COVID-19:我們是否面臨無法簡單地通過維生素 B3 治癒的次級糙皮病? (2022/04)
摘要
對 SARS-CoV-2 的免疫反應和隨之而來的炎症對宿主的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+) 代謝構成了巨大挑戰。人類依賴維生素 B3 進行 NAD+ 的生物合成,這對於許多代謝和消耗 NAD+ 的信號反應必不可少。它的利用和再合成之間的平衡至關重要。 COVID-19 的許多肺外症狀與糙皮病、維生素 B3 缺乏症(例如腹瀉、皮炎、口腔和舌頭表現、嗅覺和味覺喪失、精神錯亂)驚人地相似。在大多數發達國家,糙皮病已通過維生素 B3 強化計劃成功根除。因此,可以想像,它並沒有被懷疑是導致 COVID-19 症狀的原因。在這裡,回顧了 NAD+ 代謝對 SARS-CoV-2 感染的反應失調,特別強調了 NAD+ 生物合成途徑在導致嚴重 COVID-19 發展的條件下效率的差異。 SARS-CoV-2 感染誘導的 NAD+ 耗竭及其代謝物水平升高導致全身性疾病的發展。在抗病毒 NAD+ 消耗反應中,煙酰胺 (NAM) 的急性釋放增強了“煙酰胺流失”,由煙酰胺 N-甲基轉移酶和醛氧化酶協同介導。 “煙酰胺流失”損害了 NAD+ 回收通路的故障安全功能。在 SARS-CoV-2 感染之前,宿主 NAD+ 補救途徑的穩健性是 COVID-19 嚴重程度和某些症狀在感染消退後持續存在的重要決定因素。
1.簡介
由嚴重急性呼吸系統綜合症冠狀病毒 2 (SARS-CoV-2) 感染引起的 2019 年冠狀病毒病 (COVID-19) 繼續對全球構成巨大威脅。該病毒於 2019 年 12 月在中國武漢首次發現。2020 年 1 月,在中國境外發現第一例病例,世界衛生組織 (WHO) 於 2020 年 3 月宣布大流行(http://who.int/, 2022 年 3 月 2 日訪問)[1]。據世界衛生組織稱,在撰寫本文時,已有超過 435,000,000 例確診的 COVID-19 病例和接近 6,000,000 人死亡(http://who.int/,2022 年 3 月 2 日訪問)。
臨床醫生和科學家正在努力了解這種疾病及其不同的臨床表現,最重要的是要了解為什麼一些經常觀察到的因素使人們容易患上嚴重/致命的疾病。在過去的兩年裡,關於 SARS-CoV-2 的結構和生物學,以及它在疾病進展過程中引起的變化,我們已經了解了很多。這些信息非常寶貴,因為 COVID-19 的發病機制與宿主對病毒的防禦反應密切相關,不可避免地影響宿主的新陳代謝。
感染 SARS-CoV-2 的人有多種症狀,從輕度到重病。儘管 COVID-19 主要是一種呼吸系統疾病,但已報告了各種肺外症狀,包括胃腸道、神經系統、皮膚病、腎臟、肝臟、心臟、內分泌、血栓栓塞、眼部和聽覺部。
作為對 SARS-CoV-2 感染的免疫反應的一部分,最顯著的變化發生在煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+) 的代謝中,這是各種細胞代謝途徑中必不可少的輔助因子。除了 NAD+ 及其還原形式 (NADH) 在各種電子交換依賴性生化反應中的重要作用外,NAD+ 還被消耗 NAD+ 的酶聚(ADP-核糖)聚合酶 (PARPs)、sirtuins (SIRTs) 和 CD38 不斷降解。由消耗 NAD+ 的酶催化的反應的副產物是煙酰胺 (NAM),它需要在補救途徑中充分循環回 NAD+,以維持 NAD+ 水平。在老化和各種病理條件下,NAD+ 補充在其消耗量增加時的保真度是次優的,導致 NAD+ 水平下降。
高齡、肥胖、糖尿病、高血壓、心血管和腎臟疾病是發生嚴重/危及生命疾病的易感因素,所有這些都與 NAD+ 代謝紊亂有關。宿主 NAD+ 代謝對 SARS-CoV-2 感染作出反應的“適應性”有可能至少部分解釋了 COVID-19 的各種臨床表現。
在 COVID-19 中觀察到的 NAD+ 代謝變化可能反映了內源性維生素 B3(也稱為菸酸,菸酸、煙酰胺和相關衍生物,如煙酰胺核苷的通用名稱)缺乏症。這種缺乏與維生素 B3 飲食攝入無關,可能會導致糙皮病樣症狀的發展。在臨床實踐中,尚未懷疑此類症狀與維生素 B3 缺乏有關,而維生素 B3 缺乏在歷史上與貧困和營養不良有關。然而,類似糙皮病的 COVID-19 症狀並不局限於最貧困的人群。相反,COVID-19 在最發達的社會中同樣造成了損失,這些社會因高水平的生活介導、新陳代謝相關的發病率和高比例的老年人口而負擔沉重。
內源性維生素 B3 缺乏症發展的可能機制,在 SARS-CoV-2 感染後可能進一步加劇,導致 COVID-19 的不同臨床表現,需要進行詳細的科學和臨床研究。
2.具有一些性別和物種相關差異的 NAD+ 生物合成
對 SARS-CoV-2 的免疫反應和隨之而來的炎症對宿主的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+) 代謝構成了巨大挑戰。人類依賴維生素 B3 進行 NAD+ 的生物合成,這對於許多代謝和消耗 NAD+ 的信號反應必不可少。它的利用和再合成之間的平衡至關重要。 COVID-19 的許多肺外症狀與糙皮病、維生素 B3 缺乏症(例如腹瀉、皮炎、口腔和舌頭表現、嗅覺和味覺喪失、精神錯亂)驚人地相似。在大多數發達國家,糙皮病已通過維生素 B3 強化計劃成功根除。因此,可以想像,它並沒有被懷疑是導致 COVID-19 症狀的原因。在這裡,回顧了 NAD+ 代謝對 SARS-CoV-2 感染的反應失調,特別強調了 NAD+ 生物合成途徑在導致嚴重 COVID-19 發展的條件下效率的差異。 SARS-CoV-2 感染誘導的 NAD+ 耗竭及其代謝物水平升高導致全身性疾病的發展。在抗病毒 NAD+ 消耗反應中,煙酰胺 (NAM) 的急性釋放增強了“煙酰胺流失”,由煙酰胺 N-甲基轉移酶和醛氧化酶協同介導。 “煙酰胺流失”損害了 NAD+ 回收通路的故障安全功能。在 SARS-CoV-2 感染之前,宿主 NAD+ 補救途徑的穩健性是 COVID-19 嚴重程度和某些症狀在感染消退後持續存在的重要決定因素。
1.簡介
由嚴重急性呼吸系統綜合症冠狀病毒 2 (SARS-CoV-2) 感染引起的 2019 年冠狀病毒病 (COVID-19) 繼續對全球構成巨大威脅。該病毒於 2019 年 12 月在中國武漢首次發現。2020 年 1 月,在中國境外發現第一例病例,世界衛生組織 (WHO) 於 2020 年 3 月宣布大流行(http://who.int/, 2022 年 3 月 2 日訪問)[1]。據世界衛生組織稱,在撰寫本文時,已有超過 435,000,000 例確診的 COVID-19 病例和接近 6,000,000 人死亡(http://who.int/,2022 年 3 月 2 日訪問)。
臨床醫生和科學家正在努力了解這種疾病及其不同的臨床表現,最重要的是要了解為什麼一些經常觀察到的因素使人們容易患上嚴重/致命的疾病。在過去的兩年裡,關於 SARS-CoV-2 的結構和生物學,以及它在疾病進展過程中引起的變化,我們已經了解了很多。這些信息非常寶貴,因為 COVID-19 的發病機制與宿主對病毒的防禦反應密切相關,不可避免地影響宿主的新陳代謝。
感染 SARS-CoV-2 的人有多種症狀,從輕度到重病。儘管 COVID-19 主要是一種呼吸系統疾病,但已報告了各種肺外症狀,包括胃腸道、神經系統、皮膚病、腎臟、肝臟、心臟、內分泌、血栓栓塞、眼部和聽覺部。
作為對 SARS-CoV-2 感染的免疫反應的一部分,最顯著的變化發生在煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+) 的代謝中,這是各種細胞代謝途徑中必不可少的輔助因子。除了 NAD+ 及其還原形式 (NADH) 在各種電子交換依賴性生化反應中的重要作用外,NAD+ 還被消耗 NAD+ 的酶聚(ADP-核糖)聚合酶 (PARPs)、sirtuins (SIRTs) 和 CD38 不斷降解。由消耗 NAD+ 的酶催化的反應的副產物是煙酰胺 (NAM),它需要在補救途徑中充分循環回 NAD+,以維持 NAD+ 水平。在老化和各種病理條件下,NAD+ 補充在其消耗量增加時的保真度是次優的,導致 NAD+ 水平下降。
高齡、肥胖、糖尿病、高血壓、心血管和腎臟疾病是發生嚴重/危及生命疾病的易感因素,所有這些都與 NAD+ 代謝紊亂有關。宿主 NAD+ 代謝對 SARS-CoV-2 感染作出反應的“適應性”有可能至少部分解釋了 COVID-19 的各種臨床表現。
在 COVID-19 中觀察到的 NAD+ 代謝變化可能反映了內源性維生素 B3(也稱為菸酸,菸酸、煙酰胺和相關衍生物,如煙酰胺核苷的通用名稱)缺乏症。這種缺乏與維生素 B3 飲食攝入無關,可能會導致糙皮病樣症狀的發展。在臨床實踐中,尚未懷疑此類症狀與維生素 B3 缺乏有關,而維生素 B3 缺乏在歷史上與貧困和營養不良有關。然而,類似糙皮病的 COVID-19 症狀並不局限於最貧困的人群。相反,COVID-19 在最發達的社會中同樣造成了損失,這些社會因高水平的生活介導、新陳代謝相關的發病率和高比例的老年人口而負擔沉重。
內源性維生素 B3 缺乏症發展的可能機制,在 SARS-CoV-2 感染後可能進一步加劇,導致 COVID-19 的不同臨床表現,需要進行詳細的科學和臨床研究。
2.具有一些性別和物種相關差異的 NAD+ 生物合成
在人類中,NAD+ 可以從犬尿氨酸途徑 (KP) 中的必需氨基酸色氨酸 (Trp) 從頭合成。在生理條件下,從色氨酸從頭合成 NAD+ 的主要部位是肝臟,其中色氨酸 2,3-雙加氧酶 (TDO) 催化色氨酸向 N-甲酰基尿氨酸的限速轉化。人類利用 Trp 在 KP 中以低效率合成 NAD+(約 60-70 mg Trp 被用於從 1 mg 菸酸產生等量的 NAD+)。這種低效率源於人 α-氨基-β-羧基-粘糖酸半醛脫羧酶 (ACMSD) 的高活性。一種中間色氨酸代謝物,α-氨基-β-羧基-粘康酸半醛 (ACMS),既可以自發環化為 NAD+ 合成的前體喹啉酸 (QA),也可以通過 ACMSD 脫羧為 α-氨基-粘康酸-半醛 (AMS)。這是一個限制性步驟,它將 ACMS 從從頭 NAD+ 合成中轉移,並將其引導至乙酰輔酶 A(乙酰輔酶 A)的合成(圖 1)。
圖1
煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+) 生物合成途徑。 NAD+ 是由犬尿氨酸途徑中的色氨酸從頭合成的。限速酶色氨酸 2,3-雙加氧酶 (TDO) 或吲哚胺 2,3-雙加氧酶 (IDO) 將色氨酸轉化為 N-甲酰基犬尿氨酸,然後將其轉化為 L-犬尿氨酸並轉化為 3-羥基犬尿氨酸 (3-HK)通過犬尿氨酸 3-單加氧酶 (KMO)。犬尿氨酸酶 (KYNU) 將 3-HK 轉化為 3-羥基鄰氨基苯甲酸 (3-HAA),3-羥基鄰氨基苯甲酸加氧酶 (3HAO) 從中生成 α-氨基-β-羧基粘康酸 ε-半醛 (ACMS)。 ACMS 要么被 α-氨基-β-羧基-粘糖酸半醛脫羧酶 (ACMSD) 的活性轉移,遠離 NAD+ 合成,要么可以自發轉化為奎尼酸 (QA)。喹啉酸磷酸核糖基轉移酶 (QPRT) 將 QA 轉化為煙酰胺單核苷酸 (NAMN),此時犬尿氨酸途徑與 Preiss-Handler 途徑會合。在 Preiss-Handler 通路中,菸酸 (NA) 被菸酸磷酸核糖基轉移酶 (NAPRT) 轉化為 NAMN,NAMN 被煙酰胺單核苷酸腺苷酸轉移酶 (NMNAT 1-3) 轉化為菸酸腺嘌呤二核苷酸 (NAAD)。最後,NAD+ 合成酶將 NAAD 轉化為 NAD+。在 NAD+ 消耗反應中釋放的 NAM 在 PARP、SIRT 和 CD38/CD157 的催化下,在補救途徑中被再循環為 NAD+。細胞內煙酰胺磷酸核糖基轉移酶 (NAMPT) 將 NAM 轉化為 NMN,然後將其轉化為 NAD+。在 NAD+ 消耗反應中 NAM 過度釋放或飲食過剩的情況下,煙酰胺 N-甲基轉移酶 (NNMT) 將 NAM 甲基化以產生 N1-甲基煙酰胺 (MNAM) 並阻止 NAM 對 PARPs 和 SIRTs 的抑製作用。醛氧化酶 (AOX1) 將 MNAM 轉化為 N1-甲基-2-吡啶酮-5-甲酰胺 (2PY) 和 N1-甲基-4-吡啶酮-3-甲酰胺 (4PY)。 NAM、MNAM、2PY和4PY由細胞分泌並隨尿液排出。
煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+) 生物合成途徑。 NAD+ 是由犬尿氨酸途徑中的色氨酸從頭合成的。限速酶色氨酸 2,3-雙加氧酶 (TDO) 或吲哚胺 2,3-雙加氧酶 (IDO) 將色氨酸轉化為 N-甲酰基犬尿氨酸,然後將其轉化為 L-犬尿氨酸並轉化為 3-羥基犬尿氨酸 (3-HK)通過犬尿氨酸 3-單加氧酶 (KMO)。犬尿氨酸酶 (KYNU) 將 3-HK 轉化為 3-羥基鄰氨基苯甲酸 (3-HAA),3-羥基鄰氨基苯甲酸加氧酶 (3HAO) 從中生成 α-氨基-β-羧基粘康酸 ε-半醛 (ACMS)。 ACMS 要么被 α-氨基-β-羧基-粘糖酸半醛脫羧酶 (ACMSD) 的活性轉移,遠離 NAD+ 合成,要么可以自發轉化為奎尼酸 (QA)。喹啉酸磷酸核糖基轉移酶 (QPRT) 將 QA 轉化為煙酰胺單核苷酸 (NAMN),此時犬尿氨酸途徑與 Preiss-Handler 途徑會合。在 Preiss-Handler 通路中,菸酸 (NA) 被菸酸磷酸核糖基轉移酶 (NAPRT) 轉化為 NAMN,NAMN 被煙酰胺單核苷酸腺苷酸轉移酶 (NMNAT 1-3) 轉化為菸酸腺嘌呤二核苷酸 (NAAD)。最後,NAD+ 合成酶將 NAAD 轉化為 NAD+。在 NAD+ 消耗反應中釋放的 NAM 在 PARP、SIRT 和 CD38/CD157 的催化下,在補救途徑中被再循環為 NAD+。細胞內煙酰胺磷酸核糖基轉移酶 (NAMPT) 將 NAM 轉化為 NMN,然後將其轉化為 NAD+。在 NAD+ 消耗反應中 NAM 過度釋放或飲食過剩的情況下,煙酰胺 N-甲基轉移酶 (NNMT) 將 NAM 甲基化以產生 N1-甲基煙酰胺 (MNAM) 並阻止 NAM 對 PARPs 和 SIRTs 的抑製作用。醛氧化酶 (AOX1) 將 MNAM 轉化為 N1-甲基-2-吡啶酮-5-甲酰胺 (2PY) 和 N1-甲基-4-吡啶酮-3-甲酰胺 (4PY)。 NAM、MNAM、2PY和4PY由細胞分泌並隨尿液排出。
通過生成乙酰輔酶A,ACMSD 有助於三羧酸 (TCA) 循環中的能量產生。因此,它的表達是由禁食期間的能量缺乏誘導的,並且在進食時被胰島素抑制。已經表明,Acmsd 轉錄受肝細胞核因子 4 α (HNF4α) 和過氧化物酶體增殖物激活受體-γ 共激活因子 1-α (PGC1α) 的協同調節。
ACMSD 活動的物種之間存在差異。 Palzer 等人報告說,與小鼠相比,人類 ACMSD 的更高活性是其對菸酸消耗更敏感的原因。由於 ACMSD 活性較低,小鼠比人類更有效地利用 Trp 合成 NAD+。 ACMSD 在小鼠中的過度表達使它們依賴於飲食菸酸來合成 NAD+,與人類相當。當餵食缺乏菸酸的飲食時,過度表達 ACMSD 的小鼠會出現 NAD+ 缺乏症。當使用小鼠作為動物模型來研究與 NAD+ 缺乏相關的人類病理以及衰老時,應考慮到人和小鼠之間的這種差異。除了物種差異外,還應考慮性別差異。
Shibata 和 Toda 研究了在飲食不足導致糙皮病的影響下,女性死亡率大約是男性的兩倍的原因。他們在大鼠中觀察到,含有雌酮或睾酮的飲食對色氨酸水平沒有影響。然而,含雌酮的飲食與 Trp 向菸酸的轉化率較低以及 NAM 及其代謝物的尿排泄減少相關:N1-甲基煙酰胺 (MNAM)、N1-甲基-2-吡啶酮-5-甲酰胺 (2PY ) 和 N1-甲基-4-吡啶酮-3-甲酰胺 (4PY)。與這一觀察結果一致,與對照大鼠相比,含雌酮的飲食餵養大鼠的 ACMSD 活性顯著提高(2.28 ± 0.17 對 0.81 ± 0.08 µmol/h/g 肝臟)。用含睾酮的飲食餵養大鼠對任何這些參數的水平沒有影響。基於這些實驗,作者得出結論,女性糙皮病死亡率較高是 Trp 中 NAD+ 合成減少的結果。由於女性性激素具有抑制色氨酸合成菸酸的能力,育齡婦女,特別是懷孕期間,患糙皮病的風險高於男性 。
色氨酸主要在肝臟中代謝為 NAM,並釋放到血清中,供外周細胞在補救途徑中用於 NAD+ 合成。
在肝臟之外,大多數細胞不表達將 Trp 轉化為 NAD+ 所需的所有 KP 酶。在肝外組織中,KP 由吲哚胺 2,3-雙加氧酶 (IDO) 啟動。與在維持色氨酸穩態水平方面具有管家作用的 TDO 不同,IDO 受到各種炎症刺激的高度誘導 。已經表明,靜止的巨噬細胞能夠通過完全執行的 KP 從 Trp 合成 NAD+,以維持線粒體呼吸,這是具有高吞噬能力的抗炎狀態所必需的。然而,在先天免疫挑戰和衰老過程中,KP 被激活,但由於喹啉磷酸核糖基轉移酶 (QPRT) 的抑制活性及其無法將 QA 進一步代謝為 NAD+ 而未完全執行。這與衰老過程中 NAD+ 的下降和先天免疫功能障礙的進展有關,從而導致與年齡相關的疾病的發展。
在 COVID-19 患者的血清中,Trp 水平降低,伴隨其代謝物犬尿氨酸 (KYN) 和 QA 的積累,可能代表通過高度上調的 KP 從頭合成 NAD+ 的嘗試在很大程度上是徒勞的。
除了在 NAD+ 合成中的作用外,這種代謝途徑還驅動免疫耐受以抑制炎症,但可能會延遲病毒清除。通過血清中 KYN/Trp 比率估計的免疫抑制 IDO1 的激活在重症 COVID-19 患者中高度上調。升高的 IDO1 對效應 T 細胞產生負面影響,同時增加 T 調節細胞 (Treg) 的比例,這與淋巴細胞減少的程度和疾病的嚴重程度相關 。
由於 Trp 轉化為 NAD+ 的效率低,在人體中 NAD+ 合成的主要途徑是從 NAM 中獲得的補救途徑,要么從飲食來源獲得,要么在 NAD+ 消耗反應中釋放。
考慮到 NAD+ 消耗反應中 NAD+ 的高降解率,其在補救途徑中不受干擾地再循環為 NAD+ 對於維持生理功能至關重要。最近,Bockwoldt 等人已經證明,從 NAM 中有效回收 NAD+ 是基於兩個關鍵的進化事件:(1)煙酰胺磷酸核糖基轉移酶(NAMPT)的結構適應,這是 NAD+ 補救途徑中的一種關鍵酶,賦予它對 NAM 的高親和力; (2) 菸鹼的發生,ide N-甲基轉移酶 (NNMT) 通過甲基化 NAM 將其轉化為 MNAM,促進其排泄並防止其在細胞中積累,從而抑制 NAD+ 依賴性信號反應。 NAMPT 對 NAM (KM 5 nM) 的親和力比 NNMT (KM 400 μM) 高得多,這意味著 NNMT 只有在 NAM 水平高度增加的情況下才會被激活。根據計算,據預測,在存在 NNMT 的情況下,NAD+ 消耗通量更高,而不是更低。然而,在存在 NNMT 的情況下,那些較高的 NAD+ 消耗通量會降低 NAD+ 的穩態濃度。當 NAD+ 水平由於高 NNMT 活性而過度下降時,NAD+ 消耗量下降,限制了 NAD+ 從 NAM 中的回收並關閉了惡性循環 。除了 NAM 之外,這些計算中沒有考慮到 NAD+ 消耗反應的替代抑製劑的存在。 NNMT(通常被認為是一種“維生素 B3 清除酶”)在防止 NAM 介導的 NAD+ 消耗反應抑制中的有益作用可能會受到醛氧化酶 (AOX1) 的活性的影響。
這種酶將 NNMT 的產物 MNAM 代謝為 2PY 和 4PY 。除了被排泄外,這些代謝物還抑制 PARP1 。在 NNMT 在 NAD+ 代謝中的調節功能的背景下,還應考慮 MNAM 對 NNMT 的產物抑制。當被 AOX1 代謝為 2PY 和 4PY 時,MNAM 不再參與 NNMT 活性的負反饋調節。在存在 AOX1 的情況下,不受限制的 NNMT 活性(其表達受 NRF2 調節以響應氧化應激)以及由於 2PY/4PY 抑制 PARP 而導致的 NAM 釋放減少,產生“NAM 流失”並停止 NAD+ 合成補救途徑。
在人類中,NAD+ 合成對 NAM 的高度依賴使其易受其缺乏介導的 NAD+ 水平下降的影響,特別是與年齡相關的代謝變化有關。據估計,無論飲食中的 B3 攝入量如何,高達 15-20% 的普通人群和 26% 的老年人可能缺乏維生素 B3 。
在衰老過程中,人血漿中 2PY 的濃度會增加。在比較健康的年輕受試者(5-16 歲)和老年健康受試者(50-90 歲)時,Slominska 等人發現老年人血漿 2PY 水平大約高 2.6 倍。他們提出,2PY 血漿濃度的這種增加要么是 NAD+ 更高降解的結果,要么是 NAM 再循環到 NAD+ 的減少 。
除年齡外,AOX 還受性激素的調節,睾酮為正,雌激素為負,如小鼠所示。 Teo 等人最近報導,在體外,在雌激素受體陽性 (ER+) 人乳腺癌細胞 MCF7 中,雌激素的生理水平抑制 AOX1 表達。
關於 AOX 的 MNAM 代謝活性,人類和小鼠存在顯著差異。雖然人類中只有一種 AOX 同工型 (AOX1),但小鼠以組織特異性方式表達四種同工型 (AOX1-4)。在人類中,AOX1 在腎上腺、脂肪組織和肝臟中表達最多,其次是氣管、前列腺的腺上皮、骨骼、腎臟和結締組織。在小鼠中,只有 AOX2 和 AOX3 可以代謝 MNAM。小鼠 AOX2 對 MNAM (kcat/KM = 5.2 min-1µM-1) 的催化效率比 AOX3 (kcat/KM = 0.7 min-1µM-1)高得多。 AOX2 的表達高度限於鼻腔的鮑曼腺,而 AOX3 則在肝臟、肺、輸卵管和睾丸中表達。當使用小鼠作為研究 AOX 參與調節 NAD+ 代謝的實驗模型時,應考慮 AOX 同種型的組織特異性表達,以及它們使用 MNAM 作為底物的同種型特異性能力。
COVID-19 中常見的氧化應激有可能上調活性氧誘導的 AOX1 的表達。在伴隨的高 NNMT 表達的情況下,它的活性可能不利於維持 NAD+ 水平。 NNMT 的高表達是使人們易患嚴重 COVID-19 的條件所固有的。在這些條件下,AOX1 通過消除 MNAM 介導的 NNMT 抑制來增強 NNMT 介導的 NAM 清除。此外,通過產生 2PY 和 4PY,AOX1 可能會阻止 NAM 在 ADP 核糖基化反應中的釋放,從而有助於降低補救途徑中 NAD+ 的合成。這種“煙酰胺流失”可能會加劇患有嚴重 COVID-19 易感疾病的患者已經存在的 NAD+ 缺乏(圖 2)。
ACMSD 活動的物種之間存在差異。 Palzer 等人報告說,與小鼠相比,人類 ACMSD 的更高活性是其對菸酸消耗更敏感的原因。由於 ACMSD 活性較低,小鼠比人類更有效地利用 Trp 合成 NAD+。 ACMSD 在小鼠中的過度表達使它們依賴於飲食菸酸來合成 NAD+,與人類相當。當餵食缺乏菸酸的飲食時,過度表達 ACMSD 的小鼠會出現 NAD+ 缺乏症。當使用小鼠作為動物模型來研究與 NAD+ 缺乏相關的人類病理以及衰老時,應考慮到人和小鼠之間的這種差異。除了物種差異外,還應考慮性別差異。
Shibata 和 Toda 研究了在飲食不足導致糙皮病的影響下,女性死亡率大約是男性的兩倍的原因。他們在大鼠中觀察到,含有雌酮或睾酮的飲食對色氨酸水平沒有影響。然而,含雌酮的飲食與 Trp 向菸酸的轉化率較低以及 NAM 及其代謝物的尿排泄減少相關:N1-甲基煙酰胺 (MNAM)、N1-甲基-2-吡啶酮-5-甲酰胺 (2PY ) 和 N1-甲基-4-吡啶酮-3-甲酰胺 (4PY)。與這一觀察結果一致,與對照大鼠相比,含雌酮的飲食餵養大鼠的 ACMSD 活性顯著提高(2.28 ± 0.17 對 0.81 ± 0.08 µmol/h/g 肝臟)。用含睾酮的飲食餵養大鼠對任何這些參數的水平沒有影響。基於這些實驗,作者得出結論,女性糙皮病死亡率較高是 Trp 中 NAD+ 合成減少的結果。由於女性性激素具有抑制色氨酸合成菸酸的能力,育齡婦女,特別是懷孕期間,患糙皮病的風險高於男性 。
色氨酸主要在肝臟中代謝為 NAM,並釋放到血清中,供外周細胞在補救途徑中用於 NAD+ 合成。
在肝臟之外,大多數細胞不表達將 Trp 轉化為 NAD+ 所需的所有 KP 酶。在肝外組織中,KP 由吲哚胺 2,3-雙加氧酶 (IDO) 啟動。與在維持色氨酸穩態水平方面具有管家作用的 TDO 不同,IDO 受到各種炎症刺激的高度誘導 。已經表明,靜止的巨噬細胞能夠通過完全執行的 KP 從 Trp 合成 NAD+,以維持線粒體呼吸,這是具有高吞噬能力的抗炎狀態所必需的。然而,在先天免疫挑戰和衰老過程中,KP 被激活,但由於喹啉磷酸核糖基轉移酶 (QPRT) 的抑制活性及其無法將 QA 進一步代謝為 NAD+ 而未完全執行。這與衰老過程中 NAD+ 的下降和先天免疫功能障礙的進展有關,從而導致與年齡相關的疾病的發展。
在 COVID-19 患者的血清中,Trp 水平降低,伴隨其代謝物犬尿氨酸 (KYN) 和 QA 的積累,可能代表通過高度上調的 KP 從頭合成 NAD+ 的嘗試在很大程度上是徒勞的。
除了在 NAD+ 合成中的作用外,這種代謝途徑還驅動免疫耐受以抑制炎症,但可能會延遲病毒清除。通過血清中 KYN/Trp 比率估計的免疫抑制 IDO1 的激活在重症 COVID-19 患者中高度上調。升高的 IDO1 對效應 T 細胞產生負面影響,同時增加 T 調節細胞 (Treg) 的比例,這與淋巴細胞減少的程度和疾病的嚴重程度相關 。
由於 Trp 轉化為 NAD+ 的效率低,在人體中 NAD+ 合成的主要途徑是從 NAM 中獲得的補救途徑,要么從飲食來源獲得,要么在 NAD+ 消耗反應中釋放。
考慮到 NAD+ 消耗反應中 NAD+ 的高降解率,其在補救途徑中不受干擾地再循環為 NAD+ 對於維持生理功能至關重要。最近,Bockwoldt 等人已經證明,從 NAM 中有效回收 NAD+ 是基於兩個關鍵的進化事件:(1)煙酰胺磷酸核糖基轉移酶(NAMPT)的結構適應,這是 NAD+ 補救途徑中的一種關鍵酶,賦予它對 NAM 的高親和力; (2) 菸鹼的發生,ide N-甲基轉移酶 (NNMT) 通過甲基化 NAM 將其轉化為 MNAM,促進其排泄並防止其在細胞中積累,從而抑制 NAD+ 依賴性信號反應。 NAMPT 對 NAM (KM 5 nM) 的親和力比 NNMT (KM 400 μM) 高得多,這意味著 NNMT 只有在 NAM 水平高度增加的情況下才會被激活。根據計算,據預測,在存在 NNMT 的情況下,NAD+ 消耗通量更高,而不是更低。然而,在存在 NNMT 的情況下,那些較高的 NAD+ 消耗通量會降低 NAD+ 的穩態濃度。當 NAD+ 水平由於高 NNMT 活性而過度下降時,NAD+ 消耗量下降,限制了 NAD+ 從 NAM 中的回收並關閉了惡性循環 。除了 NAM 之外,這些計算中沒有考慮到 NAD+ 消耗反應的替代抑製劑的存在。 NNMT(通常被認為是一種“維生素 B3 清除酶”)在防止 NAM 介導的 NAD+ 消耗反應抑制中的有益作用可能會受到醛氧化酶 (AOX1) 的活性的影響。
這種酶將 NNMT 的產物 MNAM 代謝為 2PY 和 4PY 。除了被排泄外,這些代謝物還抑制 PARP1 。在 NNMT 在 NAD+ 代謝中的調節功能的背景下,還應考慮 MNAM 對 NNMT 的產物抑制。當被 AOX1 代謝為 2PY 和 4PY 時,MNAM 不再參與 NNMT 活性的負反饋調節。在存在 AOX1 的情況下,不受限制的 NNMT 活性(其表達受 NRF2 調節以響應氧化應激)以及由於 2PY/4PY 抑制 PARP 而導致的 NAM 釋放減少,產生“NAM 流失”並停止 NAD+ 合成補救途徑。
在人類中,NAD+ 合成對 NAM 的高度依賴使其易受其缺乏介導的 NAD+ 水平下降的影響,特別是與年齡相關的代謝變化有關。據估計,無論飲食中的 B3 攝入量如何,高達 15-20% 的普通人群和 26% 的老年人可能缺乏維生素 B3 。
在衰老過程中,人血漿中 2PY 的濃度會增加。在比較健康的年輕受試者(5-16 歲)和老年健康受試者(50-90 歲)時,Slominska 等人發現老年人血漿 2PY 水平大約高 2.6 倍。他們提出,2PY 血漿濃度的這種增加要么是 NAD+ 更高降解的結果,要么是 NAM 再循環到 NAD+ 的減少 。
除年齡外,AOX 還受性激素的調節,睾酮為正,雌激素為負,如小鼠所示。 Teo 等人最近報導,在體外,在雌激素受體陽性 (ER+) 人乳腺癌細胞 MCF7 中,雌激素的生理水平抑制 AOX1 表達。
關於 AOX 的 MNAM 代謝活性,人類和小鼠存在顯著差異。雖然人類中只有一種 AOX 同工型 (AOX1),但小鼠以組織特異性方式表達四種同工型 (AOX1-4)。在人類中,AOX1 在腎上腺、脂肪組織和肝臟中表達最多,其次是氣管、前列腺的腺上皮、骨骼、腎臟和結締組織。在小鼠中,只有 AOX2 和 AOX3 可以代謝 MNAM。小鼠 AOX2 對 MNAM (kcat/KM = 5.2 min-1µM-1) 的催化效率比 AOX3 (kcat/KM = 0.7 min-1µM-1)高得多。 AOX2 的表達高度限於鼻腔的鮑曼腺,而 AOX3 則在肝臟、肺、輸卵管和睾丸中表達。當使用小鼠作為研究 AOX 參與調節 NAD+ 代謝的實驗模型時,應考慮 AOX 同種型的組織特異性表達,以及它們使用 MNAM 作為底物的同種型特異性能力。
COVID-19 中常見的氧化應激有可能上調活性氧誘導的 AOX1 的表達。在伴隨的高 NNMT 表達的情況下,它的活性可能不利於維持 NAD+ 水平。 NNMT 的高表達是使人們易患嚴重 COVID-19 的條件所固有的。在這些條件下,AOX1 通過消除 MNAM 介導的 NNMT 抑制來增強 NNMT 介導的 NAM 清除。此外,通過產生 2PY 和 4PY,AOX1 可能會阻止 NAM 在 ADP 核糖基化反應中的釋放,從而有助於降低補救途徑中 NAD+ 的合成。這種“煙酰胺流失”可能會加劇患有嚴重 COVID-19 易感疾病的患者已經存在的 NAD+ 缺乏(圖 2)。
圖 2
“NAM 流失”介導的 NAD+ 減少。
(A) 在年輕、健康、非肥胖人群的生理條件下,由於脂肪組織中 NNMT 和 AOX1 的低表達,在 NAD+ 消耗反應中產生的大部分煙酰胺 (NAM) 在補救途徑中被回收為 NAD+。
(B) 在老年人、肥胖者和糖尿病、心血管、肺和腎臟疾病患者中,高表達和激活的 NNMT 和 AOX1 將 NAM 排除在補救途徑之外。 這種“煙酰胺流失”促進了 NAD+ 的消耗,尤其是在 SARS-CoV-2 感染等壓力條件下。
“NAM 流失”介導的 NAD+ 減少。
(A) 在年輕、健康、非肥胖人群的生理條件下,由於脂肪組織中 NNMT 和 AOX1 的低表達,在 NAD+ 消耗反應中產生的大部分煙酰胺 (NAM) 在補救途徑中被回收為 NAD+。
(B) 在老年人、肥胖者和糖尿病、心血管、肺和腎臟疾病患者中,高表達和激活的 NNMT 和 AOX1 將 NAM 排除在補救途徑之外。 這種“煙酰胺流失”促進了 NAD+ 的消耗,尤其是在 SARS-CoV-2 感染等壓力條件下。
3. NAD+ 在對 SARS-CoV-2 的免疫反應中的作用
病毒進入靶細胞後,多種細胞模式識別受體會識別它並啟動干擾素 (IFN) 的合成。由病毒感染的細胞分泌的干擾素被周圍的、未感染的細胞表面受體識別,以激活誘導干擾素刺激基因 (ISG) 表達的細胞內信號通路。作為適當的先天免疫反應所必需的,充分激活的 IFN 抑制病毒感染,同時限制組織損傷 。越來越多的證據表明,先天免疫反應失調對 COVID-19 的嚴重臨床表現的貢獻 。 SARS-CoV-2 抑制 I 型 IFN 產生和信號傳導的能力有助於其複制、傳播和誘導旺盛的促炎反應。與流感病毒感染後 I 型 IFN 和 IFNλ 的強烈誘導相反,SARS-CoV-2 感染最初誘導非常弱的 IFN 反應,使其不受干擾地複制。因此,SARS-CoV-2 感染會在很長一段時間內被忽視,不會引起症狀或症狀非常輕微,從而為人際傳播提供了一個顯著的機會窗口。然而,在一部分人群中,由於過度炎症反應和隨後的氣體交換功能受損,會出現突然和嚴重的症狀,導致急性呼吸窘迫綜合徵、多器官衰竭和死亡。
在 SARS-CoV-2 感染後,具有抗病毒特性的 NAD+ 消耗酶:聚(ADP-核糖)聚合酶(PARPs)、sirtuins(SIRTs)和 CD38 在免疫反應中具有重要作用,從調節 IFN 誘導、表達干擾素刺激基因 (ISG) 促進促炎反應。由於這些酶依賴於 NAD+ 的充足可用性以實現其適當的抗病毒功能,NAD+ 消耗和在 NAD+ 消耗酶活性過程中產生的代謝物,深刻地影響了 SARS-CoV-2 感染的臨床結果。
3.1。 對 SARS-CoV-2 的免疫反應中的 PARP
在 SARS-CoV-2 感染後,具有抗病毒特性的 NAD+ 消耗酶:聚(ADP-核糖)聚合酶(PARPs)、sirtuins(SIRTs)和 CD38 在免疫反應中具有重要作用,從調節 IFN 誘導、表達干擾素刺激基因 (ISG) 促進促炎反應。由於這些酶依賴於 NAD+ 的充足可用性以實現其適當的抗病毒功能,NAD+ 消耗和在 NAD+ 消耗酶活性過程中產生的代謝物,深刻地影響了 SARS-CoV-2 感染的臨床結果。
3.1。 對 SARS-CoV-2 的免疫反應中的 PARP
譯後修飾 ADP-核糖基化由 PARP 酶家族的成員(或更準確地稱為 ADP-核糖基轉移酶,ART)催化。在人類中,已鑑定出該酶家族的 17 個成員。根據它們的催化活性,它們分為聚(ADP-核糖)聚合酶、單(ADP-核糖)轉移酶或無活性的 PARP [58]。在 ADP 核糖基化過程中,這些酶將 NAD+ 降解為二磷酸腺苷核糖 (ADPr) 並釋放 NAM(一種維生素 B3 形式),以再循環為 NAD+。與研究得最好的成員 PARP1 和 PARP2 的眾所周知的多重管家角色相比,它們催化長的、分支的多聚 ADP-核糖鏈的形成,該酶家族的許多其他成員的角色的定義要少得多。它們在脊椎動物進化過程中的出現表明該酶家族的幾個成員參與了宿主-病原體相互作用。許多 PARP 家族成員是 ISG,參與各種正反饋和負反饋循環,可微調抗病毒 IFN 反應。根據 PARP 家族成員發揮抗病毒作用的既定作用機制,可以設想 PARP 的多種作用及其 NAD+ 依賴性活性,以應對 SARS-CoV-2 感染。
另一方面,病毒採用多種機制來逃避宿主的免疫反應。
ADP-核糖基化抑制冠狀病毒 (CoV) 的複制。用於對抗抗病毒 ADP-核糖基化的 SARS-CoV-2 和所有其他冠狀病毒科成員的機制之一是去除這種翻譯後修飾 。 SARS-CoV-2 的非結構蛋白 3 (Nsp3) 中高度保守的宏結構域能夠水解 ADPr 修飾。 Fehr 等人已經證明,儘管通常在細胞中復制,但攜帶大結構域突變的重組 SARS-CoV 感染小鼠會降低其去 ADP 核糖基化活性,導致病毒減毒和受感染小鼠的病毒載量適度減少文化。儘管 SARS-CoV 大結構域的靶標尚未確定,但其去 ADP 核糖基化活性已被令人信服地證明可抑制早期 IFN 和促炎細胞因子反應。
感染 SARS-CoV-2 後,PARP7 和 PARPs 9-14 上調。這些 PARP 在對 SARS-CoV-2 的抗病毒反應中的作用正在顯現,儘管它們的細胞或病毒靶標仍未完全確定。
已經通過實驗確定 SARS-CoV-2 的複制受到 PARP13 的限制,PARP13 也稱為鋅指抗病毒蛋白 (ZAP) 。兩種最豐富的 ZAP 異構體,長 (ZAP-L) 和短 (ZAP-S),都包含 N 端 RNA 結合結構域和結合聚 (ADP)-核糖的中心結構域。 ZAP-L 異構體還包含一個無活性的 C 末端 PARP 結構域,該結構域帶有一個介導 S-法尼基化的半胱氨酸 (CaaX) 基序。這種翻譯後修飾增加了 ZAP 與細胞內膜的關聯。 ZAP 的抗病毒活性基於其與病毒 RNA 中的 CpG 二核苷酸的結合,導致其降解或翻譯抑制,使其成為抵禦病毒的第一道防線。
ZAP 與幾種輔助因子相互作用需要具有 CaaX 基序的 PARP 結構域,包括 3'-5' 外泌體複合物、TRIM25、KHNYN 和 OAS3-RNase L,它們參與限制病毒複製。除了與細胞內膜相關外,ZAP 還定位於應激顆粒、缺乏膜的細胞質結構中,參與在包括病毒感染在內的應激條件下抑制翻譯。除了 PARP13,應激顆粒通常還含有 PARPs 5a、12、14 和 15 以及幾種 ADP 核糖基化蛋白。有人建議聚 ADP-核糖促進 RNA 結合蛋白在應激顆粒中的積累,從而促進它們的寡聚化。考慮到 ZAP (PARP13) 的最佳抗病毒活性需要多聚 ADP 核糖基化,仍有待確定哪種 PARP 多聚 ADP 核糖基化 ZAP。據報導,PARP14 monoADP-核糖基化 ZAP 在幾個氨基酸殘基上,這種修飾不會影響 ZAP 結合 RNA 的能力 。 PARP14 介導的 ZAP 單 ADP 核糖基化對其抗病毒作用的影響仍有待確定。
Russo 等人已經建立了一種基於細胞免疫熒光的檢測方法,能夠檢測 ADP 核糖基化,以響應病毒 RNA 模擬多聚 (I:C) 或重組干擾素 γ (IFNγ) 的治療。他們已經證明,異位表達的 SARS-CoV-2 Nsp3 宏結構域可以水解人體細胞中的這些修飾。 IFN 誘導的 ADP 核糖基化主要在胞質溶膠中以點狀信號的形式檢測到。已經表明該信號依賴於 IFN 刺激的 PARP9/D 表達TX3L 異二聚體。 Yang 等人已經證明,當與 DTX3L E3 連接酶複合時,PARP9 本身無催化活性,可介導泛素 (Ub) 的 NAD+ 依賴性單 ADP 核糖基化。 PARP9/DTX3L 對 Ub Gly76 的羧基進行 ADP 核糖基化,防止泛素化。體外研究表明,ADP-核糖基化對泛素化的抑製作用對 NAD+ 濃度敏感。 Russo 等人觀察到的 IFN 誘導的 PARP9/DTX3L 介導的 ADP 核糖基化是否靶向 Ub 必須進行研究。這可能是 SARS-CoV-2 介導的 IFN 信號抑制的結果。
最近有報導稱,SARS-CoV-2 ORF7a 篡奪了宿主的泛素系統來抑制 I 型 IFN 反應。 SARS-CoV-2 ORF7a 可以被內源性 Ub 泛素化。在可作為泛素化位點的七個 Lys 殘基中,Lys119 已被確定為對 ORF7a 泛素化至關重要。與野生型 (WT) ORF7a 相比,Lys119 殘基突變為 Ala 可排除 SARS-CoV-2 ORF7a 泛素化,顯著降低對 IFN 信號傳導的抑製作用。在 IFN-α 處理後,與突變體 K119A ORF7a 相比,WT ORF7a 抑制 STAT2(信號轉導和轉錄激活因子 2)磷酸化,而對 STAT1 磷酸化沒有影響。這是非常重要的,因為轉錄因子 STAT1 和 STAT2 響應 IFN,與 IFN 調節因子 9 (IRF9) 結合形成異源三聚體轉錄因子復合物 ISGF3(干擾素刺激的基因因子 3)。 ISGF3 複合物中的磷酸化 STAT1/STAT2 易位至細胞核並激活 ISG 的轉錄。 ORF7a 的泛素化已顯示阻礙 STAT2 磷酸化,從而抑制 STAT1 的核轉位和 IFN-α 信號傳導。因此,WT ORF7a 泛素化減少了幾種 ISG 的轉錄,包括 2'-5'-寡腺苷酸合成酶 1 (OAS1)。
在 Russo 等人的研究中,用病毒 RNA 模擬 poly(I:C) 或重組 IFNγ 處理誘導 PARP9 和 DTX3L 的表達,增加 ADP 核糖基化和 STAT1 磷酸化的水平,同時 OAS1 轉錄的強勁增加.然而,敲除 PARP9 或 DTX3L 不會降低 STAT1 磷酸化,也不會影響 OAS1 的誘導。在該實驗系統中,poly(I:C) 和重組 IFNγ 能夠誘導 IFN 刺激的 PARP9 和 DTX3L 表達,從而增加 ADP 核糖基化。 ADP-核糖基化對泛素化介導的 SARS-CoV-2 ORF7a 拮抗 IFN 反應的負面影響,由於缺乏 SARS-CoV-2 ORF7a 和其他可能拮抗 IFN 反應的病毒蛋白而不會發生。與缺乏使用泛素化來阻礙 ISG 的 STAT2 磷酸化和轉錄的 ORF7a 一致,在 Russo 等人的實驗系統中,PARP9/DTX3L 介導的 ADP 核糖基化或其被 SARS-CoV-2 Nsp3 大結構域逆轉沒有影響關於 ISG 的轉錄。需要對 PARP9/DTX3L 介導的 ADP 核糖基化阻礙 SARS-CoV-2 ORF7a 泛素化介導的 IFN 反應逃避的可能性進行實驗評估。考慮到 PARP9/DTX3L 活性對細胞 NAD+ 水平的敏感性(NAD+ 的 Dtx3L/PARP9 的 KM 為 197 ± 64 µM),它可能是決定病毒複製最初成功限制的重要因素 。
最近報導了上述 ISG OAS1 在限制 SARS-CoV-2 複製中的重要性。它識別短鏈雙鏈病毒 RNA 並激活 RNaseL,導致其降解。已經表明 OAS1 結合 SARS-CoV-2 5' 非翻譯區中的兩個保守莖環。 OAS1 的兩種主要同種型(p46 和 p42)在人類中是通過可變剪接產生的。只有 OAS1 較長的異戊二烯化 p46 同種型能夠有效檢測 SARS-CoV-2。儘管所有人類基因型都編碼存在於編碼 p46 的轉錄本中的最後一個外顯子,但內含子區域中的單核苷酸多態性 (SNP) 決定了它的用途。儘管存在表達 p46 的個體遺傳傾向,但可以想像 SARS-CoV-2 ORF7a 可能會阻礙 IFN 刺激的 OAS1 轉錄,並且儘管宿主具有產生 p46 的能力,但仍會降低其抗病毒作用。取決於細胞 NAD+ 水平,PARP9/DTX3L 可能會或可能不會排除 SARS-CoV-2 ORF7a 介導的 STAT2 磷酸化抑制,依賴於泛素化。
SARS-CoV-2 Nsp3 大結構域與 ADP-核糖結合更緊密 (Kd = 10 µM) 比 SARS-CoV 大結構域 (Kd = 24 µM) 逆轉 ADP-核糖基化的能力意味著病毒複製可能會受到限制只有當 ADP 核糖基化程度超過病毒逆轉它的能力時。由於 NAD+ 的可用性是 PARPs 活性的限制因素,其水平對其抗病毒作用至關重要。
產生 IFN,以應對 CoV 感染離子或聚(I:C)處理已被證明依賴於ADP-核糖基化。 更具體地說,Grunewald 等人已經證明 PARP14 介導的 ADP 核糖基化在誘導 I 型 IFN 中具有重要作用,儘管自泛 PARP 抑製劑 3-氨基苯甲酰胺 (3-AB) 以來其他 PARP 可能參與 IFN 誘導 對 IFN 產生的負面影響比選擇性 PARP14 抑製劑(化合物 8K)更明顯。 在觸發初始 I 型 IFN 反應後,SARS-CoV-2 下調受感染細胞中 I 型 IFN 的表達,導致 I 型 IFN 反應延遲。 因此,可以想像,由 NAD+ 的可用性衡量的初始 SARS-CoV-2 誘導的 PARP 激活強度可能決定 I 型 IFN 誘導和 SARS-CoV-2 複製的程度。
由於 NAD+ 的可用性不足,早期 I 型 IFN 反應不足,將允許病毒複製並引發更旺盛的免疫反應。
3.2. Sirtuins 和 COVID-19
Sirtuins,最初被鑑定為組蛋白賴氨酸脫乙酰酶,現在已知作用於許多非組蛋白底物,從而調節它們的功能並影響多種細胞功能。該酶家族在人類中有 7 個成員,定位於不同的亞細胞區室(SIRT1、6 和 7 核;SIRT3、4 和 5 線粒體;SIRT1 和 2 細胞質)。它們通過調節能量狀態和應激反應在維持細胞穩態方面發揮著重要作用。對病毒感染和隨後的炎症的免疫反應代表了相當大的壓力,這會引發強烈的壓力反應。與其他消耗 NAD+ 的酶相比,SIRT 的活性對 NAD+ 的充足可用性的依賴性從其對 NAD+ 的高 Michaelis-Menten 常數顯而易見。由於對 NAD+ 的要求相對較高,SIRT 對細胞 NAD+ 水平的波動很敏感。
Sirtuins 調節轉錄和代謝,從而影響許多對病毒生命週期和抗病毒反應至關重要的細胞途徑。它們通過靶向許多重要的轉錄因子如 p53、核因子 kappa B (NFκB) 和叉頭盒 O1 (FOXO1) 來影響宿主和病毒基因的表達。
SIRT 的活性由 NAD+ 的可用性來衡量,因此它與細胞代謝狀態密切相關。除了依賴細胞代謝外,SIRT 還直接調節各種代謝途徑。
細胞代謝在調節先天性和適應性免疫反應中具有重要作用。 SIRT 在多個層面參與調節免疫刺激後發生的代謝變化和反應的解決階段。據報導,敲除單個 SIRT 可增加人類細胞中人類鉅細胞病毒 (HCMV)、單純皰疹病毒 (HSV-1)、人類腺病毒 5 (Ad5) 和流感病毒 H1N1 的產量。這些結果意味著 SIRT 會阻礙病毒的複制,無論其生物學特性如何(DNA 與 RNA,包膜與裸露,快速與緩慢複製病毒)。預計 SIRT 對不同病毒的抗病毒作用機制是多種多樣的,因為不同 SIRT 的沉默效應在所探索的四種病毒中各不相同。
關於 SIRT 參與 COVID-19 的數據非常有限。 Yao 等人通過單細胞 RNA 測序分析了從健康受試者和 COVID-19 患有中度疾病、急性呼吸窘迫綜合徵 (ARDS) 和從 ARDS 中恢復的患者獲得的外周血單個核細胞 (PBMC) 的轉錄組,發現其被抑制SIRT 在重症 COVID-19 患者中介導的信號傳導。 Bordoni 等人最近表明,來自 COVID-19 患者的 PBMC 具有 p53 高表達和 SIRT1 表達顯著降低,以及促炎細胞因子 IL-1β、TNF-α、IL-8 和 IL-6水平升高。.與健康供體相比,隨著 p53 上調和 SIRT1 下調,COVID-19 患者的淋巴細胞穩態 IL-7R 和 B 細胞接頭 (BLNK) 關鍵基因的表達降低。在淋巴細胞減少的 COVID-19 患者中,這些變化伴隨著凋亡 B 和 T 細胞的顯著增加以及 IgK 和 IgL 鏈的減少。
這些結果支持了米勒等人提出的假設。在缺乏 NAD+ 的 COVID-19 患者中,由於高齡、肥胖或 2 型糖尿病 (T2DM),SIRT1 活性受損且無法下調 ADAM17(一種去整合素和金屬蛋白酶結構域 17,也稱為TNF-α 轉換酶)並限制 TNF-α 和 IL-6 的不受控制的增加。為了具有全身活性,TNF-α 和細胞因子受體 IL-6R 和 TNF-R 必須被蛋白酶 ADAM17 切割。 ADAM17 的內源性抑製劑,金屬蛋白酶 3 的組織抑製劑 (TIMP-3),與 SIRT1 呈正相關。研究表明,平滑肌細胞中 SIRT1 的過表達會增加 TIMP-3 啟動子的活性,而 SIRT1 的抑製或下調會降低其表達 。當不被 TIMP-3 抑制時,由於低 SIRT1 活性介導的 TIMP-3 減少,ADAM17 會導致 TNF-α 和 IL6 的釋放,並導致炎症,並可能導致 COVID-19 中出現不受控制的高炎症反應 。
3.3. COVID-19 中的 CD38
CD38 是一種多功能蛋白,充當信號受體和酶。在炎性細胞因子、內毒素和乾擾素刺激後,它主要在免疫細胞中表達 。它以跨膜和可溶形式存在。在細胞膜中,CD38 的羧基末端催化結構域可以面向細胞外環境(II 型方向)或細胞內部(III 型方向)。
以 NAD+ 為底物,CD38 主要作為 NAD+-糖水解酶產生 ADPr 或作為環化酶產生少量環狀 ADPr (cADPr) 。環狀 ADPr 通過 CD38 水解酶活性轉化為 ADPr。大多數 CD38 具有 II 型取向並充當外 NADase 。考慮到細胞內存在更高水平的 NAD+ 和 cADPr 作為第二信使信號分子的細胞內活性,CD38 催化結構域的細胞外定向構成了拓撲悖論 。除了使用 NAD+ 作為底物外,CD38 還代謝細胞外 NAD+ 前體、煙酰胺單核苷酸 (NMN) 和煙酰胺核苷 (NR),從而限制了它們進入細胞和 NAD+ 合成的可用性。 II 型膜結合 CD38 在限制 NAD+ 合成前體中的這種作用使人們質疑長期以來被認為存在的拓撲悖論的準確性 。
在酸性 pH 條件下,CD38 優先催化鹼基交換反應,用菸酸 (NA) 取代 NADP+ 的煙酰胺基團,生成菸酸腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NAADP) 並將 NAADP 水解為二磷酸核糖磷酸 (ADPrP)。 CD38 催化反應的所有產物都是動員 Ca2+ 的第二信使,暗示其在細胞內鈣穩態中的作用。
此外,CD38 參與細胞外腺苷 (ADO) 的調節,ADO 是一種參與控制炎症和免疫反應的核苷。通過其煙酰胺腺嘌呤二核苷酸酶 (NADase) 活性,CD38 產生 cADPr、ADPr 和 NAM。核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶 (NPP) CD203a 將 ADPr 轉化為一磷酸腺苷 (AMP),再通過 5'-核苷酸酶 (5'-NT) CD73 將其進一步轉化為 ADO 和無機焦磷酸 (PPi) [115]。 ADO 的產生及其與 A2A 腺苷受體 (A2AR) 的連接可抑制效應 T 淋巴細胞的溶細胞活性。在抗病原體免疫反應的情況下,這種作用是有益的,因為它可以抑製過度的組織損傷。此外,ADO 對 A2AR 的刺激顯著增加了調節性 T 細胞 (Treg) 的數量,從而導致更持久的 T 細胞抑製作用。
此外,急性炎症的消退階段受 CD38 產生的 Ca2+ 動員第二信使 cADPr 和 NAADP 的調節,這會增加三四脯氨酸 (TTP,也稱為 ZFP36) 的表達。在反饋循環中,TTP 通過降低 Cd38 mRNA 穩定性在轉錄後水平調節 CD38。 CD38 的下調會增加 SIRT1 活性所需的 NAD+ 水平。 SIRT1 對 TTP 的去乙酰化增強了其在消退期開始時的活性,導致包括腫瘤壞死因子 α (TNFA) 在內的促炎轉錄物降解。
鑑於 CD38 的多功能性及其在調節 NAD+ 水平、Ca2+ 動員第二信使和 ADO 的產生中的關鍵作用,可以想像 CD38 對 COVID-19 嚴重程度的貢獻是巨大的,正如 Horenstein 等人廣泛審查的那樣. 。
作為衰老和其他與慢性低度炎症相關的疾病(如肥胖和代謝紊亂)期間 NAD+ 下降的主要原因,CD38 是一個有吸引力的治療靶點。然而,在考慮靶向 CD38 治療病毒性疾病時,應考慮其在對病原體的有效免疫反應中的強制性作用,以及在炎症反應消退階段的重要作用。 CD38 的嚴格調節活性對於體內平衡很重要,因為它的活性完全缺失,正如 CD38 敲除小鼠所證明的那樣,會導致胰島素分泌受損,增加對細菌感染的易感性並導致社會行為的變化 。維持生理功能的核心是 NAD+ 代謝的穩健性,隨著年齡的增長和各種病理狀況的惡化。
Covarrubias 等人最近報導了在衰老和對炎症的急性反應中,在小鼠的內臟脂肪組織和肝臟中,促炎性 M1 樣巨噬細胞的積累,表達高水平的 CD38。衰老組織中的衰老細胞分泌一系列炎性細胞因子(稱為衰老相關分泌表型,SASP),這些細胞因子誘導巨噬細胞增殖並表達 CD38。脂肪中巨噬細胞的高 CD38 介導的 NADase 活性,衰老過程中的脂肪組織和肝臟以及對脂多醣 (LPS) 誘導的急性炎症的反應導致 NAD+ 水平下降。
在 LPS 誘導的 CD38 表達後,NNMT 和 AOX 的參與被懷疑有助於 NAD+ 下降,並在其 NADase 活性過程中增強 NAM 的釋放。在炎症條件下 CD38 大量釋放 NAM 後,其通過 NNMT 甲基化和隨後通過 AOX 將 MNAM 氧化為 2PY 和 4PY 的假設的有效性,不包括 NAD+ 補救途徑中的 NAM,已被質疑。在用 LPS 治療後,在 WT 和 CD38 敲除小鼠的脂肪組織和肝臟中測定 NAD+ 及其代謝物的水平。與 CD38 敲除小鼠相比,僅在 WT 小鼠中,脂肪組織和肝臟中 MNAM 及其代謝物的水平增加,伴隨著 LPS 誘導的 CD38 表達。這些結果支持這樣一個命題,即炎症條件下過量 NAM 清除的主要途徑是其 NNMT 介導的甲基化。肝臟中 NAM 的甲基化可能會深刻影響外周組織中的 NAD+ 水平,其中 NAM 是 NAD+ 合成的主要前體。重要的是,除了它們在 NAD+ 代謝中的作用外,NAM 和 MNAM 還具有相反的免疫調節特性。已證明高水平的 NAM 可減少巨噬細胞中炎性細胞因子的產生。最近,Kilgour 等人發現,與成纖維細胞和腫瘤細胞相比,MNAM 在不表達 NNMT 的卵巢腫瘤浸潤 T 細胞中積累。由相鄰細胞產生的 MNAM 的攝取誘導 T 細胞分泌促炎細胞因子 TNFα。在抗病毒免疫反應相關炎症過程中產生的 MNAM 對 T 細胞分泌 TNFα 的貢獻仍有待確定。
4. NAD+ 水平降低對一系列 COVID-19 糙皮病樣症狀的直接貢獻
另一方面,病毒採用多種機制來逃避宿主的免疫反應。
ADP-核糖基化抑制冠狀病毒 (CoV) 的複制。用於對抗抗病毒 ADP-核糖基化的 SARS-CoV-2 和所有其他冠狀病毒科成員的機制之一是去除這種翻譯後修飾 。 SARS-CoV-2 的非結構蛋白 3 (Nsp3) 中高度保守的宏結構域能夠水解 ADPr 修飾。 Fehr 等人已經證明,儘管通常在細胞中復制,但攜帶大結構域突變的重組 SARS-CoV 感染小鼠會降低其去 ADP 核糖基化活性,導致病毒減毒和受感染小鼠的病毒載量適度減少文化。儘管 SARS-CoV 大結構域的靶標尚未確定,但其去 ADP 核糖基化活性已被令人信服地證明可抑制早期 IFN 和促炎細胞因子反應。
感染 SARS-CoV-2 後,PARP7 和 PARPs 9-14 上調。這些 PARP 在對 SARS-CoV-2 的抗病毒反應中的作用正在顯現,儘管它們的細胞或病毒靶標仍未完全確定。
已經通過實驗確定 SARS-CoV-2 的複制受到 PARP13 的限制,PARP13 也稱為鋅指抗病毒蛋白 (ZAP) 。兩種最豐富的 ZAP 異構體,長 (ZAP-L) 和短 (ZAP-S),都包含 N 端 RNA 結合結構域和結合聚 (ADP)-核糖的中心結構域。 ZAP-L 異構體還包含一個無活性的 C 末端 PARP 結構域,該結構域帶有一個介導 S-法尼基化的半胱氨酸 (CaaX) 基序。這種翻譯後修飾增加了 ZAP 與細胞內膜的關聯。 ZAP 的抗病毒活性基於其與病毒 RNA 中的 CpG 二核苷酸的結合,導致其降解或翻譯抑制,使其成為抵禦病毒的第一道防線。
ZAP 與幾種輔助因子相互作用需要具有 CaaX 基序的 PARP 結構域,包括 3'-5' 外泌體複合物、TRIM25、KHNYN 和 OAS3-RNase L,它們參與限制病毒複製。除了與細胞內膜相關外,ZAP 還定位於應激顆粒、缺乏膜的細胞質結構中,參與在包括病毒感染在內的應激條件下抑制翻譯。除了 PARP13,應激顆粒通常還含有 PARPs 5a、12、14 和 15 以及幾種 ADP 核糖基化蛋白。有人建議聚 ADP-核糖促進 RNA 結合蛋白在應激顆粒中的積累,從而促進它們的寡聚化。考慮到 ZAP (PARP13) 的最佳抗病毒活性需要多聚 ADP 核糖基化,仍有待確定哪種 PARP 多聚 ADP 核糖基化 ZAP。據報導,PARP14 monoADP-核糖基化 ZAP 在幾個氨基酸殘基上,這種修飾不會影響 ZAP 結合 RNA 的能力 。 PARP14 介導的 ZAP 單 ADP 核糖基化對其抗病毒作用的影響仍有待確定。
Russo 等人已經建立了一種基於細胞免疫熒光的檢測方法,能夠檢測 ADP 核糖基化,以響應病毒 RNA 模擬多聚 (I:C) 或重組干擾素 γ (IFNγ) 的治療。他們已經證明,異位表達的 SARS-CoV-2 Nsp3 宏結構域可以水解人體細胞中的這些修飾。 IFN 誘導的 ADP 核糖基化主要在胞質溶膠中以點狀信號的形式檢測到。已經表明該信號依賴於 IFN 刺激的 PARP9/D 表達TX3L 異二聚體。 Yang 等人已經證明,當與 DTX3L E3 連接酶複合時,PARP9 本身無催化活性,可介導泛素 (Ub) 的 NAD+ 依賴性單 ADP 核糖基化。 PARP9/DTX3L 對 Ub Gly76 的羧基進行 ADP 核糖基化,防止泛素化。體外研究表明,ADP-核糖基化對泛素化的抑製作用對 NAD+ 濃度敏感。 Russo 等人觀察到的 IFN 誘導的 PARP9/DTX3L 介導的 ADP 核糖基化是否靶向 Ub 必須進行研究。這可能是 SARS-CoV-2 介導的 IFN 信號抑制的結果。
最近有報導稱,SARS-CoV-2 ORF7a 篡奪了宿主的泛素系統來抑制 I 型 IFN 反應。 SARS-CoV-2 ORF7a 可以被內源性 Ub 泛素化。在可作為泛素化位點的七個 Lys 殘基中,Lys119 已被確定為對 ORF7a 泛素化至關重要。與野生型 (WT) ORF7a 相比,Lys119 殘基突變為 Ala 可排除 SARS-CoV-2 ORF7a 泛素化,顯著降低對 IFN 信號傳導的抑製作用。在 IFN-α 處理後,與突變體 K119A ORF7a 相比,WT ORF7a 抑制 STAT2(信號轉導和轉錄激活因子 2)磷酸化,而對 STAT1 磷酸化沒有影響。這是非常重要的,因為轉錄因子 STAT1 和 STAT2 響應 IFN,與 IFN 調節因子 9 (IRF9) 結合形成異源三聚體轉錄因子復合物 ISGF3(干擾素刺激的基因因子 3)。 ISGF3 複合物中的磷酸化 STAT1/STAT2 易位至細胞核並激活 ISG 的轉錄。 ORF7a 的泛素化已顯示阻礙 STAT2 磷酸化,從而抑制 STAT1 的核轉位和 IFN-α 信號傳導。因此,WT ORF7a 泛素化減少了幾種 ISG 的轉錄,包括 2'-5'-寡腺苷酸合成酶 1 (OAS1)。
在 Russo 等人的研究中,用病毒 RNA 模擬 poly(I:C) 或重組 IFNγ 處理誘導 PARP9 和 DTX3L 的表達,增加 ADP 核糖基化和 STAT1 磷酸化的水平,同時 OAS1 轉錄的強勁增加.然而,敲除 PARP9 或 DTX3L 不會降低 STAT1 磷酸化,也不會影響 OAS1 的誘導。在該實驗系統中,poly(I:C) 和重組 IFNγ 能夠誘導 IFN 刺激的 PARP9 和 DTX3L 表達,從而增加 ADP 核糖基化。 ADP-核糖基化對泛素化介導的 SARS-CoV-2 ORF7a 拮抗 IFN 反應的負面影響,由於缺乏 SARS-CoV-2 ORF7a 和其他可能拮抗 IFN 反應的病毒蛋白而不會發生。與缺乏使用泛素化來阻礙 ISG 的 STAT2 磷酸化和轉錄的 ORF7a 一致,在 Russo 等人的實驗系統中,PARP9/DTX3L 介導的 ADP 核糖基化或其被 SARS-CoV-2 Nsp3 大結構域逆轉沒有影響關於 ISG 的轉錄。需要對 PARP9/DTX3L 介導的 ADP 核糖基化阻礙 SARS-CoV-2 ORF7a 泛素化介導的 IFN 反應逃避的可能性進行實驗評估。考慮到 PARP9/DTX3L 活性對細胞 NAD+ 水平的敏感性(NAD+ 的 Dtx3L/PARP9 的 KM 為 197 ± 64 µM),它可能是決定病毒複製最初成功限制的重要因素 。
最近報導了上述 ISG OAS1 在限制 SARS-CoV-2 複製中的重要性。它識別短鏈雙鏈病毒 RNA 並激活 RNaseL,導致其降解。已經表明 OAS1 結合 SARS-CoV-2 5' 非翻譯區中的兩個保守莖環。 OAS1 的兩種主要同種型(p46 和 p42)在人類中是通過可變剪接產生的。只有 OAS1 較長的異戊二烯化 p46 同種型能夠有效檢測 SARS-CoV-2。儘管所有人類基因型都編碼存在於編碼 p46 的轉錄本中的最後一個外顯子,但內含子區域中的單核苷酸多態性 (SNP) 決定了它的用途。儘管存在表達 p46 的個體遺傳傾向,但可以想像 SARS-CoV-2 ORF7a 可能會阻礙 IFN 刺激的 OAS1 轉錄,並且儘管宿主具有產生 p46 的能力,但仍會降低其抗病毒作用。取決於細胞 NAD+ 水平,PARP9/DTX3L 可能會或可能不會排除 SARS-CoV-2 ORF7a 介導的 STAT2 磷酸化抑制,依賴於泛素化。
SARS-CoV-2 Nsp3 大結構域與 ADP-核糖結合更緊密 (Kd = 10 µM) 比 SARS-CoV 大結構域 (Kd = 24 µM) 逆轉 ADP-核糖基化的能力意味著病毒複製可能會受到限制只有當 ADP 核糖基化程度超過病毒逆轉它的能力時。由於 NAD+ 的可用性是 PARPs 活性的限制因素,其水平對其抗病毒作用至關重要。
產生 IFN,以應對 CoV 感染離子或聚(I:C)處理已被證明依賴於ADP-核糖基化。 更具體地說,Grunewald 等人已經證明 PARP14 介導的 ADP 核糖基化在誘導 I 型 IFN 中具有重要作用,儘管自泛 PARP 抑製劑 3-氨基苯甲酰胺 (3-AB) 以來其他 PARP 可能參與 IFN 誘導 對 IFN 產生的負面影響比選擇性 PARP14 抑製劑(化合物 8K)更明顯。 在觸發初始 I 型 IFN 反應後,SARS-CoV-2 下調受感染細胞中 I 型 IFN 的表達,導致 I 型 IFN 反應延遲。 因此,可以想像,由 NAD+ 的可用性衡量的初始 SARS-CoV-2 誘導的 PARP 激活強度可能決定 I 型 IFN 誘導和 SARS-CoV-2 複製的程度。
由於 NAD+ 的可用性不足,早期 I 型 IFN 反應不足,將允許病毒複製並引發更旺盛的免疫反應。
3.2. Sirtuins 和 COVID-19
Sirtuins,最初被鑑定為組蛋白賴氨酸脫乙酰酶,現在已知作用於許多非組蛋白底物,從而調節它們的功能並影響多種細胞功能。該酶家族在人類中有 7 個成員,定位於不同的亞細胞區室(SIRT1、6 和 7 核;SIRT3、4 和 5 線粒體;SIRT1 和 2 細胞質)。它們通過調節能量狀態和應激反應在維持細胞穩態方面發揮著重要作用。對病毒感染和隨後的炎症的免疫反應代表了相當大的壓力,這會引發強烈的壓力反應。與其他消耗 NAD+ 的酶相比,SIRT 的活性對 NAD+ 的充足可用性的依賴性從其對 NAD+ 的高 Michaelis-Menten 常數顯而易見。由於對 NAD+ 的要求相對較高,SIRT 對細胞 NAD+ 水平的波動很敏感。
Sirtuins 調節轉錄和代謝,從而影響許多對病毒生命週期和抗病毒反應至關重要的細胞途徑。它們通過靶向許多重要的轉錄因子如 p53、核因子 kappa B (NFκB) 和叉頭盒 O1 (FOXO1) 來影響宿主和病毒基因的表達。
SIRT 的活性由 NAD+ 的可用性來衡量,因此它與細胞代謝狀態密切相關。除了依賴細胞代謝外,SIRT 還直接調節各種代謝途徑。
細胞代謝在調節先天性和適應性免疫反應中具有重要作用。 SIRT 在多個層面參與調節免疫刺激後發生的代謝變化和反應的解決階段。據報導,敲除單個 SIRT 可增加人類細胞中人類鉅細胞病毒 (HCMV)、單純皰疹病毒 (HSV-1)、人類腺病毒 5 (Ad5) 和流感病毒 H1N1 的產量。這些結果意味著 SIRT 會阻礙病毒的複制,無論其生物學特性如何(DNA 與 RNA,包膜與裸露,快速與緩慢複製病毒)。預計 SIRT 對不同病毒的抗病毒作用機制是多種多樣的,因為不同 SIRT 的沉默效應在所探索的四種病毒中各不相同。
關於 SIRT 參與 COVID-19 的數據非常有限。 Yao 等人通過單細胞 RNA 測序分析了從健康受試者和 COVID-19 患有中度疾病、急性呼吸窘迫綜合徵 (ARDS) 和從 ARDS 中恢復的患者獲得的外周血單個核細胞 (PBMC) 的轉錄組,發現其被抑制SIRT 在重症 COVID-19 患者中介導的信號傳導。 Bordoni 等人最近表明,來自 COVID-19 患者的 PBMC 具有 p53 高表達和 SIRT1 表達顯著降低,以及促炎細胞因子 IL-1β、TNF-α、IL-8 和 IL-6水平升高。.與健康供體相比,隨著 p53 上調和 SIRT1 下調,COVID-19 患者的淋巴細胞穩態 IL-7R 和 B 細胞接頭 (BLNK) 關鍵基因的表達降低。在淋巴細胞減少的 COVID-19 患者中,這些變化伴隨著凋亡 B 和 T 細胞的顯著增加以及 IgK 和 IgL 鏈的減少。
這些結果支持了米勒等人提出的假設。在缺乏 NAD+ 的 COVID-19 患者中,由於高齡、肥胖或 2 型糖尿病 (T2DM),SIRT1 活性受損且無法下調 ADAM17(一種去整合素和金屬蛋白酶結構域 17,也稱為TNF-α 轉換酶)並限制 TNF-α 和 IL-6 的不受控制的增加。為了具有全身活性,TNF-α 和細胞因子受體 IL-6R 和 TNF-R 必須被蛋白酶 ADAM17 切割。 ADAM17 的內源性抑製劑,金屬蛋白酶 3 的組織抑製劑 (TIMP-3),與 SIRT1 呈正相關。研究表明,平滑肌細胞中 SIRT1 的過表達會增加 TIMP-3 啟動子的活性,而 SIRT1 的抑製或下調會降低其表達 。當不被 TIMP-3 抑制時,由於低 SIRT1 活性介導的 TIMP-3 減少,ADAM17 會導致 TNF-α 和 IL6 的釋放,並導致炎症,並可能導致 COVID-19 中出現不受控制的高炎症反應 。
3.3. COVID-19 中的 CD38
CD38 是一種多功能蛋白,充當信號受體和酶。在炎性細胞因子、內毒素和乾擾素刺激後,它主要在免疫細胞中表達 。它以跨膜和可溶形式存在。在細胞膜中,CD38 的羧基末端催化結構域可以面向細胞外環境(II 型方向)或細胞內部(III 型方向)。
以 NAD+ 為底物,CD38 主要作為 NAD+-糖水解酶產生 ADPr 或作為環化酶產生少量環狀 ADPr (cADPr) 。環狀 ADPr 通過 CD38 水解酶活性轉化為 ADPr。大多數 CD38 具有 II 型取向並充當外 NADase 。考慮到細胞內存在更高水平的 NAD+ 和 cADPr 作為第二信使信號分子的細胞內活性,CD38 催化結構域的細胞外定向構成了拓撲悖論 。除了使用 NAD+ 作為底物外,CD38 還代謝細胞外 NAD+ 前體、煙酰胺單核苷酸 (NMN) 和煙酰胺核苷 (NR),從而限制了它們進入細胞和 NAD+ 合成的可用性。 II 型膜結合 CD38 在限制 NAD+ 合成前體中的這種作用使人們質疑長期以來被認為存在的拓撲悖論的準確性 。
在酸性 pH 條件下,CD38 優先催化鹼基交換反應,用菸酸 (NA) 取代 NADP+ 的煙酰胺基團,生成菸酸腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NAADP) 並將 NAADP 水解為二磷酸核糖磷酸 (ADPrP)。 CD38 催化反應的所有產物都是動員 Ca2+ 的第二信使,暗示其在細胞內鈣穩態中的作用。
此外,CD38 參與細胞外腺苷 (ADO) 的調節,ADO 是一種參與控制炎症和免疫反應的核苷。通過其煙酰胺腺嘌呤二核苷酸酶 (NADase) 活性,CD38 產生 cADPr、ADPr 和 NAM。核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶 (NPP) CD203a 將 ADPr 轉化為一磷酸腺苷 (AMP),再通過 5'-核苷酸酶 (5'-NT) CD73 將其進一步轉化為 ADO 和無機焦磷酸 (PPi) [115]。 ADO 的產生及其與 A2A 腺苷受體 (A2AR) 的連接可抑制效應 T 淋巴細胞的溶細胞活性。在抗病原體免疫反應的情況下,這種作用是有益的,因為它可以抑製過度的組織損傷。此外,ADO 對 A2AR 的刺激顯著增加了調節性 T 細胞 (Treg) 的數量,從而導致更持久的 T 細胞抑製作用。
此外,急性炎症的消退階段受 CD38 產生的 Ca2+ 動員第二信使 cADPr 和 NAADP 的調節,這會增加三四脯氨酸 (TTP,也稱為 ZFP36) 的表達。在反饋循環中,TTP 通過降低 Cd38 mRNA 穩定性在轉錄後水平調節 CD38。 CD38 的下調會增加 SIRT1 活性所需的 NAD+ 水平。 SIRT1 對 TTP 的去乙酰化增強了其在消退期開始時的活性,導致包括腫瘤壞死因子 α (TNFA) 在內的促炎轉錄物降解。
鑑於 CD38 的多功能性及其在調節 NAD+ 水平、Ca2+ 動員第二信使和 ADO 的產生中的關鍵作用,可以想像 CD38 對 COVID-19 嚴重程度的貢獻是巨大的,正如 Horenstein 等人廣泛審查的那樣. 。
作為衰老和其他與慢性低度炎症相關的疾病(如肥胖和代謝紊亂)期間 NAD+ 下降的主要原因,CD38 是一個有吸引力的治療靶點。然而,在考慮靶向 CD38 治療病毒性疾病時,應考慮其在對病原體的有效免疫反應中的強制性作用,以及在炎症反應消退階段的重要作用。 CD38 的嚴格調節活性對於體內平衡很重要,因為它的活性完全缺失,正如 CD38 敲除小鼠所證明的那樣,會導致胰島素分泌受損,增加對細菌感染的易感性並導致社會行為的變化 。維持生理功能的核心是 NAD+ 代謝的穩健性,隨著年齡的增長和各種病理狀況的惡化。
Covarrubias 等人最近報導了在衰老和對炎症的急性反應中,在小鼠的內臟脂肪組織和肝臟中,促炎性 M1 樣巨噬細胞的積累,表達高水平的 CD38。衰老組織中的衰老細胞分泌一系列炎性細胞因子(稱為衰老相關分泌表型,SASP),這些細胞因子誘導巨噬細胞增殖並表達 CD38。脂肪中巨噬細胞的高 CD38 介導的 NADase 活性,衰老過程中的脂肪組織和肝臟以及對脂多醣 (LPS) 誘導的急性炎症的反應導致 NAD+ 水平下降。
在 LPS 誘導的 CD38 表達後,NNMT 和 AOX 的參與被懷疑有助於 NAD+ 下降,並在其 NADase 活性過程中增強 NAM 的釋放。在炎症條件下 CD38 大量釋放 NAM 後,其通過 NNMT 甲基化和隨後通過 AOX 將 MNAM 氧化為 2PY 和 4PY 的假設的有效性,不包括 NAD+ 補救途徑中的 NAM,已被質疑。在用 LPS 治療後,在 WT 和 CD38 敲除小鼠的脂肪組織和肝臟中測定 NAD+ 及其代謝物的水平。與 CD38 敲除小鼠相比,僅在 WT 小鼠中,脂肪組織和肝臟中 MNAM 及其代謝物的水平增加,伴隨著 LPS 誘導的 CD38 表達。這些結果支持這樣一個命題,即炎症條件下過量 NAM 清除的主要途徑是其 NNMT 介導的甲基化。肝臟中 NAM 的甲基化可能會深刻影響外周組織中的 NAD+ 水平,其中 NAM 是 NAD+ 合成的主要前體。重要的是,除了它們在 NAD+ 代謝中的作用外,NAM 和 MNAM 還具有相反的免疫調節特性。已證明高水平的 NAM 可減少巨噬細胞中炎性細胞因子的產生。最近,Kilgour 等人發現,與成纖維細胞和腫瘤細胞相比,MNAM 在不表達 NNMT 的卵巢腫瘤浸潤 T 細胞中積累。由相鄰細胞產生的 MNAM 的攝取誘導 T 細胞分泌促炎細胞因子 TNFα。在抗病毒免疫反應相關炎症過程中產生的 MNAM 對 T 細胞分泌 TNFα 的貢獻仍有待確定。
4. NAD+ 水平降低對一系列 COVID-19 糙皮病樣症狀的直接貢獻
無論其病因如何,NAD+ 缺乏都會導致各種類似於糙皮病的症狀的發展,糙皮病是一種“4 D 疾病”(用於皮炎、腹瀉、癡呆和死亡)。由於缺乏用於診斷此類缺陷的常規特定測試,亞臨床糙皮病通常不被認可。它會引起廣泛的症狀,並且通常並非所有特徵性症狀都存在,因此糙皮病的形成通常無法識別。由膳食維生素 B3 和色氨酸缺乏引起的糙皮病在發達國家很少見。它偶爾發生在慢性酒精濫用和吸收不良狀態的人身上。無論其前體的膳食攝入量如何,當 NAD+ 消耗由於由 NNMT 和 AOX1 活性介導的“NAM 流失”而無法被其生物合成充分抵消時,可能會發生 NAD+ 缺乏症。內源性導致的 NAD+ 缺乏常見於老年人和易患嚴重 COVID-19 的病理狀態。
儘管響應 SARS-CoV-2 感染的 NAD+ 耗竭並不是一種獨特的現象,但這種病毒的幾個特徵可能會導致 NAD+ 大量耗竭。 SARS-CoV-2 具有偽裝其存在和延遲、逃避和抑制免疫系統的能力,使其在感染早期不受干擾地複制。考慮到 SARS-CoV-2 Nsp3 宏結構域會強烈降解由抗病毒 PARP 設置的 ADPr,可以想像 NAD+ 的消耗和 NAM 的釋放高度升高。宿主 NAD+ 新陳代謝對這一壓力事件做出反應的穩健性決定了 COVID-19 的臨床表現。
已經報導了一系列讓人聯想到糙皮病的症狀,即使在輕度或中度 COVID-19 患者中也是如此,這支持了針對 SARS-CoV-2 感染的強烈的初始 NAD+ 消耗的概念。
4.1。 皮膚粘膜和胃腸道表現
菸酸缺乏症的名稱糙皮病是從意大利語單詞 pelle(皮膚和 agra)中創造出來的,因為皮膚表現是這種疾病最明顯的跡象。受菸酸缺乏影響最大的組織,以及隨之而來的 NAD+ 缺乏,是那些細胞更新率最高的組織,例如皮膚和胃腸道。
關於 COVID-19 中各種皮膚表現和胃腸道紊亂的發生已經發表了許多報告。在 COVID-19 大流行期間經常觀察到的症狀包括 COVID 腳趾和 COVID 舌頭 。有趣的是,在大多數出現這些症狀的患者中,通過 RT-PCR 或血清學檢測都沒有檢測到 SARS-CoV-2。有人提出,手指和腳趾上的凍瘡樣表現可能代表對病毒的強烈先天免疫反應及其在產生特異性抗體之前的清除的結果。在罕見的單基因 1 型乾擾素病中觀察到凍瘡,其中抗病毒先天免疫反應被過度激活。然而,這種強烈的先天免疫反應會導致短暫的 NAD+ 耗竭,表現為糙皮病特徵性的肢端皮膚損傷。同樣,COVID 舌頭類似於糙皮病中描述的舌頭變化,範圍從地理型病變到舌乳頭的一般萎縮或舌的邊緣萎縮 。
4.2. 與催產素分泌不足相關的嗅覺、味覺和傷害感受障礙
在 SARS-CoV-2 大流行的早期,嗅覺和味覺的喪失被描述為 COVID-19 的常見特徵症狀之一 。格林在 1971 年根據臨床經驗描述了這些症狀與亞臨床糙皮病有關。事實上,菸酸治療解決了他的患者的這些感覺障礙。當時,菸酸缺乏導致這些症狀的機制尚不清楚。從那時起,已經確定催產素 (OT) 信號傳導涉及人類社會行為,包括嗅覺知覺。
催產素水平取決於 CD38 的表達和活性,因為它的分泌涉及從蘭尼鹼敏感儲存中釋放 Ca2+,這取決於 cADPr 和 NAADP。這兩種調動 Ca2+ 的信號分子同時發揮自分泌和旁分泌作用。 CD38 的表達不限於視上核和室旁核的神經元,其中 OT 主要合成用於全身和中樞釋放。相反,cADPr 和 NAADP 可能在這些細胞之外合成,並被產生 OT 的神經元吸收 。除了參與嗅覺感知之外,OT 雖然不是在味蕾中局部產生,但通過小鼠味蕾中的 OT 受體引發 Ca2+ 信號。因此,可以想像,SARS-CoV-2 感染後的急性 NAD+ 耗竭會導致 CD38 依賴性 OT 分泌效率低下,從而導致 COVID-19 患者的嗅覺和味覺障礙。
基於 OT 的抗炎和免疫調節特性,建議使用 OT 作為該疾病的輔助治療。然而,據我所知,尚未評估 COVID-19 患者的內源性 OT 水平,這很可能是由於獲取腦脊液樣本的高度侵入性以及關於血漿或唾液中測量的 OT 水平相關性的有爭議的報告與來自腦脊液的那些。
關於人類血漿 OT 水平的年齡和性別差異的報導很少。在雄性小鼠中,全身 OT 水平隨著年齡的增長而下降。 Elabd 等人報導,與年輕(2 至 4 個月大)小鼠相比,老年小鼠(18 至 24 個月大)的 OT 水平降低了三倍 [149]。關於人血漿 OT 水平的性別差異,報告的結果不一致。 Weisman 等人報導男性血漿 OT 水平高於女性,而 Plasencia 等人發現女性血漿 OT 水平較高 [150,151]。在這兩項研究中,關於血漿 OT 水平的性別差異的不同結果很可能源於對月經週期不同階段的女性進行抽樣以及母乳喂養受試者的納入或排除。
關於 NAD+ 水平參與調節 OT 分泌的重要見解來自一份報告,即通過補充 NR 提高 NAD+ 水平可糾正 CD157 KO 小鼠中的 OT 水平,缺乏 cADPr 形成。 CD157 和 CD38 都參與鈣依賴性 OT 的產生。這些酶使用 NAD+ 作為底物產生鈣調動第二信使 cADPr。在補充 NR 後,NAD+ 水平的增加允許更高的 CD38 活性,糾正 cADPr 缺陷並恢復 CD157 KO 小鼠的 OT 產生。
NAD+/NADH 比率降低是糖尿病組織的特徵性生化異常。根據對鈣信號依賴性 OT 分泌足夠 NAD+ 水平的強制性要求,與葡萄糖耐量正常和體重正常的受試者相比,II 型糖尿病患者和肥胖人群的血清 OT 水平降低 [154]。據報導,患有 T2DM 的患者比健康受試者更頻繁地味覺和嗅覺識別受損,儘管與 OT 水平的關係尚未受到質疑。 COVID-19 患者嗅覺和味覺功能障礙的發生是否與 OT 水平降低、NAD+ 水平降低和鈣信號傳導受損有關,仍有待研究。
在其多種作用中,OT 參與抑制炎症性疼痛傷害感受。據報導,OT 通過疼痛感知瞬時受體電位香草素亞型 1 (TRPV1) 減輕疼痛。提出的 OT 介導的疼痛感知衰減機制是 TRPV1 的初始激活,隨後是其明顯的脫敏。除傷害感受外,TRPV1 還與咳嗽超敏反應有關。有人提出,基於功能性磁共振成像研究表明,相同的大腦區域被疼痛和咳嗽激活,COVID-19 後過敏性咳嗽和肌肉骨骼疼痛可能與中樞過敏的常見途徑有關。需要確定降低的 OT 水平是否有助於這種超敏反應的發展。
4.3. CD38 介導的 Ca2+ 動員不足導致胰島素分泌受損
除了參與 OT 分泌外,CD38 介導的 Ca2+ 動員對於胰島素分泌也是必不可少的,如 CD38 KO 小鼠模型所示。與對照小鼠相比,這些小鼠的血清胰島素水平較低,葡萄糖耐量受損。這種損傷通過 CD38 的 β 細胞特異性表達得以挽救。 Okamoto 提出了一個模型,其中 NAD+ 消耗通過其在 PARP 激活時的過度消耗,旨在修復由氧自由基或 DNA 烷基化引起的 DNA 損傷,抑制胰島素合成和分泌,最終導致 β 細胞死亡。早期關於 CD38 活性參與胰島素分泌的研究集中在 cADPr 作為該過程中主要的 Ca2+ 信號分子 。隨後,已經證明雖然 cADPr 水平在葡萄糖刺激後增加,但不足以分泌胰島素。 Johnson 和 Misler 已經證明,胰島素信號傳導的啟動取決於 NAADP,另一種 CD38 衍生分子。 Heister 等人最近提出,在 Ca2+ 流入和胰島素胞吐作用之前,葡萄糖會觸發初始的 NAADP 依賴性 Ca2+ 從可能的酸性儲存中動員。
15 年前,Revollo 等人在一項研究細胞外 Nampt (eNampt) 作用的研究中證明了葡萄糖刺激的胰島素分泌對 NAD+ 的依賴性,該研究以前被認為是一種稱為前 B 細胞的細胞因子集落增強因子 (PBEF) 或胰島素模擬激素內脂素。已經證明,它具有強大的 NAD+ 生物合成活性,並且其單倍體缺乏或化學抑制會在體外和體內減少胰島中的 NAD+ 生物合成和葡萄糖刺激的胰島素分泌。補充 NMN(Nampt 反應的產物)可以糾正 Nampt 抑制的這種影響,證明 Nampt 介導的 NAD+ 生物合成對 β 細胞功能至關重要 。在哺乳動物中,NAMPT 以兩種形式存在,細胞內 (iNAMPT) 和細胞外 (eNAMPT)。分泌信號序列的缺乏意味著 eNAMPT 存在於細胞外的可能性源於細胞裂解。此後已經確定,脂肪細胞中 SIRT1 介導的 iNAMPT 去乙酰化使其易於分泌。細胞外 NAMPT 由分化的脂肪細胞分泌,酶活性比 iNAMPT 高 2-4 倍。
考慮到 β 細胞功能對 NAD+ 的依賴性,其在應對 SARS-CoV-2 感染時大量消耗和釋放 NAM,可以深刻影響胰島素分泌和葡萄糖耐量。事實上,從大流行的早期開始,就有關於 SARS-CoV-2 能夠在以前沒有診斷出糖尿病的人中誘發高血糖的報導。感染引起的高血糖並不是 SARS-CoV-2 獨有的,因為它與其他感染一起發生。目前尚不確定 SARS-CoV-2 感染引起高血糖和偶爾報告新發糖尿病的機制。沒有明確的證據表明 SARS-CoV-2 直接誘導 β 細胞損傷。只有長期隨訪才能解決 SARS-CoV-2 感染是否比其他感染更大程度地促進永久性糖尿病的發作。與社區獲得性肺炎相關的高血糖症經常發生在既往沒有糖尿病的患者中,但可促進永久性糖尿病的發作,尤其是在老年人中。
隨著 NAD+ 水平隨著年齡的增長而降低,以及通過在補救途徑中補充 NAD+ 來應對感染誘導的 NAD+ 消耗的能力降低,它可能對老年人的 β 細胞功能產生更持久的影響。與 NAD+ 代謝適應性降低相關的其他條件是否會使 COVID-19 患者易患 β 細胞功能的永久性損害仍有待研究。
5. 除 NAD+ 缺乏外,“NAM 流失”對 COVID-19 的影響
COVID-19 的幾種症狀與原發性糙皮病不同,與 NAD+ 缺乏本身無關,而是與其進化過程(“NAM 流失”)引起的干擾有關。 在 NAD+ 消耗反應中釋放的過量 NAM 的去除是通過其 NNMT 介導的甲基化來實現的。 該反應消耗來自 S-腺苷甲硫氨酸 (SAM) 的甲基單元以生成 MNAM 和 S-腺苷高半胱氨酸 (SAH) 。 隨後,S-腺苷-L-同型半胱氨酸水解酶 (SAHase) 將 SAH 轉化為腺苷和同型半胱氨酸 (Hcy)(圖 3)。
圖 3
“NAM 流失”同時影響 NAD+ 補救途徑和蛋氨酸循環。 通過其煙酰胺 N-甲基轉移酶 (NNMT) 介導的甲基化過度的煙酰胺 (NAM) 清除將 NAM 從補救途徑中排除並消耗來自 S- 腺苷甲硫氨酸 (SAM) 的甲基單位以產生 N1-甲基煙酰胺和 S- 腺苷同型半胱氨酸 (SAH)。 酶 S-腺苷-L-同型半胱氨酸水解酶 (SAHase) 將 SAH 轉化為同型半胱氨酸 (Hcy)。 高 NAD+ 消耗和 NAM 釋放的條件,以及維生素 B3 的過量膳食攝入,促進了“NAM 流失”介導的多餘 NAM 的清除。 這個過程阻止了補救途徑中的 NAD+ 合成,降低了細胞的甲基化潛力並增加了 (Hcy) 的產生。
“NAM 流失”同時影響 NAD+ 補救途徑和蛋氨酸循環。 通過其煙酰胺 N-甲基轉移酶 (NNMT) 介導的甲基化過度的煙酰胺 (NAM) 清除將 NAM 從補救途徑中排除並消耗來自 S- 腺苷甲硫氨酸 (SAM) 的甲基單位以產生 N1-甲基煙酰胺和 S- 腺苷同型半胱氨酸 (SAH)。 酶 S-腺苷-L-同型半胱氨酸水解酶 (SAHase) 將 SAH 轉化為同型半胱氨酸 (Hcy)。 高 NAD+ 消耗和 NAM 釋放的條件,以及維生素 B3 的過量膳食攝入,促進了“NAM 流失”介導的多餘 NAM 的清除。 這個過程阻止了補救途徑中的 NAD+ 合成,降低了細胞的甲基化潛力並增加了 (Hcy) 的產生。
NNMT 在脂肪組織中的高表達和高活性是 Hcy 的主要來源,導致高同型半胱氨酸血症的發生,高同型半胱氨酸血症是動脈粥樣硬化的危險因素。重要的是,在含有 1 mM NAM 的無血清培養基中培養細胞 15 小時後,小鼠肝臟和白色脂肪組織樣品中 Hcy 的釋放量增加了 46% 以上。相反,NNMT 的產品和抑製劑 MNAM 有效地降低了 Hcy 水平。在一項針對 313 名 COVID-19 住院患者的多中心回顧性研究中,發現非倖存者的血漿 Hcy 水平顯著升高。在另一項涉及 273 名 COVID-19 患者的研究中,發現高同型半胱氨酸血症可預測肺部計算機斷層掃描 (CT) 成像的進展。 Hcy 的升高表明甲基轉移酶對 SAM 中甲基單位的消耗增加。 Ulanovskaya 等人提出,NNMT 代表癌症中的“甲基化匯”並損害甲基供體平衡 。
NNMT 在肝臟中的高活性,通過降低甲基化能力,降低了結締組織生長因子 (CTGF) 基因啟動子的甲基化,從而增加了其表達。這種 CTGF 的上調促進了肝纖維化的發展。由於 CTGF 在肺纖維化的發展中也起著至關重要的作用,NNMT 介導的甲基化下降可能會促進在 COVID-19 患者中觀察到的肺纖維化的進展。
除了影響甲基化能力外,最近有報導稱 NNMT 在暴露於氧化應激的內皮細胞中具有保護作用。 5-氨基-1-甲基喹啉 (5MQ) 和 6-甲氧基煙酰胺 (JBSF-88) 在人內皮 HMEC-1 和 HAEC 細胞中對其活性的抑制降低了它們對甲萘醌誘導的氧化應激的活力。磷酸化 (Ser 47) SIRT1 與總 SIRT1 的比率隨著 NNMT 抑製劑和甲萘醌誘導的氧化應激而增加。作者提出,NNMT 通過 SIRT1 活性發揮其針對氧化應激的保護功能 。抑制 NNMT 後,總 SIRT1 蛋白表達的降低與增加 MNAM 水平或肝臟中 Nnmt 表達後 SIRT1 蛋白穩定的報告一致[181]。 SIRT1 在 Ser47 位點被 c-Jun N 末端激酶 1 (JNK1) 磷酸化,誘導其短暫活化,隨後泛素化和蛋白酶體降解。可以想像,在 COVID-19 進展和由於急性 NAD+ 消耗導致 NAD+ 通量停滯的過程中,NNMT 將釋放和處理較少的 NAM,導致 SIRT1 降解和 KP 激活。同樣,在初級糙皮病中,NAM 及其代謝物的排泄量很低,而 KP 上調,這可以從 KYN/Trp 比率的增加來判斷。
ACMSD 的轉錄,編碼酶,其活性將 TRP 轉向 TCA 循環中的 ATP 生產,遠離 KP,由 PGC1α 和 HNF4α 協同調節。 SIRT1 通過以 NAD+ 依賴的方式去乙酰化 PGC-1α 來調節其活性。因此,SIRT1 的低表達(由於其穩定性受損)或其活性降低(由於 NAD+ 缺乏)可能導致 ACMSD 表達降低和 KP 激活。
COVID-19 介導的 NAD+ 耗竭,與原發性糙皮病類似,會導致 KP 激活、淋巴細胞減少和炎症標誌物升高。 COVID-19 中 KP 的高活性,以及隨之而來的 Trp 降低和神經活性代謝物 QA 的積累,可能是 COVID-19 中某些神經系統表現的原因。 COVID-19 相關神經系統症狀的病理生理學基礎尚未得到很好的闡明。儘管推測 SARS-CoV-2 可能進入中樞神經系統,但在 COVID-19 患者的腦脊液中通過 RT-PCR 檢測到 SARS-CoV-2 並不容易。來自已故 COVID-19 患者的腦脊液和腦組織分析的證據表明,免疫激活和炎症是神經系統表現的主要驅動因素。一些症狀,如疲勞、注意力不集中、抑鬱、頭痛和感覺障礙,可能會在感染清除一段時間後持續存在。即使是在急性感染期間經歷過輕度至中度 COVID-19 的患者,偶爾也會報告與病毒引起的器官損傷無關的持續症狀。這些症狀通常被稱為“長期 COVID-19”,通常類似於肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合徵 (ME/CFS)。 “Long COVID-19”和 ME/CFS 具有與氧化還原失衡、炎症、產生三磷酸腺苷的能力受損和一般低代謝狀態相關的特徵變化。其中一些紊亂與宿主 NAD+ 代謝的穩健性不足相關的變化是一致的,以緩衝感染引起的壓力並在感染解決後恢復穩態。 “Long COVID-19”和 ME/CFS 的共同變化是 Hcy 增加、NAD+ 補救途徑受損、KYN/Trp 比值和喹啉酸增加,這與未完全執行的 KP 的上調一致。
與內源性 NAD+ 缺乏症中營養不良誘導的糙皮病相似,臨床表現根據其嚴重程度而有所不同。
NAD+ 缺乏在感染消退後的持續存在可能取決於 NAD+ 代謝組的初始穩健性。
6. 結束語
NNMT 在肝臟中的高活性,通過降低甲基化能力,降低了結締組織生長因子 (CTGF) 基因啟動子的甲基化,從而增加了其表達。這種 CTGF 的上調促進了肝纖維化的發展。由於 CTGF 在肺纖維化的發展中也起著至關重要的作用,NNMT 介導的甲基化下降可能會促進在 COVID-19 患者中觀察到的肺纖維化的進展。
除了影響甲基化能力外,最近有報導稱 NNMT 在暴露於氧化應激的內皮細胞中具有保護作用。 5-氨基-1-甲基喹啉 (5MQ) 和 6-甲氧基煙酰胺 (JBSF-88) 在人內皮 HMEC-1 和 HAEC 細胞中對其活性的抑制降低了它們對甲萘醌誘導的氧化應激的活力。磷酸化 (Ser 47) SIRT1 與總 SIRT1 的比率隨著 NNMT 抑製劑和甲萘醌誘導的氧化應激而增加。作者提出,NNMT 通過 SIRT1 活性發揮其針對氧化應激的保護功能 。抑制 NNMT 後,總 SIRT1 蛋白表達的降低與增加 MNAM 水平或肝臟中 Nnmt 表達後 SIRT1 蛋白穩定的報告一致[181]。 SIRT1 在 Ser47 位點被 c-Jun N 末端激酶 1 (JNK1) 磷酸化,誘導其短暫活化,隨後泛素化和蛋白酶體降解。可以想像,在 COVID-19 進展和由於急性 NAD+ 消耗導致 NAD+ 通量停滯的過程中,NNMT 將釋放和處理較少的 NAM,導致 SIRT1 降解和 KP 激活。同樣,在初級糙皮病中,NAM 及其代謝物的排泄量很低,而 KP 上調,這可以從 KYN/Trp 比率的增加來判斷。
ACMSD 的轉錄,編碼酶,其活性將 TRP 轉向 TCA 循環中的 ATP 生產,遠離 KP,由 PGC1α 和 HNF4α 協同調節。 SIRT1 通過以 NAD+ 依賴的方式去乙酰化 PGC-1α 來調節其活性。因此,SIRT1 的低表達(由於其穩定性受損)或其活性降低(由於 NAD+ 缺乏)可能導致 ACMSD 表達降低和 KP 激活。
COVID-19 介導的 NAD+ 耗竭,與原發性糙皮病類似,會導致 KP 激活、淋巴細胞減少和炎症標誌物升高。 COVID-19 中 KP 的高活性,以及隨之而來的 Trp 降低和神經活性代謝物 QA 的積累,可能是 COVID-19 中某些神經系統表現的原因。 COVID-19 相關神經系統症狀的病理生理學基礎尚未得到很好的闡明。儘管推測 SARS-CoV-2 可能進入中樞神經系統,但在 COVID-19 患者的腦脊液中通過 RT-PCR 檢測到 SARS-CoV-2 並不容易。來自已故 COVID-19 患者的腦脊液和腦組織分析的證據表明,免疫激活和炎症是神經系統表現的主要驅動因素。一些症狀,如疲勞、注意力不集中、抑鬱、頭痛和感覺障礙,可能會在感染清除一段時間後持續存在。即使是在急性感染期間經歷過輕度至中度 COVID-19 的患者,偶爾也會報告與病毒引起的器官損傷無關的持續症狀。這些症狀通常被稱為“長期 COVID-19”,通常類似於肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合徵 (ME/CFS)。 “Long COVID-19”和 ME/CFS 具有與氧化還原失衡、炎症、產生三磷酸腺苷的能力受損和一般低代謝狀態相關的特徵變化。其中一些紊亂與宿主 NAD+ 代謝的穩健性不足相關的變化是一致的,以緩衝感染引起的壓力並在感染解決後恢復穩態。 “Long COVID-19”和 ME/CFS 的共同變化是 Hcy 增加、NAD+ 補救途徑受損、KYN/Trp 比值和喹啉酸增加,這與未完全執行的 KP 的上調一致。
與內源性 NAD+ 缺乏症中營養不良誘導的糙皮病相似,臨床表現根據其嚴重程度而有所不同。
NAD+ 缺乏在感染消退後的持續存在可能取決於 NAD+ 代謝組的初始穩健性。
6. 結束語
對 SARS-CoV-2 的初始免疫反應抑制其複制的強度取決於細胞 NAD+ 水平。
SARS-CoV-2 在逆轉抗病毒 ADP-核糖基化方面的高效力使該病毒對複制限制具有更高的抵抗力,並允許在先前存在的亞臨床 NAD+ 缺乏症的患者中發展為嚴重疾病。
內源性導致的 NAD+ 缺乏症,常見於老年人和其他導致嚴重 COVID-19 發展的易感條件,很可能源於 NAD+ 消耗反應中 NAD+ 降解升高,再加上 NAD+ 補救途徑停滯,由 NNMT 和 AOX1 的協同活動介導。。
這種缺乏可以通過確定血液中 NAD+ 水平與尿液中 NAM 代謝物水平之間的比率來檢測。
儘管飲食和內源性 NAM 缺乏症的臨床後果有許多相似之處,但後者不能僅通過補充維生素 B3 來補救。抑制 AOX1 可緩解 NAD+ 補救途徑的紊亂,並與充足的營養一起有助於細胞 NAD+ 水平的恢復。支持 AOX1 抑制可能增加 NAD+ 水平的命題來自篩選 304 種活性化合物的結果,涵蓋廣泛的腫瘤學靶點,以評估它們對 A549 肺癌細胞中 NAD+ 水平的影響。 Raloxifene hydrochloride 導致 NAD+/NADH 水平增加兩倍。 NAD+/NADH 的 EC50 值在 24 小時為 700 nM,在處理 46 小時後降至 30 nM。雷洛昔芬是一種治療骨質疏鬆症的處方藥,在臨床相關劑量下是一種有效的 AOX1 抑製劑。但是,不建議在對照臨床試驗之外使用雷洛昔芬治療 COVID-19。
單獨服用高劑量維生素 B3 不太可能預防 SARS-CoV-2 加重的 NAD+ 缺乏症,甚至可能有害。
考慮到 NAD+ 消耗酶的重要生理作用,試圖通過抑制它們來提高 NAD+ 水平可能是有害的,尤其是在面臨持續感染的情況下。
雖然 NAD+ 耗竭並不是 SARS-CoV-2 感染的獨特現象,但這種流行病揭示了人口老齡化和患有一系列非傳染性疾病的人固有的代謝脆弱性,這些疾病現已被確定為發展為嚴重疾病的風險因素2019冠狀病毒病。憑藉其主動逆轉抗病毒 ADP-核糖基化的高能力,該病毒加重了預先存在的 NAD+ 缺乏狀態,這與其前體的膳食攝入不足無關,而是由於過量的 NAD+ 補救途徑功能減少的狀態的特徵“NAM流失”。
對該過程的詳細描述將為開發旨在預防和緩解 NAD+ 缺乏症的方法奠定基礎,這些缺乏症不僅與 COVID-19 相關,而且與在此次大流行期間出現的一系列“炎症”相關疾病成為更糟的風險因素臨床結果。
SARS-CoV-2 在逆轉抗病毒 ADP-核糖基化方面的高效力使該病毒對複制限制具有更高的抵抗力,並允許在先前存在的亞臨床 NAD+ 缺乏症的患者中發展為嚴重疾病。
內源性導致的 NAD+ 缺乏症,常見於老年人和其他導致嚴重 COVID-19 發展的易感條件,很可能源於 NAD+ 消耗反應中 NAD+ 降解升高,再加上 NAD+ 補救途徑停滯,由 NNMT 和 AOX1 的協同活動介導。。
這種缺乏可以通過確定血液中 NAD+ 水平與尿液中 NAM 代謝物水平之間的比率來檢測。
儘管飲食和內源性 NAM 缺乏症的臨床後果有許多相似之處,但後者不能僅通過補充維生素 B3 來補救。抑制 AOX1 可緩解 NAD+ 補救途徑的紊亂,並與充足的營養一起有助於細胞 NAD+ 水平的恢復。支持 AOX1 抑制可能增加 NAD+ 水平的命題來自篩選 304 種活性化合物的結果,涵蓋廣泛的腫瘤學靶點,以評估它們對 A549 肺癌細胞中 NAD+ 水平的影響。 Raloxifene hydrochloride 導致 NAD+/NADH 水平增加兩倍。 NAD+/NADH 的 EC50 值在 24 小時為 700 nM,在處理 46 小時後降至 30 nM。雷洛昔芬是一種治療骨質疏鬆症的處方藥,在臨床相關劑量下是一種有效的 AOX1 抑製劑。但是,不建議在對照臨床試驗之外使用雷洛昔芬治療 COVID-19。
單獨服用高劑量維生素 B3 不太可能預防 SARS-CoV-2 加重的 NAD+ 缺乏症,甚至可能有害。
考慮到 NAD+ 消耗酶的重要生理作用,試圖通過抑制它們來提高 NAD+ 水平可能是有害的,尤其是在面臨持續感染的情況下。
雖然 NAD+ 耗竭並不是 SARS-CoV-2 感染的獨特現象,但這種流行病揭示了人口老齡化和患有一系列非傳染性疾病的人固有的代謝脆弱性,這些疾病現已被確定為發展為嚴重疾病的風險因素2019冠狀病毒病。憑藉其主動逆轉抗病毒 ADP-核糖基化的高能力,該病毒加重了預先存在的 NAD+ 缺乏狀態,這與其前體的膳食攝入不足無關,而是由於過量的 NAD+ 補救途徑功能減少的狀態的特徵“NAM流失”。
對該過程的詳細描述將為開發旨在預防和緩解 NAD+ 缺乏症的方法奠定基礎,這些缺乏症不僅與 COVID-19 相關,而且與在此次大流行期間出現的一系列“炎症”相關疾病成為更糟的風險因素臨床結果。