What is NMN?

NMNβ-烟酰胺单核苷酸(β-Nicotinamide Mononucleotide)的缩写,是一种在所有生命体中广泛存在的分子。从分子性质来看,NMN属于核苷酸的一种,核苷酸也是遗传物质DNARNA的基本组成结构。从结构来看,NMN是也属于烟酰胺的衍生物,在烟酰胺结构上多了一个核糖和磷酸结构(如图1)。NMNNAD+Nicotinamide Adenine Dinucleotide)最直接的前体,可以直接提升细胞内的NAD+水平。

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1 NMN结构式

NAD+是什么?

NAD+是所有细胞基础生命活动所必须的辅酶。所谓辅酶,是一类有机辅助因子的总称,是酶催化氧化还原反应、基团转移和异构反应的必须因子。它们在酶催化反应中承担传递电子、原子或基团的功能。辅酶也可以被视为第二底物。

NAD+的功能是什么?

NAD+参与的细胞新陈代谢反应多达上千种,影响多种生理功能。最重要的几条下游信号通路是:

• 参与DNA修复过程。DNA修复酶PARP的唯一底物,有效修复DNA损伤,降低细胞突变概率

• 激活Sirtuins蛋白通路Sirtuins蛋白家族调节细胞衰老、寿命和线粒体再生,被称为长寿蛋白

• 参与能量中枢反应,加速物质代谢。细胞物质代谢过程三羧酸循环的重要底物,三羧酸循环提供了人体日常生理活动>95%的能量,是人体的能量中枢

国际研究衰老机制的顶级专家,哈佛大学医学院的教授Dr. David Sinclair总结NAD+的功能……随着人体衰老,体内NAD+含量逐渐减少,导致Sirtuins通路活性下降。这个过程目前被认为是衰老后更加容易生病的主要原因……”。

NMNNAD+的最直接的前体。NMN腺苷转移酶(NMN adenylyl-transferase)会在NMN分子上加一个核苷酸基团,生成NAD+

 

NAD+作为辅酶的功能

NAD+Sirtuins蛋白和DNA修复酶PARP的辅酶。NAD+同时是新陈代谢过程的重要反应底物,比如糖酵解过程、三羧酸循环(TCA Cycle)、电子传递链等等。

在上述过程中,NAD+作为一个配体与酶结合,然后作为一个电子载体不停接收和提供电子,这个功能让NAD+成为一个至关重要的效应器:它与蛋白质结合并且影响蛋白质的生理活性。也正是通过这个方式,NAD+可以增强或抑制酶活性、特定基因和表达和细胞信号通路。

NAD+如何帮助机体控制DNA损伤?

随着有机体的衰老,由于环境因素(辐射、污染等)影响而导致的DNA损伤会逐渐积累,例如不精准的DNA复制。根据目前主流的衰老机制理论,细胞层面DNA损伤的积累是导致衰老的主要原因。几乎所有的细胞类型都进化出了特定的DNA损伤修复机制来修复此类损伤,这种机制的运转需要消耗NAD+和能量,因此过度的DNA损伤会消耗大量的细胞生理活动资源。

DNA损伤修复的分子机制中有一个重要的酶,叫做PARP(多聚二磷酸腺苷核糖聚合酶,Poly (ADP-ribose) polymerase),PARP的生理活性需要依赖NAD+分子来完成。衰老的机体内NAD+含量下降7,一个重要的原因就是累积的DNA损伤需要大量PARP来修复,而PARP起作用消耗NAD+,导致NAD+含量降低。线粒体中发生的任何DNA损伤都会加剧NAD+的减少。

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2 PARP是修复DNA损伤的关键反应物

 

NAD+如何影响Sirtuins(长寿蛋白)的活性?

NAD+是激活Sirtuins活性必不可少的分子。Sirtuins是一个蛋白酶家族的统称,需要利用NAD+分子去除蛋白分子上的乙酰基以发挥活性。Sirtuins蛋白参与广泛的生理活动,包括细胞应激反应、细胞损伤修复反应和胰岛素的分泌等。Sirtuins同时被发现参与调控机体衰老过程,包括神经退行性疾病和糖尿病。Sirtuins的生理活性高低取决于体内NAD+的含量。

Sirtuins蛋白家族中的很多蛋白,被发现会参与II型糖尿病的疾病通路的调节。也就是说,Sirtuins可以调节胰岛素敏感性和胰岛素分泌11。这也就是为什么NAD+决定了血糖的吸收速度(即葡萄糖耐量)和胰岛素的分泌调节。NMN(作为NAD+最直接的前体)在糖尿病小鼠模型的葡萄糖耐量和胰岛素分泌功能上有非常广阔的治疗应用前景。

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3 NAD+Sirtuins共同作用延缓衰老

 

近年来的神经生物学研究发现,Sirtuins蛋白在神经系统疾病(例如阿茨海默症)中发挥重要作用4。另外有研究表明,Sirtuins的活性上升在多发性硬化的小鼠疾病模型中对神经元有保护作用6

NAD+如何影响新陈代谢过程?NAD+如何参与细胞呼吸过程?

如果没有NAD+分子,人体的新陈代谢过程会放缓,同时有毒的副产物在体内积累。细胞新陈代谢过程可以分解为3步:糖酵解、三羧酸循环(又称为TCA Cycle, 或者Krebs循环)、电子传递链。这3个步骤都有NAD+的参与。研究发现治疗中低浓度的NAD+补充可以缓解线粒体的失能2

 

我们为什么应该关注NAD+

自从NAD+1906年被首次发现以来,就一直是学术界的研究热点。NAD+在人体内广泛存在,且参与如此多关键的基础生理反应。在动物实验中,提高动物体内NAD+水平在代谢组学和衰老相关疾病的研究中都有非常令人振奋的结果,表明NAD+分子与衰老机制的调节是密切相关的衰老相关疾病如糖尿病心血管疾病神经退行性疾病和免疫系统的各类疾病都可能与NAD+在体内含量降低相关

NAD+对抵抗COVID-19有效吗

2020年新冠疫情全世界肆虐全球数以亿计的人生活受到影响几十万人因此死亡全世界的科学家都在夜以继日地工作希望找到安全有效的治疗方法。老年病学专家希望从细胞衰老机制的角度来攻克这个难题。

统计数据表明COVID-19在老年人群中的感染率和致死率都远高于年轻人。超过80岁的感染COVID-19的病人中13.4%会死亡;而50左右的病人只有1.25%死亡20岁左右的病人这个比例只有0.06%。牛津大学最近跟踪研究了1740万英国人的COVID-19接触及感染情况发现年龄是与COVID-19最直接相关的风险因素。其他相关风险因素还包括性别、糖尿病患病史和哮喘病史等。

考虑到COVID-19对老年人伤害更大的特质,一些老年病学家认为治疗“衰老”可能是保护老年人免受COVID-19和其他传染病感染的长期解决方案。尽管还需要做更多的研究,但最近的一项研究将NAD+补充剂,如NMNNR,列为潜在的治疗方法之一。一些研究人员还推测,老年人可能受益于NAD+的长寿效应,并防止“细胞因子风暴”(指机体感染微生物后引起体液中多种细胞因子如TNF-α、IL-1等迅速大量产生的现象,是引起急性呼吸窘迫综合征和多脏器衰竭的重要原因)的免疫应答过度激活,一旦这类免疫反应被激活,将对人体自身细胞产生致命伤害。

最新一项研究表明,细胞免疫应答对抗COVID-19的过程中会消耗大量NAD+,影响细胞其他的基础生理功能,削弱身体机能。NAD+对病毒的先天免疫防御至关重要。目前有多个课题组正在评估将NAD+补充剂作为对抗疫情的一项常规措施的可能性。

当科学家们在实验室里争分夺秒地寻找治疗COVID-19的方法的同时,前线的医生们已经开始尝试一些创新治疗方法。作为治疗病人的最后手段,美国Cedars Sinai Medical CenterDr.Robert Huizenga给病人尝试了NMN鸡尾酒疗法”,其中还含有锌等促进剂,以平息COVID-19引发的“细胞因子风暴”。“NMN鸡尾酒疗法”在12小时内降低了患者的发热和炎症水平。

在目前全球疫情持续恶化的情况下,NMN因其在维持免疫系统平衡方面的作用而受到越来越多的关注,这是治疗COVID-19引起的免疫系统“细胞因子风暴”的一种可能方法。随着初步研究显示出一些积极的结果,许多研究人员和医生都认为NAD+补充剂对COVID-19的治疗作用是非常值得深入研究的。

抗衰老

NAD+激活Sirtuins蛋白通路,进而帮助维持基因组完整性和DNA损伤修复。动物实验结果表明,提高体内NAD+水平可激活Sirtuins蛋白通路,延长酵母、线虫和小鼠的寿命。目前抗衰老研究都集中在动物模型上,研究人员仍在评估其在人体中是否有相同的功效。

代谢相关疾病

NAD+是维持细胞线粒体功能和稳定能量输出的关键分子。衰老和高脂肪饮食会降低体内NAD+的水平。研究表明补充NAD+可以减轻小鼠由于饮食和年龄增大而导致的体重增加,并提高其运动表现。另外有研究表明,补充NAD+甚至逆转了雌性小鼠的糖尿病反应,为我们提供了一条对抗代谢紊乱性疾病(如过度肥胖等)的新思路。

心血管功能

提高体内NAD+的水平可以保护心脏并且改善心脏功能。高血压会导致心脏增大、心肌增厚和动脉阻塞,进而可能导致中风。在小鼠动物模型中,NAD+补充剂提高了心脏中NAD+水平,并可以预防血液流动不足对心脏造成的伤害。另外有研究表明NAD+补充剂可以保护小鼠不受异常心脏增大的影响。

神经退行性疾病

在阿茨海默症小鼠模型中,提高NAD+水平可以减少Aβ蛋白的累积(Aβ会扰乱大脑中神经元之间的信号传递),从而提高认知功能。提高NAD+水平还可以保护神经元在脑部供血量不足时免于死亡。动物模型的研究结果在保护大脑健康、预防神经退行性疾病和改善记忆力等方面提供了新的前景。

免疫系统

随着年龄的增长,人体免疫系统功能逐渐衰退。具体表现为更容易生病、更难从季节性流感、甚至COVID-19等疾病中恢复健康。最新的研究表明,NAD+水平在免疫应答和衰老过程中对炎症和细胞存活起着重要的调节作用。NAD+在免疫功能障碍的治疗上具有巨大潜力。

 

NMN体内的合成路径

NMN是以维生素B3为前体合成的。在NAMPT(烟酰胺磷酸核糖转移酶,Nicotinamide Phosphoribosyl Transferase)的作用下,一个烟酰胺分子(即维生素B3分子)与一个磷酸糖分子(PRPP5’-phosphoribosyl-1-pyrophosphate)结合

NMN体内合成的另一条通路是NR(烟酰胺核糖,Nicotinamide Riboside)为前体,加一个磷酸基团,即可得到NMN

NAMPT是体内合成NAD+的关键限速酶。也就是说,体内NAMPT的含量低,NMN的合成就会减少,导致NAD+的含量降低。外源性补充前体分子,如NMN,可以加速NAD+的合成。

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4 NMN在体内一步反应转化为NAD+

 

提高体内NAD+含量的方法

节食或者降低卡路里摄入可以有效增加体内NAD+含量并且提升Sirtuins的活性限制卡路里摄入在小鼠模型中被发现可以延长寿命因为NAD+含量的上升和Sirtuins的活性提升延缓了衰老过程尽管NAD+广泛存在于我们日常摄入的食物中但是其中含量太低不足以影响胞内NAD+浓度而外源性补充摄入NMN被证明可以有效提升体内NAD+浓度

NMN作为NAD+的补充剂

细胞内NAD+的浓度会随着年龄增长而逐渐降低因为细胞的生理活动会不断消耗NAD+机体为了维持NAD+浓度会不断补充和消耗NAD+前体分子例如NMNNR研究表明补充NMNNR都可以有效提升体内NAD+浓度8

Dr. David Sinclair是哈佛大学医学院研究NAD+功能的专家他认为“有机体直接摄取NAD+并不是一个最佳选择。因为NAD+分子太大,不能穿过细胞膜因此很难被胞内的新陈代谢过程直接利用。而NAD+前体分子因为分子量小,可以有效地提升NAD+生物利用度。”也就是说,NAD+因为难以被吸收,因此并不是理想的直接补充剂。而NAD+前体分子由于其生物利用度,所以是更加有效的补充剂。

NMN是如何被吸收并在体内分布的

在小鼠模型中发现,消化道中存在大量的NMN转运体,可以很轻易地实现NMN分子被吸收进入血液。NMNNAD+是更好的外源性补充剂,是因为NMN分子比NAD+小得多。细胞膜的磷脂双分子结构使得其中有一个疏水性空间,使得离子、极性分子和大分子在没有特定转运体的情况下难以跨膜进入细胞内,因此NAD+分子无法进入细胞内。而NMN分子有特定的转运体,可以实现跨膜运输。

研究发现NMN特定转运体的存在可以使得NMN分子在胞内快速合成NAD+10。在小鼠模型直接注射NMN,会使得多个器官的NAD+浓度上升,包括胰腺、脂肪组织、心脏、谷科技、肾脏、睾丸、眼睛和血管等。小鼠口服NMN 15分钟后肝脏NAD+浓度上升9

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5 NMN快速转化为NAD+

 

 

NMN的安全性和副作用

NMN在体外模型和动物模型中都被证明是安全的,其结果是如此有说服力,所以人体实验已经开始开展了。NMN被普遍认为是安全无毒的,在动物和人体实验中的大剂量口服实验数据也证明了这一点。在小鼠模型中,长时间(1年)的口服实验被证明没有任何毒性作用10。人体实验也证明单剂量口服NMN没有毒性。

201911月发表的一篇针对日本健康男性实验中被试者在口服NMN12小时内血液中的胆红素水平上升但是仍然在正常范围内。未来的人体安全性实验会关注长时间摄入NMN的安全性。

目前没有任何已知的证据表明摄入NMN对人体有副作用。

 

结论

NAD+是细胞新陈代谢过程中重要的辅酶。随着人体的衰老,细胞内NAD+浓度逐渐下降。NAD+浓度下降与衰老机制相关,而且可能阻碍机体的胰岛素敏感性、神经保护功能、基因组保护功能、能量代谢过程和应激抵抗性。研究显示相关前体分子,如NMN,的摄入可以在特定条件下改善NAD+降低的情况。

 

 

参考文献

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