靶向NAD+逆转衰老！

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心脏老化不仅是冠心病的主要易感因素，还会显著增加心力衰竭的风险。NAD+作为抗衰老靶点，在心脏中起着重要的调节作用。那是否可以通过靶向 NAD+“逆转衰老“呢？清华大学生命科学学院的邢东明老师团队于Nature 子刊上解析了这一可能性。




烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）存在于每个活细胞中，对细胞的健康和维护有着难以置信的重要性。NAD+ 水平的下降与许多与衰老相关的疾病有因果关系，包括认知能力下降、癌症、代谢性疾病、肌肉减少症（骨骼肌质量和力量的进行性和广泛性丧失）和虚弱。但大量补充 NAD+是否会引起心脏的抗衰老作用存在着争议。

心脏老化 & NAD+
心脏老化伴有能量合成和功能水平的下降，如低射血分数、缩短分数，左心室直径增大等，还会导致心力衰竭，甚至DNA损伤、炎症反应和脂质代谢异常。而心肌细胞缺乏 NAD+导致缺氧，被认为是衰老的主要因素之一，同时伴随的低有氧能量供应和高水平的糖酵解会导致大多数组织或器官老化。

研究表明，在线粒体完全老化后，较高的 NAD+/NADH 比值有助于减少糖酵解，避免由于溶酶体相关膜蛋白 2 (LAMP-2) 缺乏导致的色氨酸代谢异常。此外，随着年龄的增长，NAD+ 的降低与心血管应激中线粒体通透性转换孔 (mPTP) 的开放密切相关。因此，线粒体 NAD+ 的减少可能是一个重要的心肌细胞衰老诱导因子，会导致对不利稳态变化的适应性下降（如高糖、缺氧、药物应激或缺血-再灌注(I/R)损伤），线粒体耗氧效率降低、修复机制进一步下降，形成恶性循环。

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NAD+缺乏与心脏衰老的关系

NAD+抗衰老作用的可能机制
心脏老化伴随着线粒体损伤、活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 过多积累导致膜脂质过氧化，进一步损伤细胞结构，同时酶的抗氧化活性下降。而氧化应激损伤是包括心脏在内的大多数组织和器官衰老过程中的共同特征，伴随的 DNA 损伤也是心肌衰老的重要因素，通常与衰老诱导的炎症反应 (senescence-associated secretory 表型，SASP) 相关。

例如，分化簇 38 (CD38) 和肿瘤坏死因子 (TNF-α) 通过竞争性结合 NAD+ 前体来下调 NAD+，从而干扰酶合成 NAD+。敲除 CD38 胞外酶 NAD+ 水解酶可有效抑制 D-gal 诱导的心肌细胞衰老，并显著降低衰老标志物 P16 和 P26，从而延长心肌细胞的寿命。从分子机制的角度在来看，心肌细胞老化会减少自我调节适应性或直接损伤 DNA和mtDNA，促进氧化应激和细胞凋亡，诱发促炎细胞因子高表达。而外源性应激因素越多，衰老过程就越快速，形成恶性循环。从衰老心肌细胞的保护机制来看，NAD+抑制BMAL1/Clock可减少NF-κB与 DNA的结合，从而减少促炎介质的形成，提高线粒体功能。

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NAD+的下降是衰老的核心特征




心脏衰老过程中 NAD+的合成与代谢
NAD+ 是线粒体氧化磷酸化 (OXPHOS) 中的关键辅酶，它是复合物 I 的 NADH 的氧化形式。NAD+ 主要由 NAM 通过烟酰胺磷酸核糖转移酶 (NAMPT) 合成，并在哺乳动物中通过 NAD+ 降解酶降解为 NAM；也可以分别使用烟酸磷酸核糖基转移酶和 NAM 核苷激酶 ½ (NRK1/2) 从烟酸 (NA) 和烟酸核苷 (NAR) 重新合成 NAD+。NRKs 和 NAMPT 也可将烟酰胺核苷(NR)和 NAM 回收为 NMN，并被 NMNAT 转化为 NAD+。




研究表明，衰老相关的 WRN 基因调控关键的 NAD+ 生物合成酶 NMN 腺苷酸转移酶 1 (NMNAT1) 的转录。NAMPT基因的缺失也会影响成年哺乳动物的存活，随着年龄的增长，NAMPT 与分解的 NAD+ 中 CD38 的上调有相关的特定补偿特性，而 NAD+ 的补充也诱导了 NAMPT 的合成，促进了 NAD+ 合成的良性循环，具有延缓衰老的作用。

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线粒体内NAD+合成、NAD+代谢和NAD+信号通路示意图




NAD+在衰老的心脏中调节线粒体稳态



线粒体质量控制线粒体质量控制协调各种过程 (蛋白质稳定、生物发生、动力学和线粒体自噬) 以维持细胞内环境稳定。线粒体功能障碍，被认为是心脏衰老和心血管疾病的主要机制。在衰老的心肌细胞中，线粒体产生 NAD+ 的能力下降，并且解偶联蛋白 (UCP) 表达的增加会促进心脏中与衰老相关的线粒体功能障碍。UCP 还作用于内质网与线粒体之间的钙转运异常，通过 RyR2 和 VDAC 导致线粒体钙超载，抗应激能力减弱。抑制 mPTP 开放有助于保留 NADH 和 ATP，诱导 NAD+ 合成的良性循环，延缓线粒体去极化，有助于心脏的抗衰老作用。

线粒体相关凋亡 & 调控细胞内 ROS 水平对自噬的调控涉及肿瘤抑制蛋白 P53 和 TP53 诱导的糖酵解和凋亡调节因子(TIGAR)。TIGAR 是一类果糖-2,6-二磷酸，可将葡萄糖分解的代谢中间体重新定向到磷酸戊糖途径的氧化分支。P53 调控 TIGAR，与 NAD+/NADH 氧化还原偶联降低相关。正常的 TIGAR 可上调 NADPH 的产生，从而降低细胞内 ROS 水平，降低细胞对凋亡相关氧化应激的敏感性。研究表明 P53/TIGAR 介导线粒体自噬抑制，在 P53和TIGAR KO 小鼠心脏中，ROS 的增加涉及到 Bnip3 的激活和线粒体自噬。因此，P53 是一种平衡线粒体自噬特性的调节因子，并可能是一种抑制剂，可延缓衰老过程中的心力衰竭和TIGAR代表的糖酵解机制。

此外，研究表明，衰老心脏中 P49/strap 的过表达导致 NAD+/NADH 比率降低、组蛋白质脱乙酰化、PGC-1 诱导的线粒体融合蛋白 mfn1/2 和 Opa 的抑制以及线粒体损伤。NAD+还直接使 Opa-1 去乙酰化，调控其基因转录，可进一步增加Opa-1/ VDAC1的比值，促进线粒体动力学的调节，导致线粒体融合增强，最终抑制线粒体衰老。P49 的高表达还抑制了 Sirtuin 信号相关的线粒体修复机制，与线粒体中 Sirt3、Sirt4 和 Sirt5 的表达密切相关。例如，在 HUEVCs 细胞中，Sirt4 通过 AMPK 和线粒体内膜 ADP/ATP 转位酶 2 调节 ATP 稳态，抑制丙二酰辅酶 a 脱羧酶，导致丙二酰辅酶 a 水平升高。

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NAD+相关线粒体保护机制

靶向 NAD+ 延缓心脏衰老的治疗潜力
现有的心脏老化干预措施仍有一定的局限性，一些新的介入策略被用来通过合成更多的 NAD+ 来预防心血管应激。例如，AngII 通过 JNK 和 P38 MAPK 途径介导 NADPH 的增加，然而，这也会导致线粒体 ROS 生成增加。但无论是以氧自由基还是以氮自由基的形式，NAD+ 都是氧化应激的重要调控靶点。

通过其他内源性刺激激活 NAD+表达，诱导适应性改善，抑制心力衰竭是可行的。例如，通过 Sirt2 协助 NAD+ 诱导的下游 P53 和 NF-κB 去乙酰化，可延长心肌细胞寿命，提高心肌细胞的抗衰老作用。相反，NAD+ 编码基因的缺失可导致抗心衰作用的丧失。同样的，CD38 抑制剂，可通过保存 NAD+ 来防止心肌细胞衰老。

治疗炎症由于炎症是心脏衰老的主要特征之一，当刺激外源性应激诱导适应时，使用外源性补剂抑制应激的不利影响，降低炎症诱导衰老势在必行。心肌细胞衰老会显著增加 TNF-α 的表达，TNF-α 又引起线粒体 mPTP 开放、细胞凋亡以及磷酸酶和张力蛋白同源信号的下调，导致过度依赖 Bnip3 的线粒体自噬和线粒体功能障碍。此外，TNF-α 通过诱导 NAD(P)H 氧化酶表达增加，降低 NAD+ 水平并产生 ROS，同时引起 CD38 表达增加和 NAD+ 向 NAADP 和 CADPR 的转化。

而 TNF-α 作为调节因子，还能增加心脏内质网的钙释放，导致细胞内钙超载。在其下游，若抑制 NAD+/Sirt 通路，下调 Sirt1 可导致细胞核内 FOXO、P53、PPARα、Akt 的表达降低；Bcl-xL 等抗氧化酶的转录水平降低；细胞内氧化应激水平升高；自噬减少；脂肪酸氧化能力下降；细胞凋亡水平增加。另一方面，NAD+ 可能是影响 NLPR3（心肌组织 NLRP3 炎症小体的表达是 NAD+/ sirt1 介导的抗衰老机制所必需的） 内源性效应的一个转换体，适当的 NAD+ 补充可以通过激活 SIRTs 和 NRF2 信号通路减少心肌炎症。

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线粒体和细胞核中NAD+与细胞内通路的交叉意图




总结
NAD+ 的缺失是心脏病的主要发病机制之一，而 NAD+ 的补充在恢复健康的代谢和生理功能方面显示出治疗潜力。这种丰富的辅酶 NAD+ 的多能性有助于其发挥治疗作用,特别是 NAD+ 在心脏细胞核转录信号通路的多重相互作用下，作为去酰化反应的辅助底物。大量数据表明，补充 NAD+ 增强多种细胞间交叉对话可能是一种抑制全身衰老的可行治疗方案。同时，心脏作为血液的泵送器官，高度依赖于代谢环境和离子稳态，NAD+ 前体补充剂的合适剂量和形式对于获得最佳效益至关重要。在一定程度上应谨慎使用 NAD+ 补充剂。另外，多种心脏保护信号与 NAD+ 的紧密联系有待进一步研究，这将有助于提高心脏衰老干预的准确性和有效性。
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