β⁃烟酰胺单核苷酸功能与合成研究进展

Research progress on function and synthesis of β⁃nicotinamide mononucleotide

摘要

β⁃烟酰胺单核苷酸（nicotinamide mononucleotide，NMN）是辅酶I——NAD⁺（nicotinamide adenine dinucleotide）合成的关键中间体，存在于各种生物体内。NAD⁺广泛参与体内多种反应，对人体健康起着非常重要的作用。服用烟酰胺单核苷酸后可以快速提升体内NAD⁺水平，从而在体内起到多种关键功能。近年来，研究NMN为年龄相关性功能衰退和疾病的发病机制提供了许多重要的见解。研究发现NMN具有多种功能作用，例如抗衰老，促进心脑健康等。NMN已经成为保健品、食品原料等领域研究的热点，其市场容量增长迅速，目前已有多种以NMN为主要成分的保健品上市销售。基于NMN持续火热的研究态势以及未来巨大的市场预期，本文较为系统地综述了NMN的研究背景、作用机理、保健功能、全球品牌产品、主要的化学方法与生物学方法的合成路线等，旨在为普及以及推动NMN在人类健康领域的研究和应用提供参考。

Abstract

β⁃nicotinamide mononucleotide（NMN） is the key intermediate of coenzyme I—NAD⁺ （nicotinamide adenine dinucleotide）synthesis，and is present in various organisms. NAD⁺ is widely involved in a variety of reactions in the body and plays a very important role in human health. After taking NMN， the level of NAD⁺ in the body can be rapidly increased. Research on the biology of NMN has been providing many critical insights into the pathogenesis of age⁃associated functional decline and diseases over the past several years. Studies have found that NMN has a variety of functions， such as anti⁃aging， promoting heart and brain health. NMN has become a research hotspot in the fields of health products and raw food materials and its market capacity is growing rapidly. At present， a variety of health products with NMN as the main component have been put on the market. Based on the continuous hot research situation of NMN and the huge market expectation in the future， this paper systematically reviews the research background， mechanism， health care function， global brand products， main chemical and biological synthesis routes of NMN，in order to provide reference for popularizing and promoting the research and application of NMN in the field of human health.

Graphical abstract

关键词

β⁃烟酰胺单核苷酸 / 烟酰胺磷酸核糖转移酶 / 烟酰胺核糖激酶 / 酶法合成 / 抗衰老

Key words

β⁃nicotinamide mononucleotide（NMN） / nicotinamide phosphoribosyl transferase（NAMPT） / nicotinamide riboside kinase（NRK） / enzymatic synthesis / anti⁃aging

0 引 言

β⁃烟酰胺单核苷酸（CAS号：1094⁃61⁃7，分子式：C₁₁H₁₅N₂O₈P，分子量：334.22），又称烟酰胺单核苷酸（nicotinamide mononucleotide， NMN），是人体内天然存在的物质，是细胞能量重要来源之一。NMN作为哺乳动物体内辅酶I——烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide， NAD⁺）合成的关键前体之一，逐渐被研究者了解和研究。NAD⁺对人体健康有着重要作用，参与上千种生物催化反应，其总含量随着年龄增加而逐渐减少^［1］。NMN是体内烟酰胺核糖（nicotinamide riboside， NR）转变为NAD⁺路径最重要的中间体（图1）。近年来，随着对NMN的研究逐渐深入，发现其具备多种生物功能，对心脑疾病、老年退行疾病、神经退行疾病、延缓衰老^［2］等有治疗作用。目前，中国营养健康产业规模已经超过7 000亿元，成为仅次于美国的第二大市场^［3］。最新研究表明：口服NMN导致NAD⁺回升，可使与人类接近的生物模型体系寿命延长30%以上^［4］。还有研究也证明了NMN与衰老相关疾病具有显著相关性。因此，NMN又被称作“不老神药”，成为保健品、食品等领域研究的热点。NMN现有的国内市场容量约为10吨左右，且正处于高速增长期，未来有可能达到百吨级以上规模。

2010年之前，NMN主要由化学方式合成，由于技术路线等问题，造成价格居高不下（每千克3万以上），极大程度地限制其功能验证、推广应用。2010-2015年，全酶法合成NMN路线开始进行研发、工业化，NMN原料售价可以控制到每千克2万以下，甚至每千克1.5万以下。2016-2018年，随着科学研究对NMN代谢途径的充分阐述以及酶工程技术的进步发展，一步酶法从NR合成NMN已经成为NMN合成的最主要、最有前途的工业路线，大规模工业化后NMN成本有望降至1万/kg以下，如果NR合成成本进一步降低后，NMN成本有望降至每千克5 000元以下，甚至更低。这一路线代表了NMN生产的主流方向。

1 NMN功能研究

衰老的特征是表观遗传变化、基因组不稳定性、营养敏感能力改变、端粒磨损、线粒体功能障碍、细胞衰老、干细胞衰竭和细胞间通讯失调^［5］。到中年时，我们的NAD⁺水平已经下降到年轻人的一半。研究证明，提高NAD⁺水平可以增加胰岛素敏感性、逆转线粒体功能障碍、延长寿命等。NMN通过提升提高NAD⁺水平发挥抗衰老功能。近几年，有关NMN生物学功能的研究日益增加^{［1，6~15］}，如：改善与年龄有关的病理生理和疾病状况^［1］、明显减轻与年龄相关的生理衰退^［6，7］、改善细胞能量状态^［8］、神经系统、大脑认知（阿兹海默）^［9］、并对心脏、糖尿病等诸多疾病显示出良好效果^［10］（表1）。

表1还列举了NMN其他方面的一些功能应用，如脑部微血管相关研究^［7］。此外，NMN在微血管相关领域研究还有多篇报道，这里只代表性地列举了一两篇。除去表1中列举的功能外，NMN对血压、脱发、便秘等方面的研究也正在进行。值得注意的是，这些功能研究大都源自动物实验。因此，只能初步说明NMN具有一定的相关功效，后续仍需要进行充分验证，包括人体验证等大量工作。

2 NMN产品举例

由于NMN展示出强大的生物功能，市场上出现了很多以NMN为主要成分的产品。主要功能为抗衰老保健作用。美国、日本、加拿大、德国、西班牙等国均有关于NMN产品的相关品牌。如美国金达威Doctor’s Best、美国AGELESS、中国香港莱特维键、日本ASHOKO、加拿大Realhouse、澳洲EZZ、德国Biotikon、西班牙Drasanvi共8种NMN产品，产品纯度、规格、价格略有不同。规格越大，纯度越高，价格越高。规格一般为：每瓶60粒，每粒130~400 mg，人民币售价约在每瓶800~3 000元。

3 NMN的化学合成路线

NMN的化学合成研究起始较早，主要以烟酰胺、三苯甲酰基⁃β⁃D⁃核糖、四乙酰核糖等为原料，通过糖基化、磷酸化、氨解等关键步骤合成。根据起始原料和保护基团的不同，主要合成路线有多条^［16］，按照报道时间、底物顺序排列如下（表2）；化学合成路线的优缺点如表2所示，个别原料价格昂贵、获得困难，还存在路程长、分离困难、成本高、异构体分离、多种溶媒、环保投入大等一种或多种缺点，严重制约了NMN的大规模生产及其应用。且目前中国申请新食品原料原则上不推荐化学工艺制备而来的原料，综合以上NMN的化学合成路线，采用生物合成为最佳选择。

4 NMN的生物合成路线

NMN的生物合成包括发酵法和酶法。发酵法由于自身原因，底物产物非常容易被菌体本身消耗利用，难以大量积累，生产效率低下，不利于工业化生产。2018年，一种利用含有NMN代谢相关酶的基因工程大肠杆菌发酵制备NMN的方法，利用该菌株得到NMN产量为15.42 mg/L^［17］。2020年，有研究设计大肠杆菌全细胞的生物合成途径合成NMN，虽然不需要额外辅助因子添加，NMN产量仅有1.5 mmol/L^［18］（0.5 g/L左右），产量极低，不具备工业价值。值的注意的是，2020年底，有学者构建了可以摄入葡萄糖和烟酰胺的基因工程重组大肠杆菌，含有不同物种来源的烟酸转运蛋白NiaP，烟酰胺核苷转运蛋白PunC以及NAMPT酶，最终可使NMN产量达到6.79 g/L^［19］，是现有发酵法报道的最高产量。该方法生产NMN成本有待工业化确认，总体来说，也是一种非常有前途的生物转化方法，未来有助于降低NMN生产成本。

现有的NMN生物法合成途径特指酶法合成，路线主要是模仿生物体内NAD⁺、NMN的反应路径。哺乳动物体内，NAD的合成路径主要有三条：①从色氨酸起始的从头合成；②烟酰胺或烟酸的补救途径合成途径；③从NR转化，这个过程中NMN作为中间产品产生。NMN的生物合成途径在真核生物和原核生物之间略有不同。参考人类细胞为例，主要遵循两种途径，第一种途径是使用烟酰胺，通过体内挽救途径；第二种途径则是通过烟酰胺核糖苷的磷酸化途径^［20］。这两种路线也是NMN生物合成的理论依据。结合生物合成路线的发展以及所需要的底物以及酶的不同，分为两个路线，分别为烟酰胺（nicotinamide phosphoribosyl transferase， NAMPT）和烟酰胺核糖路线（nicotinamide riboside kinase， NRK）（图2）。

4.1 烟酰胺底物路线（nicotinamide phosphoribosyl transferase， NAMPT）

涉及烟酰胺磷酸核糖转移酶（nicotinamide phosphoribosyl transferase， NAMPT）。该方向的特点是需要NAMPT的参与，其过程需要酶的种类较多，形成多酶催化体系。如以烟酰胺、ATP和核糖为原料，利用烟酰胺磷酸核糖转移酶、核糖磷酸焦磷酸激酶以及核糖激酶制得NMN的方法^［21］。还有肌苷酸、木糖、葡萄糖等分别和烟酰胺组合的NMN生物酶催化方式，多酶组成甚至达到6种^［22］。2018年有研究以D⁃5⁃磷酸核糖，ATP和烟酰胺为原料，通过固定化含有磷酸核糖焦磷酸合成酶和烟酰胺磷酸核糖转移酶的细胞催化合成NMN，最高产量可达13.3 g/L^［23］。该些路线共同点是均含有NAMPT作为催化组分之一，该酶催化也是整体反应中的限速步骤。该路线优势为全酶法操作，底物浓度10~30 g/L，预计收率可以大于70%。该路线主要缺点为NAMPT催化活力较低，路线长，需要多种酶组合，各种中间产物多造成总体收率低，大规模生产成本会高于一步酶法。

4.2 烟酰胺核糖底物路线（nicotinamide riboside kinase， NRK）

涉及烟酰胺核苷激酶（nicotinamide riboside kinase， NRK）。路径来源为细胞外的NMN在人体内经过去磷酸转化生成NR，NR在NRK1（nicotinamide riboside kinase1， NRK1）催化下磷酸化生成NMN，再和ATP结合生成NAD⁺的生物途径。底物为NR、ATP，该反应为单酶催化。也可以匹配ATP循环用酶。这条路线路径短，转化率较高，代表了未来趋势。

经过专利检索，2018年有研究以一种酶法制备β⁃烟酰胺单核苷酸的方法，利用一种野生型的酿酒酵母来源烟酰胺核糖激酶可以催化合成NMN，反应优选pH为7.5~8.5，该技术方案披露的底物浓度过低，为18 mmol/L（6 g/L左右）^［24］。2019年有报道一种烟酰胺核糖激酶突变体可以更加高效催化NMN的合成，该方案披露的具体细节包括使用该突变酶催化烟酰胺核糖10~50 g/L，pH 6~7的条件下，配合ATP循环，催化合成NMN，最高转化率大于90%^［25］。

5 结论与展望

人体中NMN作为NAD⁺的前体，两者的代谢紧密相连，功能通过NAD⁺体现。研究证明，额外补充NMN后，其在体内吸收迅速^［6］，可以快速提高体内NAD⁺的水平实现各种生理功能，而直接补充NAD⁺则无法吸收。烟酰胺、烟酸又受到自身明显不良反应制约（脸红甚至肝毒性），因此NMN和NR成为该途径中非常有前途的候选者。近年来，NMN的临床前实验也充分展示了其对心脑缺血、阿尔茨海默病、饮食和年龄引起的2型糖尿病和肥胖的多种作用^［8］。2019年公开的临床结果显示，口服100~250 mg NMN不会引起脸红，胃肠道等副作用，NMN在体内代谢迅速，不会引起任何明显的有害影响^［26］。2020年3月，日本厚生劳动省允许NMN在食品生产中被使用^［27］，这无疑是一个巨大的进步。合成生物学、酶工程手段不断推动NMN生物合成方法进步，从多酶催化到一步酶法催化。虽然发酵法产量较低，但是2020年底的最新报道也实现了质的突破^［19］，揭示未来NMN也有可能采用大规模发酵技术实现。毋庸置疑，NMN为活性物质的保健食品研究已经成为热点，美国、加拿大、西班牙等的NMN保健品目前都以抗衰老为主要的功效，而针对疾病治疗方面药物目前还不多，这一领域也是后期研究的重点。NMN的新功能也在持续研究中：例如，近期有学者展开了一项研究^［28］，关于NMN是否能改善免疫系统从而预防COVID⁃19及其他疾病，结果暂未公布。但是有关NMN的一些负面考量，例如NMN与瓦式校应之间关系等也是值得关注的重点。相信未来NMN研究会更加多样化、系统化。相信随着对新的药理学应用的探索，NMN可能成为一种“全能型”干预策略，开创医学、保健、功能食品等领域治疗方法的新纪元。

参考文献

[1] Mills K F, Yoshida S, Stein L R, et al. Long⁃term administration of nicotinamide mononucleotide mitigates age⁃associated physiological decline in mice [J]. Cell Metab, 2016, 24(6): 795⁃806.

[2] 赵娟,张健,余志坚,等.烟酰胺单核苷酸的研究及应用进展[J]. 食品科技, 2018, 43(4): 257⁃262.

[3] Zhao J, Zhang J, Yu Z J, et al. Progress on research and application of nicotinamide mononucleotides [J]. Food Sci Technol, 2018, 43(4): 257⁃262.

[4] 李晓红.外企看好中国营养健康产业发展[N].中国经济时报,2018⁃10⁃31(A06).

[5] Li X H. Foreign enterprises are optimistic about the development of China’s nutrition and health industry [N]. China Economic Times, 2018⁃10⁃31(A06).

[6] Das A, Huang G X, Bonkowski M S, et al. Impairment of an endothelial NAD⁺⁃H₂S signaling network is a reversible cause of vascular aging [J]. Cell, 2018, 173(1): 74⁃89.

[7] Shade C. The science behind NMN-a stable, reliable NAD⁺ activator and anti⁃aging molecule [J].Integrative Medicine, 2020, 19 (1): 12⁃14.

[8] Li J, Bonkowski M S, Moniot S, et al. A conserved NAD⁺ binding pocket that regulates protein⁃protein interactions during aging [J]. Science, 2017, 355(6331): 1312⁃1317.

[9] Kiss T, Nyúl⁃Tóth Á, Balasubramanian P, et al. Nicotinamide mononucleotide (NMN) supplementation promotes neurovascular rejuvenation in aged mice: transcriptional footprint of SIRT1 activation, mitochondrial protection, anti⁃inflammatory, and anti⁃apoptotic effects [J]. GeroScience, 2020, 42(2): 527⁃546.

[10] Lu L, Tang L, Wei W, et al. Nicotinamide mononucleotide improves energy activity and survival rate in an in vitro model of Parkinson’s disease [J]. Exp Ther Med, 2014, 8(3): 943⁃950..

[11] Park J H, Long A, Owens K, et al. Nicotinamide mononucleotide inhibits post⁃ischemic NAD⁺ degradation and dramatically ameliorates brain damage following global cerebral ischemia [J]. Neurobiol Dis, 2016, 95: 102⁃110.

[12] Yamamoto T, Byun J, Zhai P, et al. Nicotinamide mononucleotide, an intermediate of NAD⁺synthesis, protects the heart from ischemia and reperfusion [J]. Plos One, 2014, 9(6): e98972.

[13] Revollo J R, Körner A, Mills K F, et al. Nampt/PBEF/Visfatin regulates insulin secretion in beta cells as a systemic NAD biosynthetic enzyme [J]. Cell Metab, 2007, 6(5): 363⁃375.

[14] Uddin G M, Youngson N A, Doyle B M, et al. Nicotinamide mononucleotide (NMN) supplementation ameliorates the impact of maternal obesity in mice: comparison with exercise [J]. Sci Rep, 2017, 7(1): 15063.

[15] Song J, Li J, Yang F, et al. Nicotinamide mononucleotide promotes osteogenesis and reduces adipogenesis by regulating mesenchymal stromal cells via the SIRT1 pathway in aged bone marrow [J]. Cell Death Dis, 2019, 10(5): 336⁃347.

[16] Lin J B, Kubota S, Ban N, et al. NAMPT⁃mediated NAD⁺ biosynthesis is essential for vision in mice [J]. Cell Rep, 2016, 17(1): 69⁃85.

[17] Guan Y, Wang S R, Huang X Z, et al. Nicotinamide mononucleotide, an NAD⁺ precursor, rescues age⁃associated susceptibility to AKI in a sirtuin 1⁃dependent manner [J]. J Am Soc Nephrol, 2017, 28(8): 2337⁃2352.

[18] 史海波,赵海,周春松,等. β⁃烟酰胺单核苷酸制备研究进展[J]. 精细化工中间体, 2020, 50(4): 1⁃5.

[19] Shi H B, Zhao H, Zhou C S, et al. Progress in synthsis of β⁃nicotinamide mononucleotide [J]. Fine Chem Intermed, 2020, 50(4): 1⁃5.

[20] Marinesu G C, Popescu R G, Stoian G, et al. β⁃nicotinamide mononucleotide (NMN) production in Escherichia Coli [J]. Sci Rep, 2018, 8: 12278.

[21] Black W B, Aspacio D, Bever D, et al. Metabolic engineering of Escherichia coli for optimized biosynthesis of nicotinamide mononucleotide, a noncanonical redox cofactor [J]. Microb Cell Fact, 2020, 19: 150.

[22] Shoji S, Yamaji T, Makino H, et al. Metabolic design for selective production of nicotinamide mononucleotide from glucose and nicotinamide [J]. In Press, Journalpre⁃proof.

[23] Poddar S K, Sifat A E, Haque S, et al. Nicotinamide mononucleotide: exploration of diverse therapeutic applications of a potential molecule [J]. Biomolecules, 2019, 1:1⁃15.

[24] Fu R Z, Zhang Q.Method for preparing nicotinanmide mononucleotide 2: WO2017185549(A1) [P]. 2017⁃11⁃02.

[25] Fu R Z, Zhang Q. Method for preparing nicotinanmide mononucleotide: WO2018023207(A1) [P]. 2018⁃02⁃08.

[26] 竺伟, 张小飞. 固定化全细胞一步酶法催化制备β⁃烟酰胺单核苷酸: CN108949865A [P]. 2018⁃12⁃07.

[27] Zhu W, Zhang X F. Catalytic preparation of beta⁃nicotinamide mononucleotide by immobilized whole⁃cell one⁃step enzymatic reaction: CN108949865A [P]. 2018⁃12⁃07.

[28] 陶军华,付敏杰,梁晓亮.一种酶法制备β‑烟酰胺单核苷酸的方法:CN106755209A [P]. 2017⁃05⁃31.

[29] Tao J H, Fu M J, Liang X L. Method for preparing beta⁃nicotinamide mononucleotide by using enzymic method: CN106755209A [P]. 2017⁃05⁃31.

[30] 祝俊,李斌,徐飞,等.一种烟酰胺核糖激酶突变体及其应用:CN110373398A[P]. 2019⁃10⁃25.

[31] Zhu J, Li B, Xu F, et al. Nicotinamide ribokinase mutant and application thereof: CN110373398A [P]. 2019⁃10⁃25.

[32] Irie J, Inagaki E, Fujita M, et al. Effect of oral administration of nicotinamide mononucleotide on clinical parameters and nicotinamide metabolite levels in healthy Japanese men [J]. Endocr J, 2020, 67(2): 153⁃160.

[33] 庶正康讯(北京)商务咨询有限公司,天猫国际. NMN品类发展白皮书[M/OL]. (2020⁃11)[2021⁃1].

[34] Shuzheng kangxun(Beijing) Business Consulting Co., Ltd., globalTmall. NMN category development white paper [M/OL]. (2020⁃11)[2021⁃1].

[35] Shinkowa Pharmaceutical Co., Ltd. Shinkowa pharmaceutical launches a research to scientifically substantiate biological safe material, NMN’s effect of improving immune system as an infection control measure of COVID⁃ 19 and other Infections [J/OL]. (2020⁃04)[2021⁃1]. Business Wire (English), 2020.

基金资助

河北省高校应用技术研发中心平台项目(2020-4)