Cell Metabolism: NAD+代谢之概念演进

2021
10/27

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古麻今醉
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NAD(H)和NADP(H)是参与包括线粒体中的电子传递等多种氧化还原反应的辅因子(或辅酶),然而,NAD途径的代谢物在信号传导、翻译后修饰、表观遗传变化以及RNA稳定性的调节过程中也发挥重要功能。

NAD(H)和NADP(H)是参与包括线粒体中的电子传递等多种氧化还原反应的辅因子(或辅酶),然而,NAD途径的代谢物在信号传导、翻译后修饰、表观遗传变化以及RNA稳定性的调节过程中也发挥重要功能。NAD代谢是一个非常动态的过程,NAD在某些组织中的半衰期只有几分钟。事实上,NAD代谢失调已成为促进多种疾病发病的一个重要因素,“NAD-boosting”或“NAD-regenerative”疗法被提出可以作为治疗人类疾病的一种方法。2021年4月,梅奥医学中心的研究者在Cell Metabolism在线发表了一篇名为“Evolving concepts in NAD+ metabolism”的综述,归纳总结了NAD+代谢相关的最新发现和概念。

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传统的观念将烟酰胺核苷酸代谢描述为一种非常静态的过程,主要强调NAD和NADP氧化和还原形式之间的相互转化。然而,过去几十年的出版物,尤其是最近的研究清楚地表明NAD的代谢、运输和功能是动态且复杂的(图1)。NAD可以转化为NADP、NAADP和cADPR,在能量转导和细胞信号传导中起关键作用,而且NAD的降解产物,如烟酰胺和正甲基烟酰胺,也已被认为是能量代谢、表观遗传学和疾病状态的关键调节剂。

NAD途径代谢物还可以作为多种酶的底物,包括PARPs、sirtuins、CD38、ART、SARM1 和RNA聚合酶,这些酶参与细胞稳态的多个方面。与氧化还原反应不同,这些酶促进烟酰胺核苷酸的净分解代谢。了解这些核苷酸的代谢、运输和生物学作用一直是深入研究的重点,从而导致该领域的一些关键发现。然而,许多重要的问题,例如不同拓扑形式NADase(如 CD38和SARM1)对NAD降解过程的贡献,以及NAD及其前体如何运输到细胞中,才刚刚开始得到解决。因此,作者讨论了NAD生物学和代谢方面的一些新发现,重塑了我们对该领域的理解。 

NAD替代疗法:治疗疾病的新方法?  

越来越多的临床前研究表明,NAD水平在生理和病理状态下均下降。然而,对关于NAD 替代疗法的临床转化潜力仍存在怀疑。事实上,一些关于NAD前体烟酰胺核苷 (NR) 的研究未能证明其对肥胖和衰老有作用,但使用简单形式的维生素B3(如烟酸或烟酰胺)显示出积极的结果。然而,这些结果仍然需要通过大型、双盲随机研究进行验证。作者讨论了三项人体研究,这些研究表明NAD-boosting疗法可能确实在特定的病理条件下具有有益的作用。

Pirinen等人的研究评估了5名患有进行性外眼肌麻痹 (PEO) 的成年患者,这是一种由线粒体DNA (mtDNA) 缺失引起的线粒体肌病。与年龄和性别匹配的健康对照者相比,PEO患者骨骼肌和血液中NAD水平较低。用维生素B3烟酸(烟酸)治疗这些患者12个月会增加患者的骨骼肌和血液NAD水平。重要的是,在他们的次要结果中,作者观察到烟酸治疗后PEO患者的肌肉力量和线粒体生物发生显著增加。在Poyan等人的研究中,作者证明了NAD从头生物合成的损伤似乎参与了急性肾损伤 (AKI) 的发展,喹啉酸磷酸核糖基转移酶 (QPRT)对于防止小鼠NAD下降和AKI抗性至关重要。他们提出尿喹啉酸/色氨酸(uQ/T)比率升高,作为QPRT活性降低的指标,可预测危重患者的AKI和其他不良预后。此外,作者进行了一项小型(31名患者)1期安慰剂对照研究,在心脏手术前预先口服维生素B3(烟酰胺)的患者循环NAD代谢物增加和AKI减少。Chen等人进行的III期试验探究了烟酰胺预防高危患者非黑色素瘤皮肤癌的作用。作者对380多名在过去5年中至少患有两种非黑色素瘤皮肤癌的患者进行了一项双盲、随机对照试验,发现接受烟酰胺治疗的患者基底细胞癌和鳞状细胞癌的发生率分别降低了约20%和30%。作者进一步关于烟酰胺化学预防肾移植接受者皮肤癌潜在作用的后续II期研究表明,接受烟酰胺治疗的患者皮肤癌的发病率有降低的趋势,但没有观察到两组之间的统计学差异。因此有必要对维生素B3和其他促进NAD生成的方法作为皮肤癌化学预防的作用进行后续研究,以建立其潜在的临床用途。

尽管上述研究提供了NAD下降和NAD替代疗法在人类受试者中的作用的证据,但它们有明显的局限性,阻碍了它们的临床转化,因此仍需要更大规模、双盲、多中心和随机研究来验证。但是这些研究提供了重要的框架,包括使用血液和尿液中NAD代谢组作为某些疾病的生物标志物。在NAD替代疗法临床转化成功之前需要解决的重要问题是确定是否需要达到NAD的阈值,以及在某些情况下非常高的NAD水平是否可能有害。我们相信,NAD替代疗法的研究促进了人们对NAD代谢的兴趣,这些发现极大地增加了我们对NAD生物学的理解。 

为什么烟酰胺核苷酸代谢复杂、快速且动态呢?  

如上所述,随着人们对NAD替代疗法的兴趣日益浓厚,研究NAD前体和代谢物的代谢,并了解它们在正常和疾病状态下的动态势在必行。此外,必须确定合成代谢和分解代谢途径对组织和细胞特异性NAD(P)(H) 生物学的相对贡献。在哺乳动物细胞和组织中已经很好地描述了NAD合成的几种途径,在健康和疾病状态下,这些不同途径在哺乳动物NAD途径代谢物的合成通量中的确切和相对作用尚未完全表征。然而,关于这些途径的新数据正在出现。例如,Liu等人描述了细胞系和小鼠组织中的NAD合成通量,发现NAD通量在组织中变化很大,半衰期从15分钟到15小时不等,小肠和脾脏中的通量高,而骨骼肌中的通量低。因此,通量分析可以揭示NAD代谢的不同组织特异性。同时他们还提出了该领域的新问题,比如哪些特定的分解代谢途径导致NAD途径代谢物的组织周转差异?为什么有些组织会以如此高的速度回收烟酰胺?后一个问题特别令人关注,因为NAD合成和降解的这种“无效循环”是一个非常耗能的过程。

迄今为止,尚未探索特定分解代谢途径对NAD通量和NAD半衰期的影响。既往研究表明在脾脏和肠道等组织中NAD的高速周转和NAD合成和降解的“无效循环”可能是由表达CD38的免疫细胞介导的。结果表明,CD38胞外酶活性通过调节NAD前体(如NMN)对细胞的可用性以及降解可能“泄漏”出细胞的NAD,在NAD稳态中发挥重要作用。因此,研究特定合成代谢和分解代谢途径对健康和疾病中烟酰胺核苷酸代谢的贡献是一项重要而复杂的工作,将进一步影响我们对NAD生物学的理解。当然,研究多种合成和分解代谢途径(如SARM1、ARTs、PARPs和sirtuins)在体内烟酰胺通量中的作用对于全面了解NAD 途径代谢物至关重要。

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图1. NAD代谢组和代谢途径概述

NAD(P)生物学中的代谢修复机制及其对NAD替代疗法的潜在价值  

细胞代谢的一个重点是认识到几种酶通过副反应甚至自发的非酶促反应会产生潜在的有毒产物。事实上,自1950年代以来,人们就知道NADH的一种有毒代谢物,称为NADHX,该副反应由糖酵解酶三磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)催化。此外,另一种代谢物NADPHX可以在生理温度下以每小时10%的速率通过非酶促转化产生。这些代谢物以不同的异构体(R 和S)以及环状和非环状形式存在。已知它们可抑制多种脱氢酶,因此应防止它们的积累。NAXE(NAD(P)H-水差向异构酶)和NAXD(ATP依赖性(S)-NAD(P)H-水合脱水酶)在促进这些代谢物循环回NAD中发挥着关键作用。在真核生物中,这些酶存在于不同的细胞区室中,包括细胞质、线粒体、植物的叶绿体和哺乳动物的内质网。尽管存在从NADPHX异构体中解毒细胞的修复机制,但尚未描述其环状形式解毒的机制。

最近有文章描述NADPHX修复酶的突变会促进有毒代谢物的积累,导致儿童发热后出现严重的脑病和死亡。感染和发热似乎是这些过程的触发因素,表明NADPH向这些有毒代谢物的温度依赖性转化在这些疾病的发病机制中起作用。此外,尚不清楚这些有毒代谢物在特定组织中是否存在任何差异积累,或者这些代谢物的水平与NAD通量有何关联。NAD(P) 代谢如此活跃的一个原因可能是促进NAD(P)池的持续循环利用,以防止这些有毒代谢物的积累。快速和动态的通量可以通过不同的机制影响这些有毒代谢物的积累,这些代谢物有可能被相同的NADase直接降解,这些NADase对于NAD池的高周转率非常重要。因此,了解操纵NAD(P)代谢通量在NADHX和NADPHX有毒代谢物的积累和代谢中的潜在后果至关重要。由于我们一直将NAD替代疗法作为一种新的治疗方式,因此必须了解不同类型的 NAD促进疗法,如维生素B3衍生物、NAD合成代谢激活剂(如NAMPT激活剂)或NAD(P)分解代谢抑制剂会导致这些有毒的NAD(P)HX代谢物的积累或清除。特别的,研究这些疗法在代谢物修复机制中的长期效果将是极其重要的。     

SARM1:内在的杀手  

过去几年NAD生物学中最有意义的发现之一来自圣路易斯华盛顿大学Jeffrey Milbrandt实验室,他们发现SARM1是进化上保守的退化级联的执行者。他们进一步描述了SARM1的 TIR域是SARM1活性所必需的,尽管在其他蛋白质中二聚化TIR域充当先天免疫信号传导的支架。在SARM1中,TIR结构域的二聚化促进NAD+的消耗并诱导神经元破坏,NMN可能是SARM1的内源性激活剂,而NMN脱酰胺酶是一种具有消耗NMN活性的酶,可延迟神经元培养物中的轴突变性。值得注意的是,尽管这两种蛋白质完全缺乏同源性,但二聚 SARM1的催化活性几乎与CD38的酶活性相同。二聚化的SARM1具有糖水解酶活性,可以消耗NAD+,导致代谢崩溃和细胞死亡(图2)。SARM1产生的cADPR在神经元死亡中的具体作用还不清楚,因此,剖析SARM1二聚化和激活诱导的细胞死亡调节的具体机制至关重要。最近的研究使用基于结构的方法探索了SARM1的调控,需要进一步的研究来清楚地描述体内SARM1激活所涉及的机制。事实上,最近的一项研究支持SARM1是NMN/NAD比率传感器的观点。

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图2. SARM1激活的潜在机制

烟酰胺核苷酸转运的新发现和争议  

烟酰胺核苷酸生物学的另一个重要方面涉及细胞和细胞器用于运输NAD途径代谢物和前体的机制(图3),这一方面引起了激烈的争论。该领域的关键问题是NAD(P)前体如何从细胞外转运到细胞内,以及NAD是否转运到线粒体中。在哺乳动物细胞中,有人提出只有烟酰胺、烟酸、NR和还原形式的NR (NRH)可以通过特定的转运蛋白从细胞外部运输到细胞内部。CD38 和CD73将细胞外NAD和NMN转化为游离烟酰胺或NR,是将这些细胞外前体整合到细胞中的可用机制。然而,关于细胞外NMN如何整合到细胞中的争论仍然存在。

NMN是NAD+的生物合成前体,已知可促进细胞NAD+的产生并抵消小鼠衰老相关的病变。然而,目前尚不清楚NMN是如何进入细胞的。Grozio等人提出Slc12a8基因(以前被称为盐转运蛋白)编码一种特定的NMN转运蛋白,该转运蛋白在小鼠小肠中受NAD调控,Slc12a8敲低消除了培养细胞和小鼠敲低模型中NMN的摄取。而且Slc12a8特异性转运NMN,但不转运NR,而且NMN转运取决于钠离子的存在。然而,Schmidt和Brenner 不支持Slc12a8对NMN的运输。此外,他们指出有足够的遗传、药理学和动力学证据表明 NMN在进入细胞之前被去磷酸化为NR。因此,可能存在两种情况,一种是NMN确实通过转运蛋白(例如Slc12a8)转运到细胞中,另一种是NMN必须通过酶(例如CD73)转化为 NR才能进入细胞。因此,关于细胞从细胞外空间摄取NAD前体的机制,似乎还有很多需要研究。

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图3. 烟酰胺核苷酸转运到细胞和细胞器中

NAD+可以直接转运到哺乳动物线粒体中  

在NAD前体转运领域一直争论的一个重要话题是线粒体中的NAD +是来自烟酰胺、NMN 还是NAD本身。最近,Davila等人的一项研究表明存在未被识别的NAD+(或NADH)线粒体转运蛋白。三项独立研究同时将溶质转运蛋白MCART1/SLC25A51确定为第一个发现的哺乳动物线粒体NAD+转运蛋白,MCART1敲除细胞的线粒体NAD+水平、TCA循环通量和线粒体呼吸均降低,而且从缺乏MCART1的细胞中分离出的线粒体损害了NAD+的摄取,过表达NDT1(一种酵母线粒体NAD+转运蛋白)可以防止这些损害。根据上述这些发现,可以预测在不久的将来可能会发现其他形式的NAD通路代谢物的转运蛋白,进一步增强我们对NAD代谢和生物学的理解。 

NAD与炎性衰老和老化:双刃剑?  

衰老的特点是细胞和分子水平的变化,包括表观遗传变化、基因组不稳定性、线粒体功能障碍和营养感应失调。功能不正常的细胞可能会死亡或衰老。在衰老状态下,细胞会分泌多种促炎因子,包括多种炎性细胞因子和趋化因子(SASP),导致炎性衰老。衰老和衰老相关病理的另一个特征是组织中NAD+水平的下降,这可能会影响sirtuins的活性并促进与衰老相关的代谢紊乱。为了更好地了解NAD+下降在衰老过程中的作用,研究衰老过程中NAD+代谢及其酶的变化很重要,特别是,需要更好地理解两个关键主题:NAD+在不同细胞类型中的作用,以及衰老细胞和“炎性衰老”是否调节NAD+代谢(图4)。最近的一项研究提出NAD+代谢通过确定促炎SASP的强度在衰老细胞中起关键作用。由于促炎性SASP已被证明具有致瘤性,因此该研究表明应谨慎补充NAD前体,因为它在某些情况下可能具有促炎性或致瘤性。2019年的一项研究表明,老年人补充NR会降低一些循环炎症细胞因子的水平,这表明老年人服用NR可能具有抗炎作用。目前需要更好地了解NAD+代谢在衰老发展中的作用,更重要的是,有必要通过体内不同的机制,使用不同NAD+前体或操纵NAD+代谢酶来操纵 NAD+水平,以清楚地了解它们在体内衰老和与衰老相关的炎症发展中的作用。

关于衰老细胞及其分泌表型如何调节非衰老细胞中的NAD代谢。最近的三项研究提供了衰老细胞和NAD+降解酶CD38之间的联系。这些研究表明,免疫细胞是衰老过程中积累 CD38 的主要细胞。此外,SASP在体外和体内均可以诱导免疫细胞和非免疫细胞中CD38的表达。衰老增加了白色脂肪组织和肝脏中CD38的表达。重要的是,体内衰老细胞或其分泌表型的消耗降低了CD38水平并部分恢复了衰老组织中NAD+水平。因此,衰老过程中免疫细胞中CD38表达的增加是将衰老细胞的积累与炎症和NAD+代谢联系起来的关键事件。这一发现提出了一种可能性,即在NAD替代疗法的研究中,用特定抗体抑制CD38胞外酶活性可以与其他NAD促进疗法一起使用。然而,更重要的是需要确定衰老过程中CD38表达的增加是否可能对富含衰老细胞的组织中的SASP产生潜在的负反馈效应。因此,衰老过程中组织NAD水平下降是好是坏尚未完全阐明。

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图4. NAD、炎症和衰老:双刃剑?

“论肿道麻”述评

传统观点认为,NAD(H)和NADP(H)是参与多种氧化还原反应(包括线粒体中电子传输)的辅助因子(或辅助酶)。但是,NAD途径代谢产物其实还具有许多其他重要功能,包括在信号传导途径中的作用,翻译后修饰,表观遗传学变化以及通过RNA的NAD加帽调节RNA稳定性和功能等等。NAD代谢是一个非常动态的过程,已经有研究验证了NAD在某些组织中的半衰期约为数分钟。本文梳理了NAD+这一领域的最新发现和概念,此外,本文提出了一些关于NAD生物学的开放性问题,解决这些问题将使该领域取得重大进展。然而,我们似乎还远未了解所有这些NAD代谢物如何整合的完整图景。许多悬而未决的问题仍有待我们探索以提高我们对这些核苷酸的生物学及其潜在治疗作用的理解。首先,NAD+前体如何进入细胞和细胞器?使用哪些前体以及针对哪些途径是否重要?为什么烟酰胺核苷酸代谢如此快速和动态?在不同的生理和病理状态下,NAD有毒代谢物如RS-NADPHX是否会积累?烟酰胺核苷酸代谢的多条通路如何与其他代谢途径(例如甲硫氨酸循环)整合?NAD及其衍生物的非氧化作用是什么?回答这些问题将有利于我们更好地理解这些核苷酸及其生物学功能。   

编译:曲梦笛,述评:翁梅琳 审校:张军,缪长虹    

参考文献:   Chini, C., Zeidler, J. D., Kashyap, S., Warner, G., & Chini, E. N. (2021). Evolving concepts in NAD   +    metabolism.    Cell metabolism, 33(6),   1076–1087.    

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关键词:
NAD,细胞,研究,代谢,代谢物

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