1、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，N
2、AD+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 Clin
3、ical 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 dinu
4、cleotide(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 ag
5、ing，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(suprachiasmati
6、c 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 ribosi
7、de 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
8、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，Februar
9、y 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-containi
10、ng 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
11、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、Sir
12、t6 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)，
13、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
14、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
15、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
16、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
