編譯 | 鹹姐
責編 | 兮
在《生物化學》的課本上，有一個詞總是會頻繁的出現，或是單獨成一章節，或是與其他生理過程一起，它就是煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）。1906年，NAD+作為第一個代謝輔助因子被發現，即「輔酶」【1】。大約30年後，這個輔酶的化學成分才被分析出來，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現，其能夠在以煙醯胺基為氧化還原位點的分子間轉移氫化物【3】。
關於NAD+的研究曾獲得了三項諾貝爾獎。21世紀初，在發現NAD+可以作為去乙醯化酶家族的共底物（去乙醯化酶家族是長壽和新陳代謝的重要調節因子）的新作用後，人們對NAD+的興趣再次升溫。
近些年，關於NAD+可以延緩衰老、促進身體健康的研究取得關鍵性突破，讓基於NAD+的抗衰老保健品層出不窮，只是不得不強調的是，NAD+的抗衰之路並非如此順利，到底NAD+與健康和疾病的關係如何，目前的研究進展如何，未來的去向又如何呢？
近日，瑞士洛桑聯邦理工大學的Johan Auwerx教授等人在Nature Metabolism上在線發表題為NAD+homeostasis in health and disease的綜述，詳細地為我們回顧了NAD+生物化學和代謝的基礎知識，以及其穩態與健康和疾病的關係，並討論了NAD+研究目前面臨的挑戰和未來的轉化潛力。
01NAD+是什麼？
NAD+和NADH （NAD(H)）氧化還原對是多種依賴於電子交換的生化反應的關鍵因素，特別是涉及氧化還原酶介導的氫化物轉移的氧化還原反應。在這些反應中，NAD+是電子受體，而NADH是電子供體。許多需要NAD(H)作為輔酶的反應都與分解代謝和獲取代謝能量有關（圖1），包括酒精代謝、糖酵解、丙酮酸氧化脫羧生成乙醯輔酶A、脂肪酸β氧化、三羧酸循環等等。
圖1需要NAD+/NADH作為輔酶的主要生化反應
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，從而導致煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP(H)）的從頭合成。然而，儘管NAD(H)和NADP(H)在結構上相關，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，而NADP+及其還原的對應物NADPH主要用於合成代謝反應和細胞氧化應激防禦反應。
除了可以作為還原反應的輔酶，NAD+還被發現可以作為非氧化還原反應的共底物，即作為去乙醯化酶sirtuin家族的共底物，可以有效協調線粒體功能、代謝和衰老。在這之後，研究者們開始陸續發現其他重要的NAD+消耗酶，如環二磷酸核糖（cADPR）合成酶（包括CD38和CD157）和聚二磷酸核糖聚合酶（PARP）蛋白家族，以及神經元中的SARM1。
NAD+的第三個功能，是首次在細菌中發現的，即NAD+可以與RNA的5』端連接（也稱成為NAD+RNA「帽子」結構），從而保護RNA不被降解，還可以作為非經典的從頭轉錄起始因子。而與細菌中不同，隨後在哺乳動物中發現的NAD+「帽子」結構則可以通過去帽機制加速RNA的降解。儘管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細胞能量狀態調節轉錄輸出的直接機制。
02NAD+穩態及其維持
體內的NAD+的合成可以分為兩大類，一類是補救合成途徑（salvage pathway），即經由不同形式的維生素B3產生，包括煙醯胺（NAM）、煙酸（NA）和煙醯胺核苷（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，是經由必需胺基酸色氨酸合成的。
與NAD+內穩態密切相關的一個因素是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的發展，人們逐漸發現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現的NAD+運輸體，這也推翻了長久以來人們所認為的——線粒體內的NAD+與核-胞質中的NAD+完全分離。
NAD+內穩態的另一個關鍵決定因素是不同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，因為該途徑的所有酶都定位於胞質；而NAM轉磷酸核糖激酶（NAMPT）廣泛存在於與NAD+相關的所有細胞位置（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+內穩態的亞細胞差異外，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+穩態的中樞，因為大多數NAD+生物合成酶都在這兩個器官中高表達，而研究發現，循環色氨酸可以在肝臟中被有效地轉化為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於亞細胞、器官特異性和系統調節的NAD+穩態在健康甚至疾病中的尚未解決的問題。
那麼生理狀態下，NAD+穩態受到什麼因素的影響呢？NAD+是細胞生物能的重要調節因子，其豐度反映了細胞的能量狀態。因此能量限制條件，如熱量限制、禁食、低葡萄糖餵養或運動，都能使NAD+水平升高。此外，生物周期節律也被發現可以控制NAD+的水平。
現今的研究將促進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，研究發現，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化為對苯二酚類，從而提高細胞內NAD+水平。而最新興起的一波促進NAD+產生的方法是基於「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的疾病的重要標誌，如神經肌肉、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防潛力已經在越來越多的臨床前模型和疾病模型中被研究。
圖2 與NAD+穩態改變相關的疾病
在大腦和神經系統中，NAD+的耗竭與幾種蛋白病變有關，其中錯誤摺疊的蛋白以毒性蛋白聚集物的形式積累，包括阿爾茲海默症（AD）、帕金森症（PD）、朊病毒病和脊髓小腦共濟失調7型（SCA7），而重建NAD+穩態被發現可以改善神經幹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，而保留肝臟內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，同時研究發現，NA和NAM可以減輕慢性腎臟疾病（CKD）的某些病理特徵，不過腎臟中NAD+的分布還尚未被評估。
在腸內，旨在恢復NAD+穩態的方法也確實提高了腸道幹細胞（ISC）的再生能力，在腸繫膜缺血和結腸炎等多種腸道疾病中都是有益的。當然，我們必須進行更多的研究來了解NAD+在腸道中的代謝作用。
對於造血系統來說，已有研究發現，NR及其中間產物煙醯胺單核苷酸（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，成功地促進體內造血功能，提高小鼠造血幹細胞移植後的存活率。同時，NMN給藥也可以改善出血性休克的一些症狀，並且研究人員在巨噬細胞中也觀察到與維持NAD+含量相關的抗炎作用。
在骨骼肌中，NAD+的消耗可在肌肉減少症、肌營養不良和線粒體肌病等疾病中檢測到。同樣，在心臟中，心肌病、心肌缺血和肥大症也均顯示組織內NAD+含量的下降。
04未來的NAD+研究是機遇與風險的並存
在過去的十年中，NAD+領域經歷了一次真正的科學復興，導致媒體對NAD+表現出了普遍的興奮感。利用不同策略來恢復細胞內NAD+水平所產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，但現在是時候停下來思考一下NAD+帶來的這種興奮可能產生的影響了。
就目前而言，即使是最基本的NAD+生物學知識也出乎意料地不完整。考慮到NAD+及其相關代謝物之間的不斷相互轉化，對整個NAD+代謝組的評估是獲得促進NAD+所產生作用的更為全面準確的方法，這就要求準確且可重複的NAD+定量方法的更仔細的應用。
同時，要確定迄今為止發表的所有關於NAD+的研究的真正轉化價值還有很多問題需要解決。首要之一就是應該進行精心規劃的、持續時間更長、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督管理局（FDA）的批准，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，由於NR、NA、NMN和NAM都是天然產物，生物製藥行業對投資大型臨床試驗仍然猶豫不決。因此，科學界和臨床界不能屈服於圍繞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域在缺乏臨床證據的基礎上向錯誤的方向發展。
必須說明的，只有在對NAD+生物學的基礎和臨床研究方面取得系統全面的進展，才能將激動人心的觀察結果從實驗室轉化到臨床，才能真正開發出與維持健康的NAD+穩態相關的預防和治療潛力。
製版人：珂
參考文獻
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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).