維生素 B2 可促進(jìn)發(fā)育和細(xì)胞再生，有利于增進(jìn)視力，減輕眼睛疲勞
“氧化”一詞在歷史上一直沿用，起源于 18 世紀(jì)后期的實(shí)驗(yàn)。氧化還原反應(yīng)不是 NAD+ 和 NADH 獨(dú)有的，更不是人體獨(dú)有的。事實(shí)上，它們可以涵蓋從鐵生銹到礦物質(zhì)形成的一切事物。
在 NAD+ 的背景下，氧化還原反應(yīng)是細(xì)胞能量產(chǎn)生的關(guān)鍵組成部分。當(dāng) NAD+ 轉(zhuǎn)化為 NADH 時，它會獲得兩件事：首先是一個帶電的氫分子 (H+)，其次是兩個電子。由于電子帶負(fù)電，帶正電的 NAD+ 和 H+ 結(jié)合兩個電子，有效地相互抵消并中和生成的 NADH 分子。這就是 NADH 旁邊沒有“+”號的原因。分子的電荷表明它如何與其他分子相互作用。例如，NADH 不能做 NAD+ 做的事情，反之亦然。
所以 NAD+ 和 NADH 幾乎是一回事（有一些細(xì)微差別），就像同一枚硬幣的兩面。然而，NAD+ 與 NADH 的數(shù)量并不相等。科學(xué)家們尚未確定最佳比例是多少，更不用說當(dāng)它受到干擾時會產(chǎn)生什么后果。隨著近年來 NAD+ 成為科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)，這一點(diǎn)變得越來越重要。
該圖是與 NAD 代謝相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的綜合視圖，包括合成（從頭合成、Preiss-Handler 和補(bǔ)救途徑）、降解、排泄和修復(fù)途徑。顯示了 NAD、NMN 和 NR 的結(jié)構(gòu)（右上）。顯示了 S-NADHX 的結(jié)構(gòu)（修復(fù)途徑，綠色），突出顯示了位于煙堿環(huán)第 6 位的羥基。在 R 構(gòu)型中，煙環(huán)的羥基位于 2 位（未顯示）。S-和 R-NAD(P)HX 的環(huán)狀形式（未顯示）也是有毒代謝物。2-PY, N-methyl-2-pyridone-5-carboxamide; 4PY，N-甲基-4-吡啶酮-3-甲酰胺；ACMS，2-氨基-3-羧基粘康酸半醛；AFMID，芳基甲酰胺酶；AOX，醛氧化酶; ARTs，ADP-核糖基轉(zhuǎn)移酶；CYP2E1，細(xì)胞色素 P450 2E1；GAPDH，甘油醛-3-磷酸脫氫酶；HAAO，3-羥基鄰氨基苯甲酸 3,4-雙加氧酶；IDO，吲哚胺 2,3-雙加氧酶；KMO，犬尿氨酸 3-單加氧酶；KYNU，犬尿氨酸酶；M-NAM，甲基煙酰胺；NA, 煙酸; NaAD，煙酸腺嘌呤二核苷酸；NAD，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸；NAM，煙酰胺；NaMN，煙酸單核苷酸；NAMPT，煙酰胺 磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶；NaPRT1，煙酸磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶 1；NAXD、NAD(P)HX脫水酶；NAXE，NAD(P)H-水合物差向異構(gòu)酶; NMN，煙酰胺單核苷酸；NMNAT1，煙酰胺/煙酸單核苷酸腺苷酸轉(zhuǎn)移酶 1；NNMT，煙酰胺N-甲基轉(zhuǎn)移酶；NR，煙酰胺核苷；PARP，聚（ADP-核糖）聚合酶；PRPP，磷酸核糖焦磷酸；QPRT , 喹啉酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶; SARM1，不育的 alpha 和含有 TIR 基序的蛋白質(zhì) 1；TPO，色氨酸 2,3-雙加氧酶。
越來越多的臨床前研究表明，NAD水平在生理狀態(tài)下下降，會導(dǎo)致或者標(biāo)志衰老、早衰狀態(tài)和涉及多器官系統(tǒng)（包括骨骼肌、心臟、腎臟、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、聽力和視覺）的病理狀況（ Abdellatif 等人） ., 2021 年；Elhassan 等人，2019 年；Katsyuba 等人，2020 年；Ralto 等人，2020 年）。
但是，與依賴嚙齒動物和體外細(xì)胞培養(yǎng)，對 NAD 替代療法對人類的應(yīng)用存在重大懷疑。事實(shí)上，多項(xiàng)關(guān)于 NAD 前體煙酰胺 核苷(NR) 的研究未能證明對肥胖和老年人的臨床、結(jié)構(gòu)或功能影響（Dollerup 等人，2018 年、 2019 年、 2020 年； Martens 等人，2018 年）。
另一方面，使用更簡單形式的維生素 B3 （如煙酸）的關(guān)鍵研究或煙酰胺已顯示出有趣的積極結(jié)果。然而，即使是這些積極的研究，在將 NAD 促進(jìn)療法轉(zhuǎn)化為人類條件之前，仍需要通過大型雙盲隨機(jī)研究進(jìn)行驗(yàn)證。
Pirinen 等人于 2020 年發(fā)表在Cell Metabolism上的第一項(xiàng)研究評估了 5 名患有進(jìn)行性眼外肌麻痹(PEO) 的成年患者，這是一種由線粒體 DNA (mtDNA) 缺失引起的線粒體肌病( Pirinen 等人，2020 年)。作者描述說，與年齡和性別匹配的健康對照組相比，PEO 患者骨骼肌和血液中的 NAD 水平較低（Pirinen 等人，2020 年）。
盡管在 PEO 患者中觀察到的 NAD+ 下降的具體機(jī)制尚未得到很好的證據(jù)鏈，但它可能至少部分是由分解代謝增加介導(dǎo)通過 PARP 處理 NAD的，如之前在其他早衰樣或線粒體肌病動物模型中所述（Bolderson 等人，2019 年；Khan 等人，2014 年）。NAD水解產(chǎn)物（即煙酰胺和 ADPR）在這些患者中含量較高這一事實(shí)支持了這一點(diǎn)（ Pirinen 等人，2020 年）。
維生素 B3 可以多種形式存在，包括煙酸、煙酰胺、NR 和煙酰胺單核苷酸 (NMN)，所有這些都能夠支持體內(nèi)NAD 的合成（Elhassan 等人，2019 年；Lautrup 等人， 2019 年；雷米等人，2020 年）。然而，尚不清楚是否有任何 NAD 增強(qiáng)策略優(yōu)于其他策略，或者是否認(rèn)存在可從不同 NAD 前體中受益的特定疾病。
用維生素 B3 煙酸（煙酸）治療這些患者 12 個月，增加了 PEO 患者的骨骼肌和血液 NAD 水平（Pirinen 等人，2020 年）。重要的是，在他們的次要結(jié)果中，作者觀察到維生素B3煙酸治療對 PEO 幾個患者的有顯著影響，包括肌肉力量和線粒體生成的顯著增加。
然而，許多重要問題才剛剛開始得到解決，例如不同拓?fù)湫问降?NADase（如 CD38 和 SARM1）對 NAD 降解過程的貢獻(xiàn)，以及 NAD 及其前體如何轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞。此外，新出現(xiàn)的數(shù)據(jù)表明，NAD 代謝的一個重要但在很大程度上被忽視的方面是有毒 NAD 代謝物的產(chǎn)生和修復(fù)，例如 NAD(P)HX。
補(bǔ)充NAD+ 可以清除 SARM1殺手蛋白
SARM1（SterilealphaandToll/interleukin-1receptormotif-containingprotein1）蛋白，是一種影響神經(jīng)軸性突變的蛋白。病理性軸突退行（Pathological axonal degeneration）是神經(jīng)系統(tǒng)疾病中常見的一種病理變化，表現(xiàn)為軸突腫脹、碎裂和萎縮等。
而Toll/白細(xì)胞介素-1受體（TIR）結(jié)構(gòu)域是Toll樣受體（TLRs）及其適配器的標(biāo)志性信號結(jié)構(gòu)域，作為先天免疫信號蛋白復(fù)合物組裝的支架。在對軸突變性的研究中，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，SARM1（包含1的無菌阿爾法和TIR基序）的TIR結(jié)構(gòu)域具有酶活性。
在軸突損傷時，SARM1 TIR結(jié)構(gòu)域切割煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），破壞（消耗）這一必要的代謝輔助因子，從而觸發(fā)軸突破壞引發(fā)阿爾茲海默癥、帕金森癥等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，以及化療和糖尿病引起的外周神經(jīng)損傷等。
2020年10月14日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張哲和楊競課題組合作在Nature雜志上發(fā)表了題為“The NAD+-mediated self-inhibition mechanism of pro-neurodegenerative Sarm1”的文章，揭示了NAD+介導(dǎo)的SARM1蛋白的活性調(diào)節(jié)機(jī)制。
該文章首先使用冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）解析了SARM1全長蛋白分辨率為2.6 的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)顯示，SARM1蛋白自身以環(huán)狀的八聚體形式存在，ARM結(jié)構(gòu)域（SARM1ARM）通過與TIR結(jié)構(gòu)域（SARM1TIR）的相互作用抑制了SARM1TIR水解NAD+的活性。利用這種方式，SARM1蛋白維持了自身在健康神經(jīng)元中的活性抑制狀態(tài)。
更重要的是，作者通過對全長SARM1蛋白降解NAD+活性的動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，高濃度的NAD+對SARM1的活性具有抑制作用，由此顯示該蛋白中除了SARM1TIR的NAD+底物結(jié)合位點(diǎn)外，還應(yīng)該存在一個NAD+的別構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)，NAD+通過這種方式對SARM1蛋白的水解酶活性發(fā)揮負(fù)調(diào)節(jié)作用。于是，作者進(jìn)一步解析了SARM1蛋白與NAD+復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，在SARM1ARM中成功發(fā)現(xiàn)了這個全新的NAD+結(jié)合位點(diǎn)。接下來，通過生物化學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)等實(shí)驗(yàn)，作者對這個重要的NAD+別構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證，同時揭示了其對于SARM1蛋白NAD+水解活性以及軸突退行的關(guān)鍵抑制作用。
也就是說現(xiàn)有的研究實(shí)錘了補(bǔ)充NAD+可以減弱神經(jīng)軸性損傷蛋白SARM1的致病風(fēng)險。值得注意的是，二聚化 SARM1 的催化活性與 CD38 的酶活性幾乎相同，盡管這兩種蛋白質(zhì)之間完全缺乏同源性。二聚化 SARM1 具有消耗 NAD +的糖水解酶活性，將其轉(zhuǎn)化為 ADPR 和煙酰胺，極小部分轉(zhuǎn)化為 cADPR（Essuman 等人，2017 年，2018 年）。這反映了 CD38 的酶活性，具有一個非常重要的區(qū)別，CD38 主要是一種胞外酶，而 SARM1 是一種胞內(nèi)酶。因此，SARM1 酶活性的二聚化和激活消耗 NAD +導(dǎo)致代謝崩潰和細(xì)胞死亡（下圖）（Essuman 等人，2017 年）。SARM1 生成的 cADPR 在神經(jīng)元細(xì)胞死亡中的具體作用（如果有的話）目前尚未得到明確證明。因此，剖析 SARM1 二聚化和激活誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡調(diào)控的具體機(jī)制至關(guān)重要。
參與 Sarm1 激活的潛在機(jī)制
這些發(fā)現(xiàn)表明 NAD +自身介導(dǎo)這種中樞促神經(jīng)退行性蛋白的自我抑制并控制其轉(zhuǎn)化代謝。另一個有趣的發(fā)現(xiàn)是證明 NAD +與該抑制位點(diǎn)的結(jié)合可以被 NAD +前體 NMN 取代。NMN 將 NAD +從其在 ARM 中的結(jié)合位點(diǎn)置換出來，從而激活 SARM1（上圖）。另一方面，有人提出，由代謝功能障礙或可能由DNA損傷和PARP1激活或CD38激活引起的初始NAD+下降可能會從其ARM結(jié)合位點(diǎn)釋放NAD+。這個NAD+釋放可以釋放TIR域，使其二聚化和激活，導(dǎo)致NAD消耗和代謝崩潰以及神經(jīng)細(xì)胞死亡（上圖）。
VB3 | NAD+——線粒體修補(bǔ)劑
NAD + /NADH 對在線粒體中尤為重要，因?yàn)樗鼘⑷人?(TCA) 循環(huán)的底物氧化與電子傳輸鏈(ETC) 和氧化磷酸化產(chǎn)生的三磷酸腺苷 (ATP)聯(lián)系起來。使用不同的方法，包括基因必要性數(shù)據(jù)和基因相互作用網(wǎng)絡(luò)，MCART1 ( SLC25A51 ) 被確定為線粒體 NAD +轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。支持這一點(diǎn)的是，所有三項(xiàng)研究均表明，MCART1缺失細(xì)胞的線粒體 NAD +水平、TCA 循環(huán)通量和線粒體呼吸顯著降低。
除了 MCART1 之外，人類還有另一個名為 MCART2 的同源基因，它似乎只在精子細(xì)胞中表達(dá)。
現(xiàn)在人們對 NAD 及其前體的運(yùn)輸重新產(chǎn)生了興趣，從而確定了臨床上使用最多的維生素 B3 形式（即煙酸）的運(yùn)輸機(jī)制（Mathialagan 等人，2020 年）。
總之，對 NAD+ 代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)及其生物學(xué)的重新興趣促使研究人員探索該領(lǐng)域的幾個極其重要的開放性問題，從而擴(kuò)大了我們對哺乳動物細(xì)胞中 NAD+ 轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝的理解?；虮匾詳?shù)據(jù)和基因相互作用網(wǎng)絡(luò)的使用可能有助于繼續(xù)研究這些問題。
VB3 | NAD+也是一把雙刃劍
在癌基因誘導(dǎo)的衰老 (OIS) 中，高遷移率 A 組蛋白(HMGA) 上調(diào)煙酰胺磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶 (NAMPT) 的表達(dá)，NAMPT 是 NAD 補(bǔ)救途徑的限速酶。HMGA 介導(dǎo)的 NAMPT 表達(dá)誘導(dǎo) NAD 合成，導(dǎo)致更高的 NAD + /NADH 比率。這種代謝變化可以誘導(dǎo)更高的促炎性 SASP，從而加速周圍細(xì)胞的癌癥進(jìn)展。
OIS，癌基因誘導(dǎo)的衰老
在與衰老相關(guān)的ARS 期間，慢性 SASP 會導(dǎo)致低水平的促炎環(huán)境，從而導(dǎo)致炎癥M1 巨噬細(xì)胞和其他免疫細(xì)胞中 CD38 表達(dá)的上調(diào)。CD38 表達(dá)的誘導(dǎo)反過來導(dǎo)致周圍組織中 NAD 和 NMN 水平的降低。促炎免疫細(xì)胞也降低了 NAD 水平，但這種降低取決于除 CD38 之外的其他酶，如 PARP1。
NAD +代謝通過決定促炎 SASP 的強(qiáng)度在衰老細(xì)胞中發(fā)揮關(guān)鍵作用（上圖）。在高促炎性 SASP 相關(guān)衰老、癌基因誘導(dǎo)衰老 (OIS) 模型中，觀察到 NAD + /NADH 比率、NAD +水平和NAMPT表達(dá)顯著增加，NAMPT 的敲低不僅降低了 NAD +水平以及促炎 SASP 的分泌。
在 OIS 中，高促炎性 SASP 似乎主要由 NAD 驅(qū)動+ /NADH 比率（Nacarelli 等人，2019 年）。然而，在復(fù)制衰老 (RS) 模型中，這是一種低促炎性 SASP 相關(guān)衰老，作者發(fā)現(xiàn) NAMPT 被下調(diào)并且 NAD + /NADH 比率降低。似乎在 RS 中，衰老主要是由 DNA 損傷驅(qū)動的。此外，這項(xiàng)研究報告說，通過異位致癌 RAS 或 NMN 補(bǔ)充劑增加 RS 中的 NAD + /NADH 比率顯著增強(qiáng)了體外SASP （Nacarelli 等人，2019 年）)。
由于促炎性 SASP 已被證明具有致瘤性，因此該研究表明應(yīng)謹(jǐn)慎補(bǔ)充 NAD+ 前體，因?yàn)樗谀承┣闆r下可能具有促炎性或致瘤性（Nacarelli 等人，2019 年）。所以精準(zhǔn)個性化的補(bǔ)充維生素B3以及NMN顯得更加重要，而且要突出B族維生素共融性，才可以實(shí)現(xiàn)最佳營養(yǎng)治療效果。
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