综述：赖氨酸丙二酰化作为治疗靶点：对代谢、炎症和肿瘤疾病的意义

《Amino Acids》：Lysine malonylation as a therapeutic target: implications for metabolic, inflammatory, and oncological disorders

本综述深入探讨了新兴的蛋白质翻译后修饰——赖氨酸丙二酰化（Kmal）在代谢、炎症和肿瘤疾病中的关键作用。文章系统阐述了Kmal的调控机制（以丙二酰辅酶A为供体，Sirtuin 5（SIRT5）为主要去丙二酰化酶），及其通过修饰糖酵解、脂肪酸氧化等关键酶类调控细胞代谢的分子通路。作者强调Kmal在2型糖尿病（T2D）、肥胖、脓毒症和癌症等疾病中的致病机制，并展望了以SIRT5调节剂和丙二酰辅酶A代谢调控剂为代表的靶向治疗策略，为相关疾病治疗提供了新视角。

　　

赖氨酸丙二酰化在代谢紊乱中的作用

赖氨酸丙二酰化（Kmal）的失调与代谢综合征密切相关，包括糖脂代谢紊乱（GLMDs）和2型糖尿病（T2D）。在T2D状态下，其特征是胰岛素抵抗和高血糖，丙二酰辅酶A水平常常升高。作为Kmal的供体底物，丙二酰辅酶A的积累增加了蛋白质发生丙二酰化的机会。蛋白质组学研究揭示了在糖尿病（db/db和ob/ob）小鼠肝脏中，存在268个肝蛋白上的573个丙二酰化位点，显著多于血糖正常的对照组。这些被丙二酰化的蛋白质富集在与葡萄糖和脂质代谢相关的通路中。值得注意的是，葡萄糖-6-磷酸异构酶（G6PI）、10-甲酰四氢叶酸脱氢酶（10-FTHFDH）和乳酸脱氢酶A（LDHA）等关键代谢酶在糖尿病小鼠肝脏中的丙二酰化水平显著增加。体外实验表明，醛缩酶B（ALDOB）在丙二酰化后会失去活性。这些酶控制着糖酵解、糖异生和果糖代谢的关键节点，特定赖氨酸位点的丙二酰化可能调节其活性。例如，LDHA的丙二酰化可能影响乳酸的产生，而果糖-1,6-二磷酸酶（FBP1）的丙二酰化可能改变糖异生通量。通过这些效应，蛋白质丙二酰化被认为在糖尿病状态下促进了高血糖、胰岛素抵抗甚至氧化应激。T2D中的高血糖和过量脂肪酸会驱动线粒体过度产生活性氧（ROS）；如果丙二酰化损害了抗氧化或代谢酶的功能（正如其在糖尿病组织中广泛增加所提示的），这种翻译后修饰（PTM）可能加剧氧化应激。相反，使丙二酰化水平正常化可能改善代谢弹性。支持这一点的是，体外实验表明，在肝细胞中过表达丙二酰辅酶A脱羧酶（MCD，一种消耗丙二酰辅酶A的酶）可以降低丙二酰辅酶A水平并逆转胰岛素抵抗。这些数据表明，蛋白质丙二酰化在糖尿病和代谢失调状态下升高，并可能因果性地导致代谢功能障碍。

丙二酰辅酶A是连接葡萄糖和脂质代谢的关键代谢物。它由乙酰辅酶A羧化酶（ACC）产生，并扮演两个主要角色：作为脂肪酸合成的必需基石，以及作为肉碱棕榈酰转移酶-1（CPT1）的有效抑制剂，CPT1是线粒体脂肪酸β-氧化的守门酶。通过抑制CPT1，丙二酰辅酶A作为一个开关，在能量（和乙酰辅酶A）充足时下调脂肪燃烧。在肥胖及相关心血管疾病中，长期营养过剩导致ACC活性高和丙二酰辅酶A积累，这会削弱脂肪酸氧化并可能促进异位脂质沉积。这一机制将丙二酰辅酶A与肥胖相关的胰岛素抵抗和心脏脂毒性联系起来。Kmal为这一调控网络增加了额外的一层：肥胖/糖尿病中升高的丙二酰辅酶A增加了脂肪酸代谢酶上的Kmal，可能加强脂肪氧化的阻断。例如，β-氧化中线粒体酶的丙二酰化可能直接降低其活性，从而加剧丙二酰辅酶A对CPT1的抑制效应。实验证据支持丙二酰化在代谢控制中的作用。在肝细胞和糖尿病小鼠肝脏中，许多参与脂肪酸氧化的酶被丙二酰化；当燃料充足时，它们的丙二酰化可能作为反馈抑制。然而，在肥胖的背景下，这种抑制是适应不良的，导致过量的脂质储存和氧化应激。相反，降低丙二酰辅酶A水平可能具有代谢益处：ACC的药理学抑制剂（如ND-630）已知可降低丙二酰辅酶A，并在临床前模型中显示出增加脂肪氧化和改善胰岛素敏感性的作用。在心肌细胞中，降低丙二酰辅酶A（通过过表达MCD或抑制ACC）可增强线粒体脂肪酸摄取并保护免受缺血损伤。因此，丙二酰辅酶A是一把双刃剑，对于脂质合成是必需的，但过量时则有害，而蛋白质丙二酰化正在成为其影响代谢组织的重要介质。

在糖尿病和高脂喂养状态下，丙二酰化也会干扰葡萄糖代谢。上述糖尿病中糖酵解和糖异生酶（G6PI、ALDOB、LDHA、FBP1等）丙二酰化的增加表明，Kmal可能重编程这些通路的代谢流。例如，G6PI（它催化葡萄糖-6-磷酸和果糖-6-磷酸的相互转化）的丙二酰化可能改变糖酵解流或将葡萄糖分流到磷酸戊糖途径，从而影响细胞的氧化还原状态。FBP1的丙二酰化可能抑制糖异生，导致糖尿病患者空腹高血糖。此外，Kmal蛋白质组学其他研究中观察到的三羧酸循环和电子传递链相关酶的丙二酰化会损害线粒体呼吸，导致底物氧化效率低下和电子泄漏增加，从而形成ROS。在软骨细胞中，高丙二酰化与糖尿病模型中的代谢失调和骨关节炎有关，部分通过氧化应激机制。此外，研究报道SIRT5缺陷的软骨细胞会导致过度的蛋白质丙二酰化、代谢重编程和氧化应激增加，进而加速骨关节炎的发展。恢复SIRT5活性或降低丙二酰辅酶A水平可以挽救软骨细胞代谢并抑制OA进展。这些发现直接将Kmal不仅与全身性葡萄糖失调联系起来，还与软骨退变联系起来，为代谢综合征、氧化还原失衡和骨关节疾病之间提供了机制桥梁。

因此，存在一个合理的事件链：营养过剩导致高丙二酰辅酶A水平，进而导致异常的蛋白质丙二酰化和代谢酶功能障碍，造成中间产物积累和电子泄漏，最终导致氧化应激。通过靶向丙二酰化，打断这个链条可能纠正代谢综合征中的细胞氧化还原失衡。

炎症通路与赖氨酸丙二酰化

丙二酰化在炎症中的一个突出例证涉及免疫代谢。被细菌脂多糖（LPS）激活的巨噬细胞会重编程其代谢以支持快速的细胞因子产生。在此状态下，丙二酰辅酶A水平上升（部分原因是柠檬酸从线粒体分流出来用于脂肪酸合成），这会触发糖酵解酶GAPDH的丙二酰化，GAPDH是一种兼职蛋白，也能结合mRNA。研究发现，GAPDH第213位赖氨酸（K213）的丙二酰化是使LPS刺激的巨噬细胞能够产生强大肿瘤坏死因子-α（TNFα）的关键步骤。在静息巨噬细胞中，GAPDH可以结合TNFα mRNA（及其他富含AU元件的转录本）并使其保持未翻译状态。LPS刺激后，升高的丙二酰辅酶A导致GAPDH K213发生丙二酰化。这种修饰导致GAPDH释放TNFα mRNA，使转录本得以翻译，从而导致TNFα蛋白分泌激增。本质上，丙二酰化作为一个开关，将GAPDH从“RNA结合模式”转换为“糖酵解模式”，使得巨噬细胞优先考虑细胞因子生产而非其正常的代谢限制。这一机制的重要性通过以下发现得到强调：用重组GAPDH蛋白治疗小鼠具有抗炎效果，能降低脓毒症模型中的TNFα水平（外源性GAPDH可能在未发生丙二酰化的情况下隔离TNFα mRNA）。这种代谢与免疫之间的新颖联系，被称为“代谢炎症开关”，突显了单个PTM（Kmal）在代谢酶上的变化如何重编程免疫功能。这一发现为合成代谢通量增加（这会提高丙二酰辅酶A）如何直接导致炎症输出增加提供了分子解释。除了巨噬细胞介导的炎症控制，新证据表明蛋白质丙二酰化也调节适应性免疫反应。研究证明，STAT6的丙二酸驱动的丙二酰化增强了记忆CD8⁺ T细胞的生成，从而将通过丙二酰辅酶A的代谢流与长期免疫记忆联系起来。这一发现将Kmal的作用从先天免疫调节（如巨噬细胞中的GAPDH）扩展到适应性T细胞命运决定的调控，强调了其对宿主防御机制的广泛影响。

除了免疫细胞，丙二酰化也与器官的炎症损伤有关。脓毒症是一种对感染的系统性炎症反应，常导致急性心肌功能障碍，其特征是心脏收缩力和生物能学受损。最近研究将VDAC2（一种线粒体外膜通道）确定为脓毒症相关心功能障碍的关键丙二酰化靶点。在啮齿类脓毒症模型中，心肌细胞中VDAC2的丙二酰化显著升高，特别是在第46位赖氨酸（K46）。这种修饰具有病理后果：丙二酰化改变了VDAC2通道的N端区域，破坏了其构象和功能。结果，脓毒症心脏中的线粒体表现出膜电位缺陷、过量ROS产生和铁死亡（一种铁依赖性的细胞死亡）迹象。换句话说，VDAC2的Kmal损害了线粒体通透性和代谢，导致脓毒症期间心肌细胞死亡。关键的是，该研究证明这些效应是由丙二酰辅酶A积累驱动的并且是可逆的。丙二酰辅酶A被确定为脓毒症中VDAC2丙二酰化的主要诱导剂，而降低丙二酰辅酶A或阻断VDAC2上丙二酰化位点的治疗被证明具有保护作用。具体来说，用药物ND-630抑制ACC2（乙酰辅酶A羧化酶的心脏亚型）可降低丙二酰辅酶A水平，进而减少VDAC2丙二酰化，恢复线粒体功能，并减轻脓毒症心脏中的铁死亡性细胞死亡。此外，一个不能被丙二酰化的VDAC2突变体（K46Q模拟永久未修饰状态）对脓毒症诱导的功能障碍具有抵抗力。这些干预措施导致脓毒症动物心脏收缩功能改善和心肌损伤标志物减少。这些发现共同将Kmal定位为脓毒症病理的介质：它通过线粒体失调将炎症激增（改变代谢）与器官损伤联系起来。靶向这一通路，例如通过增强SIRT5活性以去除丙二酰化或提供丙二酰辅酶A脱羧酶以消耗丙二酰辅酶A，可能是保护脓毒症中心脏（可能还有其他器官）的治疗策略。确实，在心肌细胞中过表达SIRT5已被证明可以逆转VDAC2的过度丙二酰化并减少脓毒症诱导的铁死亡，进一步验证了这种方法。

重要的是，在慢性心脏病中也观察到了涉及SIRT5的类似保护机制。研究证明，SIRT5依赖性的GSTP1去丙二酰化抑制了糖尿病心肌病中的心肌细胞焦亡。通过防止GSTP1的过度丙二酰化，SIRT5在糖尿病心脏中保持了氧化还原平衡并减少了炎症性细胞死亡。这些发现将丙二酰化的作用扩展到急性脓毒症诱导的功能障碍之外，表明异常的Kmal同时导致急性和慢性心脏损伤，并将SIRT5定位为跨不同心脏病理的治疗保障。

代谢通过丙二酰化与炎症的联系表明，代谢药物可能通过调节Kmal而产生未被充分认识的抗炎作用。一个突出的例子是钠-葡萄糖协同转运蛋白2（SGLT2）抑制剂（如恩格列净和达格列净）类药物，它们用于治疗T2D，并在患者中显示出减轻炎症和改善心血管结局的效果。最近研究表明，SGLT2抑制剂部分通过减少免疫细胞中的蛋白质丙二酰化来缓解炎症。在血管紧张素II诱导的大鼠心脏炎症模型中，SGLT2抑制导致酮体水平升高（这类药物的已知效应）以及心外膜脂肪组织中ACC1表达的伴随下降。ACC1活性降低意味着更少的乙酰辅酶A被转化为丙二酰辅酶A；因此，治疗动物体内的丙二酰辅酶A浓度降低。这导致心外膜脂肪炎症细胞中GAPDH丙二酰化的可测量减少。此外，组织中的促炎细胞因子（如TNFα和IL-6）水平显著降低。在巨噬细胞中进行的机制性体外实验证实了这一通路：添加酮体β-羟基丁酸（以模拟SGLT2抑制剂代谢）下调了ACC1，降低了丙二酰辅酶A和GAPDH-Kmal，并削弱了LPS诱导的TNFα和IL-1β产生。当ACC1被实验性敲低时，观察到类似的抗炎效果，并且重要的是，这些效应可通过补充丙二酰辅酶A来逆转。这些发现确立了ACC1-丙二酰辅酶A-GAPDH丙二酰化轴是炎症的关键介质。体内结果是，SGLT2抑制剂治疗的大鼠心脏中炎症细胞浸润和纤维化显著减少，这与GAPDH丙二酰化的降低相关。总之，SGLT2抑制剂例证了细胞代谢的调节如何与PTMs相交以影响免疫反应。通过下调丙二酰辅酶A的产生，这些药物无意中减少了如GAPDH等蛋白质的病理性丙二酰化，从而抑制过度炎症。这一机制性见解不仅解释了临床上观察到的SGLT2抑制剂的心血管保护和抗炎益处，还提示其他代谢干预措施（如生酮饮食或ACC抑制剂）可能通过靶向丙二酰化来重新用于控制炎症。这些发现突显赖氨酸丙二酰化作为抗炎治疗的一个新的药理学节点。

癌症与赖氨酸丙二酰化

赖氨酸丙二酰化（Kmal）对癌症生物学具有复杂的、情境依赖性的影响，在肿瘤促进和抑制中扮演双重角色。癌细胞广泛重编程其代谢，这种现象通常被称为瓦博格效应（有氧糖酵解），同时伴随着谷氨酰胺利用和脂肪酸合成的增加。由于丙二酰辅酶A是脂质生物合成的中心代谢物和线粒体燃料使用的调节剂，丙二酰化成为肿瘤代谢的重要调节剂也就不足为奇了。丙二酰化在癌症中的一个方面是通过代谢抑制发挥肿瘤抑制潜力。如前所述，丙二酰化可以抑制关键代谢酶；例如，GAPDH的丙二酰化会降低其糖酵解活性，而三羧酸循环或β-氧化中酶的丙二酰化会减慢这些通路。肿瘤细胞通常依赖这些通路的最大活性来产生生物量和能量；因此，过度的丙二酰化可能不利于其生长。这一原则与非癌性疾病中的发现相一致，例如骨关节炎、糖尿病心肌病和肾脏疾病，其中过度丙二酰化抑制能量代谢并驱动组织功能障碍。这种跨肿瘤和非肿瘤环境的“代谢刹车”的一致性，解释了为什么癌细胞会上调SIRT5以消除丙二酰化并保持代谢灵活性。支持这一现象的证据来自对SIRT5的研究，SIRT5是一种NAD⁺依赖的去丙二酰化酶。SIRT5在癌症中经常过表达，推测是为了消除生长抑制性的酰化（如Kmal和Ksucc）并保持代谢活跃。在细胞培养和动物模型中，SIRT5的缺失已被证明会损害癌细胞的增殖。例如，在肺癌细胞中敲除（或敲低）SIRT5会导致糖酵解酶的丙二酰化增加，并显著降低体外和体内的肿瘤生长。这与以下观点一致：丙二酰化积累（由于缺乏SIRT5“擦除”活性）将代谢酶推向活性较低的状态，从而削弱瓦博格效应并减缓肿瘤进展。类似地，研究人员表明，抑制丙二酰辅酶A分解代谢可以损害癌细胞：阻断丙二酰辅酶A脱羧酶（MCD）会导致丙二酰辅酶A积累，进而增加蛋白质丙二酰化水平。在乳腺癌模型中，MCD的药理学抑制对癌细胞造成了毒性条件，并被确定为代谢脆弱点。本质上，迫使癌细胞经历过度丙二酰化（通过SIRT5抑制或丙二酰辅酶A积累）可以使其精细调控的代谢陷入功能障碍，导致生长停滞或细胞死亡。Kmal的这种肿瘤抑制作用正在被积极探索；它代表了一种靶向癌细胞代谢脆弱性的新方法。

另一方面，某些丙二酰化事件或背景可能促进肿瘤发生，说明了Kmal的双重性。癌症是一种以信号传导、基因表达以及代谢失调为特征的疾病。如果丙二酰化发生在肿瘤抑制蛋白或DNA修复酶上并使其失活，则可能有利于肿瘤发展。尽管这方面的研究尚处于起步阶段，但一项关于2型神经纤维瘤病（NF2）——一种肿瘤综合征——的研究表明丙二酰化参与了支持肿瘤生长的脂质代谢变化。在NF2缺陷的细胞中，丙二酰辅酶A积累和CPT1C（大脑中一种ACC调节的酶）的丙二酰化与异常的mTOR信号传导和脂质积累有关，可能营造了肿瘤许可的环境。丙二酰化助长肿瘤的更直接证据来自SIRT5研究的另一面：癌细胞积极利用SIRT5来去除丙二酰化，这意味着如果丙二酰化不受控制，将会损害它们。换句话说，癌细胞将丙二酰化视为需要消除的东西。这在急性髓系白血病（AML）中得到了例证，SIRT5被确定为关键的代谢效应器。研究报告称，AML细胞“沉迷”于SIRT5；它们需要SIRT5持续去除否则会积累在代谢酶上并减缓增殖的丙二酰基和琥珀酰基。在AML中禁用SIRT5（通过CRISPR或RNAi）会导致白血病细胞增殖失败并诱导凋亡，而对正常造血细胞的影响相对较小。这种差异敏感性将SIRT5定位为癌症中一个有前景的治疗靶点。一种名为NRD167的新型SIRT5抑制剂被证明能有效抑制白血病细胞中SIRT5的去丙二酰化酶活性，导致蛋白质丙二酰化增加和相应的白血病生长阻滞。在AML小鼠模型中，用SIRT5抑制剂治疗或基因敲除SIRT5显著延迟白血病进展并延长生存期，证实了SIRT5（进而推及蛋白质丙二酰化）是一个药物靶点。除AML外，SIRT5过表达在肝癌、结直肠癌和其他癌症中也有报道，并且通常与不良预后相关，这表明许多肿瘤受益于抑制丙二酰化。在这些情境下，丙二酰化本身作为一种肿瘤抑制力量，是癌症必须克服的。因此，增加肿瘤细胞中丙二酰化的疗法（通过SIRT5抑制、MCD抑制或递送可细胞渗透的丙二酰辅酶A类似物以特异性丙二酰化某些靶点）正在作为抗癌策略被探索。相反，可以想象，在某些情况下，我们可能希望减少丙二酰化，例如，如果发现某个特定的丙二酰化事件激活了致癌通路。然而，目前的证据表明，全局性丙二酰化增加对癌细胞不利，而Kmal的促癌作用可能针对特定蛋白质或阶段，且较为微妙。

总之，赖氨酸丙二酰化对癌症具有双重功能影响。其整体增加（例如当SIRT5缺失时）往往会损害癌细胞的代谢灵活性和生长，这是一种抑制效应，研究人员正试图利用这种效应进行治疗。另一方面，癌细胞已经进化出控制丙二酰化的方法，强调不受控制的丙二酰化对它们是有害的。新兴的治疗观点是，SIRT5抑制或丙二酰辅酶A调节可以选择性地靶向癌细胞的代谢脆弱性，这一策略得到了代谢、炎症、肾脏和心脏疾病中一致观察结果的加强。SIRT5抑制剂（例如NRD167）的开发现在提供了一种工具，可以有意识地增加肿瘤中的丙二酰化，并且在白血病和实体瘤（如肺癌）中的早期结果令人鼓舞。展望未来，深入了解影响致癌或肿瘤抑制通路的具体Kmal位点非常重要。这可能揭示丙二酰化起积极作用的情况（例如，丙二酰化激活促凋亡因子是有益的，而丙二酰化使肿瘤抑制因子失活则是有害的）。有了这些知识，可能会设计出联合疗法，例如，使用SIRT5抑制剂广泛增加丙二酰化，同时结合另一种药物来对抗任何促肿瘤的丙二酰化效应。最后，丙二酰化水平或SIRT5表达可能作为对这类代谢干预有反应的癌症的分层生物标志物。本质上，赖氨酸丙二酰化为我们理解癌症代谢重编程增加了一个新的层面，既提供了对肿瘤生物学的见解，也提供了切实的治疗途径。

结论

赖氨酸丙二酰化（Kmal）已成为一种关键代谢调节因子，影响能量代谢、炎症和肿瘤进展等多种生物过程。其受丙二酰辅酶A和SIRT5的调控，强调了它在细胞稳态和疾病发病机制中的动态作用。在糖尿病和肥胖等代谢疾病中，Kmal导致胰岛素抵抗和脂质积累，而在炎症性疾病中，它通过调节细胞因子翻译来调控免疫反应。其在癌症中的双重作用突出了肿瘤抑制和促癌功能，将Kmal定位为潜在的治疗靶点。蛋白质组学的进展为了解其调控机制提供了见解，但需要进一步研究以阐明组织特异性的丙二酰化模式及其与其他PTMs的相互作用。通过SIRT5调节剂、丙二酰辅酶A代谢调节剂和PTM特异性抑制剂来靶向Kmal，代表了一个有前景的疾病干预途径。随着我们理解的深入，Kmal可能作为代谢、炎症和肿瘤疾病中的生物标志物和治疗靶点。未来的研究应优先考虑利用Kmal调控网络开发靶向疗法的精准医学方法，以改善临床结果。