NAD+代謝在細胞功能及相關疾病中作用的研究進展

何盛梅，趙厚育*

(1.貴州醫科大學，貴州 貴陽 550004；2.貴州醫科大學附屬醫院 耳鼻咽喉頭頸外科，貴州 貴陽 550004)

煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+)是細胞內 一種重要的輔助調節因子，參與細胞能量代謝、蛋白翻譯后修飾、DNA修復和細胞應激適應等生物過程，NAD+代謝紊亂與多種生理改變、病理損傷及疾病的發生發展密切相關，涉及生物衰老進程、代謝性和神經退行性疾病以及各種癌癥[1-2]。通過調節NAD+代謝，恢復細胞內NAD+水平，顯示了對細胞功能和相關疾病的有益效果[3]。本文綜述了NAD+的代謝以及在細胞功能、相關疾病進程的調控作用，并討論了這一研究領域可能存在的治療意義。

1 NAD+簡介

NAD+，即輔酶Ⅰ，在細胞內主要有兩種形式：即氧化型(NAD+)和還原型(NADH)，兩者是氧化或還原反應中介導氫轉移的一對酶輔助因子，NAD+/ NADH比例的穩態在氧化還原反應中對于維持生物能的產生至關重要。除此以外，近年來研究發現，NAD+除了參與氧化還原功能外, 還調控了細胞內許多重要信號傳導過程，例如：作為細菌DNA連接酶、ADP核糖基轉移酶或聚核糖基聚合酶(poly ADP-ribose polymerases, PARPs)、環ADP核糖合成酶(cyclic ADP-ribose synthases, cADP合酶)和Sir2樣蛋白去乙酰化酶(sirtuins, SIRT)等信號傳導酶的輔助催化底物，進而影響信號傳導酶的催化活性及調節功能[4]。NAD+將細胞代謝與生理信號傳導直接聯系起來，在調節細胞的生長節律、分化衰老、應激適應和疾病發生等生命過程中起到關鍵作用，針對NAD+代謝及其調節機制的研究可能是疾病治療的一個有希望靶點。

2 NAD+代謝

2.1 NAD+的消耗

NAD+是NAD+依賴型ADP核糖基轉移酶的共同底物，這類酶在體內主要有3種，分別為PARP、cADP合酶和Sirtuins。這類酶會將NAD+分解成ADP核糖和煙酰胺(nicotinamide, NAM)，在不同細胞中發揮不同生理功能。然而，這一過程同樣也導致了NAD+被消耗。其中，PARP是細胞中NAD+的主要消耗者，在DNA修復過程中起著重要作用。通過將NAD+作為底物轉移ADP核糖基到DNA修復相關蛋白，使其活化，參與DNA修復、基因組穩定、染色質重建等基因修復過程[5]。cADP合酶消耗NAD+是通過產生環狀ADP-核糖(cADP-ribose, cADPR)。cADPR是鈣和胰島素信號中強有力的第二信使，在免疫應答和維持鈣離子穩態方面具有重要意義[6]。Sirtuins是一個由7種蛋白(Sirt1-7)組成的家族，它們具有去乙酰化酶、去丙二酰化酶、脫琥珀酰化酶和去戊二酰化酶活性，其中sirtuins的脫乙酰基或脫酰基需要NAD+作為共底物，將乙酰化蛋白質中的賴氨酸轉移至NAD+中的ADP核糖基，形成一個新的去乙酰化蛋白質和NAM[7-8]。以上3種酶承擔了NAD+的主要消耗過程，在細胞不同的亞結構中、不同的病理生理過程中，每種消耗酶占主導地位不盡相同，但是，NAD+的產生和消耗之間的最佳平衡對于調節各種病理生理條件下多種生物過程至關重要。

2.2 NAD+的生物合成

NAD+在發揮其生物學功能過程中會被消耗，需要不斷合成以維持細胞內NAD+穩態。NAD+的生物合成主要有兩條途徑：從頭合成途徑和補救合成途徑。從頭合成途徑中，由色氨酸衍生的喹啉酸(quinolinic acid, QA)是從頭合成途徑的主要起始成分。生成的QA被用來產生中間產物煙酸單核苷酸(nicotinic acid mononucleotide, NAMN)，NAMN通過煙酰胺單核苷酸腺苷轉移酶(nicotinamide mononucleotide adenylyl transferases, NMNATs)催化作用生成煙酸腺嘌呤二核苷酸(nicotinic acid adenine dinucleotide, NAAD)，NAAD又在NAD合成酶的催化下，最終生成NAD+。但是，通過此途徑合成的NAD+仍不足以維持機體正常的NAD+需要，細胞還需要經由補救合成途徑來產生NAD+。

在補救合成途徑中，NAD+從前體煙酰胺核苷(nicotinamide riboside, NR)、煙酸(nicotinic acid, NA)或NAM中再生。NAM可被煙酰胺磷酸核糖轉移酶(nicotinamide phosphotransferase, NAMPT)轉化為煙酰胺單核苷酸(nicotinamide mononucleotide, NMN)，NMN還可以由煙酰胺核糖核苷激酶(nicotinamide riboside kinase, NRK)對NR進行磷酸化生成，最終NAMN和NMN都是被NMNATs腺苷化為NAD+。在細胞中，通過前體補救途徑合成在維持細胞NAD+生理水平中最為重要。

3 NAD+下降導致細胞功能障礙

NAD+是糖酵解和氧化磷酸化過程中線粒體最大氧化能力的限制因素[9]，NAD+穩態受損將會影響細胞代謝功能及氧化還原平衡，這主要和線粒體功能障礙有關[10-11]。細胞在糖酵解和三羧酸循環過程中產生NADH而導致還原性應激，需要通過線粒體將NADH再氧化生成NAD+來維持細胞中NAD+/NADH比值穩定，這對于葡萄糖的持續氧化、ATP的產生和正常細胞功能必不可少。線粒體功能障礙導致氧化呼吸鏈缺陷和糖酵解增加，產生過量NADH，不能被氧化為NAD+，破壞NAD+/NADH穩態，導致細胞產生還原應激狀態。而低水平的NAD+影響線粒體ATP合成并又會增加活性氧(reactive oxygen species, ROS)產生，過量產生的ROS引起線粒體DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)突變，可導致呼吸鏈缺陷和刺激糖酵解[12]。呼吸鏈缺陷則又會產生更多的ROS，加重對線粒體的損傷，最終形成惡性循環。線粒體功能持續惡化將影響細胞內的代謝和氧化還原平衡，導致細胞功能障礙，甚至凋亡。因此，調控細胞內NAD+水平穩態對細胞功能的保護作用可能是通過改善線粒體功能來實現。

4 NAD+與疾病

越來越多研究表明代謝和年齡相關疾病與NAD+穩態受損密切相關。例如：衰老、年齡相關的聽力障礙、心臟缺血/再灌注損傷和心肌病，都會出現NAD+水平下降[13-14]。因此，恢復NAD+水平可能是治療這些疾病的一種有希望的方法。

4.1 補充NAD+延緩衰老

NAD+代謝與衰老關系密切。在大鼠衰老模型中發現NAD+/NADH比值隨著年齡的增長而顯著下降[15]，并且NAD+代謝紊亂會引起多種與衰老相關疾病的發生[16]。相反，NAD+水平的上調，包括膳食中添加NAD+前體，已被證明可以預防NAD+的下降，并顯示出對衰老和衰老相關疾病的有益作用。在秀麗隱桿線蟲和果蠅早衰疾病模型中通過NAD+補充顯著延長了其壽命并延緩衰老表型[17]。為什么NAD+水平會隨著年齡的增長而下降？一種可能性是一個或多個NAD+生物合成途徑異常。如上所述，NAMPT是NAD+補救合成途徑的關鍵酶，NAMPT受晝夜節律轉錄因子BMAL和CLOCK的調控。當晝夜節律機制的活動隨著年齡的增長而系統性下降，則會導致NAMPT和NAD+的缺乏。在這種情況下，使用NMN或NR等NAD+前體，將是有效促進NAD+生物合成，延緩衰老的關鍵。

4.2 NAD+緩解聽力損傷

聽力障礙是最常見的感覺障礙，在殘疾人群中占有很大的比例，針對其病因所采取的治療方法有很多，但目前關于其分子治療的研究仍十分有限。通過對NAD+水平的直接調節對聽力障礙有緩解作用。針對噪聲引起支配耳蝸毛細胞的螺旋神經節變性而導致聽力損失的研究中，通過給小鼠注射NR來提高小鼠耳蝸NAD+水平，激活了NAD+-Sirt3通路，減少了噪聲暴露引起的軸突變性，能防止噪聲性聽力損失(NIHL)[18]。此外，對于年齡相關性聽力損失研究表明衰老過程中毛細胞NAD+的減少是年齡相關性聽力損失(ARHL)的重要原因[14,19]，通過恢復NAD+水平可改變多種信號傳導途徑，減少耳蝸組織的氧化應激和炎性反應，例如NF-κB、 p53、 Sirt3和IDH2。同時，NAD+調節還可以通過促進恢復毛細胞數量和受損帶狀突觸形成，從而改善耳蝸對聽覺刺激應答過程中的突觸傳遞，以挽救聽力喪失。耳毒性是接受順鉑化療的患者的一個重要不良反應，最近的研究表明，細胞內NAD+水平的紊亂與順鉑誘導的耳蝸氧化應激、DNA損傷和炎性反應有著密切聯系，細胞內NAD+/NADH比率降低在順鉑誘導的耳蝸損傷中可能起著關鍵作用，提高細胞內NAD+/NADH比率，可以降低潛在的細胞損傷介質，如氧化應激和炎性反應來抑制順鉑誘導的耳蝸損傷[20]。NAD+對過量錳造成的聽覺系統的耳毒性和神經毒性同樣具有保護作用，NAD+可以預防錳引起的軸突變性，避免錳暴露引起的聽力損失[21]。因此，通過這些研究，發現NAD+可能是與聽力障礙密切相關的生物調節因子，對其分子機制的進一步研究，有望開辟新的分子治療靶點。

4.3 NAD+的心臟保護作用

心臟損傷也會引起NAD+水平的變化。NAD+失調參與了許多心血管疾病過程。因此，補充NAD+的前體可能具有心臟保護作用。心肌缺血再灌注(IR)損傷下用NMN預處理小鼠可以有效地防止與缺血相關的NAD+下降，并對心臟IR有保護作用[22]。心肌肥厚也與NAD+穩態的改變有關。在血管緊張素II誘導的心肌肥厚的小鼠模型中，細胞內NAD+水平明顯降低，通過NAD+給藥激活Sirt3，可阻斷血管緊張素II誘導的心肌肥厚[23]。線粒體電子傳遞鏈功能受損會導致NAD+/NADH比值下降，增加線粒體蛋白乙酰化水平，容易發生心肌肥大和衰竭，而在晚期心力衰竭動物模型和人類患者的心臟組織中也發現NAD+氧化還原失衡和蛋白乙酰化增加[24]。重要的是，NMN可使這些衰竭心臟的NAD+氧化還原失衡恢復正常，抑制病理性心肌肥大，改善心功能。最近在遺傳性或擴張性心肌病小鼠模型中也證明了NMN在恢復心功能和改善心臟功能方面的功效[25-26]，提高NAD+水平對治療心肌病具有有益作用。基于上述研究基礎，以NAD+作為治療靶點，通過補充恢復心肌內NAD+水平來干預治療，對心肌的保護具有廣泛影響，對多種心臟疾病也可以產生治療和預防作用。

5 問題與展望

NAD+是細胞內重要的輔助因子，其作用不僅僅局限在對氧化還原反應的調節，更多的是表現為其非氧化還原反應的調節作用。其廣闊的生理作用仍需要進一步研究，NAD+的代謝對人類健康維持和疾病的發生影響重大，回顧研究清楚地表明，NAD+水平在衰老、聽力損傷、心臟疾病等許多疾病過程中下降，與疾病的發生關系密切。NAD+代謝及相關調節途徑提示，NAD+的補充可能有益于疾病的轉歸和恢復。通過以NAD+為治療靶點，干預NAD+的代謝和調節相關代謝途徑靶酶可能是許多年齡相關性、代謝性和神經退行性疾病、各種癌以及生物衰老的一種潛在的、有效的治療方法。