Proč NAD+ ubývá s věkem

Dlouhý a zdravý život závisí na NAD+, proč tedy této zásadní molekuly s věkem ubývá?

Autor: Jonathan D. Grinstein, Ph.D.

Žádná forma života, od nejjednodušších jednobuněčných organismů po člověka, nedokáže existovat bez molekuly zvané nikotinamidadenindinukleotid (NAD+). Tato molekula se podílí na všech procesech, které jsou pro člověka zásadní – a také pro řadu zkoumaných organismů, jako jsou kvasinky, mouchy, červi a myši – aby mohl žít dlouhý a zdravý život, ba co víc, aby byl vůbec naživu. NAD+ hraje roli v řadě buněčných funkcí, včetně základních, ale nezbytných úkonů, jako je napomáhat elektronům prostupovat jinými molekulami a realizovat mnohé z nezbytných chemických reakcí, ale také kontrolovat a regulovat metabolismus.

Zjednodušeně řečeno, dostupné množství NAD+ v buňce se řídí jejím vznikem a její výživou. Avšak naše zásoba NAD+ není neměnná; k recyklaci této molekuly nedochází tak snadno, jako u jiných sloučenin. Neustále si ji musíme dodávat, obvykle prostřednictvím stravy bohaté na zdroje NAD+. Avšak jak stárneme, hladiny NAD+ nenávratně klesají, i když naše strava i všechno ostatní zůstává stejné.

Cena za pokles NAD+ je poměrně vysoká. Pokles koncentrace NAD+ se projevuje řadou metabolických poruch a onemocnění souvisejících s věkem. To je důvod, proč se neustále zvyšuje důraz na hledání způsobů, jak hladiny NAD+ posílit.

Abychom optimálně zasáhli klesající spirálu koncentrací NAD+ v našem organismu, musíme pochopit mechanismy vedoucí k poklesu obsahu NAD+ v buňkách v průběhu stárnutí, zejména to, zda je pokles způsoben primárně změnami v degradaci její syntézy nebo jinak. Dále je zásadní vědět, jak specifické buněčné procesy, jako je poškození DNA, záněty a senescence – související se zastavením replikace buněk v důsledku věku – dopadají na buněčný metabolismus NAD+ v procesu stárnutí.

Narušená biosyntéza NAD+ v důsledku stárnutí

Jedním z důvodů, proč hladina NAD+ klesá s věkem, je jednoduše fakt, že není dostatečně rychle produkována z dostupných molekul prekurzor. Z důvodů, které jsou prozatím neznámé, hladiny NAMPT – enzymu, který generuje většinu NAD+ - s věkem klesají a tím naopak dochází k ovlivnění aktivity proteinů závislých na NAD+. To, jak přesně se snižování koncentrace NAMPT s věkem projevuje, závisí na několika faktorech.

Změny nastavení našich tělesných hodin, nebo toho, co je známé jako cirkadiánní rytmus, stojí za poklesem NAMPT souvisejícím s věkem. Stárnutí má vliv jak na rychlost, tak na intenzitu cirkadiánního rytmu. Špatně načasovaný nebo slabý cirkadiánní rytmus vede k nedostatečné produkci NAMPT, což ve svém důsledku působí pokles hladiny NAD+.

Dalším možným mechanismem poklesu NAMPT souvisejícího s věkem je chronický zánět. Poškození způsobené vnitřními a vnějšími stresovými faktory se postupně s věkem akumulují v různých metabolických tkáních včetně tukové, svalové a jaterní tkáně. V zasažených tkáních dochází k uvolňování molekul signalizujících zánětlivé procesy, zvaných cytokiny, které mohou vyvolat poškození buněk. Tyto cytokiny mají na svědomí pokles NAMPT.

Zánětlivé cytokiny a oxidativní stres jsou patrně hlavními příčinami rozvoje chronického zánětu ve vyšším věku. Vzhledem k tomu, že jak zánětlivé cytokiny, tak oxidativní stres přispívají k rozvoji chronického zánětu v průběhu stárnutí, mohl by chronický zánět být důvodem narušení biologické syntézy NAD+ zprostředkované NAMPT i cirkadiánního systému ve vyšším věku.

Degradace NAD+ jako důsledek stárnutí organismu

Je známa řada enzymů spotřebovávajících NAD+, které jsou mediátory mnoha základních buněčných procesů. Mezi klíčové enzymy patří PARP enzymy, CD38 a SARM1.

PARP enzymy jsou hlavní konzumenti NAD+. Z rodiny PARP enzymů jsou hlavními konzumenty NAD+ enzymy PARP1 a PARP2, které reagují na rozpad vláken DNA a usnadňují procesy oprav DNA. Jak stárneme, aktivace PARP, zřejmě v důsledku neustálého poškozování DNA vnitřními a vnějšími stresory, jako je oxidativní stres a UV záření, přispívá k významnému poklesu intracelulární koncentrace NAD+.

CD38 je jedním ze základních enzymů, které spotřebovávají NAD+ u savců a dokážou modulovat hladiny NAD+. Studie prokázaly, že hladiny proteinu CD38 v různých tkáních a orgánech s věkem vzrůstají, což má za následek pokles NAD+. Hladinu a aktivitu CD38 indukují cytokiny a bakteriální toxiny. Chronický zánět, pozorovaný v průběhu stárnutí by tedy mohl vést ke zvýšení exprese CD38 a následně vyvolat pokles NAD+.

Spotřeba NAD+ enzymem SARM1 je klíčová pro degeneraci axonů po poranění a pro iniciaci fází několika neurodegenerativních onemocnění. Vyčerpání zásoby NAD+ prostřednictvím SARM1 vede k degeneraci poškozených neuronů, což je klíčový aspekt raných stádií neuronálních poruch ve stáří, jako je Parkinsonova nemoc, Alzheimerova nemoc nebo Amyotrofická laterální skleróza (ALS).

Sirtuiny a následky poklesu NAD+ souvisejícího s věkem

Kombinace snížené biosyntézy a zvýšeného rozpadu NAD+ aktivizuje jeho vyčerpání, což má za následek řadu nemocí a problémů souvisejících s vyšším věkem. To, zda nedostatečná produkce nebo přehnaně stimulovaná spotřeba dále přispěje k nedostatku NAD+, může záviset na typu buněk a tkáně. Bez ohledu na to, co stojí za poklesem NAD+, zdá se, že hlavními mediátory tohoto procesu jsou sirtuiny.

U člověka se rodina sirtuinů skládá ze sedmi členů (SIRT1-SIRT7), z nichž každý hraje roli v několika buněčných metabolických procesech týkajících se délky života a zdraví. Obecně platí, že sirtuiny eliminují modifikaci zvanou acetylace v cílových proteinech a tak regulují reakce spojované se základními procesy, jako je metabolismus, DNA, buněčné opravy, reakce na stres, cirkadiánní rytmus a další procesy v buňkách. Mediací takto široce působících funkcí jsou sirtuiny evolučně konzervovanými regulátory pro stárnutí a délku života u řady různých organismů.

Tyto nejrůznější funkce, závisející na NAD+, činí ze sirtuinů klíčové hráče v regulaci stárnutí a délky života organismů. Například myši, které v mozku produkují více SIRT1 než je běžné, stárnou později a mají delší život. Podobně i aktivace SIRT1 má terapeutický potenciál u neurodegenerativních onemocnění, jako je Huntingtonova nemoc a amyotrofická laterální skleróza (ALS). Myši, jejichž tělo produkuje více SIRT6, také žijí o poznání déle.

Klesající spirála NAD+

Biosyntéza NAD+, zprostředkovávaná především konzumací NAMPT a NAD+ příslušnými enzymy, představuje křehkou rovnováhu, kterou snadno naruší různé vnější i vnitřní vlivy. Může docházet k problematickému zacyklení, kdy molekulární mechanismy účastnící se procesu stárnutí, jako je oxidativní stres, poškození DNA, senescence a zánět, vedou k poklesu NAD+ ve tkáních, což má za následek aktivaci procesů, které původně tento pokles způsobily.

Jelikož je NAD+ běžným substrátem mezi PARP enzymy a SIRT1, dochází mezi jejich aktivitami ke konkurenci. Pokud je biosyntéza NAD+ zprostředkovaná NAMPT narušena, nebo pokud se zvýší spotřeba NAD+ v důsledku chronického poškození Dna, které vyvolá aktivaci PARP, snižuje se nitrobuněčná zásoba NAD+ a spolu s ní i aktivita SIRT1, což vede k funkčnímu oslabení organismu.

PARP enzymy se chronicky aktivují například u stárnoucích červů a myší (v játrech nebo v kosterních svalech). Možným vysvětlením těchto zjištění je, že stárnutí souvisí se zvýšením chronického poškození jádrové DNA, což vede k vyčerpání NAD+ PARP enzymy. Protože ztráta SIRT1 nebo SIRT6 aktivity spouští poškození DNA, může v důsledku deficitu NAD+ dojít k autokatalytické spirále v jádru buňky.

Eliminace PARP1 a PARP2 posiluje aktivitu SIRT1, kdy výsledkem je zvýšení mitochondriálního obsahu, metabolismu a ochrany před obezitou vyvolanou stravováním. U myší, které nemají PARP1, dochází k systematickému zvyšování in hladin NAD+, aktivity SIRT1 a dalším metabolickým výhodám. Zejména inhibitory PARP posilují hladiny NAD+ a zvyšují aktivitu SIRT1, v jejichž důsledku dochází k obnovení mitochondriální kondice a funkce.

K souběžným zjištěním došlo také u myší s eliminací dalšího enzymu spotřebovávajícího NAD+, enzymu CD38, který byl zmíněn výše. Modulace NAD+ závisející na CD38 může měnit aktivitu SIRT1 a dalších sirtuinů, jakož i dalších enzymů spotřebovávajících NAD+, a ovlivnit buněčnou signalizaci a metabolismus. Tyto studie jasně ukazují, že PARP, CD38 a jádrové sirtuiny spolu bojují o jednu zásobu NAD+, přičemž inhibice PARP nebo CD38 má potenciál aktivace sirtuinů.

Existují důkazy naznačující, že hladiny NAMPT klesají v důsledku replikativní senescence buněk hladkého svalstva u lidí a v periferních tkáních starých myší, jako je například adipózní tkáň a kosterní svalstvo. Senescence rovněž aktivuje expresi CD38 u makrofágů rezidentních ve tkáních, prozánětlivé signalizační molekuly vypouštěné senescenčními buňkami zvyšuje aktivitu a hladinu exprese CD38.

(Chini et al., 2017 | Mol Cell Endocrinol.)

Hypotetické interakce mezi molekulárními mechanismy stárnutí a poklesem NAD+ v buňkách. Molekulární mechanismy stárnutí, jako je oxidativní stres prostřednictvím reaktivních druhů kyslíku (ROS), poškození DNA, chronický zánět vyvolaný stárnutím (tzv. inflammaging) mohou podporovat deregulaci metabolismu NAD+ aktivací CD38 a PARP enzymů, nebo inhibicí NAMPT. Pokles NAD+ dokáže zesílit proces stárnutí akcelerací metabolické dysfunkce a senescence buněk.

Jak zastavit úbytek NAD+

Strategie pro potlačování chronického zánětu, udržení biosyntézy NAD+ a cirkadiánních funkcí s přibývajícím věkem mohou být účinné v udržování aktivity sirtuinů a možné zdravotní odolnosti. V souladu s těmito fakty se zavádějí různé přístupy řešení nerovnováhy v syntéze NAD+ a její spotřeby.

Studiu potenciální suplementace prekurzor NAD+ se věnuje řada výzkumů. Pro syntézu NAD+ je známo pět základních prekurzor a meziproduktů: tryptofan, nikotinamid, kyselina nikotinová, nikotinamidribosid (NR) a nikotinamidmononukleotid (NMN).

Pro zvýšení koncentrace NAD+ byla věnována pozornost výzkumu limitujícího enzymu NAMPT. Malé molekuly aktivátorů NAMPT, jako je SBI-797812 a P7C3 jsou novým způsobem jak zvýšit intracelulární NAD+ a realizovat jeho příznivé účinky. Biosyntéza NAD+ může být stimulována inhibicí enzymu ACMSD. Genetická a farmakologická inhibice ACMSD posiluje syntézu NAD+ a aktivitu SIRT1, což má za následek podporu mitochondriální funkce.

Spotřebu NAD+ lze snížit inhibicí CD38 a PARP enzymů. Bylo objeveno několik inhibitorů CD38, včetně přirozeně se vyskytujícího apigeninu a malé molekuly 78c. Olaparib, prodávaný pod názvem Lynparza, je inhibitorem PARP používaným jako medikace pro udržovací léčbu pokročilých stádií rakoviny vaječníků v důsledku mutace BRCA u dospělých pacientek. Nedávno byl identifikován DSRM-3716 jako velmi potentní inhibitor SARM1 a konzument NAD+.

(Strømland et al., 2021 | Mech Ageing Dev.)

Strategie pro terapeutickou reverzi poklesu NAD+ v důsledku stárnutí. Hladiny NAD+ jsou u zdravých dospělých stabilní, rychlost biosyntézy a spotřeby je vyrovnaná. Stárnutí narušuje biosyntézu NAD+, kdy hladiny NAMPT klesají a zvyšuje se spotřeba v důsledku zvýšené aktivity PARP a CD38 enzymů. Byly vyvinuty různé přístupy zpomalení poklesu NAD+ ve vyšším věku: suplementace prekurzor NAD+, posilování procesů biosyntézy NAD+, inhibice degradace NAD+.

Závěrem lze konstatovat, že metabolismus NAD+ je velmi složitý a zahrnuje několik cest a metabolitů, které musí být začleněny do našeho chápání procesů stárnutí. Další výzkum by měl upřesnit, jak mechanismy účastnící se stárnutí, jako je oxidativní stres, poškození DNA, zánět a buněčná senescence, regulují a jsou regulovány metabolismem NAD+. Dále je zásadní určit konkrétní enzymy, které se účastní poklesu NAD+ v důsledku stárnutí.

I přes značné pokroky v posledních deseti letech stále ještě zůstává několik otázek bez odpovědí. Zřejmě nepalčivější otázkou je, zda či jak dlouho ještě zůstanou molekulární mechanismy a cesty spojující NAD+ a procesy stárnutí neznámé a nevysvětlené.

» ÚVOD