背景：
自噬是一种细胞内降解途径，通过循环利用亚细胞组分来维持代谢稳态。NAD是一种参与能量代谢的必需代谢产物，并作为一系列NAD+消耗酶(NADases)的底物，包括PARPs和SIRTs。自噬活性和NAD水平的下降代表细胞衰老的特征，从而显著延长动物的健康/寿命，并使细胞的代谢活动正常化。机制方面，已有研究表明NADases可直接调节自噬和线粒体质量控制。相反，自噬可以通过调节细胞应激来维持NAD水平。
简介：
2023年3月4日，来自英国纽卡斯尔大学医学院生物科学研究所的Viktor I. Korolchuk教授课题组在Trends in Cell Biology（IF: 21.1）杂志上发表题为“The autophagy–NAD axis in longevity and disease”的文章[1]。本文就NAD与自噬的双向关系及其机制进行综述，并为抗衰老相关疾病和延长寿命提供潜在的治疗靶点。
主要结果：
NAD作为自噬的调节因子。
NAD+除了在能量代谢中发挥作用外，还被一系列称为NAD+核苷酶(NADases)的非氧化还原酶所消耗。这些酶包括sirtuin家族脱乙酰基酶(SIRTs)、聚ADP核糖聚合酶(PARPs)和环ADP核糖(cADPR)合酶(CD157和CD38)。NADase介导的NAD+分解代谢的副产物是烟酰胺(NAM)，它与其他NAD中间体，包括烟酰胺核苷(NR)和烟酰胺单核苷酸(NMN)，通过多步回收途径在局部回收为NAD+。NAD+也可以从头合成，但效率较低，由循环l -色氨酸或烟酸合成。一段时间以来，人们已经认识到通过补充代谢前体来补充NAD可增强自噬和线粒体质量控制，从而促进组织年轻化和生物寿命延长。在机制方面，研究将NADase作为NAD介导的自噬调节的驱动因素(图2)。
SIRTs对自噬的调节。
SIRT1主要存在于细胞核中，是7种哺乳动物NAD+依赖的sirtuin去乙酰化酶中特征最好的，也是与自噬调节最密切相关的sirtuin。既往研究表明，SIRT1通过自噬起始蛋白[ATG5/7/8和微管相关蛋白轻链3 (LC3)]的翻译后修饰和自噬相关转录因子(TFEB和FoxO)的去乙酰化依赖性激活促进自噬。
然而，大量研究强调了通过线粒体自噬降解(称为线粒体自噬)实施的线粒体质量控制也与SIRT1活性相关。这首先在XPA(着色性干皮病互补组A)蛋白缺陷引起的DNA修复缺陷的人类细胞中建立。XPA缺陷细胞表现出SIRT1活性下调，伴有线粒体自噬/线粒体健康受损和PARP1过度活跃。这种畸变可以通过补充NAD+前体细胞来补救。此外，在缺氧后的心肌细胞中，SIRT1/3增效剂白藜芦醇通过增强线粒体自噬关键成分Parkin和p62之间的相互作用来增强线粒体功能。这些发现与SIRT1和AMPK激活，分别通过NR和二甲双胍处理，强烈上调星形胶质细胞p62的表达和增加ULK1依赖的线粒体自噬的研究一致。
PARPs对自噬的调节。
PARPs通过催化ADP核糖(来源于NAD+水解)转移到靶蛋白，在包括DNA修复在内的各种细胞过程中发挥作用。在PARP家族中，PARP1最能介导聚ADP-核糖基化(PARylation)，并介导约80-90%的DNA损伤诱导PARylation事件。之前，PARP1被证明在DNA损伤和短期代谢崩溃时促进细胞保护性自噬。同样，在氧化应激期间，敲低耳蜗边缘细胞中的PARP1可以抑制自噬，从而触发线粒体去极化和凋亡。然而，同一项研究表明，过量的ROS暴露可诱导PARP1超活化和细胞死亡，即parthanatos，而parthanatos与帕金森病(PD)的病理有关。因此，细胞保护性自噬还是parthanatos是PARP1活性的主要结局可能取决于ROS暴露的特定阈值。这与现有的概念一致，即根据DNA损伤的严重程度，轻度PARP激活具有保护作用，而PARPs失控的NAD+裂解具有促凋亡作用。
在机制上，PARP1可能通过表观遗传调控自噬相关基因的表达来促进自噬。例如，PARP1已被证明通过将组蛋白H1从其启动子中移出，从而上调心肌细胞中促自噬转录因子FoxO3a的活性，这可能改变染色质结构，从而暴露FoxO3a靶基因。值得注意的是，SIRT1还可以通过直接去乙酰化增加FoxO转录因子的输出。
图1：自噬在维持代谢稳态中的作用
自噬作为NAD代谢的调节器。
线粒体功能障碍、ROS生成增加和基因组不稳定是细胞衰老的特征。氧化应激刺激自噬，自噬通过清除ROS的来源和破坏性后果(包括线粒体和蛋白质聚集体)来平衡这些病理特征。此外，过量ROS释放引起的DNA链断裂可触发PARP超活化和NAD池的致命耗竭。因此，我们想知道自噬是否通过减少氧化应激而参与NAD稳态，而氧化应激通常会触发失控的NAD+/NADH分解代谢。相比之下，自噬已经与细胞核苷酸库的保存有关。
自噬缺陷与NAD代谢。
很少有报道研究自噬是否通过类似于其在核苷酸稳态中的作用，直接调节NAD水平以支持细胞生存。其中一项研究旨在了解自噬缺陷的小鼠胚胎成纤维细胞(Atg5-/-MEFs)在被迫通过OXPHOS呼吸时发生凋亡的机制。无偏倚代谢组学表明，NADH是呼吸Atg5-/-MEFs中耗竭最多的，也是唯一与细胞活力相关的代谢物。NAD+也显著耗竭，表明自噬缺乏耗尽了总NAD池。在机制上，这种NAD消耗是由一系列事件引起的:线粒体自噬丧失、线粒体ROS上调、DNA损伤和PARP/SIRT NADase过度激活，导致NAD+的消耗失控，并最终导致细胞凋亡。
诱导自噬的药物及其对NAD代谢的影响。
与自噬缺陷模型类似，已知可促进自噬流的药物是探索自噬在NAD+/NADH稳态中的作用的有用工具。例如，一些研究报道了诱导自噬的药物雷帕霉素、白藜芦醇和二甲双胍在体外显著改变NAD代谢。雷帕霉素通过降低长期培养的永生化小鼠成肌细胞中NADH的含量来增加NAD+/NADH比率，并诱导老年小鼠肌肉中NAD+/NADH氧化还原向氧化状态(NAD+)转移。这意味着雷帕霉素可能通过促进NAD+的利用来影响衰老过程，而NAD+可能被NADase利用来维持健康的代谢特征。同样，自噬诱导剂白藜芦醇通过刺激线粒体复合物I介导NADH氧化，在小鼠肝脏和人肝癌HepG2细胞系中均提高了线粒体NAD+/NADH比率。这导致SIRT3活性增加，从而增加了呼吸链底物对线粒体的供应。二甲双胍还显示以双相方式改变线粒体NAD+/NADH状态，在小鼠肝细胞中，低剂量的治疗引起氧化的NAD+/NADH氧化还原状态，而高剂量的二甲双胍使线粒体NAD池转向还原状态。
图2：NAD+消耗酶(NAD+核苷酶类，NAD酶类)调控自噬的潜在机制
NADase的自噬降解。
除了缓解代谢应激，NADase的自噬降解可能代表了自噬介导的NAD稳态的另一层。例如，自噬已被证明在氧化应激期间降解所有人类SIRTs。从本质上讲，SIRT的自噬降解可能依赖于它们保守的氧化还原敏感的半胱氨酸残基，当这些残基被氧化时，已被证明会破坏SIRT去乙酰化酶的活性。多项研究表明，半胱氨酸依赖的氧化还原感知是自噬启动的一个基本方面，这一点越来越明显。
为了了解SIRT降解的背景性质，研究试图确定SIRT1作为自噬底物和细胞衰老之间的联系。据报道，SIRT1只在衰老细胞中受到自噬降解，这一过程依赖于SIRT1-LC3的相互作用。在增殖的细胞中，SIRT1可以去乙酰化细胞核LC3，从而触发其胞质穿梭，从而启动最佳的自噬启动。然而，在衰老过程中，SIRT1通过N端LIR基序与LC3结合;这触发了SIRT1的自噬降解而不是LC3的核输出。虽然我们还不清楚自噬介导的SIRT1下调是否对NAD+/NADH水平或自噬活性有任何即时反馈效应，但我们想知道通过SIRT1-LC3相互作用而发生的自噬- NAD交互作用的改变可能代表了“正常”衰老和细胞衰老之间的机制差异。综上所述，这些发现表明，SIRT除了在自噬调节中发挥作用外，还在一个潜在的反馈回路中受到自噬降解的影响。其他NADase是否也被自噬选择性降解仍有待研究，这将为外源性NAD补充治疗的潜在分子效应提供更深入的见解。
图3：自噬在维持NAD水平中的作用
结论和展望：
自噬和NAD在协调细胞应激的代谢反应中发挥重要作用。本综述中提供的证据描述了NAD作为自噬的调节器和靶点的双向关系。即NADases通过NAD+分解调节自噬活性，动态调节代谢活性，以应对营养危机和氧化应激。相反，最近的研究表明，自噬通过降低线粒体ROS生成和抑制不加选择的致死性NAD+/NADH耗竭，在维持NAD-中发挥作用。重要的是，自噬介导的NAD保存似乎独立于其先前确定的在核苷酸稳态中的作用。总之，这些研究开始阐明NAD和自噬之间的反馈回路，它整合了氧化还原感知和线粒体代谢，并奠定了细胞存活的基础。
关于自噬-NAD交互作用的意义仍有疑问。在未来的研究中，考虑在衰老和年龄相关疾病中，自噬和NAD之间的反馈回路是否受到干扰将是重要的。例如，自噬功能障碍现在被认为是衰老的细胞标志，并且一直被证明随着年龄的增长，细胞和动物的自噬功能障碍会增加。这可能是由于与年龄相关的有效营养感知、溶酶体完整性和自噬相关基因表达的损害。随着年龄的增长，自噬失败可能通过引起线粒体功能障碍、氧化应激增加和NAD池耗竭来诱导组织变性。此外，随着DNA损伤的终生积累，自噬-NAD的交互作用可能进一步与年龄解耦联。这种由环境和内源性因素诱导的DNA损伤可能组成性地激活PARP/SIRT NADases，导致NAD+/NADH水平的有害下降，从而阻碍NADases激活自噬的能力。随着年龄的增长，NAD+生物合成的下降可能会进一步加剧这种情况。因此，这种自噬-NAD反馈回路可能是衰老和年龄相关疾病的核心因素。然而，特别令人兴奋的是，自噬-NAD反馈回路可能成为治疗干预的靶点。
原文链接：https://www.cell.com/trends/cell-biology/fulltext/S0962-8924(23)00023-5
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