Cholesterol-mediated lipid interactions are thought to have a functional role in many membrane-associated processes such as signalling events. Although several experiments indicate their existence, lipid nanodomains ('rafts') remain controversial owing to the lack of suitable detection techniques in living cells. The controversy is reflected in their putative size of 5-200 nm, spanning the range between the extent of a protein complex and the resolution limit of optical microscopy. Here we demonstrate the ability of stimulated emission depletion (STED) far-field fluorescence nanoscopy to detect single diffusing (lipid) molecules in nanosized areas in the plasma membrane of living cells. Tuning of the probed area to spot sizes approximately 70-fold below the diffraction barrier reveals that unlike phosphoglycerolipids, sphingolipids and glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins are transiently ( approximately 10-20 ms) trapped in cholesterol-mediated molecular complexes dwelling within <20-nm diameter areas. The non-invasive optical recording of molecular time traces and fluctuation data in tunable nanoscale domains is a powerful new approach to study the dynamics of biomolecules in living cells.

Clustering seems to be employed by many receptors for transmembrane signaling. Here, we show that acid sphingomyelinase (ASM)-released ceramide is essential for clustering of CD95.In vitro and in vivo, extracellularly orientated ceramide, released upon CD95-triggered translocation of ASM to the plasma membrane outer surface, enabled clustering of CD95 in sphingolipid-rich membrane rafts and apoptosis induction. Whereas ASM deficiency, destruction of rafts, or neutralization of surface ceramide prevented CD95 clustering and apoptosis, natural ceramide only rescued ASM-deficient cells. The data suggest CD95-mediated clustering by ceramide is prerequisite for signaling and death.

Gangliosides are sialic acid-containing glycosphingolipids that are present on all mammalian plasma membranes where they participate in recognition and signaling activities. We have established mutant mice that lack GM3 synthase (CMP-NeuAc:lactosylceramide α2,3-sialyltransferase; EC 2.4.99.-). These mutant mice were unable to synthesize GM3 ganglioside, a simple and widely distributed glycosphingolipid. The mutant mice were viable and appeared without major abnormalities but showed a heightened sensitivity to insulin. A basis for the increased insulin sensitivity in the mutant mice was found to be enhanced insulin receptor phosphorylation in skeletal muscle. Importantly, the mutant mice were protected from high-fat diet-induced insulin resistance. Our results show that GM3 ganglioside is a negative regulator of insulin signaling, making it a potential therapeutic target in type 2 diabetes.

Glycosphingolipids (GSLs) are believed to be integral for the dynamics of many cell membrane events, including cellular interactions, signaling, and trafficking. We have investigated their roles in development and differentiation by eliminating the major synthesis pathway of GSLs through targeted disruption of the Ugcg gene encoding glucosylceramide synthase. In the absence of GSL synthesis, embryogenesis proceeded well into gastrulation with differentiation into primitive germ layers and patterning of the embryo but was abruptly halted by a major apoptotic process. In vivo , embryonic stem cells deficient in GSL synthesis were again able to differentiate into endodermal, mesodermal, and ectodermal derivatives but were strikingly deficient in their ability to form well differentiated tissues. In vitro , however, hematopoietic and neuronal differentiation could be induced. The results demonstrate that the synthesis of GSL structures is essential for embryonic development and for the differentiation of some tissues and support the concept that GSLs are involved in crucial cell interactions mediating these processes.

CD8 T lymphocytes are important effectors in protective immunity against Mycobacterium tuberculosis. We recently characterized the detour pathway of CD8 T cell activation in tuberculosis mediated by apoptotic vesicles from infected cells that transport mycobacterial antigens to dendritic cells (DCs). Here we demonstrate that apoptotic vesicles from mycobacteria-infected macrophages stimulate CD8 T cells in vivo. Homing of DCs to draining lymph nodes was critically required for effective crosspriming. Subsequent fate of vesicle-associated antigens in recipient DCs was characterized by endosomal mechanisms predominating over proteasomal processing. In addition, vesicle processing depended on the presence of saposins to disintegrate apoptotic membranes. Apoptotic vesicles displayed potent adjuvant activity by stimulating through Toll-like receptors (TLR). Ultimately, vaccination with vesicles from infected cells induced protection against M. tuberculosis infection. Taken together, we propose the detour pathway to represent a genuine immunological mechanism mediating crosspriming of CD8 T cells in vivo and protection against tuberculosis.

Fumonisins, mycotoxins produced by Fusarium moniliforme and a number of other fungi, cause neuronal degeneration, liver and renal toxicity, cancer, and other injury to animals. Recent work with rat hepatocytes (Wang, E., Norred, W. P., Bacon, C. W., Riley, R. T., and Merrill, A. H., Jr. (1991) J. Biol. Chem. 266, 14486-14490) found that fumonisins block sphingosine biosynthesis by inhibiting the conversion of sphinganine to dihydroceramides, which precedes introduction of the 4,5-trans-double bond of sphingosine. The current study utilized mouse cerebellar neurons in culture to evaluate how this affects the distribution of newly synthesized ceramides among different complex sphingolipids. Fumonisin B1 inhibited ceramide synthase in mouse brain microsomes with a competitive-like kinetic behavior with respect to both sphinganine and stearoyl-CoA. Fumonisin B1 inhibited sphingolipid biosynthesis in cultured cerebellar neurons in situ as reflected by accumulation of free sphinganine, a reduction in the mass of total sphingolipids, reductions in the incorporation of [14C]serine into glucosylceramide, lactosylceramide, sphingomyelin, and gangliosides (GM1, GD3, GD1a, GD1b, GT1b, and GQ1b), and inhibition of the incorporation of [14C]galactose and [3H]sphinganine into complex sphingolipids. Dose-response studies revealed that the labeling of sphingomyelin (IC50 of 0.7 microM) was more sensitive to inhibition by fumonisin B1 than was glycolipid formation (IC50 of approximately 7 microM) in these cells. A similar effect was seen when beta-fluoroalanine was added to inhibit the activity of serine palmitoyltransferase, the first enzyme of the pathway. The inhibition of complex sphingolipid synthesis was reversible, and nearly normal labeling profiles were obtained 48 h after removing the mycotoxin. These studies establish that fumonisin B1 inhibits de novo sphingolipid biosynthesis by neuronal cells and, moreover, that limiting ceramide synthesis differentially affects the formation of sphingomyelin versus glycosphingolipids.