Abstract Extracellular vesicles (EVs) are shed from the plasma membrane, but the regulation and function of these EVs remain unclear. We found that oxidative stress induced by H 2 O 2 in Hela cells stimulated filopodia formation and the secretion of EVs. EVs were small (150 nm) and labeled for CD44, indicating that they were derived from filopodia. Filopodia‐derived small EVs (sEVs) were enriched with the sphingolipid ceramide, consistent with increased ceramide in the plasma membrane of filopodia. Ceramide was colocalized with neutral sphingomyelinase 2 (nSMase2) and acid sphingomyelinase (ASM), two sphingomyelinases generating ceramide at the plasma membrane. Inhibition of nSMase2 and ASM prevented oxidative stress‐induced sEV shedding but only nSMase2 inhibition prevented filopodia formation. nSMase2 was S‐palmitoylated and interacted with ASM in filopodia to generate ceramide for sEV shedding. sEVs contained nSMase2 and ASM and decreased the level of these two enzymes in oxidatively stressed Hela cells. A novel metabolic labeling technique for EVs showed that oxidative stress induced secretion of fluorescent sEVs labeled with NBD‐ceramide. NBD‐ceramide‐labeled sEVs transported ceramide to mitochondria, ultimately inducing cell death in a proportion of neuronal (N2a) cells. In conclusion, using Hela cells we provide evidence that oxidative stress induces interaction of nSMase2 and ASM at filopodia, which leads to shedding of ceramide‐rich sEVs that target mitochondria and propagate cell death.

Abstract We have shown that deficiency of neutral sphingomyelinase 2 (nSMase2), an enzyme generating the sphingolipid ceramide, improves memory in adult mice. Here, we performed sphingolipid and RNA-seq analyses on the cortex from 10 month-old nSMase2-deficient ( fro/fro ) and heterozygous (+/ fro ) mice. fro / fro cortex showed reduced levels of ceramide, particularly in astrocytes. Differentially abundant transcripts included several functionally related groups, with decreases in mitochondrial oxidative phosphorylation and astrocyte activation transcripts, while axon guidance and synaptic transmission transcripts were increased, indicating a role of nSMase2 in oxidative stress, astrocyte activation, and cognition. Experimentally induced oxidative stress decreased the level of glutathione (GSH), an endogenous inhibitor of nSMase2, and increased immunolabeling for ceramide in primary +/ fro astrocytes, but not in fro/fro astrocytes. β-galactosidase activity was lower in 5-weeks old fro/fro astrocytes, indicating delayed senescence due to nSMase2 deficiency. In fro/fro cortex, levels of the senescence markers C3b and p27, and the proinflammatory cytokines interleukin 1β, interleukin 6, and tumor necrosis factor α were reduced, concurrent with 2-fold decreased phosphorylation of their downstream target, protein kinase Stat3. RNA and protein levels of the ionotropic glutamate receptor subunit 2b (Grin2b or NR2B) were increased by 2-fold, an effect known to enhance cognition. This was consistent with 3.5-fold reduced levels of exosomes carrying miR-223-3p, a micro-RNA downregulating Grin2b. In summary, our data show that nSMase2 deficiency prevents oxidative stress-induced elevation of ceramide and secretion of exosomes by astrocytes that suppress neuronal function, indicating a role of nSMase2 in the regulation of neuroinflammation and cognition during brain aging. Significance statement Oxidative stress is associated with brain aging and cognitive decline. The underlying mechanism how oxidative stress impairs brain function is still not clear. We provide evidence that oxidative stress increases ceramide in astrocytes, which is prevented by deficiency of nSMase2, an enzyme that is activated by oxidative stress and generates ceramide from sphingomyelin. Mass spectrometric and transciptomic (RNA-seq) analyses show that in middle aged (10-month old) mouse cortex, nSMase2 deficiency reduces ceramide and increases expression of genes important for synaptic transmission and cognition. Therefore, our data show that oxidative stress-induced activation of nSMase2 and generation of ceramide is significant for cognitive decline during aging.