自2019年Nature首次报道乳酸化修饰，乳酸这个“代谢废物”一跃成为“宝藏小分子”，可谓“十年窗下无人问，一举成名天下知”。殊不知，作为三羧酸循环（TCA）中间产物的衣康酸（Itaconate，ITA）跟乳酸竟有相同的境遇，从一开始的“另作他用”，到如今发现其重要的生物学功能，特别是在免疫调控研究领域。今天，小编带你一起了解一下衣康酸的“前世”与“今生”。

01、衣康酸的发现与发展

衣康酸的发现可以追溯到19世纪30年代（图1）。一开始主要作为一种重要的有机合成和化工生产原料被熟知。1840年，德国学者Gustav Crasso确认了衣康酸是顺乌头酸热分解反应的产物，并重新排列顺乌头酸（aconitate）的英文字母顺序，将该产物命名为衣康酸（itaconate）。

衣康酸的发展经历了从最初的工业应用到重新定义其生物学功能的转变。直到近十几年，科学家们才发现衣康酸存在于哺乳动物巨噬细胞内，并且是一种具有重要免疫调控功能的代谢产物。2013年，Michelucci等人揭示了哺乳动物中衣康酸的生物合成途径。自那以后，大量研究强调了衣康酸在免疫反应、代谢和炎症之间关键环节的重要作用，研究热度持续上升（图2）。

图1：衣康酸(ITA)研究时间表

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

图2：PubMed衣康酸及衣康酸化修饰文献统计

02、衣康酸在不同疾病研究中的应用

作为TCA循环中的中间代谢物，衣康酸调节代谢、免疫和炎症之间的相互作用，为治疗免疫炎症性疾病提供了替代治疗策略。Lampropoulou等人首次证明静脉输注DMI可减少小鼠缺血期间的心肌梗死面积，此后发表了多篇论文，报道了在各种炎症性疾病的动物模型中给予ITA或其化学修饰衍生物的治疗益处，包括抗病毒和细菌感染，以减轻斑秃、糖尿病、纤维化、心脏移植、I/R损伤、肥胖症、骨关节炎、神经退行性疾病、败血症、癌症等(表1-2)。这些研究强调了基于ITA的干预在不同疾病背景下缓解炎症和相关病理的广泛潜力。此外，最近的研究表明，在小鼠模型中，IRG1基因的缺失降低了肿瘤生长并增强了免疫治疗的功效。总之，这些发现为在临床环境中探索针对ITA信号的治疗策略提供了令人信服的理论基础。

（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参与机制

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

表2 衣康酸及其在癌症中的作用

03、衣康酸的生物合成与代谢

衣康酸是TCA循环的中间产物，由免疫应答基因1（IRG1）编码的乌头酸脱羧酶（ACOD1）使顺乌头酸脱羧产生。哺乳动物细胞，主要是骨髓细胞，产生ITA作为免疫反应的一部分，并利用它来调节炎症。在产生ITA的细胞中，ITA分解代谢可通过三步反应进行：首先ITA转化为衣康酰辅酶a，然后衣康酰辅酶a水合为柠檬酰辅酶a，最后柠檬酰辅酶a裂解为乙酰辅酶a和丙酮酸，分别由琥珀酰辅酶a合成酶（SCS）、甲基戊烯二酰辅酶A水合酶（AUH）和柠檬酸裂解酶β亚基样（CLYBL，也称为柠檬酰辅酶a裂解酶）催化。尽管丙酮酸可以进入各种代谢途径，包括TCA循环(图3)，但尚不清楚ITA分解代谢是否有助于炎症期间免疫细胞的能量和生物合成需求。

图3：衣康酸的代谢及其类似物和衍生物

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

在结构上，衣康酸是一种含有α,β-不饱和烯烃的五碳二羧酸，它在结构类似于磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)、α-酮戊二酸(α-KG)、琥珀酸、丙二酸和富马酸等其他代谢物，为其竞争性抑制糖代谢过程中关键酶提供结构基础，从而参与细胞代谢重编程。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）(图3)，通常用于在体外和体内模拟其生物效应，因为它们具有高的膜渗透性，且与衣康酸生物学功能相似，4-OI可在胞内转化为衣康酸，这为衣康酸的医药研发提供了更多可能，也为基于衣康酸的新疗法指明了方向。

04、衣康酸的作用靶点和作用机制

与大多数其他中间代谢物不同，ITA不参与与能量代谢或生物合成相关的代谢途径，这表明它可能主要独立于中间代谢发挥其功能。过去二十年的研究发现，哺乳动物细胞中产生的ITA作为一种信号分子，通过结合和影响不同靶蛋白的功能来调节免疫反应(图4)。① ITA抑制代谢酶琥珀酸脱氢酶(SDH)，导致琥珀酸积累，改变细胞代谢。② ITA及其衍生物引起共价蛋白质烷基化。KEAP1 E3泛素连接酶的烷基化抑制KEAP1介导的NRF2降解并激活NRF2介导的氧化应激反应。③ ITA抑制TET DNA双加氧酶，促进DNA甲基化，调节基因表达。④分泌型ITA作为G蛋白偶联受体(GPCR)蛋白OXGR1的激动剂，促进Ca2+信号通路。了解ITA结合对这些蛋白质的调节，不仅对ITA在免疫调节中的功能，而且对其潜在的治疗应用都有重要意义。

图4：衣康酸的作用靶点和作用机制

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

值得一提的是，由于衣康酸含有亲电的α,β-不饱和羧基，可以接受来自潜在相互作用配偶体的电子对，因此衣康酸的一个关键机制是通过迈克尔加成反应（Michael addition reaction）烷基化修饰相关蛋白质的半胱氨酸残基，从而调节相应蛋白质的功能。例如，通过烷基化修饰KEAP1（Kelch like ECH associated protein 1）蛋白并激活Nrf2信号通路减轻巨噬细胞的炎症反应及氧化应激。除了KEAP1，ITA或其衍生物还可以烷基化其他蛋白质(表3)，包括功能上经过验证的ITA靶向蛋白质，如ICL 1；代谢酶GAPDH、ALDOA和LDHA；以及炎症小体蛋白 (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点和作用机制

05、经典文献分享

文献一

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

中文标题：衣康酸是一种抗炎代谢物，可通过KEAP1的烷基化激活Nrf2

研究内容：内源性代谢物衣康酸最近作为巨噬细胞功能的调节剂出现，但其确切的作用机制仍知之甚少。在这里，作者表明衣康酸是小鼠和人类巨噬细胞中脂多糖激活抗炎转录因子 Nrf2（也称为 NFE2L2）所必需的。作者发现衣康酸通过半胱氨酸残基的烷基化直接修饰蛋白质。衣康酸使 KEAP1 蛋白上的半胱氨酸残基 151、257、288、273 和 297 烷基化，使Nrf2能够增加具有抗氧化和抗炎能力的下游基因的表达。衣康酸的抗炎作用需要激活Nrf2。描述了一种新的细胞渗透性衣康酸衍生物4-辛基衣康酸的使用，它可以防止体内脂多糖诱导的致死并减少细胞因子的产生。研究表明I型干扰素可促进Irg1（也称为 Acod1）的表达和衣康酸的产生。此外，作者发现衣康酸的产生限制了I型干扰素的反应，表明涉及干扰素和衣康酸的负反馈回路。研究结果表明，衣康酸是一种重要的抗炎代谢物，它通过Nrf2发挥作用以限制炎症和调节I型干扰素。

文献二

英文标题：Itaconate uptake via SLC13A3 improves hepatic antibacterial innate immunity（DEVELOPMENTAL CELL，Q1，2024）

中文标题：SLC13A3介导的衣康酸胞内转运增强肝脏抗菌先天免疫

研究内容：衣康酸是一种免疫调节代谢物，由炎性巨噬细胞中的线粒体酶免疫反应基因 1 (IRG1) 产生。我们最近发现了衣康酸从炎性巨噬细胞中释放的重要机制。然而，细胞外衣康酸是否被非髓系细胞吸收以发挥免疫调节功能仍不清楚。在这里，作者使用定制设计的 CRISPR 筛选来识别二羧酸转运蛋白溶质载体家族13成员3 (SLC13A3) 作为衣康酸输入者，并描述 SLC13A3 在衣康酸改善肝脏抗菌先天免疫中的作用。从功能上讲，肝脏特异性缺失 Slc13a3 会损害体内和体外肝脏抗菌先天免疫。从机制上看，衣康酸通过 SLC13A3 吸收可诱导转录因子 EB (TFEB) 依赖性溶酶体生物合成，进而改善小鼠肝细胞的抗菌先天免疫力。这些发现表明 SLC13A3 是小鼠肝细胞中衣康酸的关键输入者，将有助于开发有效的衣康酸抗菌疗法。

（图源：Chen, Chao et al.,Dev Cell. 2024）

文献三

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

中文标题：4-辛基衣康酸作为代谢衍生物通过STING烷基化抑制炎症

研究内容：Krebs循环衍生的代谢产物衣康酸的产生是由免疫反应基因1（IRG1）催化的，它有可能通过靶蛋白的烷基化或竞争性抑制将活化巨噬细胞中的免疫和代谢联系起来。为了支持这一点，之前的研究表明，干扰素基因刺激因子（STING）信号平台在巨噬细胞免疫中发挥枢纽作用，并对脓毒症的预后产生深远影响。有趣的是，作者发现衣康酸，一种内源性免疫调节剂，可以显著抑制STING信号的激活。此外，作为可渗透的衣康酸盐衍生物的4-辛基衣康酸（4-OI）可以使STING的半胱氨酸位点65、71、88和147烷基化，从而抑制其磷酸化。此外，衣康酸和4-OI抑制脓毒症模型中炎症因子的产生。该研究结果拓宽了对IRG1-衣康酸轴在免疫调节中的作用的认识，并强调衣康酸及其衍生物是脓毒症的潜在治疗剂。

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

06、拜谱小结

衣康酸是一直被认为是重要的化工产品，近年来研究证实衣康酸可在哺乳动物体内合成，是三羧酸循环的重要衍生物，具有免疫调控活性的内源代谢物小分子，从而备受关注。衣康酸是不饱和二元酸，含有的不饱和双键、羧基和羟基为其带来了活泼化学性质，结构中的亲电性α,β-不饱和羧酸结构对蛋白质上的活性半胱氨酸残基进行烷基化修饰（迈克尔加成反应），这一翻译后修饰被称为“衣康酸修饰（itaconation）”，进而影响蛋白质功能，调控免疫应答和代谢途径，为多种疾病药物研发提供新思路。

拜谱生物作为国内领先的多组学公司，可提供完善成熟的蛋白组学、代谢组学、转录组学等多组学产品技术服务体系，其中医学绝对定量靶向代谢组(QMT1000)和能量代谢靶向代谢组产品均可对衣康酸及其类似物进行靶向绝对定量检测。近期，拜谱生物将推出基于化学蛋白质组学的衣康酸化修饰组学产品，提供全面、精准、稳定的修饰位点信息，并结合生物信息学分析获得靶点蛋白的功能信息，敬请期待！

参考文献

1. Cunha da Cruz J,Machado de Castro A,Camporese Sérvulo EF. World market and biotechnological production of itaconic acid. 3 Biotech. 2018;8 (3):138. doi:10.1007/s13205-018-1151-0B4

2. Ye D,Wang P,Chen LL, et al. Itaconate in host inflammation and defense. Trends Endocrinol Metab. 2024;35 (7):586-606. doi:10.1016/j.tem.2024.02.004B1

3. Yang W,Wang Y,Tao K, et al. Metabolite itaconate in host immunoregulation and defense. Cell Mol Biol Lett. 2023;28 (1):100. doi:10.1186/s11658-023-00503-3B1

4. Liu S,Li RG,Martin JF. The cell-autonomous and non-cell-autonomous roles of the Hippo pathway in heart regeneration. J Mol Cell Cardiol. 2022;168:98-106. doi:10.1016/j.yjmcc.2022.04.018B2

5. Peace CG,O'Neill LA. The role of itaconate in host defense and inflammation. J Clin Invest. 2022;132 (2):. doi:10.1172/JCI148548B1

6. Mills EL,Ryan DG,Prag HA, et al. Itaconate is an anti-inflammatory metabolite that activates Nrf2 via alkylation of KEAP1. Nature. 2018;556 (7699):113-117. doi:10.1038/nature25986Mills EL,Ryan DG,Prag HA, et al. Itaconate is an anti-inflammatory metabolite that activates Nrf2 via alkylation of KEAP1. Nature. 2018;556 (7699):113-117. doi:10.1038/nature25986B1

7. Chen C,Liu C,Sun P, et al. Itaconate uptake via SLC13A3 improves hepatic antibacterial innate immunity. Dev Cell. 2024;59 (21):2807-2817.e8. doi:10.1016/j.devcel.2024.07.011B1

8. Li W,Li Y,Kang J, et al. 4-octyl itaconate as a metabolite derivative inhibits inflammation via alkylation of STING. Cell Rep. 2023;42 (3):112145. doi:10.1016/j.celrep.2023.112145