作者：鄧海騰 劉巖 宋蕓娟
摘要
煙酰胺腺嘌呤二核苷酸《NAD+》作為輔酶參與細胞中三百多種氧化還原反應，同時調控細胞能量代謝、信號傳導、DNA損傷修復和基因轉錄等生理過程。近年來的研究表明，機體NAD+水平隨著哺乳動物的衰老而持續下降，引起衰老相關疾病的發生發展，如神經退行性疾病、糖尿病、肌少症等。而恢復NAD+水平，能夠改善甚至逆轉多種衰老相關疾病的發展。NMN是NAD+的直接前體分子，動物實驗和臨床試驗表明NMN是衰老的克星，NMN的有效補充可以提高老年人群的健康水平。
引文
NAD+研究史與諾貝爾獎見證|圖源：網路
NAD+的發現可以追溯到二十世紀初，1906年，英國倫敦大學科學家亞瑟·哈登爵士和他的同事威廉·約翰·楊在酵母發酵實驗中首次鑒定到NAD+的存在，並將其命名為『輔酶』。隨後，德國科學家漢斯·范·歐拉-切爾平和他的同事卡爾·梅爾伯克發現這種輔酶的結構為磷酸核苷糖，包括糖、嘌呤、磷酸等組分。1929年，亞瑟·哈登爵士和漢斯·范·歐拉-切爾平因其在糖類發酵和發酵酶方面的卓越貢獻被授予了諾貝爾化學獎。
在接下來的幾十年中，德國科學家奧托·溫伯格在輔酶中分離鑒定到了NAD+，並闡明了其在發酵過程中起著傳遞電子的關鍵作用。與此同時，他們還鑒定到了另外一種輔酶，即煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸《NADP+》。1931年，奧托·溫伯格因在呼吸過程中的氧傳遞研究被授予了諾貝爾生理與醫學獎。
1937年，美國科學家康拉德·阿諾德·艾維翰分離並鑒定出NAD+的前體物質煙酸《NA》和煙酰胺《NAM》，並發現其可以預防並治療糙皮病。一系列研究闡明NA與NAM治療糙皮病的原因是促進了NAD+的合成。最終，人們將NA與NAM命名為維生素B3。
1954年，美國科學家亞瑟·科恩伯格發現NAD+是由三磷酸腺苷《ATP》和NMN經過酶促反應生成的。50年後，這個酶的結構被解析出來，被命名為煙酰胺/煙酸單核苷酸腺苷轉移酶《NMNAT》。
1963年，法國科學家皮埃爾·尚邦發現NAD+可以激活一種新的DNA依賴的多聚腺苷酸合成酶，這一發現開創了多聚腺苷酸化和多聚腺苷酸聚合酶《PARP》的研究。
1989年，美國科學家洪-張·李發現了一種新型的NAD+代謝物——環形二磷酸腺苷核糖《cADPR》分子。三年後，他們發現了哺乳動物中催化這一反應的酶，二磷酸腺苷核糖基環化酶《CD38》。進入新千年後，NAD+的研究熱潮進入了一個新的高峰。
2000年，倫納德·瓜倫特、今井一郎等人發現酵母源轉錄沉默和長壽蛋白Sir2是一種NAD+依賴的組蛋白去乙酰化酶，從此開啟了NAD+調控基因表達、參與能量代謝並減緩機體衰老的研究新篇章。
近十年來，以倫納德·瓜倫特、今井一郎、大衛·辛克萊爾、埃裡克·維爾丁等為代表的一大批優秀科學家圍繞NAD+抗衰老、促健康的領域展開了大量的研究，闡明了補充NAD+前體物質如NMN、煙酰胺核糖《NR》等，或者抑制NAD+消耗酶如CD38等的活性能夠有效提高機體內NAD+的水平，從而抑制衰老相關疾病的發生發展、減緩衰老進程，提高機體健康水平。其中，NMN作為NAD+的直接前體物質，已被證明能夠有效提高機體內多器官的NAD+水平，並緩解多種衰老相關疾病的發展。
NAD+的合成與代謝
NAD+在細胞中始終處於動態平衡狀態，通過連續的合成、分解、回收等過程維持其在胞質及細胞核、線粒體等細胞器中相對穩定的濃度；同時，在受到外界刺激和壓力時，細胞內的NAD+濃度及區域性分佈也會發生相應的變化。
哺乳動物細胞中NAD的生物合成途徑|圖源：藥學實踐雜志
細胞合成NAD+的途徑主要有三條：從頭合成或稱犬尿酸途徑、Preiss-Handler途徑以及補救途徑。在從頭合成途徑中，色氨酸經5步酶促反和1步非酶促反應生成喹啉酸《QA》，然後QA經喹啉酸轉磷酸核糖基酶《QAPRT》的催化作用轉變為煙酸單核苷酸《NAMN》。NAMN同樣可經Preiss-Handler途徑生成：NA經煙酸轉磷酸核糖基酶《NAPRT》的催化作用生成NAMN。在上述兩種NAD+合成途徑中，NAMN經NMNAT的催化作用生成煙酸腺嘌呤二核苷酸《NAAD》，然後NAAD經過NAD合成酶《NADS》的催化作用最終生成NAD+。在哺乳動物中，補救途徑被認為是維持胞內NAD+正常水平的最重要的NAD+合成途徑。在補救途徑中， NAM作為起始分子，其來源於食物攝取和NAD+消耗酶如NAD+依賴的蛋白去乙酰化酶《sirtuin》、PARP、CD38等的副產物。首先，NAM經煙酰胺轉磷酸核糖基酶《NAMPT》的催化作用生成NMN，然後NMN經NMNAT的催化作用生成NAD+。研究表明，NAMPT是哺乳動物中NAD+合成的限速酶，其表達水平隨細胞壓力如DNA損傷、饑餓等呈現高度動態變化。肥胖和高卡路裡飲食可同時降低多種組織內NAMPT與NAD+的水平。
CD38造成NAD+水平下降|圖源：網路
CD38是哺乳動物細胞中主要的NAD+消耗酶之一，它可發揮糖水解酶或二磷酸腺苷-核糖基環化酶的功能，將NAD+水解為NAM和二磷酸腺苷核糖《ADPR》，或NAM和cADPR。隨著衰老的進程，CD38的表達量逐漸提高，是造成組織器官內NAD+水平不斷降低的主要因素。在哺乳動物中，兩類利用NAD+為底物的蛋白家族sirtuins和PARPs也會消耗NAD+，降低胞內NAD+水平。這兩類蛋白以NAD+為底物，對目標蛋白進行修飾，並釋放NAM。Sirtuins可調節多種生理過程中的關鍵蛋白，包括線粒體代謝、炎症、減數分裂、自噬、生物周期節律和凋亡等。PARPs能夠分解NAD+並將其二磷酸腺苷核糖部分轉移給目標蛋白上特定的天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、賴氨酸和半胱氨酸，形成分枝狀聚-二磷酸腺苷核糖多聚物，同時將NAM作為副產物釋放。PARP1和PARP2可參與多種細胞生物學過程，包括DNA修復和基因轉錄調節等。
NAD+與健康
NAD+分子結構|圖源：網路
人們對於提升NAD+水平能夠增強機體抗壓水平、延長健康壽命的認識最初來源於對酵母和果蠅的研究。隨後，研究發現以NAD+為底物的關鍵蛋白如sirtuins等能夠保護肝臟，減緩肝臟脂肪積累、肝纖維化、胰島素抵抗等，從而緩解非酒精性脂肪肝等疾病。SIRT1及其下遊靶蛋白如PGC-1α等能夠維持線粒體功能、保持脂肪酸代謝穩定；SIRT2能夠通過對磷酸烯醇丙酮酸羧激酶去乙酰化來調節糖異生過程；SIRT3能夠調節氧化磷酸化、脂肪酸氧化和酮體生成；SIRT6能夠調節糖異生過程。維持NAD+的正常水平能夠保證這些生理過程的順利進行，從而保持肝臟的正常生理功能與健康狀態。
隨著年齡的增加，NAMPT的表達量下降，CD38的表達量上升，肝臟內NAD+的水平隨之逐漸下降。使用CD38抑制劑或NAD+前體物質對模式動物進行處理，能夠有效提高其肝臟健康狀態，增強其再生能力，增加其對肝毒性物質的抗性。補充NAD+前體物質，能夠明顯改善骨骼肌功能，提高線粒體活性與ATP的生成，減少炎症反應，逆轉衰老引起的骨骼肌功能改變。補充NAD+前體物質還能夠提高肌肉幹細胞的數量與質量。研究表明，隨著年齡的增加，腎臟中NAD+水平及sirtuins的活性均逐漸降低，其降低與腎臟的功能衰退與再生能力減弱呈正相關性。使用NAD+前體物質提高組織NAD+含量，激活SIRT1與SIRT3，能夠對高糖誘導的腎臟系膜細胞肥大症狀起到改善作用。越來越多的證據表明提升NAD+水平具有抗炎功能，給老年小鼠補充NMN，能夠有效降低骨骼肌中炎症信號的表達。提高NAD+水平還能夠降低皮膚炎症反應。隨著機體年齡的增加，患神經退行性疾病的風險也不斷提高。研究表明，提升NAD+水平有助於緩解神經退行性疾病的發生與發展，能夠抑制甚至逆轉與神經退行性疾病相關的聽力喪失、朊病毒毒性、視網膜損傷、外傷性腦損傷和周圍神經病變等。
NAD+水平隨年齡增長而下降|圖源：網路
最初，人們曾認為NAD+的胞內含量是十分穩定的。然而，近年來的許多研究指出，隨著年齡的增加，胞內NAD+水平不斷降低，且這一現象普遍存在於各個物種之中，從單細胞生物如酵母到人類都遵從這一規律。研究者認為，NAD+水平隨年齡的下降是導致各器官功能減弱、機體衰老的重要原因之一。NMN和NR能夠改善線蟲的神經和肌肉功能，並使其壽命延長約10%。
NMN是高效的NAD+補充劑
NMN合成路徑|圖源：網路
在細胞內，NMN主要由NAM和磷酸核糖焦磷酸《RPPP》經NAMPT催化合成，NAMPT是胞內NAD+合成的限速酶之一。另外，NMN還可以由NR和ATP經煙酰胺核糖激酶《NRK》催化合成。NAD+補救合成通路是大多數類型細胞中最重要的NAD+合成途徑，在這一通路的最後一步，一分子NMN和一分子ATP經NMNAT催化合成一分子NAD+。大量研究表明，在嚙齒動物模型中補充NMN能夠有效促進各器官組織的NAD+合成能力，包括肝臟、腎臟、胰腺、脂肪組織、心臟、骨骼肌、睪丸、眼睛和主動脈血管等，且這一效果在模式動物正常或病理狀態下都能夠有效發揮作用。雖然NMN能否穿越血腦屏障還需要更加深入的研究，但人們發現，在給小鼠腹腔註射NMN之後的15分鐘內，即可檢測到海馬區和下丘腦組織內NAD+含量提高。長期服用NMN的研究表明NMN是一種十分安全的NAD+補充劑，為其大規模臨床應用提供了保證。
NMN各類小鼠實驗效果驗證|圖源：cell.com
NMN作為一種高效、安全的NAD+補充劑，其對機體健康的改善功能也受到了廣泛關注，大量報道指出NMN能夠緩解衰老相關疾病，減緩機體衰老的進程。NMN能夠系統性地改善機體的代謝機能，例如，胰島β細胞對於胞內NAD+水平的變化十分敏感，給小鼠註射NMN能夠增強其葡萄糖引發的胰島素分泌，提高葡萄糖耐受性，緩解衰老或高脂飲食引起的糖尿病症狀。此外，NMN不僅能夠促進胰島β細胞的分泌功能，還能夠通過提高肝臟細胞NAD+水平來緩解高脂飲食引起的胰島素抵抗。口服NMN能夠促進脂肪組織NAD+的合成，提高SIRT1蛋白活性，從而緩解NAMPT脂肪特異性敲除小鼠的低脂聯素血症，並降低多個器官組織中胰島素抗性。給小鼠長時間補充NMN，能夠抑制衰老相關的脂肪組織炎症反應，並提高其胰島素敏感性。NMN能夠促進小鼠骨骼肌細胞中氧化磷酸化水平，提高身體的能量代謝效率，因此具有減肥的功效。NMN能夠提高小鼠肝臟細胞線粒體中SIRT3的活性，從而提高其脂肪氧化的效率。值得注意的是，NMN在衰老模式動物中發揮的促健康功能要顯著高於其在年輕個體中所發揮的作用。
越來越多的研究表明，NMN在促進神經細胞功能、緩解神經退行性疾病等方面也表現出良好的效果。除了改善機體代謝與神經系統機能外，NMN還能夠緩解心力衰竭、抑制急性腎損傷、抑制輻射引起的DNA損傷、恢復卵母細胞活力等。有研究指出，NMN能夠延長線蟲大約10%的壽命，這更加提示人們，NMN在促健康、抗衰老方面具有十分出色的表現。
日本慶應義塾大學NMN臨床受試安全報告|圖源：網路
目前，有多個關於NMN的臨床試驗正在進行當中。第一個NMN的一期臨床試驗是由日本慶應義塾大學和華盛頓大學的研究團隊聯合發起的，此項目旨在研究NMN在人體中的生物安全性和利用效率，他們發現機體NAD+水平的提高與攝入的NMN呈現劑量依賴效應。目前還有一項二期臨床試驗正在開展，用於評價長期攝入NMN的安全性及其對身體健康的影響。美國目前正在進行的臨床試驗將探究NMN對於胰島素敏感性、內皮功能、血脂、肌肉與心血管功能等健康指標的影響。東京大學主持的一項新的臨床試驗將探究口服NMN對於老年人身體健康的影響。首個雙盲臨床研究《http://ClinicalTrial.gov NCT 03151239》的結果表明抗衰老化合物NMN可改善人體骨骼肌中的葡萄糖代謝。這項針對糖尿病前期女性的臨床試驗顯示，胰島素刺激的葡萄糖清除以及骨骼肌的胰島素信號在NMN補充後有所增加，表明NMN改善了胰島素增加骨骼肌攝取葡萄糖的能力；NMN還上調了血小板源性生長因子受體β和其他與肌肉重塑有關的基因的表達。
總結與展望
鑒於NAD+水平隨著機體衰老不斷降低，而補充NAD+能夠有效緩解多種衰老相關疾病並提高健康壽命，因此如何提高機體NAD+水平將成為全社會關注的熱點話題。NMN是目前最高效、最受關注的NAD+補充劑之一。大量研究表明，NMN在治療疾病、緩解衰老方面具有得天獨厚的優勢。目前，多個圍繞NMN的臨床試驗正在積極進行中。相信在不久的將來，NMN將走進千家萬戶，為解決社會老齡化問題、促進人民身體健康提供有力的支持。
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專家介紹
鄧海騰
HOPE LIFE首席科學家
美國賓州州立大學博士、加拿大阿爾伯特大學及美國橡樹嶺國家實驗室 博士後、清華大學生命科學學院長聘教授、教育部信息及系統生物學重點實驗室主任。
PhD in Pennsylvania State University，University of Alberta，and Oak Ridge National Laboratory，Tenured Professor of College of Life Science，Tsinghua University， Director of Informatics and Systems Biology Laboratories in the Ministry of Education