Никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) в старении, метаболизме и нейродегенерации

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) является коферментом, входящим в состав всех клеток организма. Он выступает в роли как критичного кофермента для ферментов, обеспечивающих протекание окислительно-восстановительных реакций, переносящего электроны от одной реакции к другой, так и в роли косубстрата для других ферментов, таких как сиртуины и поли(аденозиндифосфат(АДФ)-рибоза)полимеразы. Концентрации НАД+ в клетках изменяются по мере старения, а модулирование использования или продукции НАД+ может увеличить как продолжительность жизни, так и продолжительность здоровой жизни. В данной статье приведен обзор факторов, регулирующих НАД+, и обсуждение того, как применение пищевых добавок, содержащих предшественники НАД+, может стать новой терапевтической возможностью для воздействия на старение и ассоциированные с ним заболевания, в особенности нейродегенеративные болезни.

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) — это ключевой клеточный фактор промежуточного метаболизма. Изначально определенная как молекулярная фракция («козимаза»), ускоряющая ферментацию в дрожжевых экстрактах, его химическая структура была расшифрована как соединение типа «азотистое основание-углевод-фосфат». Никотинамидная фракция НАД+ является зоной окислительно-восстановительных реакций, а его восстановленная форма (НАДН) выступает в роли ключевого промежуточного переносчика энергии между различными метаболическими путями (рисунок 1).

Медицинская важность НАД+ была установлена давно, одновременно с открытием пеллагры — так называемого заболевания трех «Д»: дерматит, диарея и деменция (в англоязычной литературе добавляют четвертое «Д» от англ. «death» — смерть). Стабильный к действию высокой температуры диетический фактор (известный как противопеллагрический фактор), излечивающий пеллагру, был определен как предшественник НАД+, известный как ниацин. Это предоставило первое доказательство терапевтической роли соединения, в настоящее время называемое витамином В3 (1).
Несмотря на редкую встречаемость пеллагры в цивилизованном мире, в определенных условиях развивается снижение внутриклеточных концентраций НАД+ и прием содержащих предшественники НАД+ пищевых добавок может быть полезен в борьбе со старением и ассоциированными с ним хроническими заболеваниями. В данной статье обсуждаются последние данные по биологии НАД+ и их применение к нормальному старению и возрастным болезням.

Биосинтез, деградация и утилизация НАД+

Помимо своей роли в качестве кофермента в окислительно-восстановительных реакциях, НАД+ является важным косубстратом для трех классов ферментов: (i) ситруинов (SIRTs), (ii) аденозиндифомфат(АДФ)-рибоза трансфераз (АРТ) и поли(АДФ-рибоза) полимераз (ПАРП) и (iii) циклических АДФ-рибоза (цАДФР) синтаз (CD38 и CD157). НАД+ потребляется этими ферментами и непрерывно разрушается (рисунок 1). Для поддержания стабильных внутриклеточных концентраций НАД+ организмы преимущественно используют механизм расщепления никотинамида, однако также располагают несколькими путями биосинтеза.

Рисунок 1. НАД+ может использоваться и как косубстрат, и как кофермент. На рисунке изображены структуры НАД в его восстановленной (НАДН) и окисленной (НАД+) формах (гидриды красного цвета). Сиртуины отделяют ацетильные и ацильные группы от молекул белков-мишеней. Эта реакция связана с расщеплением НАД+ до никотинамида, а АДФ-рибоза выступает в роли акцептора для удаленной ацетильной (или ацильной) группы (желтого цвета).

Пути биосинтеза НАД+

Никотинамидадениндинуклеотид может синтезироваться из различных пищевых источников, в том числе никотиновой кислоты и никотинамида, триптофана и никотинамидрибозида (НР). Основным диетическим источником НАД+ является никотиновая кислота в форме ниацина (то есть витамина В3), который может трансформироваться в НАД+ за три этапа пути Присса-Хандлера (рисунок 2). Ключевым ферментом этого механизма является никотинамидмононуклеотид-аденилтрансфераза (НМНАТ), трансформирующая никотинамидмононуклеотид (НАМН) в никотинамидадениндинуклеотид (НААД) в присутствии аденозинтрифосфата (АТФ). Три формы фермента имеют различные субклеточные локализации: НМНАТ 1 — в ядре, НМНАТ2 — в цитозоле и комплексе Голджи, а НМНАТ3 — в цитозоле и митохондриях (2–4). Этот фермент также важен для механизма расщепления НАД+.

Синтез НАД+ их триптофана происходит в результате кинуренинового пути (5) (рисунок 2). Первый этап заключается в конверсии триптофана в N-формилкинуренин под действием индолеамин-2,3-диоксигеназы (ИДО) или триптофан-2,3-диаксигеназы (ТДО). Активность ИДО и ТДО ведет к появлению метаболитов кинуренинового пути, модулирующих активность иммунной, репродуктивной и центральной нервной систем млекопитающих. Этот этап пути является ограничивающим скорость и ба фермента часто чрезмерно экспрессированы в раковых клетках и могут способствовать развитию иммунной толерантности к опухоли посредством своей иммуномодулирующей активности. Другим ключевым этапом является трансформация 2-амино-3-карбоксимуконата-полуальдегида (АКМП). Молекулы этого соединения спонтанно конденсируются и перестраиваются в хинолинат, выступающий в роли предшественника для синтеза НАД+ (рисунок 2). Однако в большинстве условий АКМП декарбоксилируется АКМП-декарбоксилазой в 2-амино-3-муконат-полуальдегид (АМП), что ведет к его окислению в ацетил-коэнзим, А (CoA) в цикле Кребса (цикле трикарбоновых кислот). Если возможности АКМП-декарбоксилазы исчерпаны избытком триптофана (6), хинолинат трансформируется в НАМН, связывая этот механизм с путем Присса-Хандлера (рисунок 2).

Механизмы расщепления НАД+

Это является ключевым механизмом поддержания внутриклеточных уровней НАД+. Все расходующие НАД+ ферменты — сиртуины, АРТ и ПАРП — производят никотинамид в как побочный продукт своей ферментативной активности. Никотинамид регулирует их активность как ингибирующий фактор посредством связывания в запасающий комплекс НАД+ или как биосинтетический предшественник НАД+ через активность никотинамидфосфорибозилтрансферазы (НАФТ). Фермент перерабатывает никотинамид в никотинамидмононуклеотид (НАМН), конвертируемый в НАД+ различными формами НМНАТ (описано выше). Этот путь ведет к переработке никотинамида в НАД+ и ослабляет ингибирующее никотинамида на потребляющие НАД+ ферменты. Для бета-клеток поджелудочной железы и нейронов характерны низкие уровни экспрессии НАФТ, что, возможно, позволяет этому ферменту быстрее приобретать лимитирующую роль в этих клетках (7). НАФТ может содержаться как внутри, так и вне клетки.

НАД+ как косубстрат для ферментов

Никотинамидадениндинуклеотид является критичным кофактором для других ферментов, в том числе белковых деацетилаз сиртуинов, АДФ-рибоза трансфераз и ПАРП, а также цАДФР-синтаз (CD38 и CD157).

Белковые деацетилазы семейства сиртуинов

Эти белки сохранились в ходе эволюции в клетках многих организмов, от бактерий до человека. Они удаляют ацильные группы с остатков лизина на белках в по НАД-зависимому принципу. НАД+ расщепляется между никотинамидом и АДФ-рибозой, при этом последняя выступает в роли акцептора ацильных групп, формируя ацил-АДФ-рибозу (рисунок 1). Демонстрация того, что Sir2 является НАД±зависимой белковой деацетилазой (8) указывает на то, что ферментативная активность Sir2 может быть взаимосвязана с метаболическим статусом. Эту модель подтверждает наблюдение, согласно которому у пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae Sir2 необходим для увеличения продолжительности жизни в условиях низкокалорийной диеты (9).

Сиртуины регистрируют внутриклеточные концентрации НАД+ и преобразовывают сигнал через деацетилирование белков, преимущественно модифицируя ацетил, а также сукцинил, малонил, глутарил, пальмитоил и других жирные кислоты (10, 11). Сиртуин дрожжей Sir2 был идентифицирован как ген, контролирующий старение дрожжей, эта функция была подтверждена для круглых червей и мух-дрозофил (12–14). После того, как были подняты вопросы относительно стабильности этих эффектов и искажающих факторов в генотипах использованных штаммов (15), дополнительные исследования подтвердили увеличивающие продолжительность жизни эффекты ортологов Sir2 у мух-дрозофил и червей (16–18), а также SIRT1 и SIRT6 у мышей (19, 20).

У млекопитающих в различных субклеточных компартментах локализуются сеть сиртуинов: ядерные SIRT1, SIRT6 и SIRT7, цитоплазматический SIRT2 и митохондриальные SIRT3, SIRT4 и SIRT5. Возможность того, что концентрации НАД+ полу-независимо регулируются в разных клеточных компартментах может обеспечить дифференциальное влияние локальных изменений концентраций НАД+ на активность отдельных сиртуинов.

Способность низкокалорийной диеты, заключающейся в снижении употребления калорий на 10–40% с сохранением полноценности питания, увеличивать продолжительность жизни и продолжительность здоровой жизни была продемонстрирована на всех организмах, использовавшихся в качестве экспериментальных моделей. Положительное влияние низкокалорийной диеты на метаболизм и другие клеточные функции, такие как познавательная функция, зависят от обеспечиваемго SIRT1 распознавания НАД+. Белковая деацетилаза SIRT1 функционирует как эпигенетический регулятор путем воздействия на специфичные гистоно-ацелитированные остатки (то есть H3K9, H3K14 и H4K16), однако она также регулирует транскрипцию посредством деацетилирования факторов транскрипции (таких как TP53, NF-kB, PGC-1a и FOXO3a) (21). Как обсуждается выше, концентрации НАД+ колеблются в циркадианном режиме, связывая таким образом периферические часы с транскрипционной регуляцией метаболизма эпигенетическими механизмами через SIRT1. Основные компоненты циркадианных часов — BMAL1 и CLOCK — непосредственно регулируют экспрессию НАФТ в пути расщепления НАД+ у мышей. Концентрация белка SIRT1 относительно стабильная, однако активность его деацетилазы зависит от способности НАФТ продуцировать НАД+, а колебания ферментативной активности SIRT1 коррелируют с циркадианной продукцией НАД+. К ключевым мишеням SIRT1 относятся лизины-9 и -14 на гистоне-3 во множестве локусов генов, осциллирующих под действием циркадианных ритмов (22). SIRT1 также регулирует биогенез рибосом, являющийся энергоемким процессом у эукариот, в особенности в пролиферативных тканях. SIRT1 предположительно активируется посредством повышения уровней НАД+ процессе перехода в состояние глюкозного голода и деацетилирует гистон H3K9 в локусах рибосомальной ДНК совместно с белковым комплексом, содержащим нуклеометилин, метилтрансферазу гетерохроматина SUV39H1 и (23).

Сиртуин 1 фосфорилируется протеинкиназой, А как последствие активации адренергического рецептора в период голодания. Это индуцирует сдвиг его константы Михаэлиса (Km) для НАД+, что делает фермент чувствительным к изменениям концентраций НАД+ (24). SIRT6, также локализованный в ядре, связан со старением через регулирование стабильности теломер и воспаления посредством сигнального пути, опосредуемого ядерным фактором каппа-би (NF-kB). Деацетилирование гистона H3K9, судя по всему, является модификацией, связывающей активности SIRT6 с этими механизмами старения. Утрата SIRT6 ведет к развитию прогении, тогда как приобретение функции увеличивает продолжительность жизни самцов мышей на 15% (19, 25–27).
Сиртуин 3 является главной белковой деацетилазой митохондрий (28). Его экспрессия повышается при голодании и соблюдении низкокалорийной диеты и снижается в процессе старения и при употреблении богатой жирами пищи (29). SIRT3 деацетилирует и, соответственно, повышает ферментативную активность ключевых митохондриальных белков, вовлеченных в защиту от окислительного стресса и промежуточные метаболические механизмы, такие как окисление жирных кислот, цикл образования мочевины и окислительное фосфорилирование (30–35).
SIRT3 необходим для обеспечения защитного влияния низкокалорийной диеты на ассоциированную с возрастом утрату слуха (30). В отсутствие SIRT3 у мышей развивается синдром, схожий с метаболическим синдромом у человека, что приводит к развитию нарушений толерантности к глюкозе, умеренного ожирения, хронического воспаления, дислипидемии и стеатогепатита (29). Митохондриальные концентрации НАД+ колеблются согласно суточным ритмам и опосредуют изменение окислительной митохондриальной активности зависимым от SIRT3 образом (36). У круглых червей никотинамид метаболизируется в 1-метилникотинамид (МНА) под действием никотинамид-N-метилтрансферазы (anmt-1). Утрата этого фермента подавляет увеличивающий продолжительность жизни эффект Sir2.1. Таким образом, Sir2.1 может увеличивать продолжительность жизни путем производства никотинамида, который впоследствии трансформируется в МНА. МНА выступает в роли субстрата для альдегидоксидазы GAD-3, генерирующей пероксид водорода, способствующий запуску реакции митогормезиса, при которой умеренный стресс митохондрий стимулирует защитную реакцию во всей клетке (37, 38). Проявления взаимосвязи НАД±сиртуин-старение у млекопитающих и ее значимость для систем организма млекопитающих неясны, но заслуживают дальнейшего изучения.

Рисунок 2. Пути биосинтеза НАД+. Концентрация НАД+ поддерживается с помощью трех независимых путей. Во-первых, путь Приса-Хандлера использует поступающую с пищей никотиновую кислоту и фермент фосфорибозилтрансферазу никотиновой кислоты для продукции НАМН, который впоследствии трансформируется в НААД под действием НАМН-трансферазы. Три формы этого фермента (НМНАТ1, -2 и -3) имеют различные субклеточные локализаци. Процесс завершается трансформацией НАД в НАД+ под действием НАД±синтазы (НАДС). Во-вторых, синтез НАД de novo из троптофана происходит в результате кинуренинового пути (5). Первый этап этого пути является ограничивающей скорость конверсии триптофана в N-формилкинуренин (N-формилкин) под действием ИДО или ТДО. Формилкинуренин трансформируется в L-кинуренин (L-кин), 3-гидроксикинуренин и 3-оксиантраниловую кислоту и, в конечном итоге, в 2-амино-3-карбоксимуконат-полуальдегид (АКМП). Это соединение можен спонтанно конденсироваться и перестраиваться в хинолиновую кислоту, трансформирующуюся в НАМН, связывая этот механизм с путем Присса-Хандлера. АКМП также может декарбоксилироваться в 2-амино-3-муконат-полуальдегид (АМП), что ведет к его окислению в ацетил-коэнзим, А (CoA) в цикле Кребса (цикле трикарбоновых кислот). В-третьих, путь расщепления НАД+ перерабатывает никотинамид, формирующийся как побочный продукт ферментативной активности потребляющих НАД+ ферментов: сиртуинов, ПАРП и цАДФР-синтаз (CD38 and CD157). Изначально НАМФТ перерабатывает никотинамид в никотинамидмононклеотид (НАМН), конвертируемый в НАД+ различными формами НМНАТ (описано выше).

Поли(АДФ-рибоза)полимеразы

Ассоциированные с ПАРП белки кодируются 17 генами (19). Активированные ПАРП 1 и ПАРП 2 катализируют перенос множественных компонентов АДФ-рибозы с НАД+ на белки-акцепторы, генерируя долгие цепочки поли(АДФ-рибозы). Другие ПАРП ферментативно инактивируют или катализируют перенос моно-АДФ-рибозы на белки-акцепторы и менее важны для модулирования клеточных концентраций НАД+. ПАРП1 является наиболее преобладающей формой ПАРП и экспрессируется повсеместно. Этот ДНК-зависимый ПАРП сильно активируется повреждениями ДНК, что ведет к потреблению больших количеств клеточного НАД+. Фактически повреждения ДНК ведут к снижению (до 80%) клеточных концентраций НАД+. ПАРП1 принадлежит важная роль в выявлении и восстановлении повреждений ДНК, а также в принятии клеток решения о самовосстановлении или гибели после генотоксичного воздействия (40). ПАРП1 также способствует биогенезу рибосомальной РНК посредством ПАР-илирования ряда ядерных белков и необходим для сборки цитоплазматических стрессовых гранул, регулирующих стабильность и трансляцию иРНК в ответ на стресс (41).

Избирательные ингибиторы ПАРП находятся на стадии разработки или уже получили одобрение в качестве средств для лечения рака. Они демонстрируют искусственное поражающее действие с дефектами гомологичной репликации или тестируются в комбинации с химио- или радиотерапией (42). Данные ингибиторы также проходят тестирование как противовоспалительные препараты при инсульте и инфаркте миокарда.

НАД+ как кофактор ферментов

Никотинамидадениндинуклеотид и его фосфолирированное производное — никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) — являются важными коферментами для ферментов, осуществляющих перенос гидрид-ионов (рисунок 3). Они участвуют в окислительно-восстановительных реакциях как акцепторы (НАД+ и НАДФ+) или доноры (восстановленные формы НАД-Н и НАДФ-Н) гидрид-ионов. Эти две окислительно-восстановительные пары удерживаются в химическом противопоставлении: НАД+ преимущественно существует в окисленной форме, а НАДФ — в восстановленной форме НАДФ-Н. В качестве кофермента НАД+ необходим для производства энергии путем переноса восстанавливающих элементов из процесса гликолиза (активности глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы) и цикла трикарбоновых кислот в форме НАД-Н. В условиях ограниченного количества кислорода НАД-Н конвертируется в НАД+ путем восстановления пирувата в лактат. В присутствии кислорода цитоплазматический НАД-Н переносит своей восстанавливающий эквивалент через малат-аспартатный переносчик или глицерол-3-3-фосфатный переносчик на митохондриальный матрикс (рисунок 3). Эти восстанавливающие эквиваленты окисляются комплексом I электронно-транспортной цепи, таким образом связывая гликолиз и цикл трикарбоновых кислот с синтезом АТФ через окислительное фосфорилирование. НАДФ принадлежит критическая роль в нескольких молекулярных путях, в том числе в окислении жирных кислот и синтезе холестерина, а также окислительно-восстановительной защите. В данных реакциях НАД+ и НАД-Н (или НАДФ и НАДФ-Н) взаимноконвертируются, но не расходуются.

Угасание митохондриальной функции и сопровождающий его дефицит клеточной энергии были определены как критичные факторы в процессе старения и развития возрастных болезней (в особенности нейродегенеративных заболеваний). Несколько увеличивающих продолжительность жизни механизмов способствуют поддержанию митохондриальной функции, в том числе митохондриального биогенеза (43). Критичная роль НАД+ в промежуточном митохондриальном метаболизме свидетельствует о том, что вариации концентраций НАД+ в данном компартменте могут оказывать влияние на эффективность метаболизма, старение и ассоциированные с ним заболевания. Эта модель подкрепляет наблюдение, согласно которому компоненты малат-аспартатного переносчика НАД-Н, осуществляющего перенос восстанавливающего эквивалента от НАД-Н цитоплазмы к НАД-Н митохондриального матрикса, необходимы для увеличения продолжительности жизни в ответ на низкокалорийную диету у дрожжей (44).

Рисунок 3. Метаболизм НАД+ в различных клеточных компартментах. На рисунке изображены различные предшественники внутриклеточного метаболизма НАД — триптофан, никотиновая кислота, никотинамид, никотинамидрибозид, никотинамидмононуклеотид, — а также схемы их внеклеточного метаболизма под действием CD38 и CD73. Цитоплазматический и ядерный пулы НАД+, вероятно, уравновешиваются посредством диффузии через поры ядерной мембраны. Однако митохондриальная мембрана непроницаема как для НАД+, так и для НАД-Н. 

Восстанавливающие эквиваленты, формирующиеся в результате гликолиза, переносятся в митохондриальный матрикс помощью малат-аспартатного переносчика и глицеральдегид-3-фосфатного переносчика. Появляющийся в результате этого митохондриальный НАД-Н (малат-аспартатный переносчик) окисляется комплексом I дыхательной цепи, тогда как митохондриальный флавинадениндинуклеотид-2 (ФАД2) (глицеральдегид-3-фосфатный переносчик) окисляется комплексом II. В каждом из трех компартментов различные потребляющие НАД+ ферменты обеспечивают продукцию никотинамида, который перерабатывается в с помощью расщепляющего НАД+ механизма. Различные формы фермента НМНАТ и сиртуины локализованы в разных компартментах. Природа механизмов расщепления НАД+ в митохондриях на сегодняшний день изучена не полностью, однако НМНАТ3 идентифицирован в митохондриях. НАДК, НАД±киназа.

Конкуренция между НАД±потребляющими ферментами за общие пулы НАД+

Несмотря на то, что НАД используют три класса ферментов, им принадлежат разные роли в процессе старения. Сиртуины приобретают известность как ключевые медиаторы увеличенной продолжительности жизни, а ПАРП и НАД±гидролазы демонстрируют противоположный эффект. Доказательства в пользу данной вырисовывающейся модели детализированы ниже (рисунок 4). Между SIRT1 и ПАРП1 или CD38 существует интересная конкуренция за НАД+ (45). Например, активность ПАРП1 повышается в процессе старения по мере накопления повреждений ДНК, а также в ответ на поступление большого количества энергии (46–48). Так как ПАРП и SIRT1 имеют сравнительно одинаковые значения Km для НАД [50–97 мМ для ПАРП1 по сравнению с 94–96 мМ для SIRT1 (24, 49–52)], сопровождающее активацию ПАРП1 снижение концентраций НАД+ (снижение максимум на 80% начиная от 200 до 500 мМ в базовых условиях), ведет к уменьшению активности SIRT1.

Антагонистическое взаимодействие между SIRT1 и ПАРП1 выходит за пределы соревнования на НАД. SIRT1 также ингибирует ПАРП1 посредством деацетилирования и на уровне транскрипции (53, 54), они также оказывают противоположное влияние на ключевые белки клеток. Например, активность фактора транскрипции NF-kB подавляется опосредуемым SIRT1 деацетилированием его компонента p65/RelaA, тогда как ПАРП1 транскрипционно активирует NF-kB. Белок-супрессор опухолевого роста р53 активируется ПАРП1 в условиях генотоксического стресса и инактивируется SIRT1 через деацетилирование (55–57).

Экстремальный пример активации ПАРП1 наблюдается у пациентов с пигментной ксеродермой группы — заболевания, характеризующегося нарушением механизма восстановления ДНК путем эксцизионной репарации нуклеотидов и сопровожадающееся тяжелой нейродегенерацией. Клинические неврологические проявления заболевания (прогрессивная дегенерация мозжечка, периферическая невропатия и нейросенсорная тугоухость) аналогичны проявлениям, наблюдающимся при других нарушения восстановления повреждений ДНК, таки как атаксия-телеангиэктазия и синдром Кокрейна. Более того, иерархическая кластеризация основных митохондриальных болезней с нарушениями механизмов восстановления ДНК, основанная на общих симптомах и проявлениях, демонстрирует кластеризацию этих нарушений восстановления ДНК (синдром Кокрейна, пигментная ксеродерма, атаксия-телеангиэктазия) с несколькими основными митохондриальными болезнями [такими как синдром MEGDEL, болезнь Шарко-Мари-Тута типа 2А2 и синдром НАРП (невропатия, атаксия и пигментная ксеродерма)], а также с атаксией Фридрейха — заболеванием, ассоциированным с дефектом активности SIRT3, что свидетельствует о наличии общего патогенетического механизма, возможно запускаемого истощением запасов НАД+ (58, 59).

У пациентов с пигментной ксеродермой наблюдается гиперактивация ПАРП1, истощение запасов НАД+ и снижение активности SIRT1 (рисунок 4). У также регистрируются аномалии митохондрий, в том числе снижение митохондриальной аутофагии (митофагии), предположительно как последствие снижения активности оси НАД±SIRT1-PGC-1-альфа (60). Этот дефект митофагии при пигментной ксеродерме группы, А, синдроме Кокрейна и атаксии-телеангиэктазии можно подавить с помощью терапии ингибиторами ПАРП или препаратам, содержащими предшественники НАД+, такие как никотинамидмононуклеотид или никотинамидрибозид (60). Эта концепция была подтверждена на мышиной модели синдрома Кокрейна (csbm/m), являющейся носителем мутации в гене-ортологе гена csb, мутации которого вызывают синдром Кокрейна В у человека. У этих животных развиваются симптомы, характерные для синдрома Кокрейна, такие как короткая продолжительность жизни, аномалии митохондрий (гиперполяризация, повышенное потребление кислорода) и повреждений нейронов в мозжечке и внутреннем ухе. Также, как и при пигментной ксеродерме группы, А, ингибиторы ПАРП или предшественники НАД+ подавляют эти фенотипы (61). Диета с высоким содержанием жиров, ассоциированная с небольшим повышением уровня кетонового тела бета-гидроксибутарата, также подавляет проявление этих аномалий. Интактный SIRT1 необходим для каждого их этих вмешательств (диета с высоким содержанием жиров, предшественники НАД+ или ингибиторы ПАРП), что свидетельствует о том, что чрезмерная активация ПАРП ведет к снижению уровня НАД+, подавлению активности SIRT1 и нарушению митохондриальной функции, что вызывает дефицит энергии и повышает окислительный стресс (рисунок 4). Кетоновое тело бета-гидроксибутират ингибирует гистоновые деацетилазы класса I (HDAC1, HDAC2 и HDAC3) и повышает экспрессию MT2 и FOXO3A (62). Также белки семейства FOXO регулируют активность НАМФТ, окислительный стресс и процесс старения, бета-гидроксибутиат может косвенно регулировать концентрации НАД+, функционирование сиртуинов и процесс старения.

Аналогичная модель, основанная на активации ПАРП и истощении запасов НАД+ была разработана для старения мышей и круглых червей. Концентрации НАД+ у стареющих мышей и червей снижены и их восстановление с помощью никотинамидрибозида или ингибиторов ПАРП предотвращает ассоциированное с возрастом угасание метаболизма и способствует долголетию червей. Эти эффекты зависят от sir-2.1 — ортолога SIRT1 у червей и индукции дисбаланса митоядерных белков (48).

Другая параллельная ситуация, описанная для случая циклических АДФ-рибоза-синтаз (CD38, CD157), предоставляет дополнительное подтверждение предложенной выше модели. Оба белка продуцируют циклическую АДФ-рибозу из НАД+ и изначально были описаны как специфичные для лимфоцитов эктоферменты (ферменты, выделяемые во внешнюю среду). Однако они присутствуют и в других тканях, как внутри, так и вне клеток. CD38 является важным потребляющим НАД+ ферментом и для не имеющих его мышей характерны повышенные концентрации НАД+ в головном мозге, печени и мышечной ткани. Более того, в силу характерного для них результирующего усиленного расхода энергии и повышенной скорости метаболизма, эти животные защищены от развития ожирения, даже при содержании на богатом жирами рационе (63–65).
Их устойчивость к ожирению опосредована частично посредством НАД±зависимой активации оси SIRT-PGC-1-альфа (65). Напротив, гиперэкспрессия CD38 в клеточной линии, приводящая к снижению клеточных концентраций НАД+ на 35%, была ассоциирована со сниженной скоростью роста, повышенным окислительным стрессов и сниженной экспрессией белков, участвующих в гликолизе, антиокислительной реакции и восстановлении повреждений ДНК (66).

Рисунок 4. Модель повреждения ДНК, воспаления, НАД+ и старения. Два ключевых ассоциированных с воспалением события — активация ПАРП при повреждении ДНК и снижение экспрессии НАМФТ — ведут к снижению активности SIRT1 и SIRT3 в ядре и митохондриях соответственно. Сниженная активность SIRT1 ассоциирована с дальнейшей активацией ПАРП и усилением повреждения ДНК. Снижение активности SIRT1 также ведет к активации NF-kB и подавлению активности FOXO3a. Эти два фактора ведут к усугублению воспаления. Все это способствует формированию двух параллельных упреждающих петель положительной обратной связи, еще больше ускоряющих процесс старения. Этот процесс инициируется раньше и быстрее у пациентов с дефектами механизмов восстановления повреждений ДНК (таких как синдром Кокрейна, пигментная ксеродерма группы, А и атаксия-телеангиэктазия). Результатом снижения активности SIRT3 является ослабление митохондриальной функции, ведущее к гиперацетилированию митохондриального белка, тогда как снижение активности SIRT1 ассоциировано со снижением активности фактора TFAM (необходимого для репликации и транскрипции митохондриальной ДНК) и PGC-1-альфа (необходимого для митохондриального биогенеза). Возможные терапевтически вмешательства, направленные на восстановление уровней НАД+, проиллюстрированы для каждого из ключевых ферментов (красные стрелки).

Пищевые предшественники для синтеза НАД+

Так как данная область уделяет внимание дополнительному введению предшественников НАД для борьбы с сопровождающим старение снижение НАД+, наше понимание механизмов действия этих предшественников очень важно. Поступление предшественников для синтеза НАД+ может быть обеспечено рационом питания в нескольких формах (рисунки 2 и 3). Триптофан необходим для механизма синтеза de novo и может быть важным предшественником НАД+, однако активность АКМП-декарбоксилазы отстраняет АКМП от процесса синтеза НАД и может объяснить, почему триптофан сравнительно неэффективен как предшественник НАД+ (6).

Клетки щеточной каймы пищеварительного тракта гидролизуют НАД+ в никотинамидмононуклеотид (НМН) и 5’-АМФ. Никотинамидмононуклеотид гидролизуется до никотинамидрибозида (НР) и никотинамида (67). Никотиновая кислота может быть получена непосредственно из пищи или активности никотинамиддеамидазы, выделяемой бактериями кишечного тракта. Внутри клетки никотиновая кислота вступает в путь Приса-Хандлера. Никотинамидрибозид также может быть получен из продуктов питания (молока) или в результате частичного переваривания НАД+ и НМН. Судьба НМН и НР после приема в форме добавок или инъекций неясна. Белок клеточной поверхности CD73 перерабатывает НАД+ до НМН, а НМН — до НР, обеспечивая таким образом возможный механизм проникновения НМН и НАД+ внутрь клеток (68, 69) (рисунок 3).

НАД+, митохондриальная функция и старения

Утрата митохондриальной функции является важным отличительным признаком старения и возрастных заболеваний (70). Интересная взаимосвязь была обнаружена между метаболизмом НАД+, SIRT1, SIRT3 и митохондриальной функцией. 

НР и ингибиторы ПАРП увеличивают продолжительность жизни червей посредством активации митохондриального отклика неструктурированных белков (UPRmt) под действием sir2.1 (48). Так электронно-транспортная цель представляет собой мультибелковый комплекс, состоящий из белков, кодируемых как ядерными, так и митохондриальными геномами, несбалансированная экспрессия генов обоих геномов приводит к стехиометрическим вариациям между различными субъединицами комплекса I дыхательной цепи. Эти частично неструктурированные белки активируют митохондриальный отклик неструктурированных белков. В отдельном исследовании была выявлена ассоциация между снижением уровня ядерного НАД+, аномальной активностью SIRT1 и подавлением активности TFAM — основного фактора транскрипции-репликации для митохондриального генома. Это приводило к раннему снижению экспрессии кодируемых митохондриальным геномом белков электронно-транспортной цепи и развитию псевдогипоксического состояния, напоминающего эффект Варбурга, сопровождающийся повышением активности гликолиза и снижением активности комплексов I, III и IV, но не комплекса II, состоящего только из белков, кодируемых геномом ядра (71). Непродолжительное (1 неделя) добавление в корм таких мышей НМН восстанавливало митохондриальный гомеостаз в мышечной ткани, что указывает на способность содержащих НАД+ добавок восстанавливать обратимые аспекты процесса старения (71). Оба наблюдения согласуются с моделью, указывая на то, что дисбаланс относительного стехиометрического состава белков электронно-транспортной цепи, кодируемых митохондриальным и ядерным геномами, может индуцировать увеличение продолжительности жизни посредством активации митохондриального отклика неструктурированных белков. В подтверждение этого механизма мутации или снижение функции ядерных генов, кодирующих компоненты электронно-транспортной цепи у дрожжей, круглых червей Caenorhabditis elegans, мух-дрозофил и мышей, увеличивают продолжительность жизни посредством активации митохондриального отклика неструктурированных белков (72).

Несмотря на то, что SIRT1 был идентифицирован как ключевая мишень НАД+ в механизме, обеспечивающем проявление его положительных эффектов, митохондриальный метаболизм НАД+ и SIRT3 также важен для старения. SIRT3 необходим для защитного эффекта низкокалорийной диеты в отношении возрастной тугоухости и окислительного стресса (30, 34). Более того, утрата SIRT3 ассоциирована с индукцией псевдогипоксического состояния, аналогичного наблюдаемого при старении (71). Утрата SIRT3 ассоциирована с ускоренным развитием метаболического синдрома у мышей, содержащихся на богатом жирами корме, а полиморфизм SIRT3 у человека ассоциирован со сниженной ферментативной активность SIRT3 и повышенным риском развития метаболического синдрома (29). Комплекс I является главным акцептором гидрид-ионов от НАД-Н в митохондриях и ингибирование его активности задерживает НАД-Н в его восстановленной форме (рисунок 3). Таким образом, утрата комплекса I респираторной цепи посредством инактивации одной из ее субъединиц (Ndufs4) ассоциировано с повышением уровня НАД-Н и относительным снижением уровня НАД+. Это снижение уровня НАД+ ведет к ослаблению активности SIRT3, выраженному ацетилированию митохондриальных белков и ускорению развития сердечной недостаточности в ответ на хронический стресс (73). БОльшая часть этих последствий устраняется после добавления в рацион НМН (73). SIRT3 также необходим для защитного эффекта, оказываемого НР и Wlds (рекомбинантный белок, в состав которого входит НМНАТ1, см. ниже) в отношении индуцированной шумом тугоухости (29).
Дефекты митохондриальной электронно-транспортной