NAD+代谢与衰老及其运动适应研究进展

蒋 智，田子林，胡 帅，罗 丽

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide，NAD＋）是细胞内参与能量代谢的重要辅酶，作为代谢底物和细胞内信号分子，参与细胞物质代谢、能量合成、DNA修复等多种生理活动[1-3]。近年来，衰老过程中NAD＋代谢的改变及其调控备受关注。有学者[4]提出：哺乳动物衰老过程中存在一个“NAD World”的系统调控网络；细胞和生物体的NAD＋水平决定了衰老的过程和程度；某些特定环节的薄弱造成NAD＋水平下降，最终导致全身NAD＋水平的下降，加速衰老。白藜芦醇、热量限制、运动等抗衰老措施的效应被证实与其对NAD＋代谢通路的调控有关。因此，NAD＋被认为可能是抗衰老的潜在靶标。本文主要综述NAD＋代谢与衰老的关系及其运动适应研究进展，为通过药物、饮食、运动等措施调控NAD＋代谢，防治衰老相关退行性疾病提供思路。

1 NAD＋可能是抗衰老的潜在靶标

研究证实，多个物种的不同组织存在随衰老发生的NAD＋降低，这种下降被认为是导致多种衰老相关疾病的重要因素，因此维持NAD＋水平在衰老过程中起着至关重要的作用[5]。有研究证实NAD＋前体物质烟酰胺单核苷酸 （Nicotinamide Mononucleotide，NMN）在细胞和整体水平上显著逆转了衰老[6]。与此相似，补充另一NAD＋前体物质烟酰胺核糖（Nicotinamide Riboside，NR）能上调NAD＋水平，逆转蠕虫和小鼠的衰老进程[7]。

Sirtuins是一组NAD＋依赖性去乙酰化酶，在哺乳动物内有7种不同的亚型（SIRT1-SIRT7），在氧化应激、能量代谢、细胞凋亡和衰老过程中具有重要作用。最近的研究表明，NAD＋产生的有益效应可能与激活Sirtuins及其相关通路有关，提示NAD＋依赖性酶的再活化可能是改善代谢、延缓衰老的靶点之一[8-11]。例如，Wang等[11]发现CD38基因敲除可通过NAD＋/SIRT1信号通路减轻D-半乳糖诱导的细胞衰老和氧化应激。

白藜芦醇是具有很强生物活性的天然多酚类化合物，主要来源于花生、葡萄、桑椹等植物。它是肿瘤的化学预防剂，也能降低血小板聚集，预防和治疗动脉粥样硬化、心脑血管疾病等。热量限制是公认的具有延缓衰老效应的措施。对酵母细胞的研究发现，白藜芦醇在SIR2（Sirtuins家族最早发现的成员，哺乳动物内的SIRT1-SIRT7是其同源基因）的刺激下能模拟热量限制的抗衰老效应，增强DNA稳定性，减少DNA损伤，延长酵母细胞寿命[12]。SIRT1是在哺乳动物新陈代谢和衰老方面起关键作用的酶。白藜芦醇的生物学作用与SIRT1密切相关，能激活SIRT1基因的表达，上调SIRT1活性，继而增强过氧化物酶体增殖物受体γ共激活因子1α（Peroxisome Proliferator-Activated Receptor-γCoactivator-1α，PGC-1α）以及人叉头框蛋白O活性。此外，自噬可以保护细胞器、细胞和生物体抵抗多种应激桩体，而白藜芦醇可以通过激活SIRT1诱导自噬[13]。这些结果表明，白藜芦醇通过调控NAD＋代谢通路发挥抗衰老效应；同时也提示，NAD＋可能是抗衰老的潜在靶标。

对神经退行性疾病等衰老相关疾病的研究进一步提示NAD＋可能是抗衰老的潜在靶标。衰老是导致帕金森病（Parkinson's Disease，PD）、阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease，AD）和衰老相关性听力损失（Age-Related Hearing Loss，ARHL）等常见神经退行性疾病的重要因素。研究证明，补充NAD＋或其前体物质可能是治疗神经退行性疾病的潜在策略。PD的发病机制可能与多巴胺能神经元线粒体损伤及线粒体复合物I功能障碍有关[14]。纹状体预注射NAD＋可改善PD小鼠运动障碍和多巴胺能神经元损伤[15]。利用果蝇或细胞模型的研究表明，补充NMN和烟酰胺（Nicotinamide，NAM）能改善PD表型[16-17]。例如，膳食补充NAM有助于维持健康线粒体池，改善线粒体形态和呼吸功能，减轻PTEN诱导的假定激酶1（PTEN-induced kinas 1，PINK1）突变体果蝇中多巴胺能神经元的功能障碍[11]。AD以β淀粉样斑块和细胞内磷酸化Tau蛋白的积聚及进行性认知障碍为特征，最终导致痴呆。在早期AD小鼠模型（APP/PS1转基因小鼠）中，NAD＋治疗可改善小鼠的空间学习记忆能力，减少其皮质和海马的淀粉样斑块沉积[18]。Hou等[8]开发了一种DNA修复缺陷3xTgAD/Polβ+/-小鼠，它加剧了人类AD的主要特征。NR可改善3xTgAD和3xTgAD/Polβ+/-小鼠的Tau病理学症状及认知功能，NR处理后3xTgAD/Polβ+/-小鼠DNA损伤减少，脑内SIRT3活性提高。ARHL是导致老年人交流障碍的主要原因，Kim等[9]证明通过药物调节NAD＋水平是治疗ARHL的可行选择。

除此之外，还有研究揭示了NAD＋对衰老相关疾病的潜在治疗价值。在哺乳动物体内，烟碱是NAD＋合成的主要前体物质。在烟酰胺磷酸核糖转移酶（Nicotinamide Phosphoribosyl Transferase，NAMPT）的作用下，烟碱被转化为NMN，然后在NAMPT的作用下，NMN进一步转化为NAD＋[19]。NAMPT是这一反应的限速酶，其含量和活性决定了细胞生成NAD＋的量和速率。肌肉特异性NAMPT敲除小鼠出现NAD＋水平下降，肌细胞坏死、肌肉功能进行性丧失，以及糖代谢异常，而口服补充NR能逆转其肌肉质量、运动能力的下降[20]。Yang等[21]发现服用NR可预防小鼠衰老相关的卵巢NAD＋含量下降，改善衰老小鼠卵巢线粒体功能，逆转卵巢衰老。此外，随着年龄的增长，氧化应激和脑微血管内皮功能障碍损害神经血管耦合，导致认知能力下降。NMN补充能减轻老年脑微血管内皮细胞线粒体氧化应激，改善线粒体生物能，恢复脑微血管功能，改善认知[22]。

2 补充NAD+及其前体物质延缓衰老的机制

2.1 促进DNA修复

衰老时常发生DNA损伤的积累，这可能与DNA修复机制受损有关[23]。因此，维持有效的DNA修复机制可能会延缓衰老及相关疾病的发生发展[24-25]。研究发现，NAD＋代谢对关键的DNA修复过程发生影响[26]。补充NAD＋前体物质已被证明在衰老相关疾病中对DNA修复有积极影响[8,27]。例如，NAD＋缺乏与皮肤老化和癌症有关。NAM可防止紫外线诱导的ATP耗竭，增强细胞能量，增强DNA修复活性；局部使用NAM可减少皮肤老化[27]。此外，NAD＋补充也能通过促进DNA修复和线粒体自噬，改善某些DNA修复缺陷型疾病，如着色性干皮病、共济失调毛细血管扩张症和科凯恩综合征等疾病的衰老表型[28-30]。DNA同源重组修复是电离辐射引起的双链断裂修复（Double-Strand Break Repair，DSBR）的主要方式。在人类患者的成纤维细胞以及DSBR蛋白共济失调-毛细血管扩张症突变（Ataxia-Telangiectasia Mutated，ATM）缺陷小鼠的脑组织中，细胞核和线粒体基因组发生了DNA损伤累积，补充NR可部分通过SIRT1/SIRT6依赖的DSBR改善ATM缺陷神经元的基因组稳定性，增强对电离辐射的耐受性[29]。

2.2 改善线粒体功能

多项研究表明，在一系列与衰老相关疾病中均存在线粒体功能障碍[9,17,21-22]，改善线粒体功能是补充NAD＋及其前体物质延缓衰老的重要机制之一。通过药物直接调节细胞NAD＋水平可以抑制炎症反应和氧化应激、维持线粒体功能和促进线粒体生物发生，预防ARHL及其伴随的有害影响[9]。线粒体功能障碍是肌肉衰老的一个生物标志，而NR通过改善线粒体功能防止肌肉衰老[31]。在PD模型中，通过补充NAD＋前体NR，上调NAD＋显著改善了患者神经元的线粒体功能[32]。Sirtuins的激活被认为对代谢和衰老相关疾病（如高脂饮食诱导的肥胖、神经退行性疾病等）有益[9-11,17]，这在一定程度上是因为Sirtuins通过去乙酰化线粒体相关蛋白来调节线粒体的活动[33]。

2.3 诱导自噬

自噬是细胞净化自身多余或受损细胞器，维持蛋白质代谢平衡，清除细胞内废物和结构重建的重要机制。衰老时细胞自噬能力明显降低，导致线粒体等细胞器更新缓慢，引发炎症和细胞死亡，加速衰老。许多研究表明，衰老及相关疾病的发生与自噬功能减退关系密切。

补充NAD＋通过诱导自噬对老年性疾病产生积极影响，从而延缓衰老。利用NAD＋的前体（如NMN和NR）补充NAD＋可以通过激活Sirtuins（包括SIRT1和SIRT3）、增加细胞核和线粒体中的蛋白质脱乙酰化，激活自噬来抑制心脏衰老[34]。氧化应激是老年性黄斑变性（Age-related Macular Degeneration，AMD）的一个重要病理改变,外源性NAD＋通过上调自噬作用抑制H2O2诱导的氧化应激，保护视网膜色素上皮细胞免受聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1介导的坏死性死亡，提示外源性NAD＋可能有治疗AMD的潜在价值[35]。

NAD＋可通过SIRT1激活自噬。首先，NAD＋/SIRT1通路可能通过自噬蛋白去乙酰化，上调自噬相关蛋白表达[36]；其次，NAD＋还可能通过激活AMP蛋白激酶（Adenosine 5'-Monophosphate-Activated Protein Kinase，AMPK）诱导自噬[37-39]。NAD＋/SIRT1能激活大鼠原代皮层神经元AMPK，继而磷酸化结节性硬化复合物2的Ser387位点，从而通过抑制雷帕霉素靶蛋白激活自噬[40]。NR、NAM等NAD＋前体物质也可诱导人成纤维细胞、鼠皮层神经元和3xTg AD小鼠发生自噬/线粒体自噬[41]。

3 运动对体内NAD＋水平的调控

细胞内NAD＋水平不仅受到许多细胞活动的影响，而且还受到运动的调控。例如，在高脂饮食（High Fat Diet，HFD）诱导的肥胖小鼠模型中，6周的运动训练可以改善其葡萄糖耐量并提高肌肉NAD＋水平[42]。Caldwell等[43]将13～15月龄的CAG140敲入小鼠分为运动组和静坐组，发现运动组的NAD＋值比静坐组增加了6倍。对小鼠和人类的研究还表明，运动可以以双相方式改变循环中的NAD＋，即中等强度运动增加NAD＋水平，而剧烈运动减少NAD＋水平。这表明运动强度是影响人体NAD＋水平和NAD＋/NADH比率的一个重要因素[44]。

有学者研究了运动对NAD＋合成限速酶NAMPT的影响。有氧运动分别使年轻人（35岁以下）和老年人（55岁以上）的骨骼肌NAMPT水平增加约12%和28%，而抗阻训练使年轻人和老年人的骨骼肌NAMPT水平分别增加约25%和30%，提示运动训练可以逆转骨骼肌NAMPT水平随年龄增长而下降的趋势[45]。另一项研究证明人体骨骼肌NAMPT因运动而上调，运动员骨骼肌中NAMPT蛋白表达是久坐肥胖者、非肥胖者和2型糖尿病患者的2倍。久坐的非肥胖受试者在经过3周运动训练后NAMPT蛋白增加了127%。此外，骨骼肌NAMPT蛋白与线粒体含量、最大摄氧量等密切相关。用5-氨基咪唑-4-甲酰胺-核糖核苷激活AMPK，引起NAMPTmRNA水平上升了3.4倍，同时NAMPT蛋白和线粒体含量都增加。运动能诱导人骨骼肌NAMPT表达，可能在运动对线粒体生物发生的调节中起作用，然而这一联系有待进一步研究证实[46]。

还有研究试图解析NAMPT表达与运动之间是否存在交互作用。肌组织过表达NAMPT能保护小鼠免于HFD诱导的肥胖，但无法改善胰岛素抵抗；运动训练能诱导肌组织过表达NAMPT的小鼠产生3倍于野生型小鼠的运动耐力，同时线粒体基因表达水平也显著上升。这表明，骨骼肌NAMPT活性的升高与运动之间存在交互作用，而这种作用表现为运动耐力的提高[47]。

从上述研究可以看出，运动方案，包括运动方式、运动强度、持续时间以及个体NAD＋基础水平都是影响研究结果的因素。目前在这一领域成果不多，运动调控不同人群NAD＋代谢的作用与机制仍有待于更为深入细致的研究。

4 运动对NAD＋依赖性酶Sirtuins的调控

近年来，运动与Sirtuins之间的关系也倍受关注，其中研究较多的是SIRT1和SIRT3。激活SIRT1和SIRT3可以避免与衰老相关的肌肉减少症，并进一步帮助个体运动，而体力活动又可以提高SIRT1和SIRT3的表达水平，从而引发一个有益的循环，可以对抗衰老及其相关疾病[48]。运动对人体骨骼肌SIRT1和SIRT3的影响很大程度上取决于运动类型。急性运动激活SIRT1，进而激活线粒体氧化能力；而经过几次有氧训练后，久坐个体的SIRT3和PGC-1α升高。虽然运动以不同的方式激活Sirtuins途径，但都能起到改善线粒体健康的作用[49]。Vargas-Ortiz等[50]先前的一项研究也证实了这一点，即SIRT3通过激活PGC-1α，参与调节线粒体能量稳态。有氧训练增加了久坐、超重或肥胖青少年的SIRT3和PGC-1α表达水平。Radak等[51]则提到：有规律的运动会使神经退行性疾病患者的肾脏、肝脏和大脑中的SIRT1水平恢复到系统适应状态，从而使细胞代谢过程正常化，改善神经退行性疾病。此外，对果蝇的研究提示运动训练可以激活NAD＋/dSIR2/PGC-1α途径，改善老年果蝇由于HFD或心脏dSIR2基因敲除引起的脂肪中毒性心肌病[52]。

运动对机体代谢的调控与AMPK/SIRT1信号通路有关。AMPK/SIRT1信号通路参与细胞凋亡、细胞自噬、能量代谢和衰老等过程[53]。运动可能通过激活AMPK/SIRT1信号通路抑制细胞凋亡，改善肌肉质量，预防肌少症[54]。姜黄素（一种天然抗氧化剂）联合耐力训练能激活AMPK，提高骨骼肌NAD＋/NADH比值，诱导SIRT1激活，促进PGC-1α脱乙酰化[55]。运动也能调节脑组织AMPK/SIRT1信号通路。有报道游泳运动可以激活衰老大鼠海马组织AMPK/SIRT1/PGC-1α等信号通路，抑制凋亡和炎症反应[56]。在另一项有关糖尿病模型大鼠的研究中，有氧运动激活了海马组织AMPK/SIRT1信号通路，促进了海马突触可塑性相关蛋白的表达[57]。

除了SIRT1和SIRT3，还有部分研究报道运动可调节SIRT4水平。12周跑步训练降低了大鼠腓肠肌SIRT4的含量[58-59]。SIRT4在不同类型的细胞中表达不同，关于运动对SIRT4的调控仍知之甚少，未来针对SIRT4的研究可能需要更多的关注[60-61]。

5 补充NAD＋前体物质对运动能力的影响

运动时需要更高的能量消耗，ATP的周转率也更高，这很大程度上取决于NAD＋维持的氧化还原平衡，因此良好的NAD＋代谢对肌肉的运动适应至关重要[62]。NAM、NR和NMN等作为NAD＋主要的前体物质，对运动能力的影响近年来也受到研究者们的关注。Frederick等[20]研究发现肌肉特异性NAMPT基因敲除小鼠肌肉内NAD＋水平显著下降，出现肌细胞坏死、肌肉功能进行性丧失，对其进行NR干预，连续给药6周（400 mg/kg/d）。结果显示NR治疗恢复了其运动能力，防止了在7个月大的基因敲除小鼠中观察到的运动不耐受的发展，并在疲劳时逆转了乳酸酸中毒。对人体的一项研究证明，补充NR提高还原型NAD＋水平，降低氧化应激，并改善老年人的身体机能[63]。内皮细胞中的SIRT1是肌细胞分泌的促血管生成信号的关键介质。用NMN治疗小鼠，可以促进SIRT1依赖性的毛细血管密度增加，从而改善老年小鼠的血流量并提高耐力，且这一效果可通过运动或增加硫化氢（可模拟热量限制，调节内皮NAD＋水平）水平来增强。然而敲除内皮细胞中的SIRT1基因，则达不到上述效果，表明SIRT1介导了NMN和运动的积极作用[64]。

从动物和人体实验的一些结果来看，补充NAD＋前体物质似乎对老年个体或者NAD＋缺乏的个体起到更大的作用。对年轻或健康的个体来说，单独补充NAD＋前体物质可能不足以改善身体机能，甚至有潜在负面影响。例如，Kourtzidis等[65]将18只健康的幼年大鼠随机分为对照组和NR组（300 mg/kg/d，连续21 d），干预结束时，两组均进行递增游泳性能测试。发现在最后10%负荷时，NR组相比对照组运动能力有下降的趋势，表明NR补充可能对身体机能有潜在负面影响。

还有研究采用了补充NAD＋前体物质联合运动训练的方案。Crisol等[66]证明，NR补充增加了骨骼肌中NAD＋的含量，但是NR的补充本身并没有提高骨骼肌的有氧运动能力。接受NR补充（400 mg/kg/d）和运动训练（60 min/d，每周5 d）联合治疗的小鼠与接受NR或单独运动训练治疗的小鼠相比，其跑步距离和最大功率更佳，即运动表现更好。NR补充和运动训练结合增加了骨骼肌中烟酰胺单核苷酸腺苷转移酶3和线粒体复合物蛋白含量，促进了氧化代谢，导致小鼠运动能力的提高。另外，Das等[64]的研究还探索了NMN联合运动训练的效果。与单独使用NMN或运动相比，NMN联合运动训练显著增加了幼鼠四头肌的毛细血管数量。

年轻骨骼肌和老年骨骼肌对运动和NAM治疗的反应似乎存在差异[67]，这可能与不同年龄动物对运动的耐受性和体内NAD＋的基础水平等因素有关。给予5月龄及28月龄的大鼠饮水补充NAM 5周，运动组大鼠在干预的后4周同时进行中等强度跑台运动，结果发现，单独补充NAM没有改变青年和老年大鼠腓肠肌SIRT1含量，但增强了SIRT1活性，表明外源性补充NAM对衰老骨骼肌可能是有益的。然而，有趣的是，老年大鼠腓肠肌中PGC-1α升高，但年轻大鼠并非如此。此外，NAM联合运动导致老年大鼠腓肠肌SIRT1水平下降。

一项有趣的研究比较了跑台运动和NMN注射对肥胖母鼠孕育的子代小鼠代谢功能的影响。该小鼠在离乳后给予高脂饮食，出现肥胖和肝组织甘油三酯蓄积，同时糖耐量下降，肝NAD＋水平和柠檬酸合酶功能降低；分别给予9周跑台运动或18 d NMN注射，结果发现，2种干预方式都减轻了肥胖，改善了糖耐量，增强了线粒体功能；而NMN在改善肝脂肪分解代谢和合成代谢方面作用更强[68]。这一研究证实了补充NAD＋前体物质对代谢机能的有益影响，同时也表明NAD＋前体物质作为运动模拟剂的潜在价值。

目前关于补充NAD＋前体物质对个体运动能力影响的研究大多以动物为实验对象，研究结果也并不完全一致，这可能与体内NAD＋基础水平，NAD＋前体补充形式、剂量等一系列因素有关。鉴于体内NAD＋稳态对人体机能的重要作用及补充NAD＋前体物质的便捷和安全性，未来更多针对人体的研究也应该纳入考虑，以寻找补充NAD＋前体物质的最佳方式。

6 总结与展望

人口老龄化已成为一个全球性社会问题。研究证实，生活方式干预，包括运动、健康饮食、热量限制等，是改善老年人健康、提高生活质量的有效手段。然而，由于疾病等原因，一些群体可能无法通过生活方式干预实现这一目标。因此，研究药物防治措施具有特殊意义。许多证据表明，补充NAD＋及其前体在许多疾病条件下，对多个器官功能代谢都是有益的，能延缓或预防多种衰老相关疾病，改善个体运动能力。NAD＋前体物质，例如NMN、NR等，使用也是相对方便（可口服）、安全的。目前在补充NAD＋及其前体的抗衰老效应及运动适应研究方面，仍存在一些问题值得探究：例如，在正常衰老和衰老相关疾病条件下，组织细胞的NAD＋水平如何？细胞内NAD＋水平是否能作为衰老的生物学标志物？关于NAD＋及其前体物质抗衰老效应的机制，也有待更深入的研究。此外，运动作为一种行之有效的抗衰老措施，是如何调控NAD＋信号通路的？运动对不同年龄段人群的NAD＋代谢通路影响有何不同？补充NAD＋前体物质改善运动能力的机制如何？补充NAD＋前体物质改善运动能力的最佳剂量、治疗时间、补充形式等是怎样的？这些问题的解决将为通过药物学或营养学方法及运动等手段调控NAD＋水平，从而延缓、防治衰老相关疾病提供思路。