哈佛医学院证实NMN可显著抑制百草枯和辐射等造成的严重DNA损伤

美国哈佛医学院“长寿教父”大卫·辛克莱尔等科学家发现,NAD+可直接调节细胞内与DNA损伤相关蛋白质间的相互作用,补充NMN可抵抗辐射、百草枯等造成的损伤,延缓衰老。

  美国哈佛医学院“长寿教父”大卫·辛克莱尔等科学家发现,NAD+可直接调节细胞内与DNA损伤相关蛋白质间的相互作用,补充NMN可抵抗辐射、百草枯等造成的损伤,延缓衰老。

  2021年6月17日, 聂海胜、汤洪波、刘伯明三位宇航员搭载神舟十二号载人飞船顺利登空,开启了我国空间站阶段首次载人飞行旅程,为中国航天再创历史,这也离我国拥有“太空家园”的目标更进了一步。

图1: 2021年6月17日, 我国空间站阶段首次载人飞行旅程,为中国航天再创历史。但太空中高辐射、低重力的特殊环境对宇航员身体内DNA的损伤却也是不可避免的问题。

  图1: 2021年6月17日, 我国空间站阶段首次载人飞行旅程,为中国航天再创历史。但太空中高辐射、低重力的特殊环境对宇航员身体内DNA的损伤却也是不可避免的问题。

  然而,科技的发展虽然能够帮助人们开启宇宙之旅,但太空中高辐射、低重力的特殊环境对宇航员身体内DNA的损伤却也是不可避免的问题,这也一直是科学家们试图弄清楚并攻克的难题之一。2017年,哈佛医学院的David Sinclair团队在国际期刊《科学》(Science)上发表了一篇关于DNA修复的研究[1],似乎为攻克这一难题带来了新视角。

图2: 哈佛医学院的David Sinclair团队在国际期刊《科学》上发表了一篇关于DNA损伤与修复的研究表明,通过补充NMN提高小鼠 NAD+水平后,DNA的抗损伤和修复能力均发生了显著提升。

  图2: 哈佛医学院的David Sinclair团队在国际期刊《科学》上发表了一篇关于DNA损伤与修复的研究表明,通过补充NMN提高小鼠 NAD+水平后,DNA的抗损伤和修复能力均发生了显著提升。

  David Sinclair团队发现,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)具有的蛋白质结合位点,可以与某些特定蛋白结合,直接调节与DNA损伤相关蛋白质之间的相互作用,控制DNA的修复;并且当补充β-烟酰胺单核苷酸(Nicotinamide mononucleotide,NMN)提高小鼠 NAD+水平后,DNA的抗损伤和修复能力均发生了显著提升。

  文章一出,便吸引了美国宇航局NASA的注意,人们猜测或许利用这一作用原理,可以帮助宇航员在宇宙中探险时减少身体损伤。

图3: 虽然人体自身本带有依赖NAD+的DNA修复机制,但随着年龄的增长,细胞内NAD+的水平会显著降低,机体修复DNA的能力逐渐下降,DNA损伤发生积累,从而导致细胞功能障碍。

  图3: 虽然人体自身本带有依赖NAD+的DNA修复机制,但随着年龄的增长,细胞内NAD+的水平会显著降低,机体修复DNA的能力逐渐下降,DNA损伤发生积累,从而导致细胞功能障碍。

  DBC1可能是NAD+调节DNA修复酶和长寿蛋白的“中间桥梁”

  其实DNA损伤不只局限于在太空中发生,生活中许多常见疾病究其根本也是DNA损伤的后果,如癌症、神经退行性疾病、帕金森病和衰老等。虽然人体自身本带有依赖NAD+的DNA修复机制,但随着年龄的增长,细胞内NAD+的水平会显著降低,机体修复DNA的能力逐渐下降,DNA损伤发生积累,从而导致细胞功能障碍。

  NAD+是一种经典的辅酶,存在于所有活细胞中,是产生细胞能量和保持DNA完整性的关键分子,可通过影响聚ADP-核糖聚合酶(Poly ADP-ribose polymerase,PARP)和“长寿蛋白”(sirtuins蛋白,SIRT1-7) 来控制DNA修复。其中PARP是一类可以修复细胞DNA的酶,sirtuin蛋白亦与DNA损伤相关,这两者相互依赖、互相调控,其活性增加有利于改善人类健康和延长寿命。

  然而,NAD+具体是通过何种方式影响调节了PARP1、sirtuin这两种蛋白的活性,目前尚未可知。对此,David Sinclair团队将目光聚焦在蛋白质间的相互作用(即一种蛋白质可以结合另一种蛋白质,进而可能抑制或增强其功能),并提出其中主要发挥作用的蛋白质可能是乳腺癌缺失因子1(Deleted in breast cancer 1,DBC1)蛋白。DBC1蛋白可调控多种信号通路,如细胞代谢、凋亡、昼夜周期,甚至涉及癌症的发病机制等。目前发现,DBC1蛋白具有与NAD+相似的结合域,可与NAD+结合(如图4)。

图4: NAD+DBC1结合的晶体模型

图4: NAD+DBC1结合的晶体模型

  DBC1显著抑制PARP1活性

  有研究表明[2]DBC1可以抑制SIRT1,由于PARP1和SIRT1均依赖于NAD+发挥功能,因此David Sinclair等人通过蛋白质印迹法(一种可测蛋白质含量的试验),测试了DBC1是否也可以抑制PARP1,来共同调节NAD+参与DNA的修复。结果显示,无DBC1存在时,PRAP1活性显著增加,而当DBC1存在时,PRAP1活性大幅下降,说明DBC1与PARP1可能通过结合形成DBC1-PARP1复合物,而显著抑制了PARP1的活性(如图5)。

图5: DBC1显著抑制PARP1的活性其中DBC1+/+代表有DBC1蛋白质,DBC1-/-代表没有DBC1蛋白质。

图5: DBC1显著抑制PARP1的活性

  其中DBC1+/+代表有DBC1蛋白质,DBC1-/-代表没有DBC1蛋白质。

  提高NAD+水平可抑制DBC1与PARP1的结合

  为了探究在DBC1与PARP1结合形成复合物的过程中,NAD+充当了何种角色,David Sinclair等人检测了将细胞内NAD+的水平从0μM逐步提升到100、200、500 μM时,细胞内DBC1-PARP1复合物的含量变化。结果显示,随着NAD+水平的逐渐升高,DBC1-PARP1复合物的形成逐渐减少,说明DBC1与PARP1的结合受NAD+水平的影响(图6右)。

图6: DBC1-PARP1复合物随NAD+水平升高而减少图中红框标记的蛋白条带为DBC1-PARP1复合物的含量,颜色越浅,蛋白含量越低。

图6: DBC1-PARP1复合物随NAD+水平升高而减少

  图中红框标记的蛋白条带为DBC1-PARP1复合物的含量,颜色越浅,蛋白含量越低。

  补充NMN可减少细胞内DNA损伤

  上述结论简单来说就是,DBC1除了可以与NAD+结合外,也可以与PARP1结合形成DBC1-PARP1复合物,二者存在竞争关系,而当细胞内NAD+水平升高时,DBC1与NAD+结合得多,DBC1-PARP1复合物就形成的少,PARP1的活性就越高,而这可能会提高DNA的修复能力。

  为了进一步验证该猜想是否正确,David Sinclair等人在人源皮肤细胞上进行了试验。将细胞分为四组,第一组无任何处理作为对照,第二组仅给予NMN(500 μM);第三组给予百草枯(300 μM,可诱导DNA损伤);第四组共同给予百草枯(300 μM)和NMN(500 μM),以上各组分别观察γH2AX阳性细胞(代表DNA损伤)的含量。结果显示,相比对照组,百草枯组中DNA损伤显著增加,而当补充NMN后,DNA损伤明显减少,这可能是由于DNA抗损伤能力或修复能力显著提高。

图7: NMN (500 μM)可保护百草枯(300 μM)对DNA的损伤作用其中γH2AX阳性细胞可代表DNA损伤程度,含量越高,DNA损伤就越多;*代表具有显著差异。

  图7: NMN (500 μM)可保护百草枯(300 μM)对DNA的损伤作用

  其中γH2AX阳性细胞可代表DNA损伤程度,含量越高,DNA损伤就越多;*代表具有显著差异。

  以上结果说明,NMN可能是通过提高NAD+水平,参与调节了DBC1与PARP1这两蛋白质间的相互作用,从而发挥了对DNA的保护作用。

  动物试验亦证实NAD+及NMN对DNA的保护作用

  为了验证在细胞水平上的发现,David Sinclair等人在动物中也进行了试验。首先,检测了1)年轻小鼠与年老小鼠中NAD+、DBC1-PARP1复合物的水平差异,其次检测了2)当连续一周给予年老小鼠腹腔注射(500 mg/kg/d)NMN后,小鼠体内NAD+、DBC1-PARP1复合物水平的变化。此外,还检测了3)NMN对经辐射(伽马射线)照射小鼠体内DNA的作用。

  结果显示:1)与年轻小鼠相比,年老小鼠的肝脏NAD+浓度较低(图8左),DBC1-PARP1复合物含量较高(图8右)。

图8: 年轻小鼠与年老小鼠肝脏中NAD+水平和DBC1-PARP1复合物水平的差异情况其中*代表具有显著差异。

  图8: 年轻小鼠与年老小鼠肝脏中NAD+水平和DBC1-PARP1复合物水平的差异情况

  其中*代表具有显著差异。

  2)当连续一周给予小鼠腹腔注射(500 mg/kg/d)NMN后,年老小鼠肝脏中NAD+的浓度显著升高(图9左),且破坏了DBC1-PARP1复合物,其含量大幅减少(图9中);此外,年老小鼠肝细胞中DNA损伤也显著减少(图9右)。

图9: 年老小鼠在腹腔注射NMN(500 mg/kg/d)后,其肝脏中NAD+水平(左)、DBC1-PARP1复合物水平(中)的差异情况,以及肝细胞中DNA损伤的情况(图右)其中在图右中,红色箭头标记的为代表DNA损伤的γH2AX阳性细胞,相比年轻对照组,年老对照组DNA损伤增加,而补充NMN后,年老小鼠DNA损伤显著减少;*代表具有显著差异。

  图9: 年老小鼠在腹腔注射NMN(500 mg/kg/d)后,其肝脏中NAD+水平(左)、DBC1-PARP1复合物水平(中)的差异情况,以及肝细胞中DNA损伤的情况(图右)

  其中在图右中,红色箭头标记的为代表DNA损伤的γH2AX阳性细胞,相比年轻对照组,年老对照组DNA损伤增加,而补充NMN后,年老小鼠DNA损伤显著减少;*代表具有显著差异。

  3)在经辐射照射的老年小鼠上也进行了上述2)类似的研究。结果显示,与正常年老小鼠相比,辐射显著增加了DNA损伤,而当补充NMN后,这种损伤作用显著减少,说明NMN提高了年老小鼠DNA的抗损伤和修复能力,这与体外组百草枯试验结果一致。

图10: NMN(500 mg/kg/d)对经辐射照射年老小鼠的DNA影响图中γH2AX阳性细胞代表DNA损伤,含量越高,DNA损伤越严重;*代表具有显著差异。

  图10: NMN(500 mg/kg/d)对经辐射照射年老小鼠的DNA影响

  图中γH2AX阳性细胞代表DNA损伤,含量越高,DNA损伤越严重;*代表具有显著差异。

  综合上述结果说明,小鼠体内NAD+水平会随着年龄的增长而下降,NAD+与DBC1的结合能力逐渐减弱,DBC1与PARP1的结合会越来越多,导致抑制PARP1活性,DNA修复能力下降,DNA损伤逐渐积累。但补充NMN后,NAD+水平可显著提高,进而可扭转年老小鼠的这一过程,甚至在辐射条件下,NMN也可协助机体抵抗辐射对DNA的伤害。

图11: 衰老过程中NAD+对PARP1-DBC1复合物的调节模型年轻人中相对较高的 NAD+ 水平通过限制 PARP1-DBC1 复合物来维持最佳 PARP1 活性,允许游离 PARP1 促进 DNA 修复并促进细胞存活。当 NAD+ 对 PARP1 的调节可能作为一个负反馈循环,当水平低于细胞活力阈值时,限制 PARP1 对 NAD+ 的消耗,从而允许其他 DNA 修复模式接管,直到 NAD+ 水平恢复。随着 NAD+ 水平随着年龄的增长而下降,PARP1 越来越多地与 DBC1 结合,导致 PARP1 和 DNA 修复活动减少。提高 NAD+ 水平使 DBC1 与 PARP1 分离并恢复 PARP1 和 DNA 修复活动。

  图11: 衰老过程中NAD+对PARP1-DBC1复合物的调节模型

  年轻人中相对较高的 NAD+ 水平通过限制 PARP1-DBC1 复合物来维持最佳 PARP1 活性,允许游离 PARP1 促进 DNA 修复并促进细胞存活。当 NAD+ 对 PARP1 的调节可能作为一个负反馈循环,当水平低于细胞活力阈值时,限制 PARP1 对 NAD+ 的消耗,从而允许其他 DNA 修复模式接管,直到 NAD+ 水平恢复。随着 NAD+ 水平随着年龄的增长而下降,PARP1 越来越多地与 DBC1 结合,导致 PARP1 和 DNA 修复活动减少。提高 NAD+ 水平使 DBC1 与 PARP1 分离并恢复 PARP1 和 DNA 修复活动。

  David Sinclair等人的研究阐明了NAD+在细胞中具有的第三个功能:直接调节与DNA修复相关蛋白质间的相互作用,并提出或可通过补充NMN提高NAD+水平,来提高 DNA 修复效率,进而保护机体免受DNA损伤,为抵抗相关疾病带来了新视角。未来科学家们或可以此为着手点,为宇航员甚至更多领域的人们提供可抵抗辐射、预防癌症、延缓衰老的有效手段。

  参考文献

  Li Jun,Bonkowski Michael S,Moniot Sébastien et al. A conserved NAD binding pocket that regulates protein-protein interactions during aging.[J] .Science, 2017, 355: 1312-1317.

  E. Kim, J. Chen, and Z. Lou, DBC1 is a negative regulator of SIRT1, Nature, vol. 451, 2008,no. 7178, pp. 583–586.

  文章来源:https://www.nmn.cn/news/yu07n