摘要：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
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。AbMole为全球科研客户提供高纯度、高生物活性的抑制剂、细胞因子、人源单抗、天然产物、荧光染料、多肽、靶点蛋白、化合物库、抗生素等科研试剂，全球大量文献专利引用。
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]。2014年，AbMole的两款抑制剂分别被西班牙国家心血管研究中心和美国哥伦比亚大学用于动物体内实验，相关科研成果发表于顶刊 Nature 和 Nature Medicine。
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
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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).
来源：AbMole