97-65-4/衣康酸是一種抗炎代謝物通過(guò)KEAP1烷基化激活Nrf2發(fā)揮抗炎作用

內(nèi)源性代謝產(chǎn)物衣康酸最近作為巨噬細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)物出現(xiàn)，但其確切的作用機(jī)制尚不清楚。在小鼠和人巨噬細(xì)胞中，衣康酸是通過(guò)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(guò)半胱氨酸殘基的烷基化直接修飾蛋白質(zhì)。衣康酸酯將蛋白KEAP1上的半胱氨酸殘基151、257、288、273和297進(jìn)行烷基化，使Nrf2下游具有抗氧化和抗炎能力基因的表達(dá)增加。Nrf2的激活是衣康酸抗炎作用所必需的。作者描述了一種新的可穿透細(xì)胞的衣康酸衍生物，4-辛酯衣康酸，它可以保護(hù)機(jī)體免受脂多糖誘導(dǎo)的毒性，并減少細(xì)胞因子的產(chǎn)生。作者發(fā)現(xiàn)I型干擾素可以促進(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)，表明一個(gè)涉及干擾素和衣康酸的負(fù)反饋回路。本研究表明衣康酸是一種重要的抗炎代謝物，通過(guò)Nrf2抑制炎癥和調(diào)節(jié)I型干擾素。

作者首先通過(guò)代謝組研究發(fā)現(xiàn)衣糠酸是脂多糖處理后巨噬細(xì)胞最豐富的代謝物，小鼠骨髓源性巨噬細(xì)胞(BMDMs)在LPS刺激后衣糠酸水平可達(dá)到5mM。衣糠酸可以抑制SDH活性，但不如經(jīng)典的有效的SDH抑制劑丙二酸，表明它可能通過(guò)其他機(jī)制發(fā)揮消炎作用。衣康酸含有親電的α，β-不飽和羧酸可能被邁克爾烷基化的蛋白質(zhì)半胱氨酸殘基生成2,3-二羧基丙基加合物?？勺鳛橐粋€(gè)有吸引力的候選物經(jīng)過(guò)半胱氨酸烷基化蛋白質(zhì)KEAP1，在抗氧化反應(yīng)中起重要作用。KEAP1通常促進(jìn)Nrf2的降解，但關(guān)鍵的KEAP1發(fā)生烷基化半胱氨酸殘基允許新合成的Nrf2積累、遷移進(jìn)入細(xì)胞核并激活轉(zhuǎn)錄抗氧化和抗炎過(guò)程。因此，作者檢測(cè)到KEAP1作為衣糠酸激活Nrf2的靶標(biāo)，并激活Nrf2下游基因的表達(dá)。為了模擬衣糠酸的體內(nèi)反應(yīng)，作者又合成了4-辛酯衣康酸(OI)，一種細(xì)胞滲透性衣康酸衍生物。OI和衣糠酸的硫醇反應(yīng)活性相似，其活性比衣糠酸活性高得多，重要的是，衣糠酸相關(guān)的辛酯4-辛二甲基琥珀酸酯和琥珀酸辛酯，它們不是邁克爾受體，對(duì)Nrf2活性無(wú)影響，證實(shí)了衣康酸基團(tuán)的重要性。二甲基丙二酸二甲酯，一個(gè)強(qiáng)有力的SDH抑制劑，不能激活Nrf2，證實(shí)了OI激活Nrf2與SDH抑制無(wú)關(guān)。

圖一 衣糠酸激活了Nrf2

那么衣糠酸在體內(nèi)是如何激活Nrf2的呢? 作者假設(shè)是衣康酸通過(guò)烷基化KEAP1半胱氨酸殘基激活Nrf2，類似于通過(guò)富馬酸鹽半胱氨酸的修飾。半胱氨酸151 (Cys151)是KEAP1上的主要傳感器。作者通過(guò)轉(zhuǎn)錄組和質(zhì)譜鑒定，發(fā)現(xiàn)OI可修飾KEAP1調(diào)節(jié)半胱氨酸殘基(Cys151,Cys257, Cys288)。這些數(shù)據(jù)表明衣康酸激活Nrf2通過(guò)烷基化KEAP1半胱氨酸殘基。作者接下來(lái)評(píng)估衣康酸是否可以激活Nrf2發(fā)揮抗炎作用。OI，在不影響細(xì)胞活力的的濃度下，可降低lps誘導(dǎo)的Il1b mRNA、pro-IL-1β、HIF-1α和IL-10蛋白水平，細(xì)胞外酸化率降低。OI也可降低TLR2和TLR3處理的BMDMs中Il1b mRNA含量。脂多糖誘導(dǎo)的活性氧(ROS)、亞硝酸鹽和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)水平同樣受到OI的限制。這些效應(yīng)可能是OI誘導(dǎo)Nrf2后ROS解毒的結(jié)果。OI也抵消了體內(nèi)LPS的反應(yīng)。OI可激活Nrf2，延長(zhǎng)小鼠生存期，降低臨床評(píng)分，改善調(diào)節(jié)體溫，降低IL-1β和TNF水平。在nrf2缺陷的巨噬細(xì)胞中，HMOX1誘導(dǎo)被阻斷或Nrf2被沉默時(shí)。Nrf2丟失，OI抑制lps誘導(dǎo)的IL-1β顯著受損。

圖二 衣糠酸烷基化修飾KEAP1半胱氨酸。

接下來(lái)作者研究了如何從LPS促炎轉(zhuǎn)向衣糠酸抗炎狀態(tài)，這一過(guò)程可能通過(guò)影響烏頭酸產(chǎn)生衣康酸的合成酶IRG1。通過(guò)建模控制Irg1表達(dá)的基因網(wǎng)絡(luò)，IFN反應(yīng)因子IRF1被確定為調(diào)控因子。作者在這里展示IFN-β治療后衣康酸水平升高。底物檸檬酸和烏頭酸的含量對(duì)Irg1, IFN-β和下游代謝物α-酮戊二酸均降低。隨著烏頭酸轉(zhuǎn)化為衣康酸的增加而不是α-酮戊二酸。IFN-β增強(qiáng)了基礎(chǔ)和lps誘導(dǎo)的Irg1表達(dá)。LPS-和poly(I:C)誘導(dǎo)BMDMs中Irg1的表達(dá)，I型IFN受體缺失減少，表明自分泌IFN促進(jìn)IRG1的誘導(dǎo)。OI限制了干擾素的反應(yīng)，降低IFN-β、IKK-ε、ISG20和ISG15蛋白的表達(dá)，聚(I:C)處理的PBMCs和lps誘導(dǎo)的IFN-β的產(chǎn)生在體內(nèi)生產(chǎn)，IL-10的mRNA和蛋白表達(dá)均增強(qiáng)。沒有添加LPS，表明OI治療后IL-10的減少是由于I型IFN產(chǎn)生減少。Nrf2敲除或敲減減弱ISG20通過(guò)OI表達(dá)，而Nrf2激活劑馬來(lái)酸二乙酯15-脫氧-Δ12,14-前列腺素J2降低了ISG20的表達(dá)。這與表達(dá)的增加是一致的lps處理的nrf2缺陷小鼠中IRF3調(diào)控基因。

圖三 衣糠酸與IFN-β之間存在反饋環(huán)路

總之這些數(shù)據(jù)表明了LPS作用后的負(fù)反饋環(huán)路的作用:衣糠酸是通過(guò)LPS產(chǎn)生的，通過(guò)激活Nrf2來(lái)促進(jìn)抗炎過(guò)程，SDH抑制限制了進(jìn)一步的炎癥。通過(guò)下調(diào)IFN反應(yīng)及IFN自身的產(chǎn)生。這有助于解釋為什么nrf2缺陷小鼠對(duì)膿毒性休克更敏感，即使在某些情況下這些小鼠可以免于炎癥。作者發(fā)現(xiàn)衣康酸是一種炎癥調(diào)節(jié)劑，它通過(guò)新發(fā)現(xiàn)的翻譯后修飾直接修飾蛋白質(zhì)，這為利用衣康酸或OI治療炎癥疾病提供了治療機(jī)會(huì)。此外，最近發(fā)現(xiàn)衣康酸與維生素B12之間有一個(gè)有趣的聯(lián)系，這值得在炎癥和免疫方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。進(jìn)一步了解衣康酸作為一種抗炎代謝物和I型IFN的調(diào)節(jié)物的作用，可能會(huì)為炎癥疾病的發(fā)病機(jī)制提供新的見解。