综述：富马酸和富马酸水合酶：一种炎症和疾病的免疫代谢物调节剂

《Frontiers in Immunology》：Fumarate and fumarate hydratase: an immunometabolite regulator of inflammation and diseases

　　

摘要 富马酸曾仅被视为三羧酸（TCA）循环中参与能量生成的中间代谢物，但现已作为一种关键的免疫代谢物出现，对炎症信号传导和免疫细胞命运产生深远影响。本综述全面阐述了富马酸的双重特性，其作为炎症的上下文依赖性调控器发挥作用。细胞内富马酸水平受到酶活性、运输系统以及外源性来源（包括药物制剂二甲基富马酸（DMF））的严格调控。富马酸可通过称为琥珀酸化（succination）的过程共价修饰蛋白质中的关键半胱氨酸残基。重要的是，DMF在超生理浓度下发挥作用，并可能涉及与内源性积累的富马酸不同的机制。这种独特的翻译后修饰使富马酸能够直接调节关键信号通路，包括核因子κB（NF-κB）、核因子红细胞2相关因子2（NRF2）、缺氧诱导因子1-α（HIF-1α）、Janus激酶/信号转导和转录激活因子（JAK-STAT）以及NLR家族pyrin结构域包含蛋白3（NLRP3）炎症小体，从而协调广泛的抗炎程序。研究人员进一步研究了富马酸如何重塑巨噬细胞、树突状细胞、T细胞和B细胞的功能表型，最终使免疫反应向耐受和消退偏移。关键的是，本综述区分了内源性富马酸的生理作用、富马酸水合酶（FH）缺乏导致的富马酸积累的病理后果以及外源性富马酸酯的药理学作用。相反，富马酸代谢失调，如遗传性平滑肌瘤病和肾细胞癌（HLRCC）以及系统性红斑狼疮等疾病中所观察到的，会矛盾地促进病理性炎症。富马酸酯（特别是DMF）成功用于治疗多发性硬化症和牛皮癣的临床转化，突显了其治疗潜力。通过综合富马酸生物学的最新进展，本综述不仅阐明了其作为细胞代谢与免疫之间基本联系的作用，还强调了针对富马酸相关通路在多种慢性炎症性疾病中的未来方向。

2 富马酸的代谢作用
2.1 富马酸在TCA循环中的生化结构和功能
富马酸是四碳二羧酸，化学式为C₄H₄O₄，具有反式构型。在TCA循环中，琥珀酸脱氢酶（SDH）催化琥珀酸氧化生成富马酸，同时将黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）还原为FADH₂。随后，富马酸水合酶（FH）将富马酸水合为苹果酸。TCA循环的主要功能是生成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和FADH₂，为电子传递链提供能量以产生三磷酸腺苷（ATP）。

2.2 FH的双亚细胞定位
FH在人类细胞中同时定位于线粒体和胞质，通过单个基因的替代转录起始实现。含有足够长的5′前导序列的转录本编码带有线粒体靶向序列（MTS）的长前体蛋白，实现线粒体输入；而起始于起始密码子附近的转录本缺乏功能性MTS，翻译为较短的胞质同工型。胞质FH参与DNA损伤修复和表观遗传调控。

2.3 富马酸作为超越能量产生的代谢中间体
富马酸积累可通过非酶促翻译后修饰（琥珀酸化）以及竞争性抑制α-酮戊二酸（α-KG）依赖性双加氧酶，将TCA循环活性与表观遗传调控和炎症信号通路连接起来。

3 细胞内富马酸水平的调控
3.1 三羧酸循环
SDH催化琥珀酸生成富马酸，其活性受细胞内氧化还原状态、表观遗传改变、转录调控和翻译后修饰的调节。SDH活性受损可导致琥珀酸积累和富马酸生成减少。同样，FH活性受调节，其减弱可导致细胞内富马酸积累。

3.2 尿素循环
精氨基琥珀酸裂解酶（ASL）在肝细胞中催化精氨基琥珀酸裂解，产生富马酸和精氨酸。胞质富马酸可通过特异性膜转运蛋白（特别是琥珀酸/富马酸载体（SFC1））转运至线粒体。此外，延胡索酰乙酰乙酸水解酶（FAH）在酪氨酸和苯丙氨酸分解代谢中催化产生富马酸。

3.3 外源性来源和因素
饮食摄入和前体补充可影响富马酸水平。从头嘌呤生物合成中，腺苷酸琥珀酸裂解酶（ADSL）催化SAICAR裂解释放富马酸。此外，药物如二甲基富马酸（DMF）可代谢增加细胞内富马酸水平。

3.4 细胞内和细胞外运输机制
富马酸通过线粒体内膜的二羧酸载体（DICs）从线粒体基质转运至胞质，介导富马酸与其他二羧酸（如琥珀酸、苹果酸）的反向交换。苹果酸-天冬氨酸穿梭也参与运输。在特定条件下，富马酸可通过单羧酸转运蛋白（MCTs）输出细胞外。

3.5 区分三种背景：内源性富马酸、FH缺乏和药理学富马酸
三种背景在富马酸浓度、暴露持续时间、亚细胞定位和下游分子靶点上存在根本区别。内源性积累通常是暂时的、区室化的且中等浓度；遗传性FH缺乏（如HLRCC）导致慢性显著升高的富马酸水平；药理学富马酸酯（如DMF、MMF）在超生理浓度下给药，快速消耗谷胱甘肽（GSH），修饰大量半胱氨酸残基。

4 富马酸在炎症中的作用
4.1 富马酸驱动蛋白质琥珀酸化和炎症信号通路
富马酸通过共价修饰蛋白质中半胱氨酸巯基，产生S-(2-琥珀酰)半胱氨酸（2SC）残基。

4.1.1 NF-κB通路
内源性富马酸积累和DMF处理均诱导IKKβ在Cys179处、p65/RelA在Cys38处的琥珀酸化，抑制NF-κB活性，降低IL-6、TNF-α、IL-1β表达。DMF还通过琥珀酸化抑制CARD11-BCL10-MALT1（CBM）复合物。

4.1.2 NRF2通路
富马酸酯通过琥珀酸化KEAP1的Cys151、C273、C288、C319等残基，激活NRF2，上调HO-1、GSH合成酶等抗炎基因。MMF选择性修饰Cys151。DMF的效果在NRF2缺失时部分保留，提示其他机制参与。

4.1.3 HIF-1α通路
富马酸通过琥珀酸化抑制脯氨酰羟化酶（PHDs），稳定HIF-1α。在FH缺乏细胞中，富马酸与GSH反应生成琥珀酰化谷胱甘肽（GSF），消耗NADPH，增加ROS，进一步稳定HIF-1α。IL-10处理通过上调SDH减少琥珀酸、增加富马酸，反而降低HIF-1α和IL-1β。

4.1.4 NLRP3炎症小体和细胞焦亡
DMF和相关衍生物抑制NLRP3激活，减少IL-1β成熟。外源DMF和内源性富马酸均可诱导gasdermin D（GSDMD）琥珀酸化，抑制caspase-1介导的裂解和孔形成，阻断IL-1β释放和细胞焦亡。

4.1.5 MAPK/ERK通路
FH缺乏肾癌中MAPK/ERK通路上调。DMF抑制ERK1/2和p38 MAPK磷酸化，减少VEGF表达。DMF特异性抑制ERK1/2-MSK1轴，干扰NF-κB信号，促进未成熟树突状细胞表型。

4.1.6 JAK-STAT通路
DMF通过琥珀酸化JAK1的C257和C731，抑制STAT3磷酸化。DMF还通过减轻内质网应激间接抑制JAK2-STAT3。内源性富马酸对JAK-STAT的直接修饰尚未证实。

4.2 富马酸的免疫细胞特异性作用
4.2.1 巨噬细胞
LPS刺激后，富马酸通过ASS1-ASL分流积累，伴随FH下调。在β-葡聚糖训练的巨噬细胞中，谷氨酰胺分解驱动富马酸积累。巨噬细胞富马酸稳定HIF-1α，增强IL-1β表达；琥珀酸化GAPDH抑制糖酵解。FH抑制导致mtDNA泄漏，激活cGAS-STING通路，放大炎症。

4.2.2 树突状细胞
DMF限制DC成熟，减少共刺激分子和IL-12、TNF分泌，通过干扰NF-κB和MAPK信号，同时通过NRF2/HO-1增强IL-10，促进耐受表型。

4.2.3 T细胞
DMF促进活化T细胞凋亡，减少Th1和Th17，增加Th2和Treg。在FH缺乏肿瘤中，肿瘤来源的富马酸琥珀酸化ZAP70的C96/C102，抑制CD8⁺ T细胞活化。内源性富马酸对CD4⁺ T细胞分化的表观遗传调控直接证据有限。

4.2.4 B细胞
富马酸通过琥珀酸化LYN的Cys381，抑制BCR信号，减少B细胞活化和抗体产生。DMF治疗后，记忆B细胞减少，幼稚和过渡性B细胞富集，调节性B细胞表型增加。

4.3 富马酸通过非酶和酶促反应的免疫调节
非酶促琥珀酸化修饰蛋白质；酶促赖氨酸琥珀酰化利用琥珀酰-CoA。富马酸抑制α-KG依赖性双加氧酶（JMJDs和TET），导致组蛋白和DNA超甲基化，重塑转录程序。

5 富马酸在慢性炎症疾病中
5.1 自身免疫疾病
DMF在MS和牛皮癣中有效。SLE患者单核细胞FH表达降低，富马酸积累促进IFN通路激活。在EAE和关节炎模型中，富马酸酯减轻疾病严重度。

5.2 炎症性肠病
DMF在结肠炎模型中保护性，抑制NF-κB和NLRP3，激活NRF2，可能影响肠道微生物组。

5.3 动脉粥样硬化和慢性心血管炎症
DMF减少动脉粥样硬化病变，抑制NF-κB，激活NRF2，减少泡沫细胞和粘附分子表达。

5.4 富马酸水平作为疾病生物标志物
在SLE中，FH降低与疾病活动相关。蛋白质琥珀酸化（2SC加合物）可作为富马酸暴露的间接生物标志物。

6 富马酸相关药物的临床研究进展和应用
6.1 DMF在多发性硬化症中
DMF (Tecfidera^?) FDA2013年批准用于复发缓解型MS，III期试验显示年复发率降低44-53%，减少MRI新病灶。机制包括减少记忆T/B细胞，促进抗炎表型。副作用包括面色潮红、胃肠道反应和淋巴细胞减少。

6.2 DMF在牛皮癣中
富马酸酯混合物 (Fumaderm^?) 自1990年代在德国用于中重度银屑病，2017年DMF (Skilarence^?) 在欧洲获批。DMF减少Th1/Th17，增加Treg，改善PASI评分。

6.3 炎症性肠病
小型试验和病例系列评估DMF在溃疡性结肠炎和克罗恩病中的应用，动物模型显示保护作用。

6.4 风湿性疾病
DMF在RA模型中改善关节炎症；SLE为候选疾病，基于FH下调的研究。

7 未来研究方向和前景
需要因果机制研究，如细胞特异性FH敲除小鼠模型。探讨富马酸与琥珀酸、衣康酸等代谢物的交互作用。系统生物学方法整合代谢组学和转录组学。需区分内源性富马酸与药理学DMF的作用差异。