烟酰胺腺嘌呤二核苷酸在昼夜节律紊乱中的研究进展_刘帅.pdf

综述烟酰胺腺嘌呤二核苷酸在昼夜节律紊乱中的研究进展刘帅彭良玉许继岩夏天娇顾小萍DOI:1012089/jca202302014基金项目:国家自然科学基金(81730033)作者单位:210008南京医科大学鼓楼临床医学院(刘帅、顾小萍);南京大学医学院附属鼓楼医院麻醉科(彭良玉、许继岩);南京大学分子医学江苏重点实验室(夏天娇)通信作者:顾小萍，Email:xiaopinggu njueducn【摘要】昼夜节律紊乱在衰老、神经退行性病变、糖尿病和肿瘤的发生过程中起着重要的作用。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)的表达及合成 NAD+相关的关键酶具有明显的昼夜节律，昼夜节律受到 NAD+的调控，NAD+表达减少可导致昼夜节律明显紊乱。补充 NAD+的前体物质或者促进 NAD+生成在缓解昼夜节律紊乱的同时可以明显缓解衰老、神经退行性病变、糖尿病和肿瘤的发生。【关键词】烟酰胺腺嘌呤二核苷酸;聚腺苷二磷酸核糖聚合酶;昼夜节律esearch progress on nicotinamide adenine dinucleotide in the circadian rhythm disruptionLIUShuai，PENG Liangyu，XU Jiyan，XIA Tianjiao，GU Xiaoping Department of Anesthesiology，DrumTower Clinical Medical College of Nanjing Medical University，Nanjing 210008，ChinaCorresponding author:GU Xiaoping，Email:xiaopinggu njueducn【Abstract】Circadian rhythm disruption plays an important role in aging，neurodegeneration，diabetes and the development of tumors The expression of nicotinamide adenine dinucleotide(NAD+)andthe key enzymes related to the synthesis of NAD+have remarkable circadian rhythm，which in turn is regula-ted by NAD+Decreased NAD+expression can lead to significant circadian disruption Supplementing theprecursor of NAD+or promoting the generation of NAD+can significantly relieve aging，neurodegeneration，diabetes and the occurrence of tumors while alleviating circadian rhythm disorders【Key words】Nicotinamide adenine dinucleotide;Polyadenosine diphosphate-ribose polymerase;Circadian rhythm昼夜节律在生物体内普遍存在，这种进化上保守的计时机制能使生物体的内部过程与环境周期同步，确保机体能够适应外部环境。哺乳动物中昼夜节律由位于丘脑视交叉上核(suprachiasmatic nu-cleus，SCN)的主生物钟和遍布于全身各处的外周生物钟组成。在神经和激素的作用下，主生物钟使外周生物钟同步，共同维持各种脏器功能1。在分子水平，生物钟主要由节律性表达的核心钟基因Bmal1-Clock 和 Per-Cry 组成的转录翻译反馈环路控制，该反馈环路除驱动自身昼夜节律震荡外，还广泛调控机体的能量代谢、免疫反应、细胞增殖和分化以及恶性肿瘤的发生过程2。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adeninedinucleotide，NAD+)是 人 体 内 常 见 的 代 谢 物。NAD+合成的关键酶，如烟酰胺核糖苷激酶 1(nico-tinamide riboside kinase 1，Nmrk1)、烟酰胺磷酸核糖转 移 酶(nicotinamidephosphoribosetransferase，NAMPT)和 烟 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 激 酶(nicotinamide adenine dinucleotide kinase，NADK)的表达受钟基因的转录和调控，介导 NAD+表达的昼夜节律震荡34。NAD+通过表观遗传学机制调控钟基因的转录，将环境刺激产生的信号转导为对钟基因的调控3，5。NAD+产生减少或消耗过多，均会引起昼夜节律明显紊乱，在衰老、神经退行性疾病、糖尿病和肿瘤的发生发展中起着重要的作用610。本文就 NAD+在昼夜节律紊乱相关疾病的发生和发展中的作用及潜在的治疗价值作一综述。NAD+的生理作用机制NAD+的合成与排出NAD+的合成分为从头合成途径、PreissHandler 途径以及补救性合成途径。从头合成途径利用食物中摄取的色氨酸经过多级氧化反应生成喹啉酸，喹啉酸则经过喹啉酸磷酸核糖转移酶脱羧生成烟酸单核苷酸。PreissHandler途径在食物来源的烟酸磷酸核糖转移酶的作用下生成烟酸单核苷 酸。从 头 合 成 途 径 和 Preiss Handler 途径生成的烟酸单核苷酸在烟酰胺单核苷871临床麻醉学杂志 2023 年 2 月第 39 卷第 2 期J Clin Anesthesiol，February 2023，Vol39，No2酸腺苷转移酶的作用下转换为烟酸腺嘌呤二核苷酸(NAD)，NAD 再在 NAD 合成酶的作用下生成NAD+。但是，从头合成途径和 PreissHandler 途径生成的 NAD+只占体内 NAD+来源的小部分。而补救性合成途径通过循环利用 NAD+消耗后的产物合成体内 85%左右的 NAD+11。NAD+在去乙酰化酶(sirtuins，Sirts)、多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶类(polyADP-ribosepolymerases，PAPs)、CD38/CD157、Toll/白细胞介素受体结构域蛋白(sterilealpha and TI motif-containing protein 1，SAM1)等生物酶的作用下被裂解为烟酰胺(nicotinamide，NAM)，NAM 在 NAMPT 的作用下生成烟酰胺单核苷酸(nicotinamide mononucleotide，NMN)，NMN 通过烟酰胺单核苷酸腺苷转移酶进一步生成 NAD+，其中，NAMPT 是补救性合成途径生成 NAD+生成的限 速 酶2。此 外，烟 酰 胺 核 糖(nicotinamideriboside，N)也可在烟酰胺核糖激酶(nicotinamideriboside kinases，NKs)的作用下转变为 NMN，进而生成 NAD+。未循环利用的 NAM 则在烟酰胺 N 甲基转移酶(nicotinamide N-methyltransferase，NNMT)的作用下甲基化后再氧化，经尿液排出体外。在急性 NAM 增加的情况下，NAM 还可在细胞色素 p4502e1 氧化后经尿液排出体外12。NAD+的作用NAD+最早在 1906 年首次被发现可以提高酵母发酵速度。NAD+在糖酵解、三羧酸循环、脂肪酸氧化等过程中对氢转移起到至关重要的作用，是能量代谢中的一种不可或缺的辅酶2，13。此外，NAD+是 Sirts、PAPs、CD38/CD157 和 SAM1等多种重要生物酶的共同基质2。Sirts 是一类依赖于 NAD+的去乙酰化酶家族，广泛分布于细胞核(Sirt1、Sirt6 和 Sirt7)、细胞浆(Sirt2)和线粒体内(Sirt3、Sirt4 和 Sirt5)，并能够感知 NAD+水平的变化进而相应地调节自身活性，尤其是 Sirt1 和 Sirt3。当营养物质充足时，细胞依靠糖酵解产生能量，生成ATP 并将 NAD+转化为 NADH，低水平 NAD+导致Sirts 去乙酰化活性降低;而营养匮乏时，细胞核和细胞质中 NAD+水平增加，导致 Sirts 活性增加，进而去乙酰化下游转录因子过氧化物酶体增生物激活受体 共 激 活 因 子 1(peroxisome proliferator-activated gamma coactivator-1，PGC-1)，调节糖酵解过程。因此，尤其在禁食、衰老、运动和肥胖等代谢紊乱状态下，Sirts 通过 NAD+依赖的方式使其下游的代谢酶或者转录因子脱乙酰化，从而调节细胞内反应，适应能量状态的改变14。PAPs 则利用NAD+作为辅助因子来催化蛋白质、DNA 和 NA 等大分子靶点的可逆性 ADP核糖基化作用，这一作用参与了细胞在接收刺激后的多个重要生理过程，尤其在有效修复氧化应激引起的 DNA 损伤中。强烈的氧化应激可导致 PAPs 持续激活，使 NAD+过度消耗，导致细胞死亡15。CD38 消耗 NAD+产生钙释放的第二信使，例如二磷酸腺苷核糖、环二磷酸腺苷核糖等。免疫细胞上过度表达的 CD38 与衰老引起的 NAD+和 NMN 消耗过多以及免疫炎症相关16。NAD+还可以作为 DNA 连接和 NA 限制中的核苷酸类似物。通过这些作用，NAD+影响能量新陈代谢、DNA 修复、表观遗传修饰、炎症反应、生理节律和应激反应等过程2。NAD+与昼夜节律NAD+的生成受到昼夜节律的调控，钟基因的改变可以引起 NAD+的变化。首先，合成 NAD+相关的酶受到昼夜节律的调控。NAMPT 作为补救性合成途径的限速酶，Bmal1 和 Clock 能够结合 NAMPT 启动子区的 E-box，调节 NAMPT 的节律性表达3。补救合成途径的酶 Nmrk1 和 NADK 在肝脏中同样呈现昼夜节律性，表明补救途径可能呈现节律性，最终引起 NAD+的节律性表达4。在敲除钟基因后，NAD+的表达水平发生明显改变。例如，在成纤维细胞中敲除 Cry 可导致脂肪酸氧化和 NAD+水平增加，而敲除 Bmal1 则引起相反的结果17。作为消耗NAD+的重要生物酶，Sirts 的表达也受到昼夜节律的调控。在小鼠和人类肝细胞中，Per2 能够结合Bmal1-Clock 位点的 Sirt1 启动子，抑制 Sirt1 的转录18。线粒体内的 Sirt3 也受到钟基因的调控，在敲除肝脏 Bmal1 后，Sirt3 活性降低，氧化酶功能异常，补充 NAD+能逆转此过程17。在分子水平，Clock 和 Bmal1 组成的异二聚体白天结合到钟基因 Per 和 Cry 启动子区的 E-box，促进Per 和 Cry 的表达，后者在表达量逐渐增加后形成异二聚体结合到自身的 E-box，在夜间的时候抑制自身的表达。周而复始，形成了稳定的昼夜节律过程2。NAD+调节外周昼夜节律外周节律器官主要包括肝脏、脂肪、肾脏和骨骼肌等。外周组织中，进食禁食状态直接影响 NAD+与其还原态 NAD(P)H 的比例，导致 Bmal1 与染色质的结合能力改变，进而影响生物钟的同步19。此外，NAD+主要通过表观遗传学机制影响 Sirts 和 PAP1 的酶活性，971临床麻醉学杂志 2023 年 2 月第 39 卷第 2 期J Clin Anesthesiol，February 2023，Vol39，No2从而重新编程钟基因的表达。Clock 具有组蛋白乙酰化特性，诱导转录允许状态从而引起染色质重塑，参与基因转录，并且在Bmal1 和 Clock 形成异二聚体后，Clock 的组蛋白乙酰化能力增强20。Sirt1 作为 NAD+的依赖性脱乙酰化酶，参与调节 Bmal1 的乙酰化，抑制 Bmal1 的表达。Nakahata 等5 通过敲除肝脏以及 MEF 细胞Sirt1，发现 Bmal1 的乙酰化水平增加。因此，Sirt1 可能和 Clock 共同作用于组蛋白和 Bmal1，调节基因转录激活和抑制状态。在老年小鼠中，肝脏 NAD+的表达量明显减少，导致昼夜节律震荡明显下降，而补充 NAD+前体物质 N 能够通过 Sirt1 介导 Per2脱乙酰化增强，引起 Per2 和 Cry 的核内分布改变，并增加 Bmal1 的染色质结合从而改善老年引起的节律基因震荡水平和夜间活动的下降6。Asher 等21 研究表明，在肝脏中 Sirt1 直接去乙酰化 Per2 而非Bmal1，促进 Per2 降解，进而激活 Bmal1-Clock 的转录，增加下游钟基因的转录水平。Foteinou 等22 利用计算机建造昼夜节律模型，研究结果与 Asher等21 一致，Sirt1 去乙酰化 PGC-1，正向调节 Bmal1表达。NAD+作为重要的辅酶可以增加 Sirt1 的去乙酰化作用，激活 Bmal1-Clock 转录作用，稳定昼夜节律。不同于 Sirt1，Sirt6 直接作用于 Bmal1-Clock，影响染色质募集23。此外，Sirt6 也可以直接去乙酰化Per2，调节 Per2 的表达水平24。PAP1 是一种 NAD+依赖性 ADP 糖基转移酶，是 NAD+通过表观遗传学机制影响昼夜节律性震荡的另外一个关键蛋白。PAP1 可以通过直接影响钟基因的翻译和消耗 NAD+进而抑制 Sirt1 活性来间接影响钟基因表达。PAP1 在白天结合 Clock 蛋白并使其发生糖基化。PAP1 的缺失可增强 Bmal1-Clock 二聚体和 DNA 的结合，导致 Bmal1-Clock 和Per-Cry 互作时间的相位偏移25。Luna 等26 研究通过人工智能模型预测提出在 DNA 损伤时，PAP1大量激活可能通过消耗大量的 NAD+而导致 Sirt1 活性下降，引起昼夜节律的相位发生前移。Zada等27 研究表明，DNA 损伤导致 PAP1 大量激活，导致斑马鱼和小鼠提前进入睡眠状态以修复损伤的神经元。NAD+调节中枢昼夜节律SCN 是中枢系统掌控昼夜节律的关键部位，但在衰老和神经退变等病理状态下，SCN 同步行为节律的能力下降。NAD+依赖性去乙酰化酶 Sirt1 敲除后，表现出老年鼠样行为节律失调，并且过表达 Sirt1 能够逆转老年小鼠的行为节律失调，Sirt1 协同 PGC-1 结合于 Bmal1 的O-结合区，共同促进 Bmal1-Clock 转录激活，最终逆转衰老引起的 SCN 区钟基因下调28。Wang等18 研究表明，Sirt1 敲除后，小鼠寿命缩短，大脑内细胞衰老加速以及 DNA 损伤水平增加，这可能和Sirt1 敲除后 Per2 启动子区 H4K16 乙酰化水平增加有关。NAD+与昼夜节律紊乱相关疾病NAD+既可以作为能量代谢产物，又可以调节钟基因表达，可能在未来防治昼夜节律紊乱合并代谢失调相关疾病中扮演重要角色。衰老昼夜节律震荡的减弱是衰老的标志之一，衰老者常常出现入睡早以及清醒时间提前、睡眠碎片化、总睡眠时间减少等现象。衰老导致NAD+的表达水平下降，NAD+表达减少可能通过抑制 Sirt1 和 Sirt6 的去乙酰化活性，影响生物钟基因昼夜节律震荡6，24。补充 NAD+前体 N 可明显增加老年小鼠 Bmal1 与染色质的结合能力，促使线粒体呼吸节律和转录震荡恢复到年轻水平以抵抗衰老6。Yoshida 等29 研究过表达脂肪组织 NAMPT，明显上调 NAD+的表达，逆转由衰老引起的睡眠碎片化以及活动能力下降。2 型糖尿病昼夜节律紊乱在 2 型糖尿病的发生和发展过程中起着重要的作用。钟基因多态性和 2 型糖尿病的易感性相关30。在动物研究中，通过肝脏过表达 Cry1，可以抑制 cAMP 介导的 CEB磷酸化，阻断空腹糖异生基因的表达，导致糖尿病小鼠胰岛素敏感性增加以及血糖降低31。给衰老以及高脂饮食诱导的糖尿病小鼠补充 NMN(NAD+前体)可明显改善昼夜节律相关基因的表达，缓解氧化应激，增加胰岛素敏感性9。阿尔兹海默病阿尔兹海默病以 A 沉积和 蛋白磷酸化为主要病理特征。临床前期的阿尔兹海默病患者即可出现睡眠障碍，并且随着疾病的发展，睡眠障碍越发严重。阿尔兹海默病发生发展过程中 Bmal1 异常甲基化以及 A 导致的 Bmal1 降解可能是导致昼夜节律紊乱的原因，而神经退变引起的睡眠和代谢变化又加重阿尔兹海默病病程7。阿尔兹海默病模型鼠 SCN 区 Sirt1 节律紊乱，补充NAD+能 够 恢 复 SCN 区 Sirt1 节 律 和 粗 大 运 动节律32。肿瘤生物钟参与调节肿瘤发生，Per2 的正常震荡能抑制肿瘤细胞的发展，而 Per2 敲除后，肿瘤081临床麻醉学杂志 2023 年 2 月第 39 卷第 2 期J Clin Anesthesiol，February 2023，Vol39，No2增殖和侵袭能力增强8，33。时差导致的昼夜节律破坏加速乳腺癌的进展，通过给予甲基硒代半胱氨酸介导 NAD+/Sirt1 通路调节钟基因的表达，可以逆转早期肿瘤发生的钟基因紊乱，达到药物化学预防疗效8。钟基因在肿瘤的生长和分化过程中同样起着重要作用。乙酰辅酶 A 合成酶 2 是 Sirt1 介导的节律性表达蛋白34，在低氧和无脂肪的环境下，为肿瘤细胞提供乙酸依赖的乙酰辅酶 A 用于脂肪合成和组蛋白的乙酰化35，提示耗竭 NAD+而不是补充 NAD+可能会促进肿瘤的凋亡。白血病细胞系的研究34 表明，耗竭 NAD+可以有效促进瘤细胞的凋亡。因此，NAD+的增加或减少可能都会影响肿瘤的发生，这或许和干预肿瘤时机有关:预防阶段，补充NAD+以维持稳健的昼夜节律可以降低肿瘤的易感性;而在抗癌阶段，抑制 NAD+合成可去除肿瘤细胞增殖所需的物质。小结NAD+作为体内主要的代谢产物，在体内呈现节律性表达，NAD+主要作用于 Sirts 去乙酰化以及PAPs 多聚腺苷酸二磷酸糖基化钟基因，影响结合DNA 的能力，进而调节昼夜节律。但是，在衰老、糖尿病、神经退行性疾病和肿瘤等病理状态下，NAD+水平发生改变，引起钟基因失调，并常伴随代谢失调。NAD+作为能量代谢和昼夜节律的调控点，靶向干预 NAD+可能是未来防治昼夜节律紊乱相关疾病的重要方向。参考文献 1Mohawk JA，Green CB，Takahashi JS Central and peripheralcircadian clocks in mammals Annu ev Neurosci，2012，35:445-462 2Xie N，Zhang L，Gao W，et al NAD+metabolism:pathophysio-logic mechanisms and therapeutic potential Signal Transduct Tar-get Ther，2020，5(1):227 3Nakahata Y，Sahar S，Astarita G，et al 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