Die Deletion von Ac in Darmorganoiden, einem ex vivo 3D Epithelmodell, und die in vivo Infektion von Mäusen mit C. rodentium bei Epithelzell-spezifischer Defizienz von Ac ergaben, dass Ac unter Homoöstase und in der Infektion keinen Einfluss auf die Epithelfunktion hat. Eine Makrophagen- und Granulozyten-spezifische Ac-Ablation führte zu moderaten Auswirkungen auf die Histopathologie und das Zytokinmilieu im Kolon während der Infektion. Dies zeigt, dass Ac in diesen Zellen von geringer Bedeutung für die Bekämpfung der Bakterien ist. Der Ac-Mangel in T-Zellen verstärkte jedoch die bakterielle Kolitis, in der durch überschießende T-Helfer (Th)1- und Th17-Reaktionen ein pro‑inflammatorisches Mikromilieu im Kolon verursacht wurde. Die Ac-Defizienz förderte zudem die Generierung von CD4+ und CD8+ zytotoxischen T-Lymphozyten, die zur Darmentzündung beitrugen. Darüber hinaus konnten die hyperaktiven, entzündlichen Reaktionen der T‑Zellen auch systemisch nachgewiesen werden. Schließlich ergab eine RNA-Sequenzierung von CD4+ T-Zellen, dass Ac möglicherweise die T-Zellfunktion durch alternatives Spleißen, oxidative Phosphorylierung und Signalproteine wie die D-Aspartat-Methyltransferase und den Interferon alpha/beta Rezeptor beeinflussen kann.
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass Ac die Aktivität von Effektor T-Zellen reguliert. Damit ist die Expression von Ac in T-Zellen, jedoch nicht in Epithelzellen, Makrophagen und Granulozyten, ein wichtiger Faktor zum Schutz des Wirtes während einer Darminfektion.