Endogenous ligands for cannabinoid receptors (“endocannabinoids”) include the lipid transmitters anandamide and 2-arachidonoylglycerol (2-AG). Endocannabinoids modulate a diverse set of physiological processes and are tightly regulated by enzymatic biosynthesis and degradation. Termination of anandamide signaling by fatty acid amide hydrolase (FAAH) is well characterized, but less is known about the inactivation of 2-AG, which can be hydrolyzed by multiple enzymes in vitro, including FAAH and monoacylglycerol lipase (MAGL). Here, we have taken a functional proteomic approach to comprehensively map 2-AG hydrolases in the mouse brain. Our data reveal that ∼85% of brain 2-AG hydrolase activity can be ascribed to MAGL, and that the remaining 15% is mostly catalyzed by two uncharacterized enzymes, ABHD6 and ABHD12. Interestingly, MAGL, ABHD6, and ABHD12 display distinct subcellular distributions, suggesting that they may control different pools of 2-AG in the nervous system.

A new tissue-specific pathway for the synthesis of proinflammatory prostaglandins is described.

Prolonged exposure to drugs of abuse, such as cannabinoids and opioids, leads to pharmacological tolerance and receptor desensitization in the nervous system. We found that a similar form of functional antagonism was produced by sustained inactivation of monoacylglycerol lipase (MAGL), the principal degradative enzyme for the endocannabinoid 2-arachidonoylglycerol. After repeated administration, the MAGL inhibitor JZL184 lost its analgesic activity and produced cross-tolerance to cannabinoid receptor (CB1) agonists in mice, effects that were phenocopied by genetic disruption of Mgll (encoding MAGL). Chronic MAGL blockade also caused physical dependence, impaired endocannabinoid-dependent synaptic plasticity and desensitized brain CB1 receptors. These data contrast with blockade of fatty acid amide hydrolase, an enzyme that degrades the other major endocannabinoid anandamide, which produced sustained analgesia without impairing CB1 receptors. Thus, individual endocannabinoids generate distinct analgesic profiles that are either sustained or transitory and associated with agonism and functional antagonism of the brain cannabinoid system, respectively.

The endocannabinoid 2-arachidonoylglycerol (2-AG) regulates neurotransmission and neuroinflammation by activating CB1 cannabinoid receptors on neurons and CB2 cannabinoid receptors on microglia. Enzymes that hydrolyze 2-AG, such as monoacylglycerol lipase, regulate the accumulation and efficacy of 2-AG at cannabinoid receptors. We found that the recently described serine hydrolase alpha-beta-hydrolase domain 6 (ABHD6) also controls the accumulation and efficacy of 2-AG at cannabinoid receptors. In cells from the BV-2 microglia cell line, ABHD6 knockdown reduced hydrolysis of 2-AG and increased the efficacy with which 2-AG can stimulate CB2-mediated cell migration. ABHD6 was expressed by neurons in primary culture and its inhibition led to activity-dependent accumulation of 2-AG. In adult mouse cortex, ABHD6 was located postsynaptically and its selective inhibition allowed the induction of CB1-dependent long-term depression by otherwise subthreshold stimulation. Our results indicate that ABHD6 is a rate-limiting step of 2-AG signaling and is therefore a bona fide member of the endocannabinoid signaling system.

Serine hydrolases (SHs) are one of the largest and most diverse enzyme classes in mammals. They play fundamental roles in virtually all physiological processes and are targeted by drugs to treat diseases such as diabetes, obesity, and neurodegenerative disorders. Despite this, we lack biological understanding for most of the 110+ predicted mammalian metabolic SHs, in large part because of a dearth of assays to assess their biochemical activities and a lack of selective inhibitors to probe their function in living systems. We show here that the vast majority (> 80%) of mammalian metabolic SHs can be labeled in proteomes by a single, active site-directed fluorophosphonate probe. We exploit this universal activity-based assay in a library-versus-library format to screen 70+ SHs against 140+ structurally diverse carbamates. Lead inhibitors were discovered for ∼40% of the screened enzymes, including many poorly characterized SHs. Global profiles identified carbamate inhibitors that discriminate among highly sequence-related SHs and, conversely, enzymes that share inhibitor sensitivity profiles despite lacking sequence homology. These findings indicate that sequence relatedness is not a strong predictor of shared pharmacology within the SH superfamily. Finally, we show that lead carbamate inhibitors can be optimized into pharmacological probes that inactivate individual SHs with high specificity in vivo.