Brain lipids that induce sleep are novel modulators of 5-hydroxytrypamine receptors.

Amide derivatives of fatty acids were recently isolated from cerebrospinal fluid of sleep-deprived animals and found to induce sleep in rats. To determine which brain receptors might be sensitive to these novel neuromodulators, we tested them on a range of receptors expressed in Xenopus oocytes. cis-9,10-Octadecenamide (ODA) markedly potentiated the action of 5-hydroxytryptamine (5-HT) on 5-HT2A and 5-HT2C receptors, but this action was not shared by related compounds such as oleic acid and trans-9,10-octacenamide. ODA was active at concentrations as low as 1 nM. The saturated analog, octadecanamide, inhibited rather than potentiated 5-HT2C responses. ODA had either no effect or only weak effects on other receptors, including muscarinic cholinergic, metabotropic glutamate, GABA(A), N-methyl-D-asparate, or alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxozolepropionic acid receptors. Modulation of 5-HT2 receptors by ODA and related lipids may represent a novel mechanism for regulation of receptors that activate G proteins and thereby play a role in alertness, sleep, and mood as well as disturbances of these states.

Lipoxygenase-catalyzed oxygenation of storage lipids is implicated in lipid mobilization during germination.

The etiolated germination process of oilseed plants is characterized by the mobilization of storage lipids, which serve as a major carbon source for the seedling. We found that during early stages of germination in cucumber, a lipoxygenase (linoleate: oxygen oxidoreductase, EC 1.13.11.12) form is induced that is capable of oxygenating the esterified fatty acids located in the lipid-storage organelles, the so-called lipid bodies. Large amounts of esterified (13S)-hydroxy-(9Z,11E)-octadecadienoic acid were detected in the lipid bodies, whereas only traces of other oxygenated fatty acid isomers were found. This specific product pattern confirms the in vivo action of this lipoxygenase form during germination. Lipid fractionation studies of lipid bodies indicated the presence of lipoxygenase products both in the storage triacylglycerols and, to a higher extent, in the phospholipids surrounding the lipid stores as a monolayer. The degree of oxygenation of the storage lipids increased drastically during the time course of germination. We show that oxygenated fatty acids are preferentially cleaved from the lipid bodies and are subsequently released into the cytoplasm. We suggest that they may serve as substrate for beta-oxidation. These data suggest that during the etiolated germination, a lipoxygenase initiates the mobilization of storage lipids. The possible mechanisms of this implication are discussed.

Molecular organization of histidine-tagged biomolecules at self-assembled lipid interfaces using a novel class of chelator lipids.

In molecular biology, the expression of fusion proteins is a very useful and well-established technique for the identification and one-step purification of gene products. Even a short fused sequence of five or six histidines enables proteins to bind to an immobilized metal ion chelate complex. By synthesis of a class of chelator lipids, we have transferred this approach to the concept of self-assembly. The specific interaction and lateral organization of a fluorescent fusion molecule containing a C-terminal oligohistidine sequence was studied by film balance techniques in combination with epifluorescence microscopy. Due to the phase behavior of the various lipid mixtures used, the chelator lipids can be laterally structured, generating two-dimensional arrays of histidine-tagged biomolecules. Because of the large variety of fusion proteins already available, this concept represents a powerful technique for orientation and organization of proteins at lipid interfaces with applications in biosensing, biofunctionalization of nanostructured interfaces, two-dimensional crystallization, and studies of lipid-anchored proteins.

Unsaturation of the membrane lipids of chloroplasts stabilizes the photosynthetic machinery against low-temperature photoinhibition in transgenic tobacco plants.

Using tobacco plants that had been transformed with the cDNA for glycerol-3-phosphate acyltransferase, we have demonstrated that chilling tolerance is affected by the levels of unsaturated membrane lipids. In the present study, we examined the effects of the transformation of tobacco plants with cDNA for glycerol-3-phosphate acyltransferase from squash on the unsaturation of fatty acids in thylakoid membrane lipids and the response of photosynthesis to various temperatures. Of the four major lipid classes isolated from the thylakoid membranes, phosphatidylglycerol showed the most conspicuous decrease in the level of unsaturation in the transformed plants. The isolated thylakoid membranes from wild-type and transgenic plants did not significantly differ from each other in terms of the sensitivity of photosystem II to high and low temperatures and also to photoinhibition. However, leaves of the transformed plants were more sensitive to photoinhibition than those of wild-type plants. Moreover, the recovery of photosynthesis from photoinhibition in leaves of wild-type plants was faster than that in leaves of the transgenic tobacco plants. These results suggest that unsaturation of fatty acids of phosphatidylglycerol in thylakoid membranes stabilizes the photosynthetic machinery against low-temperature photoinhibition by accelerating the recovery of the photosystem II protein complex.

Dietary lipids and calorie restriction affect mammary tumor incidence and gene expression in mouse mammary tumor virus/v-Ha-ras transgenic mice.

We have studied the effects of food restriction (FR) and substitution of fish oil (FO; omega 3) for corn oil (CO; omega 6) on breast tumor incidence and survival in mouse mammary tumor virus/v-Ha-ras transgenic (Onco) mice. The diets were as follows: group 1, 5% (wt/wt) CO fed ad libitum (AL); group 2, 5% CO, restricted calories (40% fewer calories than AL; FR); group 3, 20% CO fed AL; and group 4, 20% FO fed AL. After 3 years, 40% of FR Onco (group 2) mice were alive, whereas there were no survivors in the other three groups. Similarly, tumor incidence was reduced to 27% (5 out of 18) in FR animals (group 2), whereas it was 83% (11 out of 13) in group 1 mice, 89% (16 out of 18) in group 3 mice, and 71% (10 out of 14) in group 4 mice. These protective effects of FR on survival and tumor incidence were paralleled by higher expression of the tumor suppressor gene p53 (wild type) and free-radical scavenging enzymes (catalase and superoxide dismutase) in breast tumors. Immunoblotting showed less ras gene product, p21, and increased p53 levels in the tumors of FR mice. In addition, FR decreased RNA levels of c-erbB-2, interleukin 6, and the transgene v-Ha-ras in tumors. In contrast, analysis of hepatic mRNA from tumor-bearing FR mice revealed higher expression of catalase, glutathione peroxidase, and superoxide dismutase. Survival and tumor incidence were not influenced significantly by dietary supplementation with FO in place of CO. Taken together, our studies suggest that moderate restriction of energy intake significantly inhibited the development of mammary tumors and altered expression of cytokines, oncogenes, and free-radical scavenging enzymes.

Chlorinated lipids and fatty acids:an emerging role in pathology

Although the existence of halogenated lipids in lower organisms has been known for many years, it is only since the 1990s that interest in their occurrence in mammalian systems has developed. Chlorinated (and other halogenated) lipids can arise from oxidation by hypohalous acids, such as HOCl, which are products of the phagocytic enzyme myeloperoxidase and are generated during inflammation. The major species of chlorinated lipids investigated to date are chlorinated sterols, fatty acid and phospholipid chlorohydrins, and a-chloro fatty aldehydes. While all of these chlorinated lipids have been shown to be produced in model systems from lipoproteins to cells subjected to oxidative stress, as yet only a-chloro fatty aldehydes, such as 2-chlorohexadecanal, have been detected in clinical samples or animal models of disease. a-Chloro fatty aldehydes and chlorohydrins have been found to have a number of potentially pro-inflammatory effects ranging from toxicity to inhibition of nitric oxide synthesis and upregulation of vascular adhesion molecules. Thus evidence is building for a role of chlorinated lipids in inflammatory disease, although much more research is required to establish the contributions of specific compounds in different disease pathologies. Preventing chlorinated lipid formation and indeed other HOCl-induced damage, via the inhibition of myeloperoxidase, is an area of growing interest and may lead in the future to antimyeloperoxidase-based antiinflammatory therapy. However, other chlorinated lipids, such as punaglandins, have beneficial effects that could offer novel therapies for cancer.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Role of membrane lipids in the regulation of erythrocytic oxygen-transport function in cardiovascular diseases

The composition and condition of membrane lipids, the morphology of erythrocytes, and hemoglobin distribution were explored with the help of laser interference microscopy (LIM) and Raman spectroscopy. It is shown that patients with cardiovascular diseases (CVD) have significant changes in the composition of their phospholipids and the fatty acids of membrane lipids. Furthermore, the microviscosity of the membranes and morphology of the erythrocytes are altered causing disordered oxygen transport by hemoglobin. Basic therapy carried out with the use of antiaggregants, statins, antianginals, beta-blockers, and calcium antagonists does not help to recover themorphofunctional properties of erythrocytes. Based on the results the authors assume that, for the relief of the ischemic crisis and further therapeutic treatment, it is necessary to include, in addition to cardiovascular disease medicines, medication that increases the ability of erythrocytes’ hemoglobin to transport oxygen to the tissues. We assume that the use of LIM and Raman spectroscopy is advisable for early diagnosis of changes in the structure and functional state of erythrocytes when cardiovascular diseases develop.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Lipids in Amyloid-β processing, aggregation, and toxicity

Aggregation of amyloid-beta (Aβ) peptide is the major event underlying neuronal damage in Alzheimer's disease (AD). Specific lipids and their homeostasis play important roles in this and other neurodegenerative disorders. The complex interplay between the lipids and the generation, clearance or deposition of Aβ has been intensively investigated and is reviewed in this chapter. Membrane lipids can have an important influence on the biogenesis of Aβ from its precursor protein. In particular, increased cholesterol in the plasma membrane augments Aβ generation and shows a strong positive correlation with AD progression. Furthermore, apolipoprotein E, which transports cholesterol in the cerebrospinal fluid and is known to interact with Aβ or compete with it for the lipoprotein receptor binding, significantly influences Aβ clearance in an isoform-specific manner and is the major genetic risk factor for AD. Aβ is an amphiphilic peptide that interacts with various lipids, proteins and their assemblies, which can lead to variation in Aβ aggregation in vitro and in vivo. Upon interaction with the lipid raft components, such as cholesterol, gangliosides and phospholipids, Aβ can aggregate on the cell membrane and thereby disrupt it, perhaps by forming channel-like pores. This leads to perturbed cellular calcium homeostasis, suggesting that Aβ-lipid interactions at the cell membrane probably trigger the neurotoxic cascade in AD. Here, we overview the roles of specific lipids, lipid assemblies and apolipoprotein E in Aβ processing, clearance and aggregation, and discuss the contribution of these factors to the neurotoxicity in AD.