编译 | 咸姐
责编 | 兮
在《生物化学》的课本上，有一个词总是会频繁的出现，或是单独成一章节，或是与其他生理过程一起，它就是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）。1906年，NAD+作为第一个代谢辅助因子被发现，即“辅酶”【1】。大约30年后，这个辅酶的化学成分才被分析出来，是由腺嘌呤、磷酸和还原性糖基组成【2】。而直到1936年，NAD+的实际功能才开始被发现，其能够在以烟酰胺基为氧化还原位点的分子间转移氢化物【3】。关于NAD+的研究曾获得了三项诺贝尔奖。21世纪初，在发现NAD+可以作为去乙酰化酶家族的共底物（去乙酰化酶家族是长寿和新陈代谢的重要调节因子）的新作用后，人们对NAD+的兴趣再次升温。近些年，关于NAD+可以延缓衰老、促进身体健康的研究取得关键性突破，让基于NAD+的抗衰老保健品层出不穷，只是不得不强调的是，NAD+的抗衰之路并非如此顺利，到底NAD+与健康和疾病的关系如何，目前的研究进展如何，未来的去向又如何呢？
近日，瑞士洛桑联邦理工大学的Johan Auwerx教授等人在Nature Metabolism上在线发表题为NAD+ homeostasis in health and disease的综述，详细地为我们回顾了NAD+生物化学和代谢的基础知识，以及其稳态与健康和疾病的关系，并讨论了NAD+研究目前面临的挑战和未来的转化潜力。
NAD+是什么？
NAD+和NADH （NAD(H)）氧化还原对是多种依赖于电子交换的生化反应的关键因素，特别是涉及氧化还原酶介导的氢化物转移的氧化还原反应。在这些反应中，NAD+是电子受体，而NADH是电子供体。许多需要NAD(H)作为辅酶的反应都与分解代谢和获取代谢能量有关（图1），包括酒精代谢、糖酵解、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A、脂肪酸β氧化、三羧酸循环等等。
图1需要NAD+/NADH作为辅酶的主要生化反应
值得注意的是，大约有10%的NAD(H)可以在腺苷核苷位点被NAD+激酶磷酸化，从而导致烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP(H)）的从头合成。然而，尽管NAD(H)和NADP(H)在结构上相关，但它们通常被不同的酶识别，因此具有不同的功能，NAD(H)主要参与分解代谢反应，而NADP+及其还原的对应物NADPH主要用于合成代谢反应和细胞氧化应激防御反应。
除了可以作为还原反应的辅酶，NAD+还被发现可以作为非氧化还原反应的共底物，即作为去乙酰化酶sirtuin家族的共底物，可以有效协调线粒体功能、代谢和衰老。在这之后，研究者们开始陆续发现其他重要的NAD+消耗酶，如环二磷酸核糖（cADPR）合成酶（包括CD38和CD157）和聚二磷酸核糖聚合酶（PARP）蛋白家族，以及神经元中的SARM1。
NAD+的第三个功能，是首次在细菌中发现的，即NAD+可以与RNA的5’端连接（也称成为NAD+ RNA“帽子”结构），从而保护RNA不被降解，还可以作为非经典的从头转录起始因子。而与细菌中不同，随后在哺乳动物中发现的NAD+“帽子”结构则可以通过去帽机制加速RNA的降解。尽管NAD+的这个功能研究尚浅，但NAD+加帽过程很有可能是一种根据细胞能量状态调节转录输出的直接机制。
NAD+稳态及其维持
体内的NAD+的合成可以分为两大类，一类是补救合成途径（salvage pathway），即经由不同形式的维生素B3产生，包括烟酰胺（NAM）、烟酸（NA）和烟酰胺核苷（NR），所有这些分子都被称为NAD+前体。另一类称为从头合成（de novo synthesis，DNS）途径，是经由必需氨基酸色氨酸合成的。
与NAD+内稳态密切相关的一个因素是NAD+的亚细胞分布和代谢，但是目前在NAD+的绝对定量方面还存在着技术局限，不过，研究者们还是认为NAD+在细胞浆和细胞核之间是可以相互交换的，这很可能是因为这两个部分显示出相似的NAD+浓度。此外，随着同位素示踪技术的发展，人们逐渐发现哺乳动物线粒体中不仅有NAD+前体，还存在着完整的NAD(H)，这表明哺乳动物线粒体中存在着一种尚未被发现的NAD+运输体，这也推翻了长久以来人们所认为的——线粒体内的NAD+与核-胞质中的NAD+完全分离。
NAD+内稳态的另一个关键决定因素是不同NAD+生物合成酶的亚细胞分布。例如， NAD+的从头合成的主要位置似乎是在胞质，因为该途径的所有酶都定位于胞质；而NAM转磷酸核糖激酶（NAMPT）广泛存在于与NAD+相关的所有细胞位置（核、胞浆和线粒体），因此NAM被认为是所有部位中常见的NAD+前体。
除了NAD+内稳态的亚细胞差异外，不同NAD+生物合成酶的表达和对特定NAD+前体的选择也存在着器官特异性差异。例如，肝脏和肾脏（在较小程度上）似乎是全身NAD+稳态的中枢，因为大多数NAD+生物合成酶都在这两个器官中高表达，而研究发现，循环色氨酸可以在肝脏中被有效地转化为NAD+，但其他器官似乎主要依赖NAM或NA来合成NAD+。而未来的研究仍需阐明关于亚细胞、器官特异性和系统调节的NAD+稳态在健康甚至疾病中的尚未解决的问题。
那么生理状态下，NAD+稳态受到什么因素的影响呢？NAD+是细胞生物能的重要调节因子，其丰度反映了细胞的能量状态。因此能量限制条件，如热量限制、禁食、低葡萄糖喂养或运动，都能使NAD+水平升高。此外，生物周期节律也被发现可以控制NAD+的水平。
现今的研究将促进NAD+水平上升的策略大致分为两类：促进NAD+的合成或抑制其过度消耗。NAD+前体的补充和NAD+合成酶的激活均可以有效地促进NAD+的合成。此外，研究发现，NAD(P) H -醌氧化还原酶1 (NQO1)作为一种抗氧化蛋白，可以通过NADH电子供体来催化醌类转化为对苯二酚类，从而提高细胞内NAD+水平。而最新兴起的一波促进NAD+产生的方法是基于“防止NAD+生物合成途径的中间体逃逸”的原理。与此同时，抑制NAD+消耗酶PARP、CD38或SARM1的活性，也被证实可以提高NAD+的含量。
NAD+在疾病中的作用及促进NAD+带来的治疗潜力
NAD+的损耗是衰老和许多与年龄相关的疾病的重要标志，如神经肌肉、心脏代谢、肝脏和肾脏疾病等（图2）。因此，通过促进NAD+的表达所带来的治疗和预防潜力已经在越来越多的临床前模型和疾病模型中被研究。
图2 与NAD+稳态改变相关的疾病
在大脑和神经系统中，NAD+的耗竭与几种蛋白病变有关，其中错误折叠的蛋白以毒性蛋白聚集物的形式积累，包括阿尔兹海默症（AD）、帕金森症（PD）、朊病毒病和脊髓小脑共济失调7型（SCA7），而重建NAD+稳态被发现可以改善神经干细胞的增殖和再生能力。
在肝脏中，NAD+含量降低则与酒精性和非酒精性脂肪肝相关，而保留肝脏内NAD+含量时，即使在脂肪性肝炎和肝硬化等较严重的肝脏疾病中，也能减轻相关损害。
此外，在急性肾脏损伤（AKI）、糖尿病肾病和血管细胞肥大中均检测到NAD+水平的改变，同时研究发现，NA和NAM可以减轻慢性肾脏疾病（CKD）的某些病理特征，不过肾脏中NAD+的分布还尚未被评估。
在肠内，旨在恢复NAD+稳态的方法也确实提高了肠道干细胞（ISC）的再生能力，在肠系膜缺血和结肠炎等多种肠道疾病中都是有益的。当然，我们必须进行更多的研究来了解NAD+在肠道中的代谢作用。
对于造血系统来说，已有研究发现，NR及其中间产物烟酰胺单核苷酸（NMN）均可通过降低线粒体活性和通过线粒体自噬促进线粒体清除，成功地促进体内造血功能，提高小鼠造血干细胞移植后的存活率。同时，NMN给药也可以改善出血性休克的一些症状，并且研究人员在巨噬细胞中也观察到与维持NAD+含量相关的抗炎作用。
在骨骼肌中，NAD+的消耗可在肌肉减少症、肌营养不良和线粒体肌病等疾病中检测到。同样，在心脏中，心肌病、心肌缺血和肥大症也均显示组织内NAD+含量的下降。
未来的NAD+研究是机遇与风险的并存
在过去的十年中，NAD+领域经历了一次真正的科学复兴，导致媒体对NAD+表现出了普遍的兴奋感。利用不同策略来恢复细胞内NAD+水平所产生的有益影响正在迅速积累，虽然通过几种方法提高NAD+水平的治疗潜力是不可否认的，但现在是时候停下来思考一下NAD+带来的这种兴奋可能产生的影响了。
就目前而言，即使是最基本的NAD+生物学知识也出乎意料地不完整。考虑到NAD+及其相关代谢物之间的不断相互转化，对整个NAD+代谢组的评估是获得促进NAD+所产生作用的更为全面准确的方法，这就要求准确且可重复的NAD+定量方法的更仔细的应用。
同时，要确定迄今为止发表的所有关于NAD+的研究的真正转化价值还有很多问题需要解决。首要之一就是应该进行精心规划的、持续时间更长、剂量更大、涉及大量患者的临床研究。然而，作为维生素的NAD+前体其实是一把双刃剑。一方面，它们的使用不需要美国食品和药物监督管理局（FDA）的批准，因而大大简化了这些化合物作为食品补充剂的研究和销售。而另一方面，由于NR、NA、NMN和NAM都是天然产物，生物制药行业对投资大型临床试验仍然犹豫不决。因此，科学界和临床界不能屈服于围绕NAD+的促进的有益作用的宣传和压力，必须尽一切努力防止该领域在缺乏临床证据的基础上向错误的方向发展。
必须说明的，只有在对NAD+生物学的基础和临床研究方面取得系统全面的进展，才能将激动人心的观察结果从实验室转化到临床，才能真正开发出与维持健康的NAD+稳态相关的预防和治疗潜力。
https://doi.org/10.1038/s42255-019-0161-5
1. Harden, A. & Young, W. The alcoholic ferment of yeast‐juice.Proc. R. Soc. Lond.B 77, 405–420 (1906).
2. von Euler, H. & Myrbäck, K. Co‐zymase. 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).