AD+の代謝と老化プロセスにおける役割

ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD+）は酸化還元反応に使われる補酵素であり、エネルギー代謝の中心的存在である。NAD+はまた、脱アセチル化酵素、CD38、ポリ（ADP-リボース）ポリメラーゼなどの非酸化NAD+依存性酵素の重要な補酵素でもある、 NAD+は、代謝経路、DNA修復、クロマチンリモデリング、細胞老化、免疫細胞機能など、多くの重要な細胞機能に直接的、間接的に影響を与える。 これらの細胞プロセスや細胞機能は、組織や代謝の恒常性を維持し、健全な加齢を維持するために極めて重要である。 注目すべきことに、げっ歯類やヒトを含む様々なモデル生物において、老化は組織や細胞のNAD+レベルの漸減を伴っている。NAD+レベルの低下は、認知機能の低下、がん、代謝障害、サルコペニア、虚弱体質など、多くの老化関連疾患と因果関係がある。 これらの老化関連疾患の多くは、NAD+レベルを回復させることで進行を遅らせたり、あるいは逆転させたりすることができる。 したがって、NAD+代謝を標的とすることは、老化関連疾患を改善し、ヒトの健康寿命と長寿を延ばすための潜在的な治療アプローチとして浮上してきた。 しかし、NAD+がヒトの健康や老化の生物学にどのように影響するかについては、まだ解明されていないことが多い。例えば、NAD+レベルを調節する分子メカニズム、老化の過程でNAD+レベルを効果的に回復させる方法、その方法が安全かどうか、NAD+の補給がヒトの老化に有益な効果をもたらすかどうかなどについては、さらに理解を深める必要がある。

コンテキスト

NAD+が最初に同定されたのは、酵母エキスの代謝速度を調節する役割のためであり、その後、酸化還元反応における主要な水素化物受容体として同定された。水素化物イオンを受容して還元型NADHを形成するNAD+の能力は、すべての生命体の代謝反応にとって重要であり、解糖、グルタミン分解、脂肪酸酸化など、様々な異化経路に関与するデヒドロゲナーゼの活性を調節している。 NAD+はリン酸化されてNADP+を形成することもでき、NADP+は水素化物受容体として作用してNADPHを形成する。NADPHは生体を酸化ストレスから保護したり、脂肪酸合成のような還元エネルギーを必要とする同化経路で使用される。

エネルギー代謝に加え、NAD+は何百もの酵素の補酵素や基質として利用されるため、細胞プロセスや細胞機能の調節において様々な役割を担っており、その多くは現在も研究されている。NAD+レベルと健康との関連は、約1世紀前に確立された。 1937年、コンラッド・エルベヘムは、ペラグラ（皮膚炎、下痢、痴呆を特徴とする）が食事中のナイアシンの欠乏によって引き起こされ、NAD+とNADP+のレベルが低くなることを発見した。 最近では、NAD+レベルの低下は、代謝性疾患や神経変性疾患を含む様々な疾患状態と関連しており、NAD+レベルの低下は、げっ歯類やヒトの老化と関連していることが知られている。 その結果、NAD+代謝がどのように疾患、特に老化に関連する疾患の起源に影響を及ぼすかを理解することに新たな関心が集まっている。 この点に関して、NAD+前駆体であるニコチンアミドリボシド（NR）およびニコチンアミドモノヌクレオチド（NMN）を用いたNAD+レベルの回復は、加齢関連疾患の治療のための重要な治療アプローチとして浮上しており、少なくともげっ歯類では、in vivoで有益な効果があるようである。

細胞のNAD+代謝

NAD+は、様々な代謝経路や細胞プロセスにおける重要な代謝産物であり補酵素である。 NAD+はまた、NAD+酵素（CD38、CD157、SARM1）として知られるタンパク質脱アシラーゼファミリーとして知られるNAD+糖加水分解酵素、サーチュイン、様々な重要な細胞機能を持つポリ（ADP-リボース）ポリメラーゼ（PARPs）の3つのクラスのNAD+欠乏性酵素によって継続的に変換される。 重要な細胞機能を持つ。 これらはNAD+を基質または補酵素として利用し、副産物としてニコチンアミド（NAM）を産生する。 NAD+レベルを維持するために、NAMはNAMリサイクル経路を介してNAD+にリサイクルされる。 さらに、主に肝臓に存在する一部の細胞は、ペプチドからNAD+食餌源をゼロから合成することができる。 このように、NAD+は細胞内で絶えず合成、異化、再利用され、安定した細胞内NAD+レベルを維持している（図1）。

NAD+の生合成

NAD+は、キヌレニン経路を介してl-トリプトファンから、あるいはプリス・ハンドラー経路を介してナイアシン（NA）などのビタミン前駆体から、デノボで合成される（図1a）。 肝臓以外のほとんどの細胞では、トリプトファンをキヌレニン経路でNAD+に変換するのに必要な酵素がすべて発現しているわけではない。 トリプトファンの大部分は肝臓でNAMに代謝され、そこで血清中に放出され、末梢細胞に取り込まれ、NAM修復経路を経てNAD+に変換される。 さらに場合によっては、マクロファージなどの免疫細胞もトリプトファンからNAD+を産生する。 このように、肝臓に加え、第一原理生合成経路は、NAD+の大部分がNAM救済経路からもたらされる、より間接的なメカニズムで、全身のNAD+レベルに寄与しているようである。

サーチュインのNAD+消費

サーチュインは、その発見以来、主要な代謝過程、ストレス応答、老化生物学を制御することで広く注目されてきた。 哺乳類のサーチュインファミリーは、細胞内局在、酵素活性、下流の標的が異なる7つの遺伝子とタンパク質から構成されている。 これらのNAD+依存性酵素の細胞内局在は、細胞内NAD+プールの局所的変動がいかにサーチュインによって選択的に制御され、それによってオルガネラ特異的サーチュイン機能と細胞代謝に影響を与えるかを明らかにしている。 基礎状態では、SIRT1とSIRT2がNAD+消費総量の約3分の1を占めているようである。 さらに、NAD+レベルの増加は、絶食時やカロリー制限時のサーチュイン活性化と密接な関係がある。

PARPs

ヒトのPARPタンパク質ファミリーは17のタンパク質からなる。 簡単に説明すると、PARPが介在するNAD+の開裂は、副産物としてNAMとADP-リボースを取り込み、ADP-リボースはPARP自身や他のレセプタータンパク質に単結合または共有結合したポリマーとして付加される。 (図2）。 全てのPARPの中で、PARP1、PARP2、PARP3だけが初期のDNA損傷に応答して核内に局在し、DNA損傷修復に重要な役割を果たしている。 DNA損傷は、PARP1の高活性による大量のNAD+の枯渇と関連している。 PARP1は、NAD+に応答するシグナル伝達分子として、老化プロセスと密接に関係している。 PARP1は主要なNAD+枯渇因子の一つであり、これは急性のDNA損傷を受けた細胞だけでなく、正常および他の病態生理学的条件下でも起こることが示され、PARP1がNAD+ホメオスタシスの調節に重要な役割を担っているという説が支持された。

CD38とCD157とSARM1

CD38とCD157は、グリコヒドロラーゼ活性とADP-リボシルシクラーゼ活性を併せ持つ多機能エキソヌクレアーゼである。NAD+の糖加水分解は、NAD+内のグリコシドを開裂してNAMとADP-リボースを生成する主触媒反応であり、ADP-リボシルシクラーゼ活性は環状ADP-リボースを生成する（図2）。 CD38はまた、酸性条件下でNAD(P)+のNAを交換することによって塩基交換反応を行い、アデニン・ニコチン酸ジヌクレオチドを生成する（図2）。 重要なことは、NAD+とNADP+に加えて、NMNがCD38の代替基質となりつつあり、一方CD157はNRを代替基質として消費することである。 したがって、CD38とCD157を低分子阻害剤で標的とすることで、これらの一般的に使用されるNAD+前駆代謝物が、老化した個体のNAD+レベルを回復させるのに、より効果的になるかもしれない。SARM1は最近、CD38とCD157とともに、NAD+糖加水分解酵素およびサイクラーゼのファミリーに分類されている。 SARM1を介したNAD+分解は、軸索損傷後の軸索変性において重要な役割を果たすことが報告されている。

細胞におけるNAD+の役割

NAD+を消費する主要な酵素に加え、NAD+は生化学反応の補酵素や基質として広く利用されており、NAD+活性に依存する酵素は300を超える。 このように、NAD+は主要な細胞機能と代謝要求への適応の仲介役である。 これらの重要な細胞プロセスの中には、代謝経路、酸化還元ホメオスタシス、DNAの主要な供給源、ゲノムの安定性を守るための修復、エピジェネティックな制御とクロマチンリモデリング、オートファジーなどが含まれる。 これらの機能は、生体内で全身の健康と恒常性を維持するために重要である。 しかしながら、加齢に伴いNAD+のレベルが低下すると、これらのプロセスに影響を及ぼし、加齢に伴う疾患を悪化させる（図3）。

老化におけるNAD+依存性メカニズム

加齢に影響する、あるいは影響を受ける主な細胞プロセスには、代謝機能障害、DNA修復の失敗とゲノムの不安定性、炎症、細胞老化、神経変性などがあり、NAD+レベルはこれらのプロセスの調節に重要な役割を果たしている（図4）。 NAD+の分解経路を標的としたり、NAD+レベルを増加させたりすることは、代謝プロセスに影響を及ぼし、代謝性疾患の予防に効果的である可能性がある。NAD+サプリメント（NRおよびNMN）は、加齢に伴うNAD+レベルの低下を回復させ、げっ歯類モデルにおける肥満も予防できることから、これらのサプリメントは、肥満のヒト患者の代謝的健康を回復させる治療アプローチとして有用であることが示唆される。

免疫細胞機能の制御

NAD+はマクロファージ機能の重要な調節因子である一方、マクロファージの活性化は、その獲得した運命に応じてNAD+の生合成または分解経路のアップレギュレーションと関連することが、これまでの研究で示されている。 例えば、炎症性（M1）マクロファージの極性化は、CD38発現の亢進と関連し、NAD+消費の増加をもたらす。 逆に、抗炎症性（M2）マクロファージ極性化は、NAMPTに依存するNAD+レベルの増加と関連している。 M1マクロファージとM2マクロファージにおけるNAMサルベージ経路の遮断は、M1とM2の表現型に関連する選択遺伝子の発現を有意に減少させた。 この効果は、NAMPT阻害を迂回し救済するNAD+前駆体NMNおよびNRの補充によって救済された。M2マクロファージがマクロファージ活性化を救済するためには、有意に多くのNR/NMNを必要としたことから、NAD+は一般にマクロファージ活性化を促進する重要な代謝産物であり、その代謝は異なる生物学的プロセスおよび機能を制御するために異なる制御がなされていることが示唆された T細胞生物学におけるNAD+とNAD+枯渇酵素の調節的役割はよく確立されているが、適応免疫老化への寄与はほとんど証明されていない。 一方では、細胞外NAD+は制御性T細胞など特定のT細胞サブセットにおいて細胞死を引き起こすと考えられている。 他方、NAD+はT細胞の分極に影響を与えるなど、免疫調節特性を示すようである。 しかしながら、NADが特定のT細胞の表現型を促進するのかどうか、またNAD+前駆体によるNAD+代謝の調節が同様の免疫調節特性をもたらすのかどうかは不明である。

細胞老化

老化期に細胞内のNAD+レベルを増加させることを目的とした治療法は、健康寿命を延ばすための有望なターゲットであるが、NAD+が細胞老化にどのように影響するかは不明である。 最近の研究で、老化細胞はNAMサルベージ酵素NAMPTの発現をアップレギュレートし、老化細胞のSASPはNAD+レベルに依存することが示された。 老化細胞をNMNで処理すると、SASPが増加し、慢性炎症が増加し、炎症に起因する癌の発生が促進される可能性がある。 これらの知見は、NAD+を促進するサプリメントを摂取すると、慢性炎症や癌の発生を促進するなどの長期的な副作用がある可能性を示唆している。 炎症は非常に複雑で多様なプロセスであるため、NAD+レベルが様々な炎症状態にどのように影響するのか、またNAD+代謝が炎症性免疫や老化細胞の生物学にどのようにメカニズム的に影響するのかをよりよく理解するためには、さらなる研究が必要である。

NAD+レベルの低下を標的とした治療

健康的な加齢と長寿におけるNAD+の重要性は、過去20年にわたって認識されてきた。 NAD+レベルは、食事やライフスタイルの選択によって調節することができる（図4）。 NAD+レスキュー経路に関与するNAD+前駆体を食事から補給すること、NAD+生合成酵素、特に律速酵素を調節すること、PARPやCD38などNAD+分解に関与する酵素を阻害することである。