ABSTRACT Dysregulation of energy balance leading to obesity is a significant risk factor for cardiometabolic diseases such as diabetes, non-alcoholic fatty liver disease and atherosclerosis. In rodents and a number of other vertebrates, feeding has been shown to induce a rapid rise in the intestinal levels of N -acyl-ethanolamines (NAEs) and the chronic consumption of a high fat diet abolishes this rise. Administering NAEs to rodents consuming a high fat diet reduces their adiposity, in part by reducing food intake and enhancing fat oxidation, so that feeding-induced intestinal NAE biosynthesis appears to be critical to appropriate regulation of energy balance. However, the contribution of feeding-induced intestinal NAE biosynthesis to appropriate energy balance remains poorly understood because the specific enzymes responsible for feeding-induced NAE biosynthesis have not been identified. The rate-limiting step in the intestinal biosynthesis of NAEs is formation of their immediate precursors, the N -acyl-phosphatidylethanolamines (NAPEs), by phosphatidylethanolamine N -acyltransferases (NATs). At least six NATs are found in humans and multiple homologs of these NATs are found in most vertebrate species. In recent years, the fecundity and small size of zebrafish ( Danio rerio ), as well as their similarities in feeding behavior and energy balance regulation with mammals, have led to their use to model key features of cardiometabolic disease. We therefore searched the Danio rerio genome to identify all NAT homologs and found two additional NAT homologs besides the previously reported plaat1 , rarres3 , and rarres3l , and used CRISPR/cas9 to delete these two NAT homologs ( plaat1l1 and plaat1l2 ). While wild-type fish markedly increased their intestinal NAPE and NAE levels in response to a meal after fasting, this response was completely ablated in plaat1l1 -/- fish. Furthermore, plaat1l1 -/- fish fed a standard flake diet had increased weight gain and glucose intolerance compared to wild-type fish. The results support a critical role for feeding-induced NAE biosynthesis in regulating energy balance and suggest that restoring this response in obese animals could potentially be used to treat obesity and cardiometabolic disease.

N-acyl-phosphatidylethanolamine phospholipase D (NAPE-PLD) (EC 3.1.4.4) catalyzes the final step in the biosynthesis of N-acyl-ethanolamides (NAEs). Reduced NAPE-PLD expression and activity may contribute to obesity and inflammation, but a major obstacle to elucidating the role of NAPE-PLD and NAE biosynthesis in various physiological processes has been the lack of effective NAPE-PLD inhibitors. The endogenous bile acid lithocholic acid (LCA) inhibits NAPE-PLD activity (IC50 68 M) but LCA is also a highly potent ligand for TGR5 (EC50 0.52 M). Recently, the first selective small molecule inhibitor of NAPE-PLD, ARN19874, was reported (IC50 34 M). To identify more potent inhibitors of NAPE-PLD, we screened compounds using a quenched fluorescent NAPE analog, PED-A1, as a substrate for recombinant mouse NAPE-PLD. Screened compounds included a panel of bile acids as well as a library of experimental compounds (the Spectrum Collection). Muricholic acids and several other bile acids inhibited NAPE-PLD with potency similar to LCA. Fourteen potent NAPE-PLD inhibitors were identified in the Spectrum Collection, with the two most potent (IC50 ~2 M) being symmetrically substituted dichlorophenes: hexachlorophene and bithionol. Structure activity relationship assays using additional substituted dichlorophenes identified key moieties needed for NAPE-PLD inhibition. Both hexachlorophene and bithionol showed significant selectivity for NAPE-PLD compared to non-target lipase activities such as S. chromofuscus PLD activity or serum lipase activity. Both also effectively inhibited NAPE-PLD activity in cultured HEK293 cells.

N -acyl-phosphatidylethanolamine hydrolyzing phospholipase D (NAPE-PLD) is a zinc metallohydrolase that hydrolyzes N -acyl-phosphatidylethanolamine (NAPEs) to form N -acyl-ethanolamides (NAEs) and phosphatidic acid. Several lines of evidence suggest that reduced NAPE-PLD activity could contribute to cardiometabolic diseases. For instance, NAPEPLD expression is reduced in human coronary arteries with unstable atherosclerotic lesions, defective efferocytosis is implicated in the enlargement of necrotic cores of these lesions, and NAPE-PLD products such as palmitoylethanolamide and oleoylethanolamide have been shown to enhance efferocytosis. Thus, enzyme activation mediated by a small molecule may serve as a therapeutic treatment for cardiometabolic diseases. As a proof-of-concept study, we sought to identify small molecule activators of NAPE-PLD. High-throughput screening followed by hit validation and primary lead optimization studies identified a series of benzothiazole phenylsulfonyl-piperidine carboxamides that variably increased activity of both mouse and human NAPE-PLD. From this set of small molecules, two NAPE-PLD activators (VU534 and VU533) were shown to increase efferocytosis by bone-marrow derived macrophages isolated from wild-type mice, while efferocytosis was significantly reduced in Napepld-/- BMDM or after Nape-pld inhibition. Together these studies demonstrate an essential role for NAPE-PLD in the regulation of efferocytosis and the potential value of NAPE-PLD activators as a strategy to treat cardiometabolic diseases.