編譯 | 咸姐

責(zé)編 | 兮

在《生物化學(xué)》的課本上，有一個詞總是會頻繁的出現(xiàn)，或是單獨成一章節(jié)，或是與其他生理過程一起，它就是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）。1906年，NAD+作為第一個代謝輔助因子被發(fā)現(xiàn)，即“輔酶”【1】。大約30年后，這個輔酶的化學(xué)成分才被分析出來，是由腺嘌呤、磷酸和還原性糖基組成【2】。而直到1936年，NAD+的實際功能才開始被發(fā)現(xiàn)，其能夠在以煙酰胺基為氧化還原位點的分子間轉(zhuǎn)移氫化物【3】。

關(guān)于NAD+的研究曾獲得了三項諾貝爾獎。21世紀初，在發(fā)現(xiàn)NAD+可以作為去乙?；讣易宓墓驳孜铮ㄈヒ阴；讣易迨情L壽和新陳代謝的重要調(diào)節(jié)因子）的新作用后，人們對NAD+的興趣再次升溫。

近些年，關(guān)于NAD+可以延緩衰老、促進身體健康的研究取得關(guān)鍵性突破，讓基于NAD+的抗衰老保健品層出不窮，只是不得不強調(diào)的是，NAD+的抗衰之路并非如此順利，到底NAD+與健康和疾病的關(guān)系如何，目前的研究進展如何，未來的去向又如何呢？

近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)的Johan Auwerx教授等人在Nature Metabolism上在線發(fā)表題為NAD+homeostasis in health and disease的綜述，詳細地為我們回顧了NAD+生物化學(xué)和代謝的基礎(chǔ)知識，以及其穩(wěn)態(tài)與健康和疾病的關(guān)系，并討論了NAD+研究目前面臨的挑戰(zhàn)和未來的轉(zhuǎn)化潛力。

01NAD+是什么？

NAD+和NADH （NAD(H)）氧化還原對是多種依賴于電子交換的生化反應(yīng)的關(guān)鍵因素，特別是涉及氧化還原酶介導(dǎo)的氫化物轉(zhuǎn)移的氧化還原反應(yīng)。在這些反應(yīng)中，NAD+是電子受體，而NADH是電子供體。許多需要NAD(H)作為輔酶的反應(yīng)都與分解代謝和獲取代謝能量有關(guān)（圖1），包括酒精代謝、糖酵解、丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶A、脂肪酸β氧化、三羧酸循環(huán)等等。

圖1需要NAD+/NADH作為輔酶的主要生化反應(yīng)

值得注意的是，大約有10%的NAD(H)可以在腺苷核苷位點被NAD+激酶磷酸化，從而導(dǎo)致煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP(H)）的從頭合成。然而，盡管NAD(H)和NADP(H)在結(jié)構(gòu)上相關(guān)，但它們通常被不同的酶識別，因此具有不同的功能，NAD(H)主要參與分解代謝反應(yīng)，而NADP+及其還原的對應(yīng)物NADPH主要用于合成代謝反應(yīng)和細胞氧化應(yīng)激防御反應(yīng)。

除了可以作為還原反應(yīng)的輔酶，NAD+還被發(fā)現(xiàn)可以作為非氧化還原反應(yīng)的共底物，即作為去乙?；竤irtuin家族的共底物，可以有效協(xié)調(diào)線粒體功能、代謝和衰老。在這之后，研究者們開始陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其他重要的NAD+消耗酶，如環(huán)二磷酸核糖（cADPR）合成酶（包括CD38和CD157）和聚二磷酸核糖聚合酶（PARP）蛋白家族，以及神經(jīng)元中的SARM1。

NAD+的第三個功能，是首次在細菌中發(fā)現(xiàn)的，即NAD+可以與RNA的5’端連接（也稱成為NAD+RNA“帽子”結(jié)構(gòu)），從而保護RNA不被降解，還可以作為非經(jīng)典的從頭轉(zhuǎn)錄起始因子。而與細菌中不同，隨后在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的NAD+“帽子”結(jié)構(gòu)則可以通過去帽機制加速RNA的降解。盡管NAD+的這個功能研究尚淺，但NAD+加帽過程很有可能是一種根據(jù)細胞能量狀態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄輸出的直接機制。

02NAD+穩(wěn)態(tài)及其維持

體內(nèi)的NAD+的合成可以分為兩大類，一類是補救合成途徑（salvage pathway），即經(jīng)由不同形式的維生素B3產(chǎn)生，包括煙酰胺（NAM）、煙酸（NA）和煙酰胺核苷（NR），所有這些分子都被稱為NAD+前體。另一類稱為從頭合成（de novo synthesis，DNS）途徑，是經(jīng)由必需氨基酸色氨酸合成的。

與NAD+內(nèi)穩(wěn)態(tài)密切相關(guān)的一個因素是NAD+的亞細胞分布和代謝，但是目前在NAD+的絕對定量方面還存在著技術(shù)局限，不過，研究者們還是認為NAD+在細胞漿和細胞核之間是可以相互交換的，這很可能是因為這兩個部分顯示出相似的NAD+濃度。此外，隨著同位素示蹤技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)哺乳動物線粒體中不僅有NAD+前體，還存在著完整的NAD(H)，這表明哺乳動物線粒體中存在著一種尚未被發(fā)現(xiàn)的NAD+運輸體，這也推翻了長久以來人們所認為的——線粒體內(nèi)的NAD+與核-胞質(zhì)中的NAD+完全分離。

NAD+內(nèi)穩(wěn)態(tài)的另一個關(guān)鍵決定因素是不同NAD+生物合成酶的亞細胞分布。例如， NAD+的從頭合成的主要位置似乎是在胞質(zhì)，因為該途徑的所有酶都定位于胞質(zhì)；而NAM轉(zhuǎn)磷酸核糖激酶（NAMPT）廣泛存在于與NAD+相關(guān)的所有細胞位置（核、胞漿和線粒體），因此NAM被認為是所有部位中常見的NAD+前體。

除了NAD+內(nèi)穩(wěn)態(tài)的亞細胞差異外，不同NAD+生物合成酶的表達和對特定NAD+前體的選擇也存在著器官特異性差異。例如，肝臟和腎臟（在較小程度上）似乎是全身NAD+穩(wěn)態(tài)的中樞，因為大多數(shù)NAD+生物合成酶都在這兩個器官中高表達，而研究發(fā)現(xiàn)，循環(huán)色氨酸可以在肝臟中被有效地轉(zhuǎn)化為NAD+，但其他器官似乎主要依賴NAM或NA來合成NAD+。而未來的研究仍需闡明關(guān)于亞細胞、器官特異性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)的NAD+穩(wěn)態(tài)在健康甚至疾病中的尚未解決的問題。

那么生理狀態(tài)下，NAD+穩(wěn)態(tài)受到什么因素的影響呢？NAD+是細胞生物能的重要調(diào)節(jié)因子，其豐度反映了細胞的能量狀態(tài)。因此能量限制條件，如熱量限制、禁食、低葡萄糖喂養(yǎng)或運動，都能使NAD+水平升高。此外，生物周期節(jié)律也被發(fā)現(xiàn)可以控制NAD+的水平。

現(xiàn)今的研究將促進NAD+水平上升的策略大致分為兩類：促進NAD+的合成或抑制其過度消耗。NAD+前體的補充和NAD+合成酶的激活均可以有效地促進NAD+的合成。此外，研究發(fā)現(xiàn)，NAD(P) H -醌氧化還原酶1 (NQO1)作為一種抗氧化蛋白，可以通過NADH電子供體來催化醌類轉(zhuǎn)化為對苯二酚類，從而提高細胞內(nèi)NAD+水平。而最新興起的一波促進NAD+產(chǎn)生的方法是基于“防止NAD+生物合成途徑的中間體逃逸”的原理。與此同時，抑制NAD+消耗酶PARP、CD38或SARM1的活性，也被證實可以提高NAD+的含量。

03NAD+在疾病中的作用及促進NAD+帶來的治療潛力

NAD+的損耗是衰老和許多與年齡相關(guān)的疾病的重要標志，如神經(jīng)肌肉、心臟代謝、肝臟和腎臟疾病等（圖2）。因此，通過促進NAD+的表達所帶來的治療和預(yù)防潛力已經(jīng)在越來越多的臨床前模型和疾病模型中被研究。

圖2 與NAD+穩(wěn)態(tài)改變相關(guān)的疾病

在大腦和神經(jīng)系統(tǒng)中，NAD+的耗竭與幾種蛋白病變有關(guān)，其中錯誤折疊的蛋白以毒性蛋白聚集物的形式積累，包括阿爾茲海默癥（AD）、帕金森癥（PD）、朊病毒病和脊髓小腦共濟失調(diào)7型（SCA7），而重建NAD+穩(wěn)態(tài)被發(fā)現(xiàn)可以改善神經(jīng)干細胞的增殖和再生能力。

在肝臟中，NAD+含量降低則與酒精性和非酒精性脂肪肝相關(guān)，而保留肝臟內(nèi)NAD+含量時，即使在脂肪性肝炎和肝硬化等較嚴重的肝臟疾病中，也能減輕相關(guān)損害。

此外，在急性腎臟損傷（AKI）、糖尿病腎病和血管細胞肥大中均檢測到NAD+水平的改變，同時研究發(fā)現(xiàn)，NA和NAM可以減輕慢性腎臟疾病（CKD）的某些病理特征，不過腎臟中NAD+的分布還尚未被評估。

在腸內(nèi)，旨在恢復(fù)NAD+穩(wěn)態(tài)的方法也確實提高了腸道干細胞（ISC）的再生能力，在腸系膜缺血和結(jié)腸炎等多種腸道疾病中都是有益的。當(dāng)然，我們必須進行更多的研究來了解NAD+在腸道中的代謝作用。

對于造血系統(tǒng)來說，已有研究發(fā)現(xiàn)，NR及其中間產(chǎn)物煙酰胺單核苷酸（NMN）均可通過降低線粒體活性和通過線粒體自噬促進線粒體清除，成功地促進體內(nèi)造血功能，提高小鼠造血干細胞移植后的存活率。同時，NMN給藥也可以改善出血性休克的一些癥狀，并且研究人員在巨噬細胞中也觀察到與維持NAD+含量相關(guān)的抗炎作用。

在骨骼肌中，NAD+的消耗可在肌肉減少癥、肌營養(yǎng)不良和線粒體肌病等疾病中檢測到。同樣，在心臟中，心肌病、心肌缺血和肥大癥也均顯示組織內(nèi)NAD+含量的下降。

04未來的NAD+研究是機遇與風(fēng)險的并存

在過去的十年中，NAD+領(lǐng)域經(jīng)歷了一次真正的科學(xué)復(fù)興，導(dǎo)致媒體對NAD+表現(xiàn)出了普遍的興奮感。利用不同策略來恢復(fù)細胞內(nèi)NAD+水平所產(chǎn)生的有益影響正在迅速積累，雖然通過幾種方法提高NAD+水平的治療潛力是不可否認的，但現(xiàn)在是時候停下來思考一下NAD+帶來的這種興奮可能產(chǎn)生的影響了。

就目前而言，即使是最基本的NAD+生物學(xué)知識也出乎意料地不完整。考慮到NAD+及其相關(guān)代謝物之間的不斷相互轉(zhuǎn)化，對整個NAD+代謝組的評估是獲得促進NAD+所產(chǎn)生作用的更為全面準確的方法，這就要求準確且可重復(fù)的NAD+定量方法的更仔細的應(yīng)用。

同時，要確定迄今為止發(fā)表的所有關(guān)于NAD+的研究的真正轉(zhuǎn)化價值還有很多問題需要解決。首要之一就是應(yīng)該進行精心規(guī)劃的、持續(xù)時間更長、劑量更大、涉及大量患者的臨床研究。然而，作為維生素的NAD+前體其實是一把雙刃劍。一方面，它們的使用不需要美國食品和藥物監(jiān)督管理局（FDA）的批準，因而大大簡化了這些化合物作為食品補充劑的研究和銷售。而另一方面，由于NR、NA、NMN和NAM都是天然產(chǎn)物，生物制藥行業(yè)對投資大型臨床試驗仍然猶豫不決。因此，科學(xué)界和臨床界不能屈服于圍繞NAD+的促進的有益作用的宣傳和壓力，必須盡一切努力防止該領(lǐng)域在缺乏臨床證據(jù)的基礎(chǔ)上向錯誤的方向發(fā)展。

必須說明的，只有在對NAD+生物學(xué)的基礎(chǔ)和臨床研究方面取得系統(tǒng)全面的進展，才能將激動人心的觀察結(jié)果從實驗室轉(zhuǎn)化到臨床，才能真正開發(fā)出與維持健康的NAD+穩(wěn)態(tài)相關(guān)的預(yù)防和治療潛力。

制版人：珂

參考文獻

1. Harden, A. & Young, W. The alcoholic ferment of yeastjuice.Proc. R. Soc. Lond.B 77, 405–420 (1906).

2. von Euler, H. & Myrbck, K. Cozymase. XVII. Hoppe-Seyler’s Z.Physiol. Chem.190, 93–100 (1930).

3. Warburg, O. & Christian, W. Pyridine, the hydrogen transfusing component of fermentative enzymes.Helv. Chim. Acta19, 79–88 (1936).

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