自2019年Nature首次報(bào)道乳酸化修飾，乳酸這個(gè)“代謝廢物”一躍成為“寶藏小分子”，可謂“十年窗下無人問，一舉成名天下知”。殊不知，作為三羧酸循環(huán)（TCA）中間產(chǎn)物的衣康酸（Itaconate，ITA）跟乳酸竟有相同的境遇，從一開始的“另作他用”，到如今發(fā)現(xiàn)其重要的生物學(xué)功能，特別是在免疫調(diào)控研究領(lǐng)域。今天，小編帶你一起了解一下衣康酸的“前世”與“今生”。

01、衣康酸的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展

衣康酸的發(fā)現(xiàn)可以追溯到19世紀(jì)30年代（圖1）。一開始主要作為一種重要的有機(jī)合成和化工生產(chǎn)原料被熟知。1840年，德國(guó)學(xué)者Gustav Crasso確認(rèn)了衣康酸是順烏頭酸熱分解反應(yīng)的產(chǎn)物，并重新排列順烏頭酸（aconitate）的英文字母順序，將該產(chǎn)物命名為衣康酸（itaconate）。

衣康酸的發(fā)展經(jīng)歷了從最初的工業(yè)應(yīng)用到重新定義其生物學(xué)功能的轉(zhuǎn)變。直到近十幾年，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)衣康酸存在于哺乳動(dòng)物巨噬細(xì)胞內(nèi)，并且是一種具有重要免疫調(diào)控功能的代謝產(chǎn)物。2013年，Michelucci等人揭示了哺乳動(dòng)物中衣康酸的生物合成途徑。自那以后，大量研究強(qiáng)調(diào)了衣康酸在免疫反應(yīng)、代謝和炎癥之間關(guān)鍵環(huán)節(jié)的重要作用，研究熱度持續(xù)上升（圖2）。

圖1：衣康酸(ITA)研究時(shí)間表

（圖源：Ye, Dan et al.,Trends Endocrinol Metab. 2024）

圖2：PubMed衣康酸及衣康酸化修飾文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)

02、衣康酸在不同疾病研究中的應(yīng)用

作為TCA循環(huán)中的中間代謝物，衣康酸調(diào)節(jié)代謝、免疫和炎癥之間的相互作用，為治療免疫炎癥性疾病提供了替代治療策略。Lampropoulou等人首次證明靜脈輸注DMI可減少小鼠缺血期間的心肌梗死面積，此后發(fā)表了多篇論文，報(bào)道了在各種炎癥性疾病的動(dòng)物模型中給予ITA或其化學(xué)修飾衍生物的治療益處，包括抗病毒和細(xì)菌感染，以減輕斑禿、糖尿病、纖維化、心臟移植、I/R損傷、肥胖癥、骨關(guān)節(jié)炎、神經(jīng)退行性疾病、敗血癥、癌癥等(表1-2)。這些研究強(qiáng)調(diào)了基于ITA的干預(yù)在不同疾病背景下緩解炎癥和相關(guān)病理的廣泛潛力。此外，最近的研究表明，在小鼠模型中，IRG1基因的缺失降低了腫瘤生長(zhǎng)并增強(qiáng)了免疫治療的功效?？傊@些發(fā)現(xiàn)為在臨床環(huán)境中探索針對(duì)ITA信號(hào)的治療策略提供了令人信服的理論基礎(chǔ)。

（表源：Yang, Wenchang et al.,Cell Mol Biol Lett. 2023）

表1 衣康酸及其衍生物在不同疾病模型中的參與機(jī)制

（表源：Yang, Wenchang et al.,Cell Mol Biol Lett. 2023）

表2 衣康酸及其在癌癥中的作用

03、衣康酸的生物合成與代謝

衣康酸是TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物，由免疫應(yīng)答基因1（IRG1）編碼的烏頭酸脫羧酶（ACOD1）使順烏頭酸脫羧產(chǎn)生。哺乳動(dòng)物細(xì)胞，主要是骨髓細(xì)胞，產(chǎn)生ITA作為免疫反應(yīng)的一部分，并利用它來調(diào)節(jié)炎癥。在產(chǎn)生ITA的細(xì)胞中，ITA分解代謝可通過三步反應(yīng)進(jìn)行：首先ITA轉(zhuǎn)化為衣康酰輔酶a，然后衣康酰輔酶a水合為檸檬酰輔酶a，最后檸檬酰輔酶a裂解為乙酰輔酶a和丙酮酸，分別由琥珀酰輔酶a合成酶（SCS）、甲基戊烯二酰輔酶A水合酶（AUH）和檸檬酸裂解酶β亞基樣（CLYBL，也稱為檸檬酰輔酶a裂解酶）催化。盡管丙酮酸可以進(jìn)入各種代謝途徑，包括TCA循環(huán)(圖3)，但尚不清楚ITA分解代謝是否有助于炎癥期間免疫細(xì)胞的能量和生物合成需求。

圖3：衣康酸的代謝及其類似物和衍生物

（圖源：Ye, Dan et al.,Trends Endocrinol Metab. 2024）

在結(jié)構(gòu)上，衣康酸是一種含有α,β-不飽和烯烴的五碳二羧酸，它在結(jié)構(gòu)類似于磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)、α-酮戊二酸(α-KG)、琥珀酸、丙二酸和富馬酸等其他代謝物，為其競(jìng)爭(zhēng)性抑制糖代謝過程中關(guān)鍵酶提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，從而參與細(xì)胞代謝重編程。衣康酸的酯化衍生物，4-辛基衣康酸（4-octyl itaconate，4-OI）和衣康酸二甲酯（Dimethyl itaconate，DMI）(圖3)，通常用于在體外和體內(nèi)模擬其生物效應(yīng)，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩哪B透性，且與衣康酸生物學(xué)功能相似，4-OI可在胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為衣康酸，這為衣康酸的醫(yī)藥研發(fā)提供了更多可能，也為基于衣康酸的新療法指明了方向。

04、衣康酸的作用靶點(diǎn)和作用機(jī)制

與大多數(shù)其他中間代謝物不同，ITA不參與與能量代謝或生物合成相關(guān)的代謝途徑，這表明它可能主要獨(dú)立于中間代謝發(fā)揮其功能。過去二十年的研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物細(xì)胞中產(chǎn)生的ITA作為一種信號(hào)分子，通過結(jié)合和影響不同靶蛋白的功能來調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)(圖4)。① ITA抑制代謝酶琥珀酸脫氫酶(SDH)，導(dǎo)致琥珀酸積累，改變細(xì)胞代謝。② ITA及其衍生物引起共價(jià)蛋白質(zhì)烷基化。KEAP1 E3泛素連接酶的烷基化抑制KEAP1介導(dǎo)的NRF2降解并激活NRF2介導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)。③ ITA抑制TET DNA雙加氧酶，促進(jìn)DNA甲基化，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。④分泌型ITA作為G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)蛋白OXGR1的激動(dòng)劑，促進(jìn)Ca2+信號(hào)通路。了解ITA結(jié)合對(duì)這些蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)，不僅對(duì)ITA在免疫調(diào)節(jié)中的功能，而且對(duì)其潛在的治療應(yīng)用都有重要意義。

圖4：衣康酸的作用靶點(diǎn)和作用機(jī)制

（圖源：Ye, Dan et al.,Trends Endocrinol Metab. 2024）

值得一提的是，由于衣康酸含有親電的α,β-不飽和羧基，可以接受來自潛在相互作用配偶體的電子對(duì)，因此衣康酸的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制是通過邁克爾加成反應(yīng)（Michael addition reaction）烷基化修飾相關(guān)蛋白質(zhì)的半胱氨酸殘基，從而調(diào)節(jié)相應(yīng)蛋白質(zhì)的功能。例如，通過烷基化修飾KEAP1（Kelch like ECH associated protein 1）蛋白并激活Nrf2信號(hào)通路減輕巨噬細(xì)胞的炎癥反應(yīng)及氧化應(yīng)激。除了KEAP1，ITA或其衍生物還可以烷基化其他蛋白質(zhì)(表3)，包括功能上經(jīng)過驗(yàn)證的ITA靶向蛋白質(zhì)，如ICL 1；代謝酶GAPDH、ALDOA和LDHA；以及炎癥小體蛋白 (NLRP3)、GSDMD、JAK1、TFEB和STING。

（表源：Ye, Dan et al.,Trends Endocrinol Metab. 2024）

表3 ITA及其衍生物的作用靶點(diǎn)和作用機(jī)制

05、經(jīng)典文獻(xiàn)分享

文獻(xiàn)一

英文標(biāo)題：Itaconate is an anti-inflammatory metabolite that activates Nrf2 via alkylation of KEAP1（NATURE，Q1，2018）

中文標(biāo)題：衣康酸是一種抗炎代謝物，可通過KEAP1的烷基化激活Nrf2

研究?jī)?nèi)容：內(nèi)源性代謝物衣康酸最近作為巨噬細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)劑出現(xiàn)，但其確切的作用機(jī)制仍知之甚少。在這里，作者表明衣康酸是小鼠和人類巨噬細(xì)胞中脂多糖激活抗炎轉(zhuǎn)錄因子 Nrf2（也稱為 NFE2L2）所必需的。作者發(fā)現(xiàn)衣康酸通過半胱氨酸殘基的烷基化直接修飾蛋白質(zhì)。衣康酸使 KEAP1 蛋白上的半胱氨酸殘基 151、257、288、273 和 297 烷基化，使Nrf2能夠增加具有抗氧化和抗炎能力的下游基因的表達(dá)。衣康酸的抗炎作用需要激活Nrf2。描述了一種新的細(xì)胞滲透性衣康酸衍生物4-辛基衣康酸的使用，它可以防止體內(nèi)脂多糖誘導(dǎo)的致死并減少細(xì)胞因子的產(chǎn)生。研究表明I型干擾素可促進(jìn)Irg1（也稱為 Acod1）的表達(dá)和衣康酸的產(chǎn)生。此外，作者發(fā)現(xiàn)衣康酸的產(chǎn)生限制了I型干擾素的反應(yīng)，表明涉及干擾素和衣康酸的負(fù)反饋回路。研究結(jié)果表明，衣康酸是一種重要的抗炎代謝物，它通過Nrf2發(fā)揮作用以限制炎癥和調(diào)節(jié)I型干擾素。

文獻(xiàn)二

英文標(biāo)題：Itaconate uptake via SLC13A3 improves hepatic antibacterial innate immunity（DEVELOPMENTAL CELL，Q1，2024）

中文標(biāo)題：SLC13A3介導(dǎo)的衣康酸胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)增強(qiáng)肝臟抗菌先天免疫

研究?jī)?nèi)容：衣康酸是一種免疫調(diào)節(jié)代謝物，由炎性巨噬細(xì)胞中的線粒體酶免疫反應(yīng)基因 1 (IRG1) 產(chǎn)生。我們最近發(fā)現(xiàn)了衣康酸從炎性巨噬細(xì)胞中釋放的重要機(jī)制。然而，細(xì)胞外衣康酸是否被非髓系細(xì)胞吸收以發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)功能仍不清楚。在這里，作者使用定制設(shè)計(jì)的 CRISPR 篩選來識(shí)別二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白溶質(zhì)載體家族13成員3 (SLC13A3) 作為衣康酸輸入者，并描述 SLC13A3 在衣康酸改善肝臟抗菌先天免疫中的作用。從功能上講，肝臟特異性缺失 Slc13a3 會(huì)損害體內(nèi)和體外肝臟抗菌先天免疫。從機(jī)制上看，衣康酸通過 SLC13A3 吸收可誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子 EB (TFEB) 依賴性溶酶體生物合成，進(jìn)而改善小鼠肝細(xì)胞的抗菌先天免疫力。這些發(fā)現(xiàn)表明 SLC13A3 是小鼠肝細(xì)胞中衣康酸的關(guān)鍵輸入者，將有助于開發(fā)有效的衣康酸抗菌療法。

（圖源：Chen, Chao et al.,Dev Cell. 2024）

文獻(xiàn)三

英文標(biāo)題：4-octyl itaconate as a metabolite derivative inhibits inflammation via alkylation of STING（Cell Reports，Q1，2023）

中文標(biāo)題：4-辛基衣康酸作為代謝衍生物通過STING烷基化抑制炎癥

研究?jī)?nèi)容：Krebs循環(huán)衍生的代謝產(chǎn)物衣康酸的產(chǎn)生是由免疫反應(yīng)基因1（IRG1）催化的，它有可能通過靶蛋白的烷基化或競(jìng)爭(zhēng)性抑制將活化巨噬細(xì)胞中的免疫和代謝聯(lián)系起來。為了支持這一點(diǎn)，之前的研究表明，干擾素基因刺激因子（STING）信號(hào)平臺(tái)在巨噬細(xì)胞免疫中發(fā)揮樞紐作用，并對(duì)膿毒癥的預(yù)后產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。有趣的是，作者發(fā)現(xiàn)衣康酸，一種內(nèi)源性免疫調(diào)節(jié)劑，可以顯著抑制STING信號(hào)的激活。此外，作為可滲透的衣康酸鹽衍生物的4-辛基衣康酸（4-OI）可以使STING的半胱氨酸位點(diǎn)65、71、88和147烷基化，從而抑制其磷酸化。此外，衣康酸和4-OI抑制膿毒癥模型中炎癥因子的產(chǎn)生。該研究結(jié)果拓寬了對(duì)IRG1-衣康酸軸在免疫調(diào)節(jié)中的作用的認(rèn)識(shí)，并強(qiáng)調(diào)衣康酸及其衍生物是膿毒癥的潛在治療劑。

（圖源：Li, Weizhen et al.,Cell Rep. 2023）

06、拜譜小結(jié)

衣康酸是一直被認(rèn)為是重要的化工產(chǎn)品，近年來研究證實(shí)衣康酸可在哺乳動(dòng)物體內(nèi)合成，是三羧酸循環(huán)的重要衍生物，具有免疫調(diào)控活性的內(nèi)源代謝物小分子，從而備受關(guān)注。衣康酸是不飽和二元酸，含有的不飽和雙鍵、羧基和羥基為其帶來了活潑化學(xué)性質(zhì)，結(jié)構(gòu)中的親電性α,β-不飽和羧酸結(jié)構(gòu)對(duì)蛋白質(zhì)上的活性半胱氨酸殘基進(jìn)行烷基化修飾（邁克爾加成反應(yīng)），這一翻譯后修飾被稱為“衣康酸修飾（itaconation）”，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)功能，調(diào)控免疫應(yīng)答和代謝途徑，為多種疾病藥物研發(fā)提供新思路。

拜譜生物作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的多組學(xué)公司，可提供完善成熟的蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等多組學(xué)產(chǎn)品技術(shù)服務(wù)體系，其中醫(yī)學(xué)絕對(duì)定量靶向代謝組(QMT1000)和能量代謝靶向代謝組產(chǎn)品均可對(duì)衣康酸及其類似物進(jìn)行靶向絕對(duì)定量檢測(cè)。近期，拜譜生物將推出基于化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)的衣康酸化修飾組學(xué)產(chǎn)品，提供全面、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的修飾位點(diǎn)信息，并結(jié)合生物信息學(xué)分析獲得靶點(diǎn)蛋白的功能信息，敬請(qǐng)期待！

參考文獻(xiàn)

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