NMN之家：NAD+的百年研究历史

如果要说谁是近几年抗衰老研究领域最火的icon，NAD+肯定是当仁不让。随手谷歌学术一下就能发现，2018年以来NAD+在抗衰老领域的研究成果居然占到了抗衰老领域研究总成果的25%！也就是说每4篇讲到抗衰老研究的文章就有1篇是关于NAD+的。

关于NAD+抗衰老的研究不光是以数量取胜，质量也是杠杠的。以麻省理工大学Leonard Guarente教授、哈佛大学医学院David Sinclair教授等顶尖科学家为首的各大研究组在NAD+抗衰老方面的研究屡屡发表在《Nature》, 《Science》,《Cell》等top期刊上。

Leonard P. Guarente，PhD，美国生物学家，麻省理工大学诺华生物学教授。因研究发现SIR2能延长酵母、蠕虫的生命而闻名。他也积极研究SIR2在哺乳动物中的同源物SIRT1是否能控制哺乳动物的寿命。

David A. Sinclair, PhD, 澳大利亚生物学家，哈佛大学医学院遗传学系教授。主要研究发现SIRT1对于健康和长寿的通路控制依赖于NAD+的水平。并且致力于寻找激活sirtuins的化合物（STACs），以减缓衰老和疾病发展。

小编不禁好奇了，这NAD+究竟是何方神圣，能得到如此多科学大牛的青睐。深八之下，会发现NAD+在生物学领域并不是什么新面孔，甚至已经是一位百岁高龄的“老网红”了。在一百多年前，当NAD+和它参与的功能被揭示的时候，就陆续诞生了3位诺贝尔奖获得者。而到了21世纪关于NAD+的研究热潮再次掀起，主要因为科学家发现了这位“老网红”身上有更多以前没被发现或者注意到的亮点，它的这些特点甚至可能帮助科学家解开人类长寿健康之谜。

• 1906年，Arthur Harden和William John Young发现NAD。

就在Harden和Young发现NAD的几年之前，Louis Pasteur刚刚证明在面包、葡萄酒、啤酒等食品的生产过程中，酵母细胞负责发酵过程。Arthur Harden试图在酵母细胞之外重现发酵过程来研究发酵是怎样进行的。在实验室中，他们将酵母细胞中的成分分为两部分，一部分是热不稳定的（即加热会破坏其发酵反应的能力），另一部分是热稳定的。通过分离然后重新组合馏分，Harden和Young证明热不稳定部分的发酵能力取决于热稳定部分。他们推测热不稳定部分含有一种或多种负责发酵的蛋白质（酶），热稳定部分含有辅助因子（辅酶）和其他帮助蛋白质进行反应的稳定分子。

• 1929年，Hans von Euler-Chelpin和Arthur Harden因为在发酵方面的研究工作获得诺贝尔奖。

Von Euler-Chelpin最初是一名艺术学生，他继续Harden和Young的工作，研究发酵过程反应的细节。在这项工作中，Von Euler-Chelpin进一步分离酵母细胞的热稳定部分，“纯化”了NAD。此外，Von Euler-Chelpin还发现NAD的二核苷酸结构。

• 1936年，Otto Heinrich Warburg展示了NAD在发酵反应中的功能。

Otto Heinrich Warburg研究了发酵过程的化学反应，并发现对于某种类型的化学反应（氢化物转移反应）辅酶是必需的。氢化物转移反应涉及氢原子及其伴随电子的交换。这些类型的反应对细胞代谢和维持生命所需的许多其他化学过程至关重要。 Warburg的工作表明，在发酵过程中，NAD的烟酰胺部分接受氢并推动反应进行。

• 1938年，Conrad Elvehjem发现了“抗黑舌症因子”，这是NAD的第一种维生素前体。

在20世纪初期，糙皮病（Pellagra）是一种引起腹泻和痴呆等症状的常见疾病。Joseph Goldberger进行了最初的实验，认为糙皮病是一种营养缺乏症。他所进行的人体试验充满争议，他从饮食中减去某些有营养的食物来使监狱中囚犯得糙皮病。Conrad Elvehjem通过在狗身上进行对照实验进一步推动了这项工作。 Elvehjem指出，当狗得糙皮病时，由于饮食不良，舌头会变黑。通过建立这种糙皮病模型的狗，Elvehjem再给狗提供不同的营养，并看看哪些提取物帮助狗从“黑舌”病中恢复过来。通过分析和提取食物中的营养物，Elvehjem发现烟酸是治疗狗的糙皮病或“黑舌症”的有效药物。

• 1940年，Arthur Kornberg发现了第一个NAD生物合成酶。

在Hans von Euler-Chelpin早期纯化NAD和Conrad Elvehjem发现烟酸作为阻止糙皮病的药物后，Arthur Kornberg研究了NAD在体内的生成方式。在Kornberg的实验中，他从酵母中纯化了NAD合成反应所需的组分，并将它们在酵母体外的实验装置中重现发酵过程，以证明它们负责产生NAD。

• 1958年，Jack Preiss和Philip Handler发现了烟酸转化为NAD的途径。

由于Conrad Elvehjem表明烟酸是防止糙皮病的药物，Arthur Kornberg已经证明了细胞内NAD合成的反应，Jack Preiss和Philip Handler发现了烟酸如何转化为NAD。早在1951年，Irwin G. Leder和Philip Handler就通过人红细胞在体外合成并鉴定出烟酰胺单核苷酸（NMN）。其后的进一步研究，他们发现烟酸通过三步转化为NAD，并且鉴定出了负责这些步骤的蛋白质/酶。由于他们的贡献，烟酸转化为NAD的途径被命名为Priess-Handler途径。

• 1963年，Chambon, Weill和Mandel发现了第一个NAD分解的化学反应。

之前的研究，人们对NAD分子在细胞中“构建”的方式了解了很多，但直到此时才研究了NAD的分解反应。Mandel的研究发现了一种将NAD分解为烟酰胺和ADP核糖两部分的反应。他们的研究还发现了NMN激活前所未知的DNA依赖的聚腺苷酸合成核酶。这项研究随后导致了PARPs的发现，PARPs是一个蛋白质家族，参与许多细胞过程，包括DNA修复，维持基因组稳定性和程序性细胞死亡。

• 1965年，Hayaishi的研究组揭示了NAD+通过色氨酸生成的通路，以及NAD+中间体NMN。
• 1966年，Gholson提议存在活跃的NAD+的更新循环，并且对于细胞代谢起到未知的但是很重要的功能。
• 1976年，Rechsteiner和他的研究组证实了NAD+的快速的更新，这进一步支持NAD+在真核细胞中可能有除了在氧化还原中的作用外的另一些主要功能。
• 1989-1992年，Lee和他的研究组将NAD+与海胆卵一起培养，发现了一种新的NAD+代谢物，环化ADP-核糖，随后他们在一种大型海胆中鉴别出来ADP-核糖环化酶，并在哺乳动物体内发现了CD38。
• 2000年，Leonard Guarente和他研究组发现酵母SIR2（沉默信息调节因子2）和对应的老鼠的同源物 SIRT1都有NAD+依赖的蛋白质脱乙酰酶活性，Sirtuin酶可以分解NAD为它的组成部分。并且NAD+依赖性SIR2蛋白能延长酿酒酵母的寿命
• 2001年，Mathias Ziegler和他的研究组成功分离出了人类的烟酰胺/烟酸单核苷酸腺苷转移酶（NMNAT），一种重要的NAD+合成酶。
• 2001年，麻省理工大学Leonard Guarente 研究组发现NAD+依赖型sir2.1蛋白能延长秀丽秀丽隐杆线虫寿命将近50%。
• 2002-2004年，NAD+补救合成途径中的限速酶NAMPT被分离和表征。
• 2004年，Stephen L.Helfand 研究组发现NAD+依赖型sir2蛋白能延长果蝇寿命约10%-20%
• 2012年，巴伊兰大学Haim Y. Cohen研究组发现NAD+依赖型SIRT6长寿蛋白能延长雌性小鼠的寿命大于10%
• 2013年，洛桑理工学院Johan Auwerx和麻省理工大学Leonard Guarente研究组共同发现NAD+依赖性SIR 2.1延长蠕虫寿命
• 2013年，华盛顿大学医学院Shin Ichiro Imai的研究组发现NAD+依赖型SIRT1在大脑中过表达时显著延长雄性和雌性小鼠的寿命
• 2013年，哈佛大学医学院David Sinclair团队发现，对22月龄（相当于人类60岁）的小鼠使用NMN一周后，小鼠在线粒体稳态、肌肉健康等关键指标上恢复到6月龄小鼠（相当于人类20岁）相似状态
• 2016年，David Sinclair通过小鼠实验以及灵长类动物和人体实验说明，NAD+和sirtuin激活剂具有显着的预防疾病甚至逆转衰老的能力
• 2017年，哈佛大学医学院David Sinclair团队发现NAD+含量降低导致衰老的机理在于NAD+含量降低直接引起DNA修复能力受阻。通过对老鼠使用NMN恢复NAD+水平，恢复了老龄老鼠的DNA修复酶活性。并且，使用NMN能降低电离辐射带来的DNA损伤。基于此研究发现，美国宇航局（NASA）希望将NMN用于保护宇航员免受宇宙辐射带来的身体损伤
• 2018年， 哈佛大学医学院David Sinclair团队通过给老龄老鼠（18月龄）喂食NMN 2个月，促进毛细血管密度增加，血流量增加和运动耐力增加，逆转了老龄老鼠的血管老化，服用NMN的老龄动物的耐力比未服用NMN的对照组高出60%以上。

可以看到，经过一代代科学家不懈的努力，NAD+的神秘面纱被层层掀开，它带给人们的惊喜也越来越多。特别是科学家发现随着衰老，人体内的NAD+水平逐渐下降，从而导致依赖NAD+的酶的活性下降，尤其是以分解NAD+作为信号反应的脱酰/乙酰酶家族sirtuins，俗称长寿蛋白家族。已经发现在一些群体中，长寿蛋白的表达水平与长寿和更低的患癌率正相关。这似乎在冥冥之中为科学家解密人类长寿提供了指引。长寿蛋白家族包含sirtuin 1-7 （SIRT 1-7），在全身都有分布，且通过多种不同信号通路影响人体健康的方方面面。但所有sirtuin的激活都依赖NAD+的含量，坏消息是当NAD+含量不足时，sirtuin活性也降低，因此通过sirtuin通路控制的人体的正常生理过程会受影响。好消息是科学家已经发现通过NAD+促进剂可以激活这些sirtuin的通路，从而为人体健康带来潜在的广泛而有益的作用。

NAD+促进剂通过NAD+信号通路对人体健康的潜在影响。

来源：Rajman L, et al. Therapeutic potential of NAD-boosting molecules: the in vivo evidence[J]. Cell metabolism, 2018, 27(3): 529-547.

那如何提高体内NAD+含量呢？按照我们常说的缺什么就补什么是行不通的。NAD+不能直接细胞吸收利用。为什么这么说呢，因为一方面是像NAD+这样大小的分子要想穿透细胞膜，一般需要细胞膜上特定蛋白或者通道的协助，而科学家目前为止还没有发现能直接转运NAD+跨越细胞膜的转运蛋白。另一方面是一些胞外酶如ADP-核糖环化酶CD38、ADP-核糖基转移酶ART，它们可以直接在细胞外分解NAD+，导致NAD+不能完整地通过细胞膜。

目前最有效的NAD+促进剂是NAD+的前体NMN（烟酰胺单核苷酸），NMN首先通过slc12a8蛋白转运进入细胞，然后经过NAD+的补救合成途径，NMN经过一步反应即转化为NAD+。并且小鼠实验证明，在口服NMN之后血液中NMN浓度在10分钟内快速提升，并在30分钟内逐渐提升体内的NAD+水平。

小鼠口服NMN之后，血浆中的NMN浓度变化和NAD+水平的变化。

来源：Mills K F, et al. Long-term administration of nicotinamide mononucleotide mitigates age-associated physiological decline in mice[J]. Cell metabolism, 2016, 24(6): 795-806

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