Metabolism and Translocation of Aminophospholipids in Mammalian Cells

In this study we investigated the metabolism, i.e. remodeling and translocation, of the aminophospholipids phosphatidylserine (PS) and phosphatidylethanolamine (PE). A new method for introduction of exogenous PS and PE molecular species to cultured cells was developed, and combined with mass spectrometry it enabled more detailed follow-up of the metabolism of single molecular species than previously. We found that I) exogenous PS and PE molecular species can be efficiently introduced to cultured cells without compromising cell integrity, II) PS and PE molecular species are remodeled by several phospholipases displaying selectivity based on phopholipid head group and acyl chain composition, III) PS decarboxylase (PSD) and Kennedy pathways provide a different PE molecular species composition to the cellular PE pool. In addition, PE species produced by these pathways are translocated from the site of synthesis to other cell compartments depending on their acyl chain composition. The data obtained in the present study helps to understand cellular phospholipid metabolism in more depth. The data show that effective labeling of cultured cells by exogenous phospholipids does not compromise cell viability and may be used to disturb cellular phospholipid composition to study lipid homeostasis. Remodeling and translocation of PS and PE molecular species is highly selective. The developed method and mass- spectrometric techniques may be used in future studies to understand disturbances in lipid homeostasis for example in diabetes mellitus, thus opening doors to optional scientific approaches to study mechanisms behind pathologies related to lipid disturbances.

Tässä väitöskirjatyössä tutkimme kahden aminofosfolipidin, fosfatidyyliseriinin (PS) ja fosfatidyylietanoliamiinin (PE), metaboliaa, tarkemmin ottaen niiden solunsisäistä kuljetusta sekä rasvahappojen muokkausta. Kyseiset fosfolipidit ovat keskeisiä komponentteja lipidikalvoissa jotka ympäröivät kaikkia soluja sekä soluorganelleja. Lipidikalvojen koostumus on tarkoin säädeltyä, mutta säätelymekanismit ovat vielä suurelta osin tuntemattomia. Tutkimuksen päähavainnot olivat I) yksittäisiä PS ja PE molekyylilajeja voidaan viedä soluihin tehokkaasti ilman että solujen elinkyky vaarantuu, II) useat eri (A-tyypin) fosfolipaasit muokkaavat PS ja PE molekyylilajeja ja lisäksi ne ovat selektiivisiä lipidien sisältämien rasvahappojen suhteen kuin myös fosfolipidien polaarisen pään suhteen III) solujen PE koostumus rakentuu kahden eri synteesireitin tuotteiden kautta joista molemmat tuottavat erilaisen PE molekyylilajikoostumuksen. Lisäksi, eri PS ja PE molekyylilajit liikkuvat solun sisällä eri tavoin riippuen niiden rasvahappokoostumuksesta. Kehittämämme massaspektrometriaan perustuva menetelmä avaa uusia ulottuvuuksia (fosfo)lipidimetabolian tutkimukselle ja tulee siten ratkaisevasti edesauttamaan solujen lipidihomeostaasia ylläpitävien mekanismien selvittämistä. Käytimme kehittämäämme menetelmää menestyksellisesti PS ja PE molekyylilajien muokkauksen ja kuljetuksen tutkimisessa. Lisäksi tässä työssä tutkituilla A-tyypin fosfolipaaseilla on keskeinen rooli useissa merkitävissä taudeissa, joten niiden toimintamekanismien (mm. substraattispesifisyyden) selvittäminen edesauttaa merkittävästi näiden tautien taustalla olevien ilmiöiden selvittämämistä sekä mahdolliseti uusien lääkkeiden kehittämistä. Kehittämäämme lipidimetabolian massaspektrometriseen tutkimusmenetelmään ei liity terveysriskejä, joten sitä voidaan soveltaa myös ihmisen lipidimetabolian yksityiskohtaiseen kartoittamiseen in vivo. Tämä puolestaan voi hyvinkin edesauttaa useiden kansaterveyttä rasittavien, lipidimetaboliaan liittyvien sairauksien, kuten esim. tyyppi 2 diabeteksen, ateroskleroosin ja Alzheimerin taudin diagnosointia ja hoidon seurantaa.