Cell 子刊：上海交通大学王戈林团队揭示 NAD 合成酶调控能量应激的机制

来源：丁香学术

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）是动植物体内广泛分布的重要代谢物，主要有两大功能：一是作为氧化还原载体和辅酶参与体内能量代谢和其他代谢过程，二是作为一系列 NAD+ 消耗酶的底物和信号分子，参与 DNA 修复、基因表达调控、干细胞稳态、神经退行及炎症反应等生命过程。随着机体的衰老，NAD+ 水平显著下降，并与多种衰老相关疾病，如神经退行性疾病、心血管疾病、代谢综合征、感染性和炎症性疾病等的发生发展密切相关【1-2】。

NAD+ 代谢受多条途径严格调控，以维持其稳态。在哺乳动物细胞中，NAD+ 的主要来源来自烟酰胺（NAM）起始的补救合成途径，该途径的限速酶烟酰胺磷酸核糖转移酶（NAMPT）对维持细胞内 NAD+稳态至关重要。研究表明，NAMPT 基因敲除会导致小鼠胚胎致死，而通过上调 NAMPT 表达或药物干预提升 NAMPT 活性则展现出广泛的治疗潜力【3-5】。在生理状态下，NAMPT 通过保守的 ATP 依赖性自磷酸化机制维持活性；然而在能量应激条件下，其调控机制仍是未解之谜。虽然已知多种应激刺激可诱导 NAMPT 表达上调，但这种上调却不足以补偿 NAD+ 的耗竭，暗示存在更为精细的调控网络。

近日，上海交通大学医学院王戈林研究团队在Molecular Cell杂志上发表了题为

「The NAMPT enzyme employs a switch that directly senses AMP/ATP and regulates cellular responses to energy stress」

在该研究中，研究团队通过禁食手段引起小鼠能量应激，对小鼠肝脏进行全局代谢物-蛋白质相互作用图谱分析，系统性地寻找 NAMPT 的内源性调控因子，发现能量匮乏的信号分子 AMP 在饥饿条件下与 NAMPT 特异性结合。结构生物学研究发现 AMP 结合在 NAMPT 的催化活性口袋内部，与酶产物烟酰胺单核苷酸（NMN）的结合模式基本相同。D354A 的突变完全破坏了 AMP-NAMPT 的结合，而 ATP 与 NAMPT 结合关键位点 D313A 的突变则不影响 AMP 的结合。接下来通过一系列酶学手段，研究团队发现 AMP 能够抑制 NAMPT 的催化活性，剂量依赖性地抑制 NAMPT 催化产物 NMN 的生成，并确定了 AMP 对 ATP 介导的 NAMPT 自磷酸化的抑制作用。此前，研究团队已通过高通量药物筛选和基于靶点结构的理性药物设计，获得了靶向 NAMPT 的小分子激活剂（NATs）， NATS 在 化疗诱导的外周神经病变的动物模型中表现出良好的神经保护作用 【5】 。 本研究发现 NATs 可以竞争性减轻 AMP 对 NAMPT 的抑制作用。

为了深入探究这一发现是否同样也在体内存在，研究团队对禁食小鼠的肝脏进行了代谢组学分析，发现长期饥饿条件下（48 小时）NAMPT 介导的补救合成减少是 NAD+ 水平降低的主要原因。代谢组学结果还显示 AMP 的升高不仅由于 ATP 降解，嘌呤合成途径对 AMP 升高也有实质性贡献。为了验证细胞中 AMP 的升高会通过抑制补救合成途径而导致 NAD+ 耗竭，研究团队通过加入 AMP 的前体 AICAR 以提高细胞内 AMP 水平，发现 AICAR 能够通过提高 AMP 水平而引起细胞内补救合成途径的抑制和 NAD+ 水平的降低。而通过诱导表达 NAD+ 水解酶 SARM1 激活形式（409-724 片段）引起的细胞内 NAD+ 急剧耗竭，也反过来导致了 ATP 水平下降和 AMP 水平的显著升高，进而抑制 NAD+ 补救合成途径。另外 AICAR 和 SARM1 导致的 NAD+ 耗竭都可以被 NAMPT 激活剂 NAT-5r 部分逆转。

为了探究 NAMPT 感应和调控能量应激机制的生理学意义和在能量耗竭相关疾病中的应用，研究团队分别构建了原代神经元细胞的糖氧剥夺（OGD）模型和小鼠全脑缺血模型。在 2.5 小时 OGD 处理导致成熟神经元（MAP2+）数量和 NAD+ 水平急剧下降，而 NMN 或 NAMPT 激活剂（NATs）预处理可部分逆转这种下降。双侧颈总动脉结扎（BCCAO）引起的小鼠脑缺血模型中海马 CA1 区锥体神经元受损，而 3 mg/kg NAT-5r 处理可显著预防该损伤。代谢组分析表明 BCCAO 小鼠脑内 AMP/ATP 比值升高，嘌呤合成代谢物积累，同时 NAD+ 和糖酵解代谢物减少，提示 NAMPT 介导的补救途径受到抑制。而 NAT-5r 预处理可提升 BCCAO 小鼠脑内 NAD+ 水平并促进其恢复。

综上所述，该研究发现能量应激条件下 AMP 作为 NAMPT 的内源性负调控因子， 而 NAMPT 激活剂（NATs）可缓解 AMP 的抑制作用，并在能量耗竭病理条件下（如缺血性脑卒中）表现出神经保护作用。这些发现揭示了 NAMPT 既是能量传感器，又是 NAD+ 合成控制开关，使 NAD+ 代谢与 ATP 代谢这两种基本能量代谢在能量应激中发挥协同调控作用。同时，该研究为能量匮乏相关疾病临床药物开发提供了理论基础和潜在药物靶点。

上海交通大学医学院王戈林研究员为本论文的通讯作者。课题组博士后俎玉萌、已毕业博士生吴愁、已出站博士后李菲菲、博士后姚红、博士生夏禹玥和已出站博士后张若曦为该论文的共同第一作者。该研究也得到了美国德克萨斯大学西南医学中心 Steve McKnight、Hong Zhang，肯塔基大学 Young-Sam Lee，清华大学唐叶峰、范仕龙、胡泽平、唐煜、黄善金、杨茂君，北京生命科学研究所陈涉，上海体育大学王一兵以及武汉大学周芙玲等团队的大力支持。

王戈林研究员曾先后在美国德州大学西南医学中心、谷歌创建的 Calico 生命科学公司、清华大学药学院从事靶向 NAD 代谢的衰老机制研究和药物发现。其所在的上海交通大学医学院课题组正在招聘助理研究员和博士后，欢迎对以上研究方向感兴趣的青年才俊加入！

联系邮箱：gwlab2017@163.com；

详情请访问：

https://www.shsmu.edu.cn/rlzy/info/1011/3538.htm

参考文献：

1. Garten, A., Schuster, S., Penke, M., Gorski, T., de Giorgis, T., and Kiess, W. (2015). Physiological and pathophysiological roles of NAMPT and NAD metabolism. Nat Rev Endocrinol 11, 535-546. 10.1038/nrendo.2015.117.

2. Covarrubias, A.J., Perrone, R., Grozio, A., and Verdin, E. (2021). NAD(+) metabolism and its roles in cellular processes during ageing. Nat Rev Mol Cell Biol 22, 119-141. 10.1038/s41580-020-00313-x.

3. van der Veer, E., Ho, C., O'Neil, C., Barbosa, N., Scott, R., Cregan, S.P., and Pickering, J.G. (2007). Extension of human cell lifespan by nicotinamide phosphoribosyltransferase. J Biol Chem 282, 10841-10845. 10.1074/jbc.C700018200.

4. Wang, G., Han, T., Nijhawan, D., Theodoropoulos, P., Naidoo, J., Yadavalli, S., Mirzaei, H., Pieper, A.A., Ready, J.M., and McKnight, S.L. (2014). P7C3 neuroprotective chemicals function by activating the rate-limiting enzyme in NAD salvage. Cell 158, 1324-1334. 10.1016/j.cell.2014.07.040.

5. Yao, H., Liu, M., Wang, L., Zu, Y., Wu, C., Li, C., Zhang, R., Lu, H., Li, F., Xi, S., et al. (2022). Discovery of small-molecule activators of nicotinamide phosphoribosyltransferase (NAMPT) and their preclinical neuroprotective activity. Cell Res 32, 570-584. 10.1038/s41422-022-00651-9

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.05.022

图片版权：Molecular Cell、图虫创意

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