AbMole丨NAD⁺：从细胞能量到代谢衰老、神经退行研究的关键辅酶

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide，NAD⁺）作为一种在生物体内广泛存在且至关重要的辅酶，参与了众多关键的生物学过程。从细胞的能量代谢，到基因组的稳定性维持，再到多种信号通路的调控，NAD⁺都发挥着不可或缺的作用。随着研究的不断深入，NAD⁺（AbMole，M9086）在衰老、代谢性疾病、神经退行性疾病等诸多生理过程中的关键作用逐渐凸显。

一、NAD⁺（β-DPN）的结构与生理功能

1.NAD⁺（Nadide）的结构

NAD⁺（β-Nicotinamide Adenine Dinucleotide，AbMole，M9086）由烟酰胺、腺嘌呤和两个核糖通过磷酸二酯键连接而成。其结构中的烟酰胺部分在氧化还原反应中起着关键作用，能够可逆地接受或给出电子和质子，从而实现NAD⁺与还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）之间的相互转化。这种独特的结构赋予了NAD⁺在生物化学反应中作为电子载体的重要功能[1]。

2.NAD⁺（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）参与细胞能量代谢

NAD⁺（Coenzyme 1，AbMole，M9086）在细胞能量代谢中处于核心地位。在糖酵解过程中，甘油醛-3-磷酸脱氢酶以NAD⁺为辅酶，将甘油醛-3-磷酸氧化为1,3 -二磷酸甘油酸，同时使NAD⁺还原为NADH。生成的NADH可进入线粒体，通过氧化磷酸化作用产生ATP，为细胞提供能量。在三羧酸循环中，多个步骤也依赖NAD⁺作为辅酶，如异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶等，它们催化底物脱氢，使NAD⁺转化为NADH，进一步推动能量的产生。此外，NAD⁺还参与脂肪酸β-氧化过程，在该过程中，脂肪酸逐步被氧化分解，生成的FADH₂和NADH进入呼吸链产生ATP。总之，NAD⁺通过参与细胞内的糖代谢、脂肪代谢等过程，在能量的产生、储存和利用中发挥着关键作用，维持细胞正常的能量稳态[1]。

图1. NAD⁺参与细胞的代谢[1]

3.NAD⁺（β-NAD）参与维持细胞基因组的稳定性

NAD⁺（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，AbMole，M9086）是PARP家族的关键底物，PARP在DNA损伤修复中扮演着重要角色。当DNA发生单链断裂或双链断裂时，PARP能够迅速识别损伤位点并结合，随后利用NAD⁺作为底物，将PARP自身及其他蛋白质进行ADP -核糖基化修饰，招募相关修复蛋白至损伤部位，启动DNA修复机制。研究表明，NAD⁺水平的降低会显著削弱PARP介导的DNA损伤修复能力，导致DNA损伤的累积，增加基因组的不稳定性，进而可能引发细胞衰老、凋亡甚至肿瘤发生等一系列不良后果[1]。此外，Sirtuin家族中的一些成员，如SIRT6，也参与DNA双链断裂修复过程。SIRT6能够通过去乙酰化修饰组蛋白H3赖氨酸9（H3K9），招募DNA修复蛋白至损伤位点，促进DNA修复，而这一过程也依赖于NAD⁺的存在。因此，NAD⁺通过支持PARP和Sirtuin等相关酶的功能，在维持基因组的稳定性中发挥至关重要的作用[1]。

二、NAD⁺（β-Nicotinamide Adenine Dinucleotide）的科研应用

衰老这一研究领域近年取得了突破性进展，NAD⁺水平下降被确认为是核心衰老标志之一。多种模式生物研究表明，哺乳动物组织中的NAD⁺含量随年龄增长呈显著下降趋势，这种下降与线粒体功能障碍、基因组不稳定性和慢性炎症等衰老特征密切相关。通过补充NAD⁺前体物质，如烟酰胺单核苷酸（NMN），可有效提升老年模式动物（如小鼠、大鼠）体内的NAD⁺水平，进而促进健康并延长寿命。例如有文献发现NMN可以改善饮食和年龄增长诱导的小鼠糖尿病的病理生理学特征[2]。另一项研究也表明，NAD⁺补充能够改善小鼠的线粒体和干细胞功能，并延长其寿命[3]。

在神经科学领域，NAD⁺（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，AbMole，M9086）的代谢与神经退行性疾病的密切相关。研究发现，由错误折叠的朊蛋白诱导的神经元死亡是由于NAD⁺耗竭引起的，而NAD⁺补充可以在体外和体内缓解这种死亡[4]。此外，NAD⁺还被发现能够减轻氧化应激，恢复老年小鼠脑微血管内皮细胞的血管生成能力，这为研究新生血管受阻导致的认知障碍提供了潜在工具[4]。

NAD⁺（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，AbMole，M9086）作为一种关键的辅酶，在合成生物学和酶的进化及设计中还具有广泛的应用。例如有研究在蛋白的结构中嵌入多种NAD⁺依赖型蛋白的活性口袋，从而将蛋白转化为高效人工光酶，并且这类人工光酶已成功应用于多种复杂手性分子的合成[5]。

三、文献详解

Nat Commun. 2021 Mar 8;12(1):1513

清华大学、陆军军医大学的科研团队利用嗜盐菌Halomonas bluephagenesis作为底盘生物，通过代谢工程改造实现3-羟基丙酸（3HP）及其共聚物聚（3 -羟基丁酸-co-3-羟基丙酸）（P3HB3HP）的高效生产。研究通过转录组分析鉴定出3HP的降解途径（涉及DddA等酶），并敲除该途径以减少3HP消耗；同时筛选并优化内源性醇脱氢酶（AdhP）和醛脱氢酶（AldDₕᵦ）的表达，增强1,3 -丙二醇（PDO向3HP的转化效率。此外，通过平衡氧化还原状态（如添加乙酸促进NADH消耗）、优化培养基和发酵策略，最终构建的工程菌株在开放、非无菌补料的分批发酵中实现154 g・L⁻¹的3HP产量，且能积累占细胞干重60%、含32-45% 3HP单体的P3HB3HP共聚物，证明该菌株是高产3HP及相关共聚物的优良菌株。研究人员在实验中，使用了AbMole的两款产品：NADH（AbMole，M4989）和NAD⁺（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，AbMole，M9086），用来在体外检测AdhP和DhaT等酶的还原活性。在酶活性分析中，通过反应体系中的3HPA作为底物，NADH作为还原辅酶，NAD⁺作为氧化辅酶，监测NADH在340nm处吸光度的变化来测定酶活性。

图2. Selection of efficient enzymes for biosynthesis of 3HP in H. bluephagenesis

参考文献及鸣谢

[1] A. J. Covarrubias, R. Perrone, A. Grozio, et al., NAD(+) metabolism and its roles in cellular processes during ageing, Nature reviews. Molecular cell biology 22(2) (2021) 119-141.

[2] M. P. Giner, S. Christen, S. Bartova, et al., A Method to Monitor the NAD(+) Metabolome-From Mechanistic to Clinical Applications, International journal of molecular sciences 22(19) (2021).

[3] H. Zhang, D. Ryu, Y. Wu, et al., NAD⁺ repletion improves mitochondrial and stem cell function and enhances life span in mice, Science (New York, N.Y.) 352(6292) (2016) 1436-43.

[4] J. Waddell, R. Khatoon, T. Kristian, Cellular and Mitochondrial NAD Homeostasis in Health and Disease, Cells 12(9) (2023).

[5] Ping Du, Jinsi Li, Tai-Ping Zhou, et al., An NAD⁺ analogue enables assembly of structurally diverse artificial photoenzymes for enantiodivergent [2 + 2] cycloadditions, Nature Catalysis (2025).