NAD+，相信大家肯定不陌生，它是許多氧化還原酶的輔助因子，也是各種酶反應的底物，在人體中參與了500多種的生化反應，包括產生能量、修復DNA、消除活性氧等。
NMN作為NAD+的前體，大量研究已經證實，NMN是通過提升NAD+的水平來對抗衰老的，那麼衰老導致的線粒體功能障礙自然也不例外。
近期，日本九州大學的科學家給出了新的看法，他們發現NMN可以不依賴於NAD+，而是通過兩種獨立的代謝途徑來改善線粒體健康[1]。
這就意味相比於其他NAD+前體，NMN對於改善線粒體健康或許有著更好的效果。
目前該文章還在審查階段，是預印本。
首先，我們要對線粒體有所了解。
衡量線粒體活性最重要的特征就是線粒體DNA《mtDNA》的數量。
通常來說，每個細胞內是存在數百到數千個拷貝，但在衰老的過程中，拷貝會逐漸減少，進而影響到氧化磷酸化等正常的生命活動，因此，調控mtDNA的復制是延緩線粒體衰老的關鍵。
先前，該團隊就找到了NMN處理後的HEK293腎細胞的mtDNA拷貝數增加的原因——核苷酸池的增加[2]。
這次，他們沿著這條線索，順藤摸瓜，找到了NMN改善線粒體健康背後的真正原因。
一、NMN處理後腎細胞代謝的變化
為了探究NMN對線粒體代謝的具體影響，研究人員先用2.5毫摩爾濃度的NMN處理了HEK293腎細胞，持續3天，隨後測量線粒體的代謝物。
結果顯示，與氨基酸、核苷酸和煙酸代謝相關的途徑在細胞內和線粒體內都被激活了。
圖1：NMN處理後線粒體內部激活的代謝途徑
核苷酸的合成途徑包括從頭合成和補救合成兩種，在HEK293腎細胞中通常采用從頭合成途徑。
為了確定NMN激活的是哪類核苷酸的合成，研究人員采用mtDNA抑制劑ddC和ddI來處理腎細胞，結果顯示，補充NMN後，嘧啶核苷酸的比例是高於嘌呤核苷酸的，這表明NMN可以激活嘧啶核苷酸的從頭合成。
二、NMN激活線粒體泛醌的合成
搞清楚了NMN激活的代謝途徑，研究人員繼續順藤摸瓜。
在嘧啶核苷酸從頭合成途徑中，乳清酸的生成是限速步驟，它發生在線粒體內膜中，由二氫乳糖酸脫氫酶《DHODH》催化。
研究人員發現NMN處理後乳清酸水平出現了上升，並且與濃度成正比。
但奇怪的是，DHODH的基因表達並沒有變化，這說明存在其他分子影響了這個反應。
圖2：嘧啶核苷酸從頭合成的示意圖
那這位『嫌疑人』是誰呢？研究人員很快就鎖定了泛醌，因為在NMN處理3天後，細胞內隻有泛醌的水平顯著增加。
為了確定泛醌水平的增加的原因，研究人員用穩定同位素標記了泛醌的前體，結果顯示NMN處理後帶同位素標記的泛醌水平隨時間推移而增加，說明NMN能激活泛醌的合成。
光是細胞實驗的證據不夠有力，研究人員又做了動物實驗。
他們向14周齡的幼鼠註射500mg/kg的NMN，持續5天，然後測量心、肝、脾、腎中的代謝物。
結果顯示四個組織中NAD+水平都出現上升，但泛醌水平均未升高。
研究人員猜測可能與年齡有關，因為泛醌的水平是隨年齡增長而下降，對於幼鼠來說難以看出變化。
於是，他們采用了相同的方案，隻不過將14周齡的幼年小鼠改成56周齡的老年小鼠，結果顯示心、腎的NAD+水平上升，但肝臟中的NAD+水平沒有變化。
線粒體內的泛醌水平也有著類似的表現，這說明註射NMN可增加心肌和腎臟等線粒體需求量高的組織中的泛醌。
圖3：NMN處理前後心、腎、肝的NAD+水平變化
那麼泛醌的增加是否會激活mtDNA復制，提升線粒體活性呢？研究人員用4HB處理HEK293腎細胞，線粒體泛醌水平增加，但細胞中mtDNA拷貝數沒有變化。
後續實驗證明，必須是在mtDNA復制需求增加的情況下，高水平的泛醌才能增加核苷酸的合成，同時也意味著還存在另外的途徑來激活核苷酸的合成。
三、NMN水解，激活核苷酸合成
讓我們再次回到最初的實驗，在分析代謝情況時，研究人員發現NMN處理後，煙酰胺和核糖-5-磷酸(R5P)水平出現升高，且與NMN的濃度有關。
煙酰胺很好理解，因為它是NMN的代謝產物，但R5P的異常升高引起了研究人員的注意，而R5P恰好是核苷酸合成的底物。
研究人員推測是NMN的水解不止變成NAM，還有一部分會轉化成R5P，使其水平升高，進而增加核苷酸的合成。
與NMN水解相關的酶包括CD38、BST1《CD157》和SARM1，通過對基因表達的分析，其他基因的表達沒有改變，隻有BST1的表達增加了不到兩倍，說明NMN能刺激BST1基因，加速其水解成R5P，從而提高核苷酸的合成能力。
四、總結
日本九州大學的研究團隊的思路如下：線粒體活性→mtDNA的拷貝→mtDNA的復制→核苷酸活性→泛醌和R5P水平。
首先，線粒體的活性與mtDNA的拷貝數量密切相關，而拷貝數量取決於mtDNA的復制活性。
上一項研究發現，NMN促進mtDNA復制的增加與核苷酸的合成增加有關。
而這項研究主要是研究為啥NMN能促進核苷酸的增加，最後找到了兩個原因：泛醌和R5P水平的上升。
圖4：NMN提升核苷酸合成的多種途徑(NAD+，泛醌，R5P)
實際上，泛醌、NAD+和R5P的水平都會隨著年齡的增長而下降，這項研究表明，補充NMN可以三管齊下，提升這三種物質的水平，從而調節衰老生物體內的內穩態。
看來NMN抗衰老不止是依靠提升NAD+水平，還存在未知的其他途徑，未來希望有更多的科學家去探索和發現。
