Cell Metabolism | 李小玲组揭示微生物通过代谢旁路促进哺乳动物的NAD合成
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide， NAD) 是存在于所有细胞中的一种必需的辅酶。作为一种转递电子的辅酶，它参与数百个代谢反应，在调控细胞能量代谢、基因组稳定性、免疫反应、生物周期和衰老中发挥着不可替代的作用【1-3】。然而，细胞内NAD自身代谢受环境因子调控的机制仍不清楚。
哺乳动物细胞有三条合成NAD的通路，分别是以色氨酸为起始底物的从头通路（de novo pathway），以烟酸（nicotinic acid，NA）为起始底物的脱酰胺通路（又叫Preiss-Handler pathway）和以烟酰胺（nicotinamide，NAM）为起始底物的酰胺通路 （图1）【4】。在大多数的哺乳动物细胞和组织中，NAM来源的短途径的酰胺通路被认为是最主要的NAD合成通路【5】。NA来源的脱酰胺通路是一条在进化上更为古老的通路，并且该通路中的代谢酶同酰胺通路的代谢酶一样广泛地高表达于许多哺乳动物组织中。但脱酰胺通路一直被认为是一个在哺乳动物中不重要的旁路，到目前为止我们对该通路的研究还很少，对它在哺乳动物中的重要性认识远远不够。
图1 哺乳细胞中的NAD代谢通路
研究细胞内NAD的稳态具有很重要的应用意义。比如癌症细胞需要生成大量的ATP来维持它们的快速增殖，而NAD是合成ATP所必需的，因而很多癌细胞都高表达酰胺通路限速酶NAMPT。因此NAMPT是抗肿瘤药物的一个重要靶点【6,7】。而另一方面，NAD的浓度随着年龄的增长是逐渐降低的【8】。近年来的一系列研究表明酰胺通路中的一些NAD合成前体，比如烟酰胺单核苷酸（Nicotinamide mononucleotide， NMN) 或者烟酰胺核糖（Nicotinamide riboside， NR），能在动物模型中有效地提升NAD的浓度，进而预防或延缓一系列老年病【9】。因而NMN和NR最近被营养药学界推崇成抗衰老“神药”。在这些实验中，NMN和NR被普遍认为是通过酰胺通路并绕过NAMPT的限速步骤来提升NAD浓度的【9】。
2020年3月3日，美国国立卫生研究院 (NIH) 环境健康科学研究所李小玲（Xiaoling Li）研究组，联合该所质谱平台主任Jason Williams以及杜克大学Jason Locasale教授等在Cell Metabolism杂志上发表题为Bacteria boost mammalian host NAD metabolism by engaging the deamidated biosynthesis pathway 的研究论文。该研究利用代谢组学和稳定同位素追踪技术以及无菌小鼠模型，首次揭示了细菌，特别是肠道微生物，能通过非常规的另类脱酰胺通路来促进哺乳动物细胞和组织中NAD的合成，并进一步阐明这个由肠道微生物介导的脱酰胺NAD合成通路是当前通过口服酰胺通路的NAD合成前体（比如NR）来提升哺乳动物组织细胞中的NAD浓度的主要机制。
该研究始于一次偶然的机缘。研究人员在一次chemical screen实验中意外发现支原体污染的细胞在体内和体外均对NAMPT抑制剂导致的细胞死亡有抗性。进一步的研究表明大肠杆菌也和支原体一样能抵抗NAMPT抑制剂对人类结肠癌细胞的杀伤。利用代谢组学和稳定同位素追踪技术，研究人员发现微生物能激活人类结肠癌细胞内的脱酰胺通路，让细胞能在酰胺通路被NAMPT抑制剂阻断时通过该旁路继续从NAM合成NAD，因而对NAMPT抑制剂产生抗性。在大肠杆菌中，这个抗性是由一个叫PncA的烟酰胺水解酶（nicotinamidase）提供的。PncA能把NAM转化成NA，从而把哺乳动物中的酰胺通路和脱酰胺通路连接起来在。基于最近关于微生物在人类肿瘤中广泛存在的报道【10,11】，该研究暗示细菌的pncA基因或许是NAMPT抑制剂在临床试验中失败的原因之一。
该研究进一步发现这种细菌和哺乳动物细胞之间的跨界代谢相互作用也存在于体内，肠道菌群及其pncA基因对口服NAM促升组织内NAD浓度，特别是肝内NAD的合成，至关重要。利用体内稳定同位素追踪技术，他们表明口服NAM能显著地提升正常小鼠多个组织中NAD脱酰胺通路的合成前体NA、NAR和NAAD的浓度，而这些前体的浓度在肠道菌群被抗生素去除的小鼠中被明显地降低了，在移植了pncA KO大肠杆菌的无菌小鼠中更是完全不能被检测到。因而去除肠道菌群或敲除肠道菌群的pncA基因明显地降低了口服NAM提升肠道和肝脏NAD水平的效力。进一步三重稳定同位素追踪定量实验表明这个由肠道菌群介导的NAD脱酰胺合成途径是口服NAM促进大肠，肝脏和肾脏NAD合成的主要机制。他们的结果显示口服的NAM在肠腔，特别是大肠腔中被其中的共生微生物通过PncA降解成NA。NAM和NA进而被肠上皮细胞吸收，分别经过酰胺通路和脱酰胺通路合成NAD。与酰胺通路被NAD反馈性抑制不同，脱酰胺通路合成效率更高，导致大肠上皮细胞中大部分NAD都经该通路合成。此外，NA、NAM以及在NAD合成过程中产生的中间物NAMN、NAR和NMN都可以进入门静脉，进一步影响肝脏和全身的NAD合成（图2）。
图2 口服NAM主要通过脱酰胺通路提升组织NAD合成
更为重要的是，该研究还表明口服的抗衰老保健品NR也和NAM一样是主要通过肠道微生物介导的脱酰胺通路来促进组织内NAD合成的。
此项由NIH领导的研究首次揭示了一个微生物和哺乳动物细胞在代谢上的相互作用，并揭示了该相互作用在肿瘤抗药性和保健品功效上的重要功能。该研究为今后进一步探索如何通过靶向肿瘤内细菌来提升抗肿瘤药效和如何调控肠道微生物来调节哺乳动物NAD代谢及其相关生理和病理过程奠定了基础。
该项研究由美国国立卫生研究院环境健康科学研究所，杜克大学，南阿拉巴马大学和北卡大学教堂山分校等机构合作完成。南京医科大学公共卫生学院通过和美国国立卫生研究院环境健康科学研究所合作伙伴关系参与了该项研究。美国国立卫生研究院环境健康科学研究所的代谢基因环境研究组的李小玲资深研究员为高级作者和主通讯作者，该组的Staff Scientist Igor Shats是第一作者和共同通讯作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.02.001
参考文献
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