Functions of the ceramide synthase 3 and very long chain sphingolipids during establishment of the epidermis and its water permeability barrier

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Roger Sandhoff
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 170949669

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Eine lebensnotwendige Funktion unserer Haut wird von einer Lipid-basierten Barriere im verhornten Epithel der äußersten Hautschicht wahrgenommen. Sie verhindert, dass Wasser aus unserem Körper unkontrolliert nach außen dringt. Fast die Hälfte dieser Lipide sind Ceramide, die zu einem hohen Anteil aus Haut-spezifischen Strukturen mit besonders langen, omega-veresterten und damit wasserabweisenden Acylketten bestehen. Diese ultralangkettigen, omega-hydroxylierten Ceramide werden einerseits kovalent an die Proteine des „Cornified Envelop“ der Corneozyten gebunden und ergeben den „Cornified Lipid Envelop“; andererseits werden sie mit Linolsäure omega-verestert und bilden zusammen mit einfachen Ceramiden, freien Fettsäuren und Cholesterol kontinuierliche, hochgeordnete Lipidlamellen, die zwischen den Corneozyten eingebettet sind. Beide Strukturen zusammen bilden eine Barriere, die einen fatalen Wasserverlust des Körpers effizient verhindert. Im Rahmen dieses Projektes konnten wir anhand von klassischen und zelltyp-spezifischen Mausmodellen zeigen, dass von allen Ceramidsynthasen allein die Ceramidsynthase 3 (CerS3) für die Ausbildung der Wasserpermeabilitätsbarriere, aber auch für Ausbildung der Immunbarriere der Haut essentiell ist, da nur sie  die Synthese der besonders langkettigen Ceramide (und komplexeren Sphingolipide) in der Haut katalysiert. Unsere in vitro- und in vivo-Daten zeigen, dass die CerS3 in den Keratinozyten der Haut besonders stark exprimiert wird und als einzige Ceramidsynthase die besonders langkettigen Acyl-CoA-Substrate effektiv in Ceramide einbaut.  Von deren Synthese hängt die Bildung des „Cornified Lipid Envelopes“ und der kontinuierlichen extrazellulären Lipidlamellen  sowie die finale Generierung antimikrobieller Sphingoidbasen auf der Hautoberfläche ab.  Durch zellspezifische Deletion der CerS3 in Spermatogonien konnten wir aufzeigen, dass die CerS3 essentiell für den vollständigen Ablauf der Spermatogenese und damit für die Fertilität ist:  denn nur die CerS3 ermöglicht die Bildung besonders langkettigerhochungesättiger Sphingolipide (Ceramide, Glycosphingolipide und Sphingomyeline) am Ende der Meiose und in elongierten Spermien.  Von diesen komplexen Strukturen hängt die Stabilität der interzellulären Brücken zwischen runden Spermatiden eines Keimzellklons/Synzytiums ab. Bei Funktionsverlust der CerS3 lösen sich diese interzellulären Brücken auf, welche ansonsten eine synchronisierte Reifung eines Klons bis zur Spermiation der Spermatozoen garantieren. Weiterhin haben wir in der murinen und menschlichen Epidermis äußerst hydrophobe 1-O- Acylceramide entdeckt. Die über 80 neu identifizierten Strukturen könnten zur Wasserpermeabilitätsbarriere beitragen. Schließlich wurde eine Regulation der Sphingolipid-Expression in Epithelzellen durch den Transkriptionsfaktor Zeb1 aufgezeigt, der über die Sphingolipide den epithelialen Differenzierungsstatus reguliert. Inzwischen wurden auch Mutationen im CERS3–Gen als Ursache für Ichthyosen beim Menschen nachgewiesen, und das CERS3-Gen wurde in die Liste der Gene aufgenommen, die bei der Diagnose von Ichthyose bei Patienten routinemäßig sequenziert werden. Unsere detaillierte Analyse der pathophysiologischen Konsequenzen des CerS3-Defektes im Mausmodell war Grundlage für das Verständnis der pathologischen Hautveränderungen bei Ichthyosen und deckt die essentiellen Funktionen der entsprechenden Sphingolipide auch für die Immunbarriere unseres Körpers auf. Im Gegensatz zu den ultralangkettigen Sphingolipiden der Haut werden die CerS3-abhängigen Sphingolipide der Keimzellen nicht sekretiert, sondern erfüllen ihre Funktion in den Keimzellmembranen. Durch „kombinatorische Biochemie“, d.h. durch Wechselwirkungen der Elongase Elovl2 (und nicht, wie in der Haut, der Elovl1/Elovl4) mit der in den Keimzellen ebenfalls stark exprimierten CerS3 entstehen ganz andere, einmalige und für die Keimzellentwicklung ganz essentielle Sphingolipid-Strukturen. Anstelle der üblichen Elovl1-Acylsubstrate liefert Elovl2 hochungesättigte Substrate für die CerS3. Dadurch entstehen Sphingolipide mit ultralangen, aber hochungesättigten Acylankern, welche für die Stabilität und Ausbildung spezieller Keimzellstrukturen während der Spermatogenese essentiell sind. Fehlen diese keimzellspezifischen Sphingolipide, lösen sich die interzellulären Brücken des Synzytiums auf und es kommt zum Arrest der Spermatogenese. Möglicherweise stabilisieren die keimzellspezifischen Sphingolipide besonders starke Membrankurvaturen der interzellulären Brücken von runden Spermatiden. Darüber hinaus könnten sie zur Beweglichkeit der Flagellen nach der Kapazitation bei der Befruchtung beitragen. Unsere Analysen an humanen Hoden unterstützen die Annahme, dass sich die Befunde des Mausmodells auf den Mann übertragen lassen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Normal fur development and sebum production depends on fatty acid 2-hydroxylase expression in sebaceous glands. J Biol Chem. 2011; 286: 25922-25934
  Maier H, Meixner M, Hartmann D, Sandhoff R, Wang-Eckhardt L, Zoller I, Gieselmann V and Eckhardt M
  
• Loss of ceramide synthase 3 causes lethal skin barrier disruption. Hum Mol Genet. 2012; 21: 586-608
  Jennemann R, Rabionet M, Gorgas K, Epstein S, Dalpke A, Rothermel U, Bayerle A, van der Hoeven F, Imgrund S, Kirsch J, Nickel W, Willecke K, Riezman H, Grone HJ and Sandhoff, R
  
• 1-O-acylceramides are natural components of human and mouse epidermis. J Lipid Res. 2013; 54: 3312-3321
  Rabionet M, Bayerle A, Marsching C, Jennemann R, Grone HJ, Yildiz Y, Wachten D, Shaw W, Shayman JA and Sandhoff R
  
• Differentiation of epidermal keratinocytes is dependent on glucosylceramide:ceramide processing. Hum Mol Genet. 2013; 22: 4164-4179
  Amen N, Mathow D, Rabionet M, Sandhoff R, Langbein L, Gretz N, Jackel C, Grone HJ and Jennemann R
  
• Ceramide synthesis in the epidermis. Biochim Biophys Acta. 2014; 1841: 422-434
  Rabionet M, Gorgas K and Sandhoff R
  
• Male Meiotic Cytokinesis Requires Ceramide Synthase 3-Dependent Sphingolipids with Unique Membrane Anchors. Hum Mol Genet. 2015
  Rabionet M, Bayerle A, Jennemann R, Heid H, Fuchser J, Marsching C, Porubsky S, Bolenz C, Guillou F, Grone HJ, Gorgas K and Sandhoff R
  
• Zeb1 affects epithelial cell adhesion by diverting glycosphingolipid metabolism. EMBO Rep. 2015; 16: 321-331
  Mathow D, Chessa F, Rabionet M, Kaden S, Jennemann R, Sandhoff R, Grone HJ and Feuerborn A