新发现：秀丽隐杆线虫从头合成 NAD+途径或 “失效”，其生命活动依赖补救合成途径

《Communications Biology》：De novo NAD+ synthesis is ineffective for NAD+ supply in axenically cultured Caenorhabditis elegans

为探究秀丽隐杆线虫（C. elegans）NAD+合成途径的有效性，研究人员利用化学限定培养基开展研究。结果表明，NAD+补救合成途径缺失会致线虫发育和繁殖缺陷，而从头合成途径无法补充 NAD+。该研究为理解 NAD+代谢提供新视角。

　　在生命的微观世界里，有一种微小的生物 —— 秀丽隐杆线虫（C. elegans），它虽然体长仅 1 毫米左右，却在生命科学研究中有着举足轻重的地位。随着人们对健康和衰老的关注度不断提高，NAD⁺（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）作为参与众多生物过程的关键分子，逐渐成为研究热点。在哺乳动物中，NAD⁺的合成有从头合成途径和补救合成途径，两条途径相辅相成，为细胞提供充足的 NAD⁺。但秀丽隐杆线虫的情况却有些特殊，它缺乏经典的从头合成 NAD⁺的关键酶 —— 喹啉酸磷酸核糖转移酶（QPRTase）。不过，此前有研究提出，秀丽隐杆线虫的尿苷单磷酸合成酶（UMPS）或许能替代 QPRTase 维持从头合成 NAD⁺，可这一说法尚未得到充分验证。由于以往研究大多是在给线虫喂食细菌的条件下进行，细菌复杂的成分和代谢会干扰对 NAD⁺合成途径的精确评估，因此，对于秀丽隐杆线虫 NAD⁺合成途径的真实情况，科研人员急需更清晰的认识。

为了解开这些谜团，西湖大学浙江省生长调控与转化研究重点实验室等机构的研究人员开展了相关研究，研究成果发表在《Communications Biology》上。这项研究对深入理解 NAD⁺在秀丽隐杆线虫中的代谢机制，以及其与生命活动的关系有着重要意义，也为后续在衰老、代谢等相关领域的研究提供了关键线索。

研究人员为开展研究，主要用到了以下几种关键技术方法：一是采用化学限定培养基（CeHR medium）进行线虫的无菌培养，该培养基能减少食物输入的复杂性，为研究提供可控条件；二是运用定量逆转录聚合酶链式反应（qRT-PCR）检测相关基因的表达水平；三是借助液相色谱 - 串联质谱（LC-MS/MS）技术测定 NAD⁺以及相关代谢物的含量。

下面来看具体的研究结果：

1. NAD⁺补救合成途径对秀丽隐杆线虫繁殖至关重要：研究人员从完整的 CeHR 培养基中去除 NAD⁺补救合成的两种前体（烟酰胺（NAM）和烟酸（NA），统称维生素 B3），观察线虫的发育和繁殖情况。结果发现，缺乏维生素 B3 的培养基会导致线虫发育严重延迟，繁殖力显著下降。通过 DAPI 染色发现，这是因为胚胎畸形（细胞核聚集）导致的。同时，在缺乏维生素 B3 的培养基中添加三种 NAD⁺补救合成前体（包括原本不在 CeHR 培养基配方中的烟酰胺核糖（NR）），能以剂量依赖的方式逆转线虫种群数量的减少。此外，pnc-1 突变体（其从 NAM 到 NA 的补救合成途径受损）在以 NAM 为唯一 NAD⁺补救前体的培养基中，繁殖力也大幅下降。这些结果表明，NAD⁺通过补救合成途径的供应对秀丽隐杆线虫的发育和繁殖起着至关重要的作用。
2. 从头合成 NAD⁺途径无助于秀丽隐杆线虫的 NAD⁺供应：色氨酸是从头合成 NAD⁺途径的主要前体。在实验中，即使培养基中含有色氨酸，去除维生素 B3 后，线虫的种群数量并未受到影响。进一步增加色氨酸浓度，线虫的繁殖力和 NAD⁺水平仍无法恢复。研究人员还测试了犬尿氨酸途径的其他中间产物，如犬尿氨酸（KYN）、3 - 羟基邻氨基苯甲酸（3-HAA）和纯化的喹啉酸（QA），发现它们不仅不能恢复缺乏维生素 B3 的线虫的繁殖力，反而降低了在完整培养基中线虫的繁殖力，也无法恢复线虫的发育和 NAD⁺水平。值得注意的是，研究人员最初发现使用市售 QA 产品能显著挽救 NAD⁺缺乏相关的缺陷，但深入研究后发现，这是因为市售 QA 产品中含有大量 NA 杂质，去除杂质后的纯化 QA 则无法起到挽救作用。这一系列结果充分说明，从头合成 NAD⁺途径在秀丽隐杆线虫中无法有效供应 NAD⁺。
3. UMPS-1 缺失不影响 NAD⁺调节的繁殖和 NAD⁺水平：之前有研究表明，UMPS-1 可能参与秀丽隐杆线虫的从头合成 NAD⁺过程。但在本次研究中，umps-1 突变体在完整培养基和缺乏维生素 B3 的培养基中均表现出严重的发育缺陷，添加尿苷可有效挽救其发育缺陷，而添加维生素 B3 则无效。umps-1 突变体的繁殖力显著下降，且补充维生素 B3 也无法缓解这一现象。同时，umps-1 突变体的 NAD⁺水平与野生型相比并未降低。这些结果表明，umps-1 突变体繁殖力下降并非由于 NAD⁺缺乏，而是可能与 UMPS-1 上游代谢物乳清酸的积累有关，这进一步证明了 UMPS-1 在秀丽隐杆线虫的 NAD⁺供应中不起作用，再次印证了从头合成 NAD⁺途径的无效性。

综合上述研究，研究人员得出结论：在秀丽隐杆线虫中，从头合成 NAD⁺途径对于 NAD⁺的供应是无效的，UMPS-1 也不会显著影响 NAD⁺的体内平衡。这一发现为研究 NAD⁺代谢和秀丽隐杆线虫生理学提供了重要的见解。从进化角度来看，秀丽隐杆线虫失去 QPRTase 可能与其主要食物来源细菌富含 NAD⁺补救前体有关，这些前体足以维持线虫的生理活动。此外，研究还强调了化合物杂质对实验结果的影响，提醒科研人员在研究中需谨慎考虑杂质问题，尤其是在高浓度使用化合物时。这一研究成果不仅加深了人们对秀丽隐杆线虫 NAD⁺代谢的理解，也为未来研究以调节 NAD⁺水平为目标的相关课题提供了重要参考，促使科研人员在后续研究中更加关注实验条件的精准控制和实验结果的准确性。