摘要
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)作为氧化还原反应的辅酶，是能量代谢的中心分子。对于Sirtuins、CD38和多聚ADP-核糖聚合酶等非氧化还原的NAD+依赖酶来说，NAD+也是一个必要的辅助因子。NAD+可以直接或间接影响许多关键的细胞功能，包括代谢途径、DNA修复、染色质重塑、细胞衰老和免疫细胞功能。这些细胞过程及其发挥的功能对于维持组织和代谢稳态以及健康衰老至关重要。值得注意的是，在包括啮齿动物和人类在内的多种模式生物中，衰老伴随着组织和细胞NAD+水平的逐渐下降，NAD+水平的下降与许多衰老相关疾病存在因果关系，包括认知能力下降、癌症、代谢性疾病、肌少症和虚弱。许多与衰老相关的疾病可以通过恢复NAD+水平来减缓甚至逆转。因此，靶向NAD+代谢已成为一种潜在的改善衰老相关疾病、延长人类健康寿命和最大寿命的治疗方法。然而，NAD+如何影响人类健康和衰老尚需更多研究，包括更加深入地探究调节NAD+水平的分子机制，探究在衰老过程中有效恢复NAD+水平的方法及安全性，补充NAD+对衰老人群的有益影响等关键内容。
正文
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)是氧化还原反应的重要辅酶，也是能量代谢的中心。对于去乙酰化酶（Sirtuins）和聚(ADP-核糖)聚合酶(PARPs)等非氧化还原的NAD+依赖酶，NAD+也是必不可少的辅助因子。NAD+最初被发现是因其在酵母提取物中起到调节代谢速率的作用，后来又被证明是氧化还原反应中主要的氢化物受体。NAD+接受氢化物离子并形成还原态NADH的能力对于所有生命形式的代谢反应是至关重要的，并调节参与多种分解代谢途径的脱氢酶的活性，包括糖酵解、谷氨酰胺酵解和脂肪酸氧化。在真核生物中，这些反应中所接受的电子随后被传递至电子传递链，以形成ATP。NAD+也可以被磷酸化形成NADP+，而NADP+也可以作为氢化物受体形成NADPH，参与抗氧化应激和需要还原剂的合成代谢途径，如脂肪酸合成。除了能量代谢，NAD+还是数百种酶的辅助因子或底物，因此在调节细胞过程和细胞功能方面具有多种作用，其中许多功能仍在研究中。NAD+水平与健康之间的联系几乎在一个世纪前就已建立。年，ConradElvehjem发现糙皮病（以皮炎、腹泻和痴呆为特征）是由饮食中缺乏烟酸引起的，导致低NAD+和NADP+水平。最近，人们发现低NAD+水平与多种疾病状态相关，包括代谢和神经退行性疾病，以及较低的NAD+水平与啮齿动物和人类的衰老相关。因此，人们对NAD+代谢如何影响疾病的起源，特别是与衰老相关的疾病有了新的兴趣。在这方面，用NAD+前体烟酰胺核苷（NR）和烟酰胺单核苷酸（NMN）恢复NAD+水平已成为一种重要的治疗衰老相关性疾病的方法，而且已经有证据表明在啮齿动物模型中能够产生有益的效果。在这篇综述中，作者着重介绍了过去5年中NAD+领域的研究工作，尤其是NAD+前体和最终NAD+水平在衰老和疾病状态下影响生理和寿命的分子机制。由于这些机制是复杂的且受多因素调控，因此作者分为多个部分进行介绍。首先作者回顾了在衰老过程中调节NAD+合成和降解通路等方面的主要新发现。其次，作者讨论了低水平NAD+对衰老相关疾病重要分子过程的可能影响，包括DNA修复、表观遗传学和基因表达的调控、细胞代谢和氧化还原平衡的调节。接着，作者描述了衰老中的NAD+依赖机制，包括代谢紊乱、免疫系统失调、细胞衰老和神经退行性变。最后，作者回顾了大量近期高质量的临床前研究，这些研究探讨了如何恢复NAD+水平来治疗老年相关疾病，包括大量使用NAD+前体的研究，以及促进NAD+生物合成的小分子药物。在文章结尾，作者介绍了这些不同的策略和这些研究的结果，以概述基于调节NAD+水平延长人类健康寿命和寿命的治疗前景。（一）细胞NAD+代谢NAD+的亚细胞定位高度集中在胞浆、线粒体和细胞核。这些部位的NAD+是被独立调控的，与此一致的是，NAD+生物合成或降解所涉及的酶也分布在不同的位点。NAD+是多种代谢途径和细胞过程的关键代谢物和辅酶。首先，NAD+的还原需要维持能量平衡和细胞的氧化还原状态。NAD+也被两种消耗NAD+的酶不断地逆转：NAD+糖水解酶，也被称为NADases(CD38、CD和SARM1)，和去乙酰化酶家族的Sirtuins和PARPs，均具有多种重要的细胞功能。它们利用NAD+作为底物或辅助因子，并产生副产物烟酰胺(NAM)（图1）。图1NAD+代谢。a
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)生物合成途径。NAD+水平由3个独立的生物合成途径维持。犬尿酸途径(或从头合成途径)利用食物中的氨基酸色氨酸产生NAD+。色氨酸通过转运蛋白SLC7A5和SLC36A4进入细胞。在细胞内，色氨酸被限速酶吲哚胺2，3-双加氧酶(IDO)或限速酶色氨酸2，3-双加氧酶(TDO)转化为N-甲酰基脲嘌呤。N-甲酰基犬尿素转化为l-犬尿素，再经犬尿素3-单加氧酶(KMO)转化为3-羟基犬尿素(3-HK)，再经色氨酸2，3-双加氧酶(KYNU)转化为3-羟基氨基苯甲酸(3-HAA)。利用3-羟基苯甲酸加氧酶(3HAO)合成α-氨基-β-羧酸ε-半醛(ACMS)。该化合物可自发缩合重组为喹啉酸，喹啉酸经喹啉酸磷酸核糖基转移酶(QPRT)转化为烟酰胺单核苷酸(NAMN)，并与Preiss-Handler通路汇合。Preiss-Handler通路使用饮食烟酸(NA)，NA通过SLC5A8或SLC22A13转运蛋白进入细胞，通过烟酸转磷酸核糖基酶(NAPRT)生成NAMN，NAMN然后通过烟酰胺单核苷酸腺苷酸转移酶(NMNAT1NMNAT2和NMNAT3)转换成烟酸腺嘌呤二核苷酸(NAAD)。这一过程是通过NAD+合成酶(NADS)将NAAD转化为NAD+完成的。NAD+回收途径回收作为NAD+消耗酶(乙酰化酶，聚(ADP-核糖)聚合酶(PARPs)，NAD+糖水解酶和环ADP-核糖合成酶CD38，CD和SARM1)酶活性副产物的烟酰胺(NAM)。首先，细胞内的烟酰胺磷酸核糖基转移酶(iNAMPT)将NAM循环为烟酰胺单核苷酸(NMN)，NMN再通过不同的NMNATs转化为NAD+。NAM可被烟酰胺N-甲基转移酶(NNMT)选择性甲基化，并通过尿液分泌。在细胞外空间，NAM是胞外酶CD38和CD的副产物，可以通过胞外NAMPT(eNAMPT)转化为NMN。然后NMN被CD73去磷酸化成为烟酰胺核苷(NR)，NR通过一个未知的核苷转运体转运到细胞中。NMN可以通过NMN特异性转运体(小肠中SLC12A8)导入细胞。在细胞内，NR通过烟酰胺核苷激酶1和2(NRK1和NRK2)形成NMN。然后NMN被NMNAT1，NMNAT2和NMNAT3转换成NAD+。b
不同亚细胞室的NAD+代谢。NAD+稳态是不同亚细胞间室合成、消耗和再生的平衡，受亚细胞特异性NAD+消耗酶、亚细胞转运蛋白和氧化还原反应的调控。NAD+前体通过三种生物合成途径进入细胞(a部分)。在细胞质中，NAM通过细胞内NAMPT(iNAMPT)转化为NMN。然后NMN被NMNAT2转化为NAD+，NMNAT2是该酶的胞质特异性亚型。NAD+在糖酵解过程中被利用，产生NADH，NADH通过苹果酸/天冬氨酸穿梭和甘油醛3-磷酸穿梭转移到线粒体基质。通过苹果酸/天冬氨酸穿梭进入的线粒体NADH被电子传递链(ETC)中的络合物I氧化，而从甘油醛3-磷酸穿梭中生成的还原黄素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)被络合物II氧化。最近，人们发现了哺乳动物NAD+线粒体转运体SLC25A51，并证实它与细胞器中完整的NAD+摄取有关。线粒体中NAD+的回收途径尚未完全解决，但已经提出了一种特异的NMNAT亚型(NMNAT3)的作用。在线粒体中，NAD+被依赖NAD+的线粒体SIRT3-SIRT5消耗，产生NAM。目前还不清楚在线粒体内NAM是否能被转化回NMN或转化为NAD+，其他前体是否能通过线粒体膜运输来促进NAD+的合成。核NAD+池可能通过核孔扩散与胞质NAD+池相平衡；然而，完整的动态在很大程度上仍未被探索。一种核特异性NMNAT亚型(NMNAT1)已被描述，它是核NAM回收NAD+途径的一部分。MNAM，N1-甲基烟酰胺；TCA，三羧酸。框1
通过NAM回收途径生成NAD+烟酰胺(NAM)回收途径由前体NAM或上游NAD+维生素前体烟酰胺核苷(NR)或烟酰胺单核苷酸(NMN)生成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)，这些前体物质可通过牛奶、水果、蔬菜和肉类等多种日程食品来摄入补充。由于NAD+不具有细胞通透性，因此认为除NMN外，所有的膳食前体，包括烟酸、NAM、NR和色氨酸，都是直接输入到细胞中用于NAD+的生物合成。支持这一观点的是，在导入NMN之前，细胞外的NMN必须被5-核苷酸酶CD73转化为NR，从而在细胞内通过烟酰胺核苷激酶1(NRK1)转为NMN。最近的一项研究显示，存在一种特异的NMN转运蛋白SLC12A8在小肠中高表达，这表明NMN是一个直接进入NAD+生物合成途径的切入点。需要进一步的研究来确定这个转运蛋白与疾病的生理相关性，NMN和其他NAD+前体摄取的动力学和机制，以及它们在哺乳动物的每个组织和/或细胞中的选择性表达和作用。通过NAM挽救途径回收NAD+是在不同种类的NAD+消耗酶(包括糖水解酶(CD38、CD和SARM1)、蛋白质去乙酰化酶(Sirtuins)和聚(ADP-核糖)聚合酶(PARPs))介导的不可逆降解后恢复NAD+水平的基本步骤。虽然每一种酶作用于NAD+活性和用途不同，但所有消耗NAD+的酶都作为NAD+降解的副产物产生NAM；这是由NAM回收途径酶烟酰胺磷酸核糖基转移酶(NAMPT)转化为NMN。NMN也可以通过NRK1和NRK2从NR中生成，并在回收路径的最后一步由烟酰胺单核苷酸腺苷转移酶NMNAT1、NMNAT2和NMNAT3转化为NAD+。NMNAT的三种亚型有不同的亚细胞定位(NMNAT1在细胞核；NMNAT2在高尔基体细胞质面；NMNAT3在线粒体)，且被报道在各自的细胞室调节NAD+水平，但也影响其他细胞内NAD+存储。NAMPT广泛表达，主要在依赖高NAD+水平的过程中上调，如免疫细胞激活和遗传毒性应激。通过调节乙酰化酶和PARP的活性，NAMPT介导的NAD+生物合成影响细胞代谢和对炎症、氧化和遗传毒性应激的反应。此外，NAMPT的表达受SIRT1反馈回路中的生物钟机制(CLOCK-BMAL1)调控，这与体内NAD+水平的昼夜振荡有关。哺乳动物NAMPT以两种形式存在：细胞内NAMPT(iNAMPT)和细胞外NAMPT(eNAMPT)。作为一种NAD+生物合成酶，NAMPT形成二聚体。许多细胞类型产生eNAMPT，其分泌在脂肪组织和癌细胞中分别受到SIRT1或SIRT6介导的去乙酰化的积极调控。最近研究表明，在小鼠和人的血液循环中，eNAMPT携带在细胞外囊泡中，它负责增强原发性下丘脑神经元细胞内NAD+的生物合成。除了在调节NAM回收中的作用，eNAMPT先前被鉴定为一种推测的细胞因子(也被称为前B细胞集群增强因子(PBEF))。多种免疫和代谢疾病患者血清中eNAMPT单体水平升高。然而，目前还不清楚NAMPT的酶活性对其细胞因子样功能是否必要。因此，区分eNAMPT的单体和二聚体形式可能是解决目前有关eNAMPT酶活性和功能争论的一个途径。总的来说，这些研究表明，在远端细胞中，eNAMPT以自分泌的方式维持NAD+，而且，值得注意的是，它也作为一种内分泌信号影响远端组织中的NAD+水平和炎症反应。框2
NNMT和NADK介导NAD+的分解代谢烟酰胺N-甲基转移酶(NNMT)是一种利用S-甲基腺苷(SAM)作为甲基供体将烟酰胺(NAM)的环氮甲基化，将其转化为N1-甲基烟酰胺(MNAM)的酶。MNAM可通过醛氧化酶进一步氧化，产生N1-甲基-2-吡啶-5-甲酰胺和N1-甲基-4-吡啶-3-甲酰胺，并随MNAM一起分泌在尿中。NNMT将NAM转化为MNAM，有效地将从NAM回收途径得到的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)中循环回NAM，并影响整体NAD+水平。因此，人们对NNMT在疾病状态(如肥胖、癌症和老龄化)中作为NAD+水平关键调控因子的作用越来越感兴趣。例如，在肥胖期间，内脏白色脂肪组织和肝脏中NNMT表达增加，而且似乎大多有负面影响。这包括甲基供体SAM和NAD+在白色脂肪组织和肝脏对高脂肪饮食的反应的消耗。因此，提高NNMT活性导致参与纤维化的基因启动子区甲基化减少，以及代谢和炎症基因的异常表达。因此，NNMT似乎是一种关键的代谢酶，通过调节生物活性分子(如NAD+和SAM的消耗)的水平，将NAD+的代谢与基因表达的控制联系起来，从而产生MNAM。NNMT在调节NAD+中的作用提示NNMT在衰老过程中起重要作用。秀丽隐杆线虫NNMT的同源基因ANMT-1调控MNAM的产生可支持这一观点。在蠕虫体内，MNAM作为醛氧化酶GAD-3的底物，GAD-3产生过氧化氢，反过来，过氧化氢又作为促进长寿的激效信号。缺乏ANMT-1的蠕虫不再受益于依赖sir-2.1的寿命延长。这些结果表明，通过NNMT摄入NAD+至少对线虫的寿命有延长作用。然而，目前尚不清楚NNMT的激活在哺乳动物衰老过程中起什么作用，尽管NNMT的表达和活性似乎在啮齿类动物衰老过程中增加。例如，作者最近发现衰老小鼠的肝细胞中NNMT基因表达增加，在喂食高蛋白饮食的老年小鼠的肝细胞中也观察到类似的表达增加。此外，用NNMT抑制剂治疗老年小鼠可以激活衰老的肌肉干细胞并促进衰老期间的肌肉再生。因此，与线虫不同的是，在哺乳动物中，早期证据表明NNMT可能促进与衰老相关的疾病。因此，靶向NNMT可能为治疗老年相关疾病提供一种可行的治疗途径。NAD+的另一种代谢命运是NAD+激酶(NADK)直接磷酸化产生NADP(H)，NADP是调节细胞内氧化还原平衡和合成代谢过程(如脂肪生成)的主要还原力来源。最近一项使用体外同位素示踪标记纳入NADP(H)的研究表明，NADK占NAD+消耗的10%。然而，总NADP+池比NAD+池少20倍。此外，在如老龄化等NAD+水平下降的情况下，NADP+水平也会下降。因此，NADP+水平似乎与NAD+水平直接相关，并随升随降，这使得NADK不太可能是主要的NAD+池。然而，最近研究表明，NADK是AKT激酶的直接靶点，可磷酸化丝氨酸44、丝氨酸46和丝氨酸48残基，从而增强NADK的激活。因此，鉴于AKT信号在衰老过程中异常增加，NADK异常激活可能是衰老过程中NAD+水平下降的部分原因。因此，需要进一步的研究来确定NADK在老年和老年相关疾病中调节NAD+和NADP+池的作用。因此，NAD+介导多个重要的生物过程，且需求量一直很高。NAM可以通过NAM补救途径循环利用来维持NAD+水平（详见框1）。此外，一些主要在肝脏的细胞可以从多种膳食来源从头合成NAD+。因此，细胞内NAD+不断合成、分解和回收来维持细胞内NAD+水平的稳定（图1）。然而，在衰老过程中这种分解代谢和合成代谢过程之间的平衡转变，NAD+的降解速度超过了细胞产生NAD+的能力，也超过了细胞有效回收NAM的能力。此外，过量的NAM可能通过其他的代谢途径分解，有效地将其从NAM回收途径转移，进一步影响NAD+水平（详见框2）。NAD+糖水解酶、去乙酰化酶和PARPs除了作为消耗NAD+的酶外，在衰老和年龄相关疾病中也有不同的作用。虽然增强去乙酰化酶的激活已成为延长寿命和健康寿命的一种方式，但异常激活PARPs和NAD+糖水解酶，如CD38，可能发挥相反的作用，加剧衰老表型。（1）NAD+合成通路NAD+可以通过犬尿酸途径从左旋色氨酸中从头合成，也可以通过Preiss–Handler通路从维生素前体（如烟酸（NA））中合成（图1a）。除了NAD+，犬尿酸通路还利用左旋色氨酸产生犬尿喹啉酸、血清素和吡啶甲酸等生物活性分子。值得注意的是，从头合成途径对NAD+水平的贡献仍不清楚。除肝脏外，大多数细胞不表达通过犬尿酸通路将色氨酸转化为NAD+所需的全部酶。大多数色氨酸在肝脏代谢生成NAM，并被释放到血清，被外周细胞吸收，并通过NAM回收途径转化为NAD+。此外，在某些情况下，免疫细胞，如巨噬细胞，也会从色氨酸中产生NAD+。因此，除了肝脏之外，从头合成途径似乎是一种更间接的机制，有助于维持系统范围内的NAD+水平，大多数NAD+来自于NAM回收途径（框1）。（2）NAD+消耗通路通过去乙酰化酶的消耗。去乙酰化酶自发现以来受到了人们的广泛
