综述：NAD World 3.0: NMN转运体和eNAMPT在哺乳动物衰老和长寿控制中的重要性

　　

NAD 世界 3.0：烟酰胺单核苷酸转运体和细胞外烟酰胺磷酸核糖转移酶在哺乳动物衰老和寿命调控中的重要性

Shin-ichiro Imai
华盛顿大学医学院发育生物学系、医学系（联合）；日本东京生产性衰老研究所（IRPA）

在过去五年里，系统性烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）水平下降已被衰老研究领域视为衰老的关键驱动力。2009 年，最初版本的 NAD 世界概念被提出，它以 NAD?为核心，为哺乳动物衰老和寿命调控的系统调节网络提供了一个整合视角。2016 年，该概念被重新阐述为 NAD 世界 2.0，强调了下丘脑与包括脂肪组织和骨骼肌在内的外周组织之间的组织间通讯的重要性。人们对烟酰胺单核苷酸（NMN，一种关键的 NAD?中间体）和烟酰胺磷酸核糖转移酶（NAMPT），特别是细胞外烟酰胺磷酸核糖转移酶（eNAMPT）的重要性的理解取得了重大进展。鉴于这些令人振奋的进展，现在提出了进一步重新阐述的概念 ——NAD 世界 3.0，其特点是由 NMN 和 eNAMPT 介导的多层反馈回路，用于哺乳动物衰老和寿命的调控。

盲人摸象的寓言广为人知，常被用作比喻，警示人们知识和经验的局限性。在这个著名故事的结尾，有一位国王告诉盲人，他们触摸的实际上是一头巨大的动物。从根本上说，盲人对大象的描述都是正确的。然而，这个著名寓言中的真正挑战在于：如果没有国王说出真相，他们仅基于自己的观察，如何能了解大象的全貌呢？争论谁对谁错并没有太大帮助和建设性，因为在他们心中没有明确的真相。或许，最好的方法是假设每个人都是正确的，并尝试构建一个可能容纳所有观察结果的图像。在这种方法中，关键是找到一条共同线索，将大部分（如果不是全部）知识拼凑在一起。

在过去十年中，人们对衰老机制的理解有了显著进展。目前已经知晓了几个重要的信号通路和调节因子，包括胰岛素 / 胰岛素样生长因子 1（IGF-1）信号通路、雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路，以及依赖 NAD?的蛋白质去乙酰化酶 / 去酰基酶的 sirtuin 家族。新的细胞和分子过程，如细胞衰老、自噬和蛋白质稳态，已被发现在不同模式生物的衰老和寿命调节中发挥重要作用。尽管如此，就像上述比喻一样，人们仍然没有完全了解衰老究竟是什么，以及寿命究竟是如何决定的。遗憾的是，并没有强大的 “国王” 来告知真相。那么，寻找一条能让人们构建这头庞大而复杂的 “大象” 的有意义图像的共同线索，是否值得尝试呢？

2009 年，为了构建衰老和寿命调节的有意义图像，首次尝试引入了 “NAD 世界” 这一概念。NAD 世界是一个系统调节网络，它将哺乳动物的 NAD 代谢、生物节律以及衰老和寿命调控联系起来。在最初的 NAD 世界概念中，提出了两个驱动 NAD 世界的关键组件：哺乳动物中依赖 NAD 的蛋白质去乙酰化酶 SIRT1，以及关键的 NAD?生物合成酶 NAMPT（烟酰胺磷酸核糖转移酶）。NAMPT 在多个组织中产生 NAD 生成的昼夜节律振荡，而 SIRT1 则对 NAD 的可用性做出反应，并调节许多基本的细胞和生理过程，包括转录、DNA 修复、应激反应、代谢、昼夜节律和衰老。通过这些协调功能，SIRT1 和 NAMPT 控制着 NAD 世界的系统动态，并决定衰老过程，最终决定寿命。NAD 世界概念最重要的预测是，衰老的驱动力是系统性 NAD 水平的下降。在这个概念首次提出 15 年后，NAD 水平下降是衰老的关键驱动力这一观点，已被衰老研究领域接受为共识。此外，NAD 与其他衰老调节通路和关键细胞过程之间的功能联系，如今已成为一个密集研究的课题。

2016 年，基于该领域七年来的重大进展，NAD 世界概念被重新表述为 NAD 世界 2.0。在 NAD 世界 2.0 中，确定了三个关键组织：下丘脑作为衰老的控制中心，骨骼肌作为介质，脂肪组织作为调节因子。此前已有对 NAD 世界 2.0 细节的描述。在 NAD 世界 2.0 的几个预测中，最关键的是脂肪组织分泌的细胞外 NAMPT（eNAMPT），是哺乳动物衰老和寿命调控中下丘脑与脂肪组织之间关键的组织间通讯方式。一个相关预测是烟酰胺单核苷酸（NMN，一种关键的 NAD 中间体，也是 NAMPT 酶促反应的产物），在维持生物稳健性方面的重要性。有趣的是，到目前为止，这两个预测都已得到证实，为 NAD 世界 2.0 引入了新的关键要素。因此，在这篇综述文章中，华盛顿大学医学院发育生物学系、医学系（联合）以及日本东京生产性衰老研究所（IRPA）的研究人员，将讨论这两个关键要素 ——eNAMPT 和 NMN，并尝试以 NAD 为共同线索，将这些新知识拼凑在一起，形成 NAD 世界概念的进一步重新表述版本，即 NAD 世界 3.0。

系统性 NAD 下降是驱动衰老的共同线索

在过去十年中，大量证据表明，系统性 NAD 水平下降会导致与年龄相关的组织功能生理衰退，以及与年龄相关疾病的发病机制。许多优秀的综述文章已经总结了这些关键发现，支持系统性 NAD 下降是衰老关键驱动力这一观点。这种 NAD 下降似乎是由两个潜在的分子事件引起的：NAD 生物合成减少，以及 NAD 消耗增加。在体内准确测量 NAD 通量在技术上仍然极具挑战性。然而，最近一项研究通过注入四种氘标记的同位素烟酰胺，比较了年轻和年老小鼠的 NAD 通量，表明随着年龄增长，NAD?通量保持绝对稳定。尽管这项研究为 NAD 通量的系统性变化提供了关键见解，但许多其他细节，包括细胞和组织的异质性、系统性 NAD 生物合成以及潜在的反馈调节，仍有待阐明，以便评估准确的 NAD 通量。考虑到这些未来的挑战，应该强调的是，这两个分子事件似乎是同一枚硬币的两面，即慢性、低度炎症。

人体不断暴露于外源性病原体和有毒物质中。例如，全球经历了历史性的 COVID-19 大流行。这种新型冠状病毒，即严重急性呼吸综合征冠状病毒 2（SARS-CoV-2），常常引发一种称为细胞因子风暴的过度免疫反应，导致循环细胞因子水平升高，如白细胞介素 - 1β（IL-1β）、白细胞介素 - 6（IL-6）和肿瘤坏死因子（TNF），并引起全身炎症症状和多器官功能障碍，如果治疗不当最终会导致死亡。虽然这是一个极端案例，但还有许多其他现存的病毒和病原体，会在不同器官中引发各种各样的炎症反应。其他外源性刺激，如暴露于紫外线（UV）、过敏原和环境毒素，也会引起显著的炎症反应。此外，由代谢过程和某些细胞反应触发的内源性信号也会引发炎症反应。脂滴（一种对多种细胞应激做出反应的脂质储存细胞器）中过多的脂质积累，会促进炎症介质的分泌。事实上，在衰老大脑中发现的积累脂滴的小胶质细胞，表现出吞噬功能受损，以及促炎细胞因子（如 IL-1β、IL-6、TNF-α、CCL3 和 CXCL10）的过度释放。由于 SIRT3 通过激活 AMPK 促进脂滴分解，NAD、sirtuins 和脂滴形成之间的潜在联系，可能在炎症反应中发挥重要作用。针对每种刺激的这些炎症反应的不同机制，已经得到了广泛研究，慢性、低度炎症，对于与年龄相关的组织功能障碍和疾病发病机制的重要性，也已得到认识。

慢性、低度炎症，通常称为 “炎症衰老（inflammaging）”，由特定免疫细胞（如巨噬细胞、小胶质细胞和 T 淋巴细胞）的反复激活，以及衰老细胞的产生所诱导，这两者都会导致炎症细胞因子的分泌。例如，用脂多糖刺激的巨噬细胞会出现 NAD 耗竭和 Nampt 表达增加的情况。NAD 的耗竭是由活性氧诱导的 DNA 损伤，以及由此导致的聚（ADP - 核糖）聚合酶（PARP）激活引起的。另一方面，Nampt 表达的上调有助于维持 NAD 库，从而增强甘油醛 - 3 - 磷酸脱氢酶的活性，进而促进炎症巨噬细胞中的 Warburg 代谢。在 CD4?T 淋巴细胞中，线粒体转录因子 A（Tfam）的缺乏会导致线粒体功能障碍，以及细胞因子（如 IFN-γ 和 IL-1β）表达增加，重现了衰老 CD4 T 细胞的特征。事实上，Tfam 缺陷 T 细胞的小鼠重现了多种与衰老相关的组织功能障碍，循环细胞因子水平升高，而增加 NAD 水平可以部分挽救这种情况，这表明这些小鼠中 NAD 可用性的降低与之相关。那些具有线粒体功能障碍的炎症巨噬细胞和 CD4?T 细胞会分泌多种细胞因子，并刺激其他细胞类型。在原代肝细胞中，TNF-α 会降低 Nampt 的表达和细胞的 NAD 水平。在脂肪细胞中，炎症细胞因子会增加主要的 NAD 糖水解酶之一 CD38 的表达，并降低细胞的 NAD 水平。这种 NAD 下降还会降低依赖 NAD 的 sirtuin 活性，可能通过分别降低 SIRT1/6 活性和 SIRT2 活性，激活 NF-κB 功能和 NLRP3 炎性小体，进一步加速慢性炎症过程。

在衰老过程中，在多个组织中积累的衰老细胞，也会导致炎症衰老。衰老细胞表现出一种称为衰老相关分泌表型（SASP）的特征，即分泌包括促炎细胞因子在内的多种生物活性分子。有趣的是，长散在核元件（LINE-1/L1）逆转录转座子在细胞衰老过程中会去抑制，诱导 I 型干扰素（IFN-I）反应。拉米夫定（一种核苷逆转录酶抑制剂）可阻断细胞质 L1 DNA 的合成，减少 IFN-I 反应，并抑制后期的 SASP 反应（如 CCL2、IL-6 和 MMP3 的诱导），但对早期的 SASP 反应（如 IL-1β）没有抑制作用。事实上，用拉米夫定治疗老年小鼠，可抑制多个组织中的 IFN-I 反应和炎症衰老。L1 重新表达或错误表达的抑制，通常由另一个经过充分研究的哺乳动物 sirtuin 家族成员 SIRT6 介导。鉴于 SIRT6 的酶活性也需要 NAD，可想而知，组织 NAD 下降会加速 L1 转录本的重新表达或错误表达，形成一个向炎症衰老发展的负向螺旋。

所有这些细胞，包括巨噬细胞、小胶质细胞、T 淋巴细胞和衰老细胞，都会分泌促炎细胞因子，并被推测通过减少 NAD 生物合成或增加 NAD 消耗，触发 NAD 下降的级联反应。因此，系统性恢复 NAD?水平有望抑制炎症对组织功能的影响。事实上，两种主要的 NAD?增强剂 ——NMN 和烟酰胺核苷（NR），已被证明在多种病理生理条件下，能够抑制炎症反应。尽管如此，到目前为止，还没有报告表明 NAD 会作为一种广泛的免疫抑制剂发挥作用，这意味着存在一些反馈机制，使 NAD 水平和下游调节通路保持在生理稳态范围内。综上所述，由多种外在和内在因素引起的炎症衰老，会导致 NAD 下降的恶性循环，诱导多个组织中与年龄相关的功能衰退。因此，进一步研究这些细胞类型如何随时间导致炎症衰老，以及阐明炎症衰老引发的 NAD 下降，如何在系统水平上诱导与年龄相关的功能衰退，将具有重要意义。

NAD 下降驱动线粒体能量转变和细胞核全局表观遗传变化

随着年龄增长，组织 NAD 水平下降时，NAD/NADH 氧化还原状态可能会受到影响。例如，在人类大脑中，超高场（7T）体内 31P 磁共振波谱显示，在健康衰老过程中，NAD?/NADH 氧化还原状态逐渐显著下降，与 NAD 水平下降和 NADH 水平上升相关。在 20 岁至 87 岁人类血浆样本中，NAD 水平和 NAD/NADH 比值也有类似的报道。最近一项质谱研究还报告称，老年小鼠的大脑、骨骼肌和空肠中，NAD?/NADH 比值下降。这些变化表明，线粒体中的氧化磷酸化明显减慢，导致 ATP 生成减少。在人类衰老的骨骼肌中，也观察到体内线粒体氧化和磷酸化活性速率的类似降低，这很可能是胰岛素抵抗发病机制的一个因素。虽然由年龄相关的 NAD 下降驱动的 NAD?/NADH 氧化还原状态降低，会导致线粒体功能障碍，但有研究表明，一种更特殊的核 - 线粒体通讯，可能与年龄相关的线粒体功能障碍有关。有趣的是，氧化磷酸化（OXPHOS）系统的线粒体编码成分在衰老过程中显著减少，这是由核 NAD 水平和 SIRT1 活性的降低驱动的。SIRT1 通过缺氧诱导因子 1（HIF-1α）和 c-Myc 激活 TFAM（线粒体转录因子 A）启动子，来调节线粒体编码基因。通过 NMN 增加 NAD 水平，可以通过 SIRT1 - HIF-1α - c-Myc 途径，恢复线粒体编码的 OXPHOS 基因的表达。这种与年龄相关的线粒体编码 OXPHOS 基因的失调，似乎发生在骨骼肌和心脏中，但在肝脏、白色脂肪组织和大脑中没有出现。因此，这种特定核 - 线粒体通讯的重要性，可能具有组织依赖性。

与年龄相关的核 NAD?水平和 sirtuin 活性的降低，也会导致细胞核中的全局表观遗传变化。在老年小鼠大脑中，发现三分之二可被氧化应激抑制的 SIRT1 结合基因受到抑制。氧化应激通过将 SIRT1 招募到 DNA 损伤位点，导致其重新分布，并使其与染色质的结合短暂增加。在这种 DNA 损伤的情况下，聚（ADP - 核糖）聚合酶 - 1（PARP - 1）被激活，从而消耗核 NAD，导致 SIRT1 活性降低。因此，可以想象，核 NAD 水平的降低和 SIRT1 的重新分布这两个事件，是与年龄相关的全局基因表达变化的基础，尽管这些事件可能以组织 / 区域特异性和 / 或细胞类型特异性的方式发生。另一个哺乳动物 sirtuin 家族成员 SIRT6，也可能参与这种表观遗传变化。SIRT6 与染色质重塑剂 SNF2H 发生物理相互作用，两者都会被招募到 DNA 损伤位点。SIRT6 通过与 KRAB 相关蛋白 1（KAP1）、异染色质蛋白 1α 和甲基 CpG 结合蛋白 2（MeCP2）相互作用，在抑制 L1 逆转录转座子的表达方面也很重要。氧化应激和衰老分别在细胞和组织中诱导 L1 的表达，这在 Sirt6 基因敲除小鼠中得到了重现。有趣的是，这些发现为 25 年前由 Kitano 和本文研究人员提出的 “异染色质岛” 假说，提供了有力支持。在 “异染色质岛” 假说中，全局转录抑制结构（称为 “异染色质岛”）的动态重组，是细胞和机体衰老的驱动力。在该假说中，SIR2 家族蛋白被预测在重组 “异染色质岛”，并将其全局变化与衰老联系起来方面发挥关键作用。这种 sirtuins、表观遗传调控和衰老之间的预测联系，已在不同的实验模型中得到证实。尽管如此，目前仍不清楚由炎症衰老诱导的核 NAD?水平降低，以及由 DNA 损伤引起的 “异染色质岛” 重组，在功能上是相关的，还是独立驱动与年龄相关的病理生理过程的事件。最近有人提出，由 DNA 双链断裂诱导的表观遗传景观侵蚀，是哺乳动物衰老的一个原因。鉴于修复 DNA 双链断裂也会消耗核 NAD，可以想象，维持核 NAD 水平可以通过防止与年龄相关的表观遗传改变，来延缓衰老并延长寿命。在这方面，有趣的是有报道称，通过 NR 增强 NAD 水平，可延缓神经和黑素细胞干细胞的衰老，并且在老年时给予 NR，可使小鼠寿命适度延长（5%），而在年轻小鼠中开始给予 NR 时，未观察到寿命延长的效果。最近有研究报道，口服的 NR 在肠道中会降解为烟酰胺，显著增加循环中的烟酰胺水平，而在小鼠 12 个月大时开始给予烟酰胺，并不会延长寿命。鉴于高浓度的烟酰胺会抑制 sirtuin 活性，正面和负面影响（NAD 增加与烟酰胺增加）之间的平衡，可能会影响每种 NAD 增强干预措施的最终结果。另一种 NAD 中间体 NMN，口服时也会产生烟酰胺。虽然从未有过 NMN 和 NR 药代动力学的直接比较报道，但 NMN 的转运非常迅速，以分钟为单位，而下文将讨论，NR 的转运似乎要慢得多，很可能以小时为单位。这种动力学差异至关重要，因为口服的 NMN 在降解为烟酰胺之前，可以完整地被转运，而 NR 基本上会在肠道中被降解，转化为烟酰胺，然后再转化为烟酸。NMN 的这些特性，作为 NAD 世界 3.0 的一个新的重要补充，将在以下部分详细讨论。

Slc12a8，一种 NMN 转运体，是 NAD 世界的新成员

当 NAD 水平下降时，细胞会触发一种机制，试图维持 NAD 水平。正是基于此，华盛顿大学医学院发育生物学系、医学系（联合）以及日本东京生产性衰老研究所（IRPA）的研究人员发现了一种新型的 NMN 转运体 Slc12a8。在之前的研究中，研究人员认识到，在包括肝细胞、胰岛和神经干细胞在内的几种原代细胞中，使用强效 NAMPT 抑制剂 FK866 降低 NAD 水平时，与未处理的对照组相比，FK866 处理的细胞对 NMN 给药的反应往往更大，总是显示出更大程度的 NAD 恢复。因此，研究人员提出了一个假设，即细胞会上调一种假定分子的表达，该分子作为 NMN 转运体发挥作用。基于这个假设，研究人员寻找一种编码跨膜蛋白且经 FK866 处理后会上调表达的基因。令人惊讶的是，研究人员发现了