1、NMN是什麼?
NMN全名nicotinamide mononucleotide,即煙酰胺單核苷酸,是一種自然存在的生物活性核苷酸,NMN有2種不規則存在形式,α和β;β異構體是NMN的活性形式,分子量為334.221 g/mol。
因煙酰胺屬於維生素B3,因此NMN屬於維生素B族衍生物範疇,其廣泛參與人體多項生化反應,與免疫、代謝息息相關。
2、NMN的來源有哪些?
NMN在日常食物中分佈較廣,蔬菜如花椰菜(0.25–1.12mg NMN/100gm)和大白菜(0.0–0.90 mg NMN/100 gm),水果如鱷梨(0.36–1.60 mg NMN/100 gm)、西紅柿(0.26–0.30 mg NMN/100 gm),肉類如生牛肉(0.06–0.42 mg NMN/100 gm)都含有豐富的NMN。
NMN也可以經內源性物質合成:1分子煙酰胺和1分子5-磷酸核糖基-1-焦磷酸(PRPP)在煙酰胺磷酸核糖轉移酶(NAMPT或NAMPRT)催化作用下生成1分子NMN和1分子焦磷酸(PPi)。 除煙酰胺可生成NMN,1分子煙酰胺核苷(NR)在煙酰胺核苷激酶(NRK)催化下磷酸化生成1分子NMN。
3、NMN有什麼作用?
NMN是NAD+的前體,其功能也主要通過NAD+體現,因此首先要解釋一下NAD+:
NAD+又名輔酶I,全稱煙酰胺腺嘌呤雙核苷酸,它廣泛分佈在人體的所有細胞內,參與上千種生物催化反應,是人體內必不可少的輔酶。
NAD+具體參與的反應主要有以下幾種:生長、DNA修復(PARPs介導)、SIRTs蛋白、NADP(H)合成。
(1) NADP(H)途徑:
NADP(H)的代謝比起NAD(H)有延遲,這不意味著NADP(H)轉化速率更慢,而代表著NADP(H)是NAD(H)的下游反應,因為兩種反應間有非常穩定的"時差"。
NADP(H)池的大小僅為NAD(H)池的1/20,NAD+被NAD激酶消耗的比例,在正常情況下佔總NAD+的10%左右,12pmol/百萬細胞/小時,而NAD+的總消耗大約118pmol/百萬細胞/小時。
(2)PARPs途徑:
在正常狀態下PARPs大約消耗1/3的NAD+,當DNA受損需要修復時,PARPs的消耗會佔到更大的、主導的地位。
(3)SIRTs途徑:
SIRTs在正常狀態下大約消耗1/3的NAD+,約32pmol/百萬細胞/小時,佔比和PARPs類似。
隨著年齡增加,NMN和NAD+水平均呈下降趨勢,而NAD+代謝產物NAM呈上升趨勢。
衰老過程中NAD+的下降被認為是導致疾病和殘疾的主要原因,如聽力和視力喪失,認知和運動功能障礙,免疫缺陷,自身免疫炎症反應失調導致的關節炎、代謝障礙和心血管疾病。
因此,補充NMN提高了體內NAD+含量,從而延緩、改善、防止衰老相關的多種表型,或年齡誘導的代謝紊亂、老年疾病等。 作用具體有:
A、NAD+與晝夜節律
NAD+依賴的脫乙醯酶SIRT1通過連接調節NAD+補救途徑的酶反饋回路和晝夜節律轉錄-翻譯反饋迴路,成為晝夜節律與代謝之間的橋樑。
NAD+調節生物鍾是通過SIRT1實現的。 SIRT1將BMAL1和PER2去乙醯化,而這和CLOCK的乙醯化功能是拮抗的,所以SIRT1能抑制CLOCK- BMAL1介導的clock genes的轉錄。 因此,NAD+通過自身水準影響SIRT1去乙醯化活性,從而反過來影響包括NAMPT在內的一系列生物鍾相關蛋白的表達。
生物鍾調節和很多疾病相關,包括但不限於睡眠障礙、糖尿病、腫瘤。 很多病理過程都被生物鍾紊亂觸發,這種紊亂可能來自於遺傳,也可能來源於環境,總而言之,保持生物鍾正常工作在維持健康方面有重要作用。
具體見:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/72917102
B、NAD+與神經系統
Sirtuins是一種依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)的脫醯基酶,傳統上認為它與哺乳動物的熱量限制和衰老有關。 這些蛋白在衰老過程中對維持神經元的健康也起著重要作用。
在神經發育過程中, SIRT1在結構上起著重要作用,通過Akt-GSK3通路促進軸索生長、神經突生長和樹枝狀分支。 突觸的發育和突觸強度的調節對記憶的形成至關重要,而sirtuins蛋白不論在生理還是損傷后,都對這一過程中起重要調節作用。 SIRT1在海馬體可以以抑制型複合體形式存在,該複合體包含能調控microRNA-134的轉錄因數YY1。 microRNA-134的分佈具有腦特異性,能調控cAMP反應結合蛋白(CREB)和腦源性神經營養因數(BDNF)的表達。 這對於突觸的形成和長期的增強都很重要。
在神經疾病發生發展中,SIRT1在阿爾茨海默氏病、帕金森氏病和運動神經元病等多種神經退行性疾病中發揮保護作用,這些疾病可能與SIRT1在代謝、抗應激和基因組穩定性方面的功能有關。 啟動SIRT1的藥物可能為治療這些疾病提供一種有希望的方法。
C、NAD+與癌症
增加NAD+水平治療癌症的研究顯示:(1)NMNAT3過表達提高了線粒體NAD+水準,抑制膠質母細胞瘤細胞的生長;(2)補充NA或NAM能抑制SCID小鼠的腫瘤生長和多器官腫瘤轉移。
其原理有:過量的NAD+會促進線粒體呼吸,降低糖酵解,抵消癌細胞喜歡的Warburg代謝(比起氧化磷酸化更依賴於糖酵解的癌細胞能量代謝特性);增加NAD+也會增加SIRT1和SIRT6的活性,兩者都通過下調β-catenin信號、下調糖酵解抑制腫瘤。
不過這當中也存在矛盾與擔憂:NAD+促進DNA修復和血管生成,有可能幫助癌細胞生長(既有的對野生型小鼠的長期研究未能提供促使腫瘤增加的任何證據)。 而降低腫瘤NAD+水準后,隨著PARPs修復DNA損傷的能力降低,癌細胞/組織對化療藥物的敏感性將增加。 在標準癌症模型中進一步測試NAD+補充劑的效果將非常重要。
D、NAD+與肝功能
已知NAD+信號通路中的酶可以保護肝臟不受脂肪堆積、纖維化和胰島素抵抗的影響,這些都與脂肪肝疾病的發生有關。
NAMPT在高脂膳食誘導脂肪肝發生發展的過程中起關鍵調節作用:抑制NAMPT將使高脂膳食造成的肝脂肪變性更嚴重,過表達NAMPT顯著改善肝脂質積累;這種調節作用是通過"抑制NAMPT→減少NAD+→抑制SIRT1→減弱SREBP1的去乙醯化→SREBP1活性降低→FASN和ACC表達上調"產生的。
SIRT1及其下游靶點PGC-1a、PSK9和SREBP1維持線粒體功能、膽固醇轉運和脂肪酸穩態。 SIRT2通過去乙醯化磷酸烯醇丙酮酸羧激酶來控制糖異生;SIRT3調控OXPHOS、脂肪酸氧化、酮生成和抗氧化應激;SIRT6控制糖異生。
由於這些通路在肝臟中的重要性,維持NAD+水平對於維持器官良好功能必不可少。 正常情況下,由於肥胖和衰老,NAMPT水準下降,CD38水準升高,導致到中年時,穩態NAD+水準下降2倍。
將NAD+水準提高到年輕水準在預防和治療肥胖、酒精性脂肪性肝炎和NASH方面收效顯著,同時還能改善葡萄糖穩態和線粒體功能障礙,改善肝臟的健康,增強其再生能力,保護肝臟免受肝毒性損害。
E、NAD+與腎功能
老年腎臟中NAD+水準的降低和sirtuin活性的相應降低在很大程度上是腎功能和順應性隨年齡下降的原因。
(1)通過NAD+補充啟動SIRT1和SIRT3保護高糖誘導的腎系膜細胞肥大,而用NMN治療小鼠以SIRT1依賴性的方式保護順鉑誘導的急性腎損傷(AKI)。
(2)5-氨基咪唑-4-羧胺核苷可刺激AMPK活性,增加NAD+水準,並以sirt3依賴的方式保護順鉑誘導的AKI。
(3)小鼠補充NAM可刺激腎臟保護前列腺素PGE2的分泌,提升缺血后腎功能;NAM也可通過刺激NAD+合成抑制順鉑誘導的AKI 。
F、NAD+與骨骼肌
與年輕的野生型小鼠相比,小鼠的肌肉萎縮和炎症標誌物以及胰島素信號和胰島素刺激葡萄糖攝取能力下降。 用NAD+前體治療老年小鼠可顯著改善肌肉功能。
用NMN (500 mg/kg/day ip .連續7天)治療老年小鼠,可以通過增加線粒體功能、增加ATP生成、減少炎症、將糖酵解II型肌肉轉變為氧化纖維型肌肉,逆轉與年齡相關的有害變化。
G、NAD+與心臟功能
NAD+水準對正常心臟功能和損傷后的恢復至關重要。 在所有NAD+依賴的信號蛋白中,SIRT3似乎是最重要的:
(1)SIRT3敲除小鼠的OXPHOS酶高度乙醯化,ATP減少,對主動脈收縮高度敏感,可能是由於線粒體通透性過渡孔的調節因數CypD的啟動。
(2)SIRT3-KO鼠在13個月大時就會出現纖維化和心肌肥厚,隨著年齡增長,病情進一步加劇,而NMN治療可以逆轉這種下降。
(3)無論是缺血前30分鐘(500 mg/kg, i.p.) 或再灌注前和再灌注期間的重複給葯,使用NAMPT過表達或NMN治療都能顯著防止壓力過載和缺血-再灌注損傷,使梗死面積減少44%左右。
(4)使用NAD +前體治療也提高了老年MDX心肌病小鼠的心臟功能。
(5)NAD+前體改善了缺鐵誘導的心力衰竭小鼠模型的線粒體、心臟功能。
(6)NAD+前體甚至可以通過啟動SIRT3保護並恢復弗裡德希氏共濟失調(FRDA)心肌病小鼠模型的心臟功能到基本正常水準。
H、NAD+與血管內皮細胞
內皮細胞(EC)衰老是一個結構和功能改變的病理生理過程,包括血管張力失調、內皮通透性增加、動脈硬化、血管生成和血管修復受損、EC線粒體生物生成減少等。
細胞週期失調、氧化應激、鈣信號改變、高尿酸血症和血管炎症與EC衰老和血管疾病的發生、發展密切相關。 許多異常的分子通路與這些潛在的病理生理變化有關,包括SIRT1、Klotho、成纖維細胞生長因數-21和腎素血管緊張素-醛固酮系統的啟動。
因為SIRTs和血管衰老的關係,NAD+前體NMN的補充並且已經在一些研究中體現出效果:
(1)NMN治療老年小鼠(8周內每天給葯300 mg/kg)可恢復頸動脈內皮依賴性擴張(內皮功能的一種測量方法),同時降低主動脈脈搏波速和彈性動脈剛度。
(2)NMN (500 mg/kg/天,水送服,持續28天)對小鼠的治療取得顯著療效:通過促進sirt1-依賴的毛細血管密度的增加,改善了老年小鼠的血液流動和耐力。
(3)NMN通過改善老年小鼠年齡誘導的血管內皮功能障礙以及神經血管耦合(NVC)反應,顯著提高老年小鼠認知,並且NMN降低老齡鼠腦微血管內皮細胞的線粒體ROS,恢復NAD+、線粒體能量。
在血管內皮中增加NAD+水準將可能成為一種增加老年人的活動能力潛在療法,並能治療因血流減少而發生發展的疾病如:缺血-再灌注損傷、傷口癒合緩慢、肝功能障礙和肌肉肌病等。
I、NAD+與代謝障礙
NMN對脂肪代謝、糖代謝紊亂導致的肥胖、II.型糖尿病、生殖抑制都有改善作用,甚至能夠改善肥胖母親對雌性後代生殖的不良影響。
4、補充NAD+有哪些方式?
NAD+有這麼多作用,我們應該如何補充它? 又為何選擇NMN?
依然先介紹合成NAD+的主要途徑:
NAD+的合成根據不同合成原料分為補救途徑、從頭合成途徑和Preiss-handler途徑。
a) 從頭合成途徑:將色氨酸(Trp)轉化為喹啉酸(QA),然後通過喹啉酸-磷酸核糖基轉移酶(QPRT)轉化為NAMN。 NAMN轉換為NAAD,並最終經由NAD+合成酶(NADS)催化生成NAD+。
b) P-H合成途徑(又叫NA補救途徑):煙酸(NA)經NAPRT、NMNAT、NADS(NAD合成酶)合成NAD+。
c) 補救合成途徑(又叫NR補救途徑):煙酰胺核糖(NR)或煙酰胺(NAM)經NRK(煙酰胺核苷激酶)或NAMPT、NMNAT合成煙酰胺單核苷酸(NMN),NMN經NMNAT1-3酶合成NAD+。
此外煙酸核苷(NAR)通過NRK催化也能產生NAMN,隨後經1中的酶促反應合成NAD+。
PNP:嘌呤核苷磷酸化酶;NRK:煙酰胺核苷激酶;QPRT:喹啉酸磷酸核糖轉移酶NAPRT:煙酸磷酸核糖轉移酶;NAMPT:煙酰胺磷酸核糖轉移酶;NMNAT:煙酰胺單核苷酸腺苷酰轉移酶
而NAD+的體內合成具有組織異質性:
哺乳動物各組織器官對NAD+原料的偏好性,主要和它們表達的NAD合成酶組織特異性有關。
肝臟使用色氨酸從頭合成NAD+,在合成-使用NAD+循環過程中分泌大量NAM(煙醯胺),這些煙醯胺可以隨迴圈被其他器官組織攝取利用。
內源性煙酸(NA)在血液-組織器官的相互交換很少很慢,大多數組織器官並不依靠血液中的NA合成NAD。
肝臟以外的其他組織較為依賴循環系統輸送的NAM合成NAD。 骨骼肌是攝取NAM合成NAD+效率最低的組織,小腸和脾臟是利用NAM合成NAD+效率最高的組織。
提升NAD+不僅有三途徑、五物質,具體見:https://zhuanlan.zhihu.com/p/71955985
經過一番更新后我們的結論依然不變:NMN目前是補充NAD+的最佳方式。
5、哪些器官喜歡NMN,哪些不喜歡?
NMN的合成酶、消耗酶也具有組織特異性:
NMN在全身組織、器官中有廣泛的分佈,且從胚胎發育時期就存在於多種細胞中。
對NAD+前體在各種組織和細胞內的代謝和生物分佈知之甚少,相比之下瞭解較多的是NMN的合成酶NAMPT和NRKs,以及NMN消耗酶NMNATs的表達。
(1)NAMPT
NAMPT在體內無所不在,但組織間表達水準存在較大差異。 在腦和心臟,NAMPT依賴的補救途徑是產NAD+的首選模式;而在骨骼肌,NRK依賴的補救途徑是產NAD+的首選模式。
(2)NMNATs(NMN消耗酶)
小鼠組織代謝譜表明,NMNAT亞型的活性遠高於NAMPT,且除血液外,大多數組織中NMNAT亞型的活性不受限制。
(3)NRKs
NRK亞型的表達分析表明NRK1無所不在,而NRK2主要存在於骨骼肌中。 與此一致的是,慢性NR補充引起肌肉的NAD +水準增加,但在大腦或白色脂肪組織收效甚微。
口服NMN對NAD+的促進:
雖然不能在血清中檢測到完整結構的NMN,口服NMN仍能夠很快(15min)提高雌性、雄性小鼠的NAD+水準:
肝臟、胰腺、白色脂肪組織NMN、NAD+水準
6、NMN如何進入細胞?
NMN在某些細胞表面有膜轉運體,能直接將NMN轉入細胞內,所以NMN有兩種進入細胞的方式:
(1)通過轉運體直接進入細胞:在2019年初,nature metabolism一篇論文證實了該想法,文章發現小鼠小腸內有NMN特異性轉運體存在,叫做Slc12a8,這是一種氨基酸和多胺轉運體,對NMN有很高的選擇性,並不轉運和NMN結構甚為相似MN。
(2)通過細胞膜表面的CD73去磷酸化為NR(通過平衡核苷轉運蛋白ENTs)進入細胞內,隨後再通過細胞質的NRK酶催化為NMN,進入線粒體被利用(線粒體無NRK)。
NAM既是NMN的前體,又是NAD+經NADase活性消耗途徑CD38水解後的產物。 因此NAD+的合成、利用、再生是一個涉及胞內胞外的NMN/NR→NAD+→NAM→NMN的迴圈。
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