NAD⁺的結(jié)構(gòu)、生理功能在神經(jīng)和合成生物學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

一、NAD⁺（β-DPN）的結(jié)構(gòu)與生理功能
1. NAD⁺（Nadide）的結(jié)構(gòu)
NAD⁺（β-Nicotinamide Adenine Dinucleotide，AbMole，M9086）由煙酰胺、腺嘌呤和兩個核糖通過磷酸二酯鍵連接而成。其結(jié)構(gòu)中的煙酰胺部分在氧化還原反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用，能夠可逆地接受或給出電子和質(zhì)子，從而實現(xiàn) NAD⁺與還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）之間的相互轉(zhuǎn)化。這種獨特的結(jié)構(gòu)賦予了NAD⁺在生物化學(xué)反應(yīng)中作為電子載體的重要功能^[1]。

2. NAD⁺（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）參與細胞能量代謝
NAD⁺（Coenzyme 1，AbMole，M9086）在細胞能量代謝中處于核心地位。在糖酵解過程中，甘油醛-3-磷酸脫氫酶以NAD⁺為輔酶，將甘油醛-3-磷酸氧化為1,3 -二磷酸甘油酸，同時使NAD⁺還原為NADH。生成的 NADH 可進入線粒體，通過氧化磷酸化作用產(chǎn)生ATP，為細胞提供能量。在三羧酸循環(huán)中，多個步驟也依賴 NAD⁺作為輔酶，如異檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶等，它們催化底物脫氫，使NAD⁺轉(zhuǎn)化為NADH，進一步推動能量的產(chǎn)生。此外，NAD⁺還參與脂肪酸β-氧化過程，在該過程中，脂肪酸逐步被氧化分解，生成的FADH₂和NADH 進入呼吸鏈產(chǎn)生ATP。總之，NAD⁺通過參與細胞內(nèi)的糖代謝、脂肪代謝等過程，在能量的產(chǎn)生、儲存和利用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，維持細胞正常的能量穩(wěn)態(tài)^[1]。
3. NAD⁺（β-NAD）參與維持細胞基因組的穩(wěn)定性
NAD⁺（Coenzyme 1，AbMole，M9086）是PARP家族的關(guān)鍵底物，PARP在DNA損傷修復(fù)中扮演著重要角色。當(dāng) DNA發(fā)生單鏈斷裂或雙鏈斷裂時，PARP能夠迅速識別損傷位點并結(jié)合，隨后利用 NAD⁺作為底物，將PARP自身及其他蛋白質(zhì)進行ADP -核糖基化修飾，招募相關(guān)修復(fù)蛋白至損傷部位，啟動DNA修復(fù)機制。研究表明，NAD⁺水平的降低會顯著削弱 PARP 介導(dǎo)的DNA損傷修復(fù)能力，導(dǎo)致 DNA 損傷的累積，增加基因組的不穩(wěn)定性，進而可能引發(fā)細胞衰老、凋亡甚至腫瘤發(fā)生等一系列不良后果^[1]。此外，Sirtuin 家族中的一些成員，如SIRT6，也參與DNA雙鏈斷裂修復(fù)過程。SIRT6 能夠通過去乙�；�修飾組蛋白H3賴氨酸 9（H3K9），招募 DNA 修復(fù)蛋白至損傷位點，促進 DNA修復(fù)，而這一過程也依賴于NAD⁺的存在。因此，NAD⁺通過支持 PARP和 Sirtuin等相關(guān)酶的功能，在維持基因組的穩(wěn)定性中發(fā)揮至關(guān)重要的作用^[1]。

二、NAD⁺（β-Nicotinamide Adenine Dinucleotide）的科研應(yīng)用
衰老這一研究領(lǐng)域近年取得了突破性進展，NAD⁺水平下降被確認為是核心衰老標(biāo)志之一。多種模式生物研究表明，哺乳動物組織中的NAD⁺含量隨年齡增長呈顯著下降趨勢，這種下降與線粒體功能障礙、基因組不穩(wěn)定性和慢性炎癥等衰老特征密切相關(guān)。通過補充NAD⁺前體物質(zhì)，如煙酰胺單核苷酸（NMN），可有效提升老年模式動物（如小鼠、大鼠）體內(nèi)的NAD⁺水平，進而促進健康并延長壽命。例如有文獻發(fā)現(xiàn)NMN可以改善飲食和年齡增長誘導(dǎo)的小鼠糖尿病的病理生理學(xué)特征^[2]。另一項研究也表明，NAD⁺ 補充能夠改善小鼠的線粒體和干細胞功能，并延長其壽命^[3]。

在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，NAD⁺（Coenzyme 1，AbMole，M9086）的代謝與神經(jīng)退行性疾病的密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，由錯誤折疊的朊蛋白誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡是由于NAD⁺耗竭引起的，而NAD⁺補充可以在體外和體內(nèi)緩解這種死亡^[4]。此外，NAD⁺還被發(fā)現(xiàn)能夠減輕氧化應(yīng)激，恢復(fù)老年小鼠腦微血管內(nèi)皮細胞的血管生成能力，這為研究新生血管受阻導(dǎo)致的認知障礙提供了潛在工具^[4]。

NAD⁺（Coenzyme 1，AbMole，M9086）作為一種關(guān)鍵的輔酶，在合成生物學(xué)和酶的進化及設(shè)計中還具有廣泛的應(yīng)用。例如有研究在蛋白的結(jié)構(gòu)中嵌入多種NAD⁺依賴型蛋白的活性口袋，從而將蛋白轉(zhuǎn)化為高效人工光酶，并且這類人工光酶已成功應(yīng)用于多種復(fù)雜手性分子的合成^[5]。

三、文獻詳解
Nat Commun. 2021 Mar 8;12(1):1513
清華大學(xué)、陸軍軍醫(yī)大學(xué)的科研團隊利用嗜鹽菌 Halomonas bluephagenesis 作為底盤生物，通過代謝工程改造實現(xiàn) 3- 羥基丙酸（3HP）及其共聚物聚（3 -羥基丁酸-co-3-羥基丙酸）（P3HB3HP）的高效生產(chǎn)。研究通過轉(zhuǎn)錄組分析鑒定出3HP的降解途徑（涉及 DddA 等酶），并敲除該途徑以減少3HP消耗；同時篩選并優(yōu)化內(nèi)源性醇脫氫酶（AdhP）和醛脫氫酶（AldDₕᵦ）的表達，增強 1,3 - 丙二醇（PDO向3HP的轉(zhuǎn)化效率。此外，通過平衡氧化還原狀態(tài)（如添加乙酸促進 NADH 消耗）、優(yōu)化培養(yǎng)基和發(fā)酵策略，最終構(gòu)建的工程菌株在開放、非無菌補料的分批發(fā)酵中實現(xiàn) 154 g・L⁻¹ 的3HP產(chǎn)量，且能積累占細胞干重 60%、含32-45% 3HP 單體的 P3HB3HP 共聚物，證明該菌株是高產(chǎn)3HP及相關(guān)共聚物的優(yōu)良菌株。研究人員在實驗中，使用了AbMole的兩款產(chǎn)品：NADH（AbMole，M4989）和NAD⁺（Coenzyme 1，AbMole，M9086），用來在體外檢測AdhP 和 DhaT等酶的還原活性。在酶活性分析中，通過反應(yīng)體系中的3HPA作為底物，NADH 作為還原輔酶，NAD⁺作為氧化輔酶，監(jiān)測 NADH在340nm 處吸光度的變化來測定酶活性。
參考文獻及鳴謝
[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).