何盛梅，趙厚育*

(1.貴州醫(yī)科大學(xué)，貴州 貴陽 550004；2.貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)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(xì)胞內(nèi) 一種重要的輔助調(diào)節(jié)因子，參與細(xì)胞能量代謝、蛋白翻譯后修飾、DNA修復(fù)和細(xì)胞應(yīng)激適應(yīng)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(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，涉及生物衰老進(jìn)程、代謝性和神經(jīng)退行性疾病以及各種癌癥[1-2]。通過調(diào)節(jié)NAD+代謝，恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)NAD+水平，顯示了對細(xì)胞功能和相關(guān)疾病的有益效果[3]。本文綜述了NAD+的代謝以及在細(xì)胞功能、相關(guān)疾病進(jìn)程的調(diào)控作用，并討論了這一研究領(lǐng)域可能存在的治療意義。

1 NAD+簡介

NAD+，即輔酶Ⅰ，在細(xì)胞內(nèi)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(yīng)中介導(dǎo)氫轉(zhuǎn)移的一對酶輔助因子，NAD+/ NADH比例的穩(wěn)態(tài)在氧化還原反應(yīng)中對于維持生物能的產(chǎn)生至關(guān)重要。除此以外，近年來研究發(fā)現(xiàn)，NAD+除了參與氧化還原功能外, 還調(diào)控了細(xì)胞內(nèi)許多重要信號傳導(dǎo)過程，例如：作為細(xì)菌DNA連接酶、ADP核糖基轉(zhuǎn)移酶或聚核糖基聚合酶(poly ADP-ribose polymerases, PARPs)、環(huán)ADP核糖合成酶(cyclic ADP-ribose synthases, cADP合酶)和Sir2樣蛋白去乙?；?sirtuins, SIRT)等信號傳導(dǎo)酶的輔助催化底物，進(jìn)而影響信號傳導(dǎo)酶的催化活性及調(diào)節(jié)功能[4]。NAD+將細(xì)胞代謝與生理信號傳導(dǎo)直接聯(lián)系起來，在調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長節(jié)律、分化衰老、應(yīng)激適應(yīng)和疾病發(fā)生等生命過程中起到關(guān)鍵作用，針對NAD+代謝及其調(diào)節(jié)機(jī)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(zhuǎn)移酶的共同底物，這類酶在體內(nèi)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(xì)胞中發(fā)揮不同生理功能。然而，這一過程同樣也導(dǎo)致了NAD+被消耗。其中，PARP是細(xì)胞中NAD+的主要消耗者，在DNA修復(fù)過程中起著重要作用。通過將NAD+作為底物轉(zhuǎn)移ADP核糖基到DNA修復(fù)相關(guān)蛋白，使其活化，參與DNA修復(fù)、基因組穩(wěn)定、染色質(zhì)重建等基因修復(fù)過程[5]。cADP合酶消耗NAD+是通過產(chǎn)生環(huán)狀A(yù)DP-核糖(cADP-ribose, cADPR)。cADPR是鈣和胰島素信號中強(qiáng)有力的第二信使，在免疫應(yīng)答和維持鈣離子穩(wěn)態(tài)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?；浮⒚撶牾；负腿ノ於；富钚?，其中sirtuins的脫乙?；蛎擋；枰狽AD+作為共底物，將乙酰化蛋白質(zhì)中的賴氨酸轉(zhuǎn)移至NAD+中的ADP核糖基，形成一個新的去乙酰化蛋白質(zhì)和NAM[7-8]。以上3種酶承擔(dān)了NAD+的主要消耗過程，在細(xì)胞不同的亞結(jié)構(gòu)中、不同的病理生理過程中，每種消耗酶占主導(dǎo)地位不盡相同，但是，NAD+的產(chǎn)生和消耗之間的最佳平衡對于調(diào)節(jié)各種病理生理條件下多種生物過程至關(guān)重要。

2.2 NAD+的生物合成

NAD+在發(fā)揮其生物學(xué)功能過程中會被消耗，需要不斷合成以維持細(xì)胞內(nèi)NAD+穩(wěn)態(tài)。NAD+的生物合成主要有兩條途徑：從頭合成途徑和補(bǔ)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(chǎn)生中間產(chǎn)物煙酸單核苷酸(nicotinic acid mononucleotide, NAMN)，NAMN通過煙酰胺單核苷酸腺苷轉(zhuǎn)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(jī)體正常的NAD+需要，細(xì)胞還需要經(jīng)由補(bǔ)救合成途徑來產(chǎn)生NAD+。

在補(bǔ)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(zhuǎn)移酶(nicotinamide phosphotransferase, NAMPT)轉(zhuǎn)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(jìn)行磷酸化生成，最終NAMN和NMN都是被NMNATs腺苷化為NAD+。在細(xì)胞中，通過前體補(bǔ)救途徑合成在維持細(xì)胞NAD+生理水平中最為重要。

3 NAD+下降導(dǎo)致細(xì)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(wěn)態(tài)受損將會影響細(xì)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(guān)[10-11]。細(xì)胞在糖酵解和三羧酸循環(huán)過程中產(chǎn)生NADH而導(dǎo)致還原性應(yīng)激，需要通過線粒體將NADH再氧化生成NAD+來維持細(xì)胞中NAD+/NADH比值穩(wěn)定，這對于葡萄糖的持續(xù)氧化、ATP的產(chǎn)生和正常細(xì)胞功能必不可少。線粒體功能障礙導(dǎo)致氧化呼吸鏈缺陷和糖酵解增加，產(chǎn)生過量NADH，不能被氧化為NAD+，破壞NAD+/NADH穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生還原應(yīng)激狀態(tài)。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(chǎn)生，過量產(chǎn)生的ROS引起線粒體DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)突變，可導(dǎo)致呼吸鏈缺陷和刺激糖酵解[12]。呼吸鏈缺陷則又會產(chǎn)生更多的ROS，加重對線粒體的損傷，最終形成惡性循環(huán)。線粒體功能持續(xù)惡化將影響細(xì)胞內(nèi)的代謝和氧化還原平衡，導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙，甚至凋亡。因此，調(diào)控細(xì)胞內(nèi)NAD+水平穩(wěn)態(tài)對細(xì)胞功能的保護(hù)作用可能是通過改善線粒體功能來實現(xiàn)。

4 NAD+與疾病

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

4.1 補(bǔ)充NAD+延緩衰老

NAD+代謝與衰老關(guān)系密切。在大鼠衰老模型中發(fā)現(xiàn)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(guān)疾病的發(fā)生[16]。相反，NAD+水平的上調(diào)，包括膳食中添加NAD+前體，已被證明可以預(yù)防NAD+的下降，并顯示出對衰老和衰老相關(guān)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(bǔ)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(bǔ)救合成途徑的關(guān)鍵酶，NAMPT受晝夜節(jié)律轉(zhuǎn)錄因子BMAL和CLOCK的調(diào)控。當(dāng)晝夜節(jié)律機(jī)制的活動隨著年齡的增長而系統(tǒng)性下降，則會導(dǎo)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(jìn)NAD+生物合成，延緩衰老的關(guān)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(guān)于其分子治療的研究仍十分有限。通過對NAD+水平的直接調(diào)節(jié)對聽力障礙有緩解作用。針對噪聲引起支配耳蝸毛細(xì)胞的螺旋神經(jīng)節(jié)變性而導(dǎo)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(guān)性聽力損失研究表明衰老過程中毛細(xì)胞NAD+的減少是年齡相關(guān)性聽力損失(ARHL)的重要原因[14,19]，通過恢復(fù)NAD+水平可改變多種信號傳導(dǎo)途徑，減少耳蝸組織的氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)，例如NF-κB、 p53、 Sirt3和IDH2。同時，NAD+調(diào)節(jié)還可以通過促進(jìn)恢復(fù)毛細(xì)胞數(shù)量和受損帶狀突觸形成，從而改善耳蝸對聽覺刺激應(yīng)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(yīng)，最近的研究表明，細(xì)胞內(nèi)NAD+水平的紊亂與順鉑誘導(dǎo)的耳蝸氧化應(yīng)激、DNA損傷和炎性反應(yīng)有著密切聯(lián)系，細(xì)胞內(nèi)NAD+/NADH比率降低在順鉑誘導(dǎo)的耳蝸損傷中可能起著關(guān)鍵作用，提高細(xì)胞內(nèi)NAD+/NADH比率，可以降低潛在的細(xì)胞損傷介質(zhì)，如氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)來抑制順鉑誘導(dǎo)的耳蝸損傷[20]。NAD+對過量錳造成的聽覺系統(tǒng)的耳毒性和神經(jīng)毒性同樣具有保護(hù)作用，NAD+可以預(yù)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(fā)現(xiàn)NAD+可能是與聽力障礙密切相關(guān)的生物調(diào)節(jié)因子，對其分子機(jī)制的進(jìn)一步研究，有望開辟新的分子治療靶點。

4.3 NAD+的心臟保護(hù)作用

心臟損傷也會引起NAD+水平的變化。NAD+失調(diào)參與了許多心血管疾病過程。因此，補(bǔ)充NAD+的前體可能具有心臟保護(hù)作用。心肌缺血再灌注(IR)損傷下用NMN預(yù)處理小鼠可以有效地防止與缺血相關(guān)的NAD+下降，并對心臟IR有保護(hù)作用[22]。心肌肥厚也與NAD+穩(wěn)態(tài)的改變有關(guān)。在血管緊張素II誘導(dǎo)的心肌肥厚的小鼠模型中，細(xì)胞內(nèi)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(dǎo)的心肌肥厚[23]。線粒體電子傳遞鏈功能受損會導(dǎo)致NAD+/NADH比值下降，增加線粒體蛋白乙?；?，容易發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fù)正常，抑制病理性心肌肥大，改善心功能。最近在遺傳性或擴(kuò)張性心肌病小鼠模型中也證明了NMN在恢復(fù)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?；谏鲜鲅芯炕A(chǔ)，以NAD+作為治療靶點，通過補(bǔ)充恢復(fù)心肌內(nèi)NAD+水平來干預(yù)治療，對心肌的保護(hù)具有廣泛影響，對多種心臟疾病也可以產(chǎn)生治療和預(yù)防作用。

5 問題與展望

NAD+是細(xì)胞內(nèi)重要的輔助因子，其作用不僅僅局限在對氧化還原反應(yīng)的調(diào)節(jié)，更多的是表現(xiàn)為其非氧化還原反應(yīng)的調(diào)節(jié)作用。其廣闊的生理作用仍需要進(jìn)一步研究，NAD+的代謝對人類健康維持和疾病的發(fā)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(fā)生關(guān)系密切。NAD+代謝及相關(guān)調(diào)節(jié)途徑提示，NAD+的補(bǔ)充可能有益于疾病的轉(zhuǎn)歸和恢復(fù)。通過以NAD+為治療靶點，干預(yù)NAD+的代謝和調(diào)節(jié)相關(guān)代謝途徑靶酶可能是許多年齡相關(guān)性、代謝性和神經(jīng)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。