編譯 | 咸姐

責(zé)編 | 兮

在《生物化學(xué)》的課本上，有一個(gè)詞總是會(huì)頻繁的出現(xiàn)，或是單獨(dú)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(gè)代謝輔助因子被發(fā)現(xiàn)，即“輔酶”【1】。大約30年后，這個(gè)輔酶的化學(xué)成分才被分析出來(lái)，是由腺嘌呤、磷酸和還原性糖基組成【2】。而直到1936年，NAD+的實(shí)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(diǎn)的分子間轉(zhuǎn)移氫化物【3】。

關(guān)于NAD+的研究曾獲得了三項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。21世紀(jì)初，在發(fā)現(xiàn)NAD+可以作為去乙酰化酶家族的共底物（去乙?；讣易迨情L(zhǎng)壽和新陳代謝的重要調(diào)節(jié)因子）的新作用后，人們對(duì)NAD+的興趣再次升溫。

近些年，關(guān)于NAD+可以延緩衰老、促進(jìn)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(qiáng)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(jìn)展如何，未來(lái)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(xì)地為我們回顧了NAD+生物化學(xué)和代謝的基礎(chǔ)知識(shí)，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(lái)的轉(zhuǎn)化潛力。

01NAD+是什么？

NAD+和NADH （NAD(H)）氧化還原對(duì)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(diǎn)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(shí)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(duì)應(yīng)物NADPH主要用于合成代謝反應(yīng)和細(xì)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，即作為去乙酰化酶sirtuin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(gè)功能，是首次在細(xì)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(hù)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(xì)菌中不同，隨后在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的NAD+“帽子”結(jié)構(gòu)則可以通過去帽機(jī)制加速RNA的降解。盡管NAD+的這個(gè)功能研究尚淺，但NAD+加帽過程很有可能是一種根據(jù)細(xì)胞能量狀態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄輸出的直接機(jī)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(bǔ)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(gè)因素是NAD+的亞細(xì)胞分布和代謝，但是目前在NAD+的絕對(duì)定量方面還存在著技術(shù)局限，不過，研究者們還是認(rèn)為NAD+在細(xì)胞漿和細(xì)胞核之間是可以相互交換的，這很可能是因?yàn)檫@兩個(gè)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(dòng)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(dòng)物線粒體中存在著一種尚未被發(fā)現(xiàn)的NAD+運(yùn)輸體，這也推翻了長(zhǎng)久以來(lái)人們所認(rèn)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(gè)關(guān)鍵決定因素是不同NAD+生物合成酶的亞細(xì)胞分布。例如， NAD+的從頭合成的主要位置似乎是在胞質(zhì)，因?yàn)樵撏緩降乃忻付级ㄎ挥诎|(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(xì)胞位置（核、胞漿和線粒體），因此NAM被認(rèn)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(xì)胞差異外，不同NAD+生物合成酶的表達(dá)和對(duì)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?yàn)榇蠖鄶?shù)NAD+生物合成酶都在這兩個(gè)器官中高表達(dá)，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(lái)合成NAD+。而未來(lái)的研究仍需闡明關(guān)于亞細(xì)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(xì)胞生物能的重要調(diào)節(jié)因子，其豐度反映了細(xì)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(yùn)動(dòng)，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(jìn)NAD+水平上升的策略大致分為兩類：促進(jìn)NAD+的合成或抑制其過度消耗。NAD+前體的補(bǔ)充和NAD+合成酶的激活均可以有效地促進(jìn)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(lái)催化醌類轉(zhuǎn)化為對(duì)苯二酚類，從而提高細(xì)胞內(nèi)NAD+水平。而最新興起的一波促進(jìn)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(shí)，抑制NAD+消耗酶PARP、CD38或SARM1的活性，也被證實(shí)可以提高NAD+的含量。

03NAD+在疾病中的作用及促進(jìn)NAD+帶來(lái)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(biāo)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(jìn)NAD+的表達(dá)所帶來(lái)的治療和預(yù)防潛力已經(jīng)在越來(lái)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(cuò)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(jì)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(xì)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(shí)，即使在脂肪性肝炎和肝硬化等較嚴(yán)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(xì)胞肥大中均檢測(cè)到NAD+水平的改變，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，NA和NAM可以減輕慢性腎臟疾?。–KD）的某些病理特征，不過腎臟中NAD+的分布還尚未被評(píng)估。

在腸內(nèi)，旨在恢復(fù)NAD+穩(wěn)態(tài)的方法也確實(shí)提高了腸道干細(xì)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(jìn)行更多的研究來(lái)了解NAD+在腸道中的代謝作用。

對(duì)于造血系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(jìn)線粒體清除，成功地促進(jìn)體內(nèi)造血功能，提高小鼠造血干細(xì)胞移植后的存活率。同時(shí)，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(xì)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(yíng)養(yǎng)不良和線粒體肌病等疾病中檢測(cè)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(lái)的NAD+研究是機(jī)遇與風(fēng)險(xiǎn)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(duì)NAD+表現(xiàn)出了普遍的興奮感。利用不同策略來(lái)恢復(fù)細(xì)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(rèn)的，但現(xiàn)在是時(shí)候停下來(lái)思考一下NAD+帶來(lái)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(shí)也出乎意料地不完整?？紤]到NAD+及其相關(guān)代謝物之間的不斷相互轉(zhuǎn)化，對(duì)整個(gè)NAD+代謝組的評(píng)估是獲得促進(jìn)NAD+所產(chǎn)生作用的更為全面準(zhǔn)確的方法，這就要求準(zhǔn)確且可重復(fù)的NAD+定量方法的更仔細(xì)的應(yīng)用。

同時(shí)，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(jià)值還有很多問題需要解決。首要之一就是應(yīng)該進(jìn)行精心規(guī)劃的、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、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(shí)是一把雙刃劍。一方面，它們的使用不需要美國(guó)食品和藥物監(jiān)督管理局（FDA）的批準(zhǔn)，因而大大簡(jiǎn)化了這些化合物作為食品補(bǔ)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(duì)投資大型臨床試驗(yàn)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(jìn)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(cuò)誤的方向發(fā)展。

必須說(shuō)明的，只有在對(duì)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(jìn)展，才能將激動(dòng)人心的觀察結(jié)果從實(shí)驗(yàn)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(xiàn)

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