Mécanismes cachés de la voie NAD : de nouvelles recherches révèlent des fonctions métaboliques critiques

by Goldman Labs Team

Hidden Mechanisms of NAD Pathway: New Research Reveals Critical Metabolic Functions

La voie du NAD forme un réseau métabolique central qui pilote plus de 500 réactions enzymatiques différentes dans presque tous les processus biologiques. De faibles niveaux de NAD+ rendent les cellules vulnérables. Elles luttent contre les réactions au stress et présentent une faible plasticité neuronale. La réparation de l'ADN devient inefficace et les cellules vieillissent plus rapidement. Des changements dans Rapport NAD+/NADH peuvent perturber les systèmes biologiques. Ces perturbations entraînent des troubles neurodégénératifs, un vieillissement accéléré et un risque de cancer.

Les scientifiques ont réalisé des avancées significatives dans la compréhension des voies de biosynthèse du NAD. La voie de novo du NAD crée du NAD+ à partir du tryptophane. La voie de récupération du NAD réutilise des composants comme la nicotinamide (NAM) et le nicotinamide riboside (NR). Les recherches montrent que la voie NMN vers NAD est essentielle au maintien des réserves cellulaires de NAD+. Ces voies pourraient devenir des cibles thérapeutiques de choix, car les précurseurs du NAD+ contribuent au traitement de plusieurs maladies.

Plongeons dans les mécanismes cachés du métabolisme du NAD+ et son impact sur la fonction cellulaire. L'homéostasie du NAD+ influence tout, des compartiments subcellulaires au contrôle épigénétique. Elle façonne le métabolisme des cellules immunitaires et les réponses inflammatoires. Ses effets s'étendent aux rythmes circadiens et à la progression des maladies. Ce domaine offre des cibles thérapeutiques prometteuses, mais les chercheurs rencontrent des difficultés pour faire passer la recherche sur le NAD+ du laboratoire à la clinique.

Compartimentation subcellulaire des pools de NAD+

Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+) est présent dans différents pools cellulaires. Ces pools jouent un rôle essentiel dans la voie du NAD. Leur séparation permet un contrôle spécialisé des processus dépendants du NAD+ dans différentes parties de la cellule.

Distribution mitochondriale et nucléaire du NAD+

Les concentrations de NAD+ libre varient considérablement selon les compartiments cellulaires. Les scientifiques ont mesuré des concentrations nucléaires de NAD+ de 100 à 120 μM et des concentrations cytoplasmiques de 50 à 100 μM. ^[1] . Le type de cellule, l'état et les conditions de croissance modifient ces valeurs. Rapports NAD+/NADH présentent des différences importantes entre les compartiments. Les ratios nucléaires et cytoplasmiques varient de 400:1 à 700:1, tandis que les ratios mitochondriaux restent bien plus faibles, entre 5:1 et 10:1. ^[2] .

La plupart des cellules stockent leur plus grande quantité de NAD+ dans les mitochondries. Des recherches montrent que le NAD+ mitochondrial peut représenter 70 % du stock total de NAD+ de la cellule. ^[3] . Les différents types de cellules présentent des distributions variables. Les myocytes cardiaques conservent environ 70 % de leur NAD+ dans les mitochondries (10,0 ± 1,8 nmol/mg de protéines). Les neurones en stockent environ 50 % (4,7 ± 0,4 nmol/mg de protéines), et les hépatocytes en conservent environ 30 à 40 %. ^[2] . Ces variations reflètent les besoins uniques de chaque type de cellule en matière de phosphorylation oxydative.

Les réserves subcellulaires fonctionnent indépendamment. Lorsque le NAD+ cytoplasmique diminue, les concentrations mitochondriales de NAD+ restent stables jusqu'à trois jours. ^[2] . Cette séparation s'avère cruciale car un faible taux de NAD+ mitochondrial peut déclencher la mort cellulaire en activant le pore de transition de perméabilité mitochondriale ^[3] .

Des modèles génétiques ciblant les enzymes nicotinamide mononucléotide adénylyltransférase (NMNAT) individuelles montrent l'importance des pools NAD+ spécifiques à chaque compartiment. NMNAT1 reste dans le noyau, NMNAT2 dans l'appareil de Golgi et le cytoplasme, et NMNAT3 principalement dans les mitochondries de certains types cellulaires. ^[1] . Les souris dépourvues de ces isozymes présentent des effets différents. L'inactivation de Nmnat1 entraîne la mort avant la naissance, la suppression de Nmnat2 entraîne une mort après la naissance avec des troubles du développement neuronal, et la suppression de Nmnat3 entraîne une mort par anémie. ^[1] . Chaque pool NAD+ remplit des fonctions uniques et essentielles que les autres pools ne peuvent pas remplacer.

Transport NAD+ via SLC25A51 et NDT1

Les scientifiques se sont longtemps demandé comment le NAD+ pénètre dans les mitochondries des cellules de mammifères. La membrane mitochondriale externe laisse passer les molécules facilement, tandis que la membrane interne contrôle strictement le passage. ^[2] . Des études récentes ont identifié SLC25A51 (anciennement MCART1) comme le premier transporteur mitochondrial NAD+ des mammifères ^[4] .

Les cellules dépourvues de SLC25A51 présentent des taux mitochondriaux de NAD+ plus faibles, tandis que le taux total de NAD+ cellulaire reste normal. Cette perte perturbe la respiration mitochondriale. ^[4] . L'ajout de plus de SLC25A51 ou de sa protéine apparentée SLC25A52 augmente le NAD+ mitochondrial ^[4] . Des tests sur des mitochondries isolées ont démontré que SLC25A51 contribue à l'introduction de NAD+ externe dans la matrice mitochondriale. Cet effet ne fonctionne que pour le NAD+, et non pour la nicotinamide ou le NMN. ^[4] .

Les différentes espèces transportent le NAD+ différemment. La levure utilise les transporteurs Ndt1 et Ndt2 pour faire traverser la membrane mitochondriale interne. Ces transporteurs échangent le NAD+ avec des nucléotides mitochondriaux comme l'AMP et le GMP. ^[2] . Des plantes comme Arabidopsis thaliana utilisent AtNDT2 pour déplacer NAD+ en échange d'ADP ou d'AMP ^[2] . Le SLC25A51 humain peut remplacer les transporteurs de levure, rétablissant ainsi l'absorption mitochondriale de NAD+ lorsque NDT1 et NDT2 sont absents. ^[4] .

Navettes cytosoliques NAD+ et Redox

Les pools NAD+ cytosoliques et mitochondriaux se connectent via la glycolyse et la production de NAD ^[2] . Au cours de la glycolyse, la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (GAPDH) a besoin de deux molécules de NAD+ pour chaque molécule de glucose afin de transformer le glycéraldéhyde-3-phosphate en 1,3-biphosphoglycérate. ^[2] .

Le NAD+/NADH ne peut pas traverser librement la membrane mitochondriale. Les cellules utilisent des navettes redox spécifiques pour déplacer les électrons entre les compartiments. Les navettes malate-aspartate et glycérol-3-phosphate sont les plus courantes. ^[2] . Ces navettes transportent des équivalents réducteurs de NADH cytosolique dans les mitochondries sans déplacer les molécules de NAD+ réelles. ^[5] .

La navette malate-aspartate transfère les électrons du NADH cytosolique au NAD+ mitochondrial. La navette glycérol-3-phosphate transfère les électrons au FAD+ mitochondrial. ^[5] . Ces processus permettent à la voie de récupération du NAD dans le cytosol de soutenir indirectement la production d’énergie mitochondriale.

Le NAD+ ne dure qu'environ 1 heure dans les cellules de mammifères ^[6] . Ce renouvellement rapide et ce mouvement limité dus aux barrières de charge et de membrane nécessitent un contrôle local des concentrations de NAD+ ^[6] . Les isozymes NMNAT et autres enzymes productrices de NAD+ sont logées dans des compartiments spécifiques. Cette disposition permet à chaque compartiment cellulaire de maintenir son pool de NAD+ en fonction de ses besoins métaboliques.

Contrôle du flux dans la synthèse et la dégradation du NAD+

L'équilibre entre la production et la consommation de NAD+ joue un rôle essentiel dans la compréhension du métabolisme cellulaire. Les mesures de concentration statique de NAD+ ne fournissent qu'une partie de l'information. L'analyse de flux nous montre comment les cellules maintiennent l'homéostasie du NAD+ dans différents états et tissus.

Analyse quantitative du renouvellement du NAD+

Les cellules de mammifères renouvellent rapidement le NAD+, avec une demi-vie d'environ 1 heure ^[7] . Les cellules doivent continuer à produire du NAD+ pour maintenir leurs réserves. Les scientifiques ont utilisé des précurseurs marqués par isotope pour mesurer les taux de synthèse (RS) et de dégradation (RB) dans tous les types de cellules.

Les lignées cellulaires cancéreuses montrent que Taux de synthèse et de dégradation du NAD+ Maintenir un équilibre parfait. Pour ne citer qu'un exemple, les cellules HepG2, où RS et RB ont mesuré respectivement 92 et 86 pmol/10^6 cellules/heure. ^[8] . Cet équilibre apparaît dans de nombreux types de cellules, suggérant un lien fondamental entre la production et la consommation de NAD+.

Les lignées cellulaires maintiennent leur teneur totale en NAD+ stable malgré ce renouvellement rapide. La concentration cellulaire en NAD+ se maintient entre 400 et 700 μM, quelles que soient les variations de l'activité enzymatique de biosynthèse du NAD+. ^[8] . Oui, il est intéressant de constater que même une augmentation de six fois de l'activité de la nicotinamide phosphoribosyltransférase (NAMPT) par le biais de modifications génétiques a conduit à seulement une augmentation de la concentration de NAD+ de 1,6 fois de 500 à 800 μM ^[8] . Cela se produit parce qu’une synthèse plus élevée de NAD+ conduit à une dégradation plus importante.

L'examen des voies de consommation du NAD+ révèle :

PARP1/2 utilise environ un tiers du NAD+ cellulaire dans des conditions normales (39 pmol/10^6 cellules/heure)
SIRT1/2 utilise un autre tiers (32 pmol/10^6 cellules/heure)
Le flux de NAD kinase représente 10 % de l'utilisation totale de NAD+
D'autres enzymes utilisant le NAD+ représentent le reste ^[3]

Traçage des isotopes stables dans les voies NAD+

Des scientifiques ont découvert de nouvelles informations sur le métabolisme du NAD+ grâce au traçage isotopique. Cette méthode permet de visualiser l'utilisation réelle des voies métaboliques plutôt que le simple potentiel enzymatique. Ils remplacent les précurseurs du NAD+ par des versions marquées par isotope et suivent leur intégration au NAD+ et aux molécules apparentées.

Les scientifiques utilisent le [2,4,5,6-2H] nicotinamide (d4-Nam) pour suivre la synthèse du NAD+. La spectrométrie de masse détecte le NAD+ marqué (d3-NAD+) après absorption du précurseur par les cellules. ^[3] . Cette méthode a montré que le NAM traverse les membranes cellulaires beaucoup plus rapidement (t½≈20 min) que la synthèse de NAD+ (t½≈9 h) ^[3] .

Le NMN avec trois étiquettes permet de suivre différentes voies métaboliques à la fois ^[2] . Les marqueurs incluent 18O dans la partie phosphate, 13C dans le cycle ribose et 18O dans la nicotinamide. Cette méthode a permis aux scientifiques de découvrir que :

Les cellules décomposent le NMN en nicotinamide avant qu'il ne pénètre dans
Les phosphatases peuvent transformer le NMN en nicotinamide riboside
Certains tissus peuvent absorber directement la totalité du NMN ^[2]

L'analyse du flux de NAD+ sur l'ensemble du corps à l'aide de traceurs isotopiques révèle de grandes différences entre les tissus. Le foie de souris synthétise du NAD+ à partir du tryptophane et transmet la nicotinamide à d'autres tissus. ^[9] . Les différents tissus utilisent également le NAD+ à des rythmes différents. L'intestin grêle et la rate présentent un flux élevé, tandis que le muscle squelettique présente un flux faible. ^[9] .

Étapes limitant le débit dans la voie de récupération du NAD

La NAMPT contrôle la vitesse de la voie de récupération du NAD+ en transformant la nicotinamide en nicotinamide mononucléotide (NMN). Les taux réels de synthèse du NAD+ dans les cellules sont bien loin de ceux suggérés par l'activité enzymatique de la NAMPT. Les cellules HeLa produisent du NAD+ à 33 μM/h, un débit bien inférieur à leur activité NAMPT totale de 180 μM/h. ^[8] .

Cet écart montre que les cellules régulent soigneusement l'activité de la NAMPT. Même avec six fois plus de NAMPT, les cellules n'ont que doublé leur taux de synthèse de NAD+. ^[8] . Des éléments tels que la disponibilité du substrat, l’inhibition du produit ou d’autres facteurs peuvent contrôler la façon dont NAMPT fonctionne dans les cellules vivantes.

La plupart des tissus des mammifères dépendent de la voie de récupération pour produire du NAD+. Les souris dépourvues de NAMPT ne survivent pas au-delà du stade embryonnaire. ^[7] . Le blocage de la NAMPT affecte tous les processus dépendants du NAD+ dans les cellules. Le médicament KPT-9274 diminue les taux de NAD+, arrête la croissance et détruit les cellules cancéreuses. ^[10] .

Les variations du NAD+ liées à l'âge illustrent l'importance du contrôle du flux. Les animaux plus âgés peuvent encore produire du NAD+, mais des enzymes comme CD38 et PARP1 en consomment davantage. ^[8] . Des études comparant des souris jeunes et âgées montrent que les tissus utilisent le NAD+ plus rapidement avec l'âge ^[8] .

Rôles cachés du NAD+ dans la régulation épigénétique

Le NAD+ ne se contente pas de réguler le métabolisme. Il agit comme un régulateur épigénétique essentiel en agissant comme cofacteur pour les enzymes qui modifient la structure de la chromatine et l'expression des gènes. Les variations des taux de NAD+ dans les cellules influencent directement le monde épigénétique et créent un lien fondamental entre le métabolisme et la régulation des gènes.

Désacétylation des histones médiée par SIRT1

Les sirtuines, en particulier SIRT1, agissent comme des histones désacétylases de classe III dépendantes du NAD+ (HDAC). Ces enzymes éliminent les groupes acétyles des histones pour maintenir la stabilité de l'architecture chromatinienne. Ce processus rétablit l'attraction électrostatique entre l'ADN et les histones. ^[4] . Des études sur la levure ont montré le rôle des sirtuines dans le silençage génique, que les scientifiques ont ensuite lié à leur activité désacétylase dépendante du NAD+. ^[11] .

SIRT1-3 maintient la structure de la chromatine intacte en désacétylant l'histone H4 au niveau de la lysine 16 (H4K16), un résidu d'histone vital ^[4] . Des taux intracellulaires plus faibles de NAD+ limitent l'activité désacétylase de SIRT1. Cela entraîne une acétylation plus élevée de H4K16 et une expression génique accrue. ^[4] . SIRT6 s'associe à NF-κB pour désacétyler H3K9. Parallèlement, SIRT7 sélectionne des sites spécifiques pour éliminer les groupes acétyles de H3K18, ce qui bloque certains gènes liés à la transformation cancéreuse. ^[4] .

Les sirtuines s'épuisent environ un tiers du NAD+ cellulaire total dans des conditions normales ^[11] . SIRT1 et SIRT2 consomment à eux seuls environ 32 pmol/10^6 cellules/heure de NAD+ ^[11] . Cette utilisation intensive de NAD+ montre la quantité d’énergie nécessaire pour maintenir un contrôle épigénétique approprié.

Contrôle de la méthylation de l'ADN dépendant du NAD+

Les niveaux de NAD+ affectent les schémas de méthylation de l'ADN, un autre changement épigénétique clé. Un faible taux de NAD+ augmente la méthylation de certains promoteurs de gènes, ce qui les désactive. ^[4] . Un exemple clair montre comment la déplétion en NAD+ augmente la méthylation du promoteur BDNF. Ceci provoque la rupture du facteur nucléaire CTCF et de la cohésine, sensibles à la méthylation de l'ADN, du locus BDNF. ^[4] . La cassure conduit à différents schémas de méthylation et d'acétylation des histones, rendant la chromatine plus compacte et réduisant au silence les gènes ^[12] .

Le NAD+ peut également contribuer à éliminer la méthylation de sites spécifiques de l'ADN via PARP1. Les scientifiques ont découvert que le traitement au NAD+ réduit la méthylation de l'ADN dans certaines zones promotrices. Le promoteur distal de CEBPA a montré une 44% de réduction à 48 heures et 60% à 72 heures après avoir ajouté du NAD+ ^[13] . Cette baisse correspond à des niveaux plus élevés de polymères d'ADP-ribose (PAR) au niveau du promoteur. Ces résultats étayent l'hypothèse d'une voie NAD+/PARP1/DNMT1 où le blocage local de l'ADN méthyltransférase 1 (DNMT1) entraîne une déméthylation ciblée et une activation génique. ^[13] .

PARP1 et remodelage de la chromatine

La poly(ADP-ribose) polymérase 1 (PARP1) utilise beaucoup de NAD+ et joue un rôle clé dans l'organisation de la chromatine et le contrôle de la transcription. PARP1 est composée de trois parties principales : un domaine de liaison à l'ADN N-terminal avec deux motifs en doigts de zinc, un domaine d'automodification central et un domaine catalytique de liaison au NAD+ C-terminal. ^[14] .

La PARP1 active décompose le NAD+ en nicotinamide et en ADP-ribose. Elle les ajoute ensuite sous forme de polymères à diverses protéines, dont elle-même, des histones et d'autres protéines nucléaires. ^[11] . Cette poly(ADP-ribosyl)ation (PARylation) provoque la séparation des nucléosomes, ce qui détache la chromatine ^[4] . La parylation de l'histone déméthylase KDM5B par PARP1 arrête la déméthylation de H3K4me3. Cela expulse l'histone H1 et ouvre la chromatine. ^[4] .

PARP1 et l'histone H1 entrent en compétition pour se lier aux nucléosomes et aux promoteurs de gènes ^[15] . Une plus grande quantité de PARP1 que de H1 signifie une plus grande activité promotrice. Cela suggère que PARP1 pourrait montrer à quel point la transcription est active. ^[15] . Cette compétition permet de contrôler l’expression des gènes de manière dynamique.

La particularité de PARP1 dans le contrôle de la chromatine réside dans sa réversibilité dépendante du NAD+. Le NAD+ disponible provoque l'auto-PARylation de PARP1 active, lui permettant de quitter la chromatine et de retrouver une structure plus souple. ^[14] . Cette inversion se produit à des niveaux de NAD+ d'environ 10 μM, bien dans les limites normales des quantités de NAD+ nucléaire libre (~70 μM) ^[14] .

Le besoin de NAD+ de ces enzymes épigénétiques relie directement le métabolisme cellulaire à l'expression génétique. Lors d'une inflammation, la stimulation des TLR fait d'abord chuter le NAD+ cellulaire à environ 20 % de sa valeur normale en une heure. Ce taux augmente ensuite lentement sur 24 heures. ^[1] . Ces changements correspondent aux variations des niveaux de protéine SIRT1 et affectent les gènes inflammatoires comme le TNF-α ^[1] .

NAD+ et métabolisme des cellules immunitaires

La programmation métabolique façonne le fonctionnement et le développement des cellules immunitaires. La voie NAD joue un rôle essentiel dans le contrôle des réponses immunitaires. Les taux de NAD+ et le métabolisme des cellules immunitaires interagissent pour déterminer la manière dont le système immunitaire gère les différents défis.

NAD+ dans la polarisation des macrophages (M1 vs M2)

Les macrophages s'adaptent remarquablement bien en se transformant en types pro-inflammatoires M1 ou anti-inflammatoires M2 selon leur environnement. Ces différents états présentent des profils métaboliques NAD+ uniques. Les macrophages M1 présentent une activité NADase plus élevée, principalement en raison d'une augmentation spectaculaire du CD38 ( multiplication par 600 par rapport aux macrophages M0 ). ^[6] . Cette activité NADase élevée conduit à une production accrue de nicotinamide (NAM) tout en maintenant les niveaux de NAD+ stables grâce aux processus de sauvegarde.

Les macrophages M2 maintiennent leurs niveaux de NAD+ et de NADP plus élevés que les macrophages M1 ^[6] . Cela fait une grande différence dans leur mode d'action. Le FK866 (un inhibiteur de NAMPT) bloque la production de NAD+ et réduit les marqueurs M2 comme l'arginase 1, Mgl2, Ccl24 et Fizz1. ^[6] . L'ajout de précurseurs NAD+ tels que NMN ou NR ramène ces marqueurs en fonction de la dose administrée ^[6] .

Ces différences NAD+ apparaissent dans leurs profils métaboliques :

Les macrophages M1 préfèrent la glycolyse et réduisent la respiration mitochondriale
Les macrophages M2 dépendent davantage de la phosphorylation oxydative
Un faible taux de NAD+ nuit à leur capacité à manger des agents pathogènes et à résoudre l'inflammation ^[16]

Les macrophages peuvent produire du NAD+ via la voie de la kynurénine. Des études montrent que le blocage de cette voie altère la fonction des macrophages et aggrave l'inflammation. ^[16] .

CD38 et SIRT1 dans l'épuisement des lymphocytes T

CD38 ne se contente pas de marquer l'activation : il agit comme une NADase majeure dans les lymphocytes T et affecte leur métabolisme et leur fonction antitumorale. Les tumeurs provoquent une augmentation de CD38, ce qui entraîne l'épuisement des lymphocytes T. ^[5] . Lorsque les scientifiques retirent le CD38 des cellules T, les tumeurs disparaissent complètement et la réponse dure plus longtemps ^[5] .

Le système CD38-NAD+-SIRT1 explique ce meilleur fonctionnement. Les lymphocytes T dépourvus de CD38 contiennent beaucoup plus de NAD+, ce qui leur permet d'utiliser la glutaminolyse pour la phosphorylation oxydative. ^[5] . Ce changement métabolique les aide à mieux survivre dans les tumeurs où le glucose est rare.

Un taux de NAD+ plus élevé active SIRT1, qui a besoin de NAD+ pour fonctionner et contrôle la structure de la chromatine en modifiant les marques d'histones comme H3K9Ac ^[5] . SIRT1 contrôle également des facteurs de transcription comme FOXO1, qui gère les gènes liés à la mémoire, notamment TCF7, Bcl6 et la β-caténine ^[5] . Le blocage de la production de NAD+ avec FK866 conduit à une diminution du nombre de cellules T IL17+IFNγ+ et réduit les molécules souches. ^[17] .

Voie de récupération NAD+ dans l’activation des cellules NK

Les cellules tueuses naturelles (NK) ont besoin du métabolisme du NAD+ pour lutter efficacement contre les tumeurs. Leur taux de NAD+ augmente lorsqu'elles sont activées par des cytokines comme l'IL-12 et l'IL-15. ^[18] . Cette augmentation est importante car un supplément de NAD+ aide les cellules NK à produire davantage d'IFN-γ, de TNF-α, de CD107a et de perforine lorsqu'elles sont stimulées. ^[18] .

Le Voie de récupération du NAD+ et NAMPT aident les cellules NK à maintenir leur équilibre NAD+. La suppression ou le blocage de NAMPT affecte gravement la survie et la fonction des cellules NK. ^[18] . Cette voie contrôle la santé mitochondriale et la phosphorylation oxydative ^[18] .

Les cellules NK infiltrant la tumeur présentent une expression de NAMPT et des niveaux de NAD+ plus faibles, ce qui suggère une faible survie des patients ^[19] . L'accumulation de lactate provoque en partie la suppression de NAMPT dans les cellules NK ^[19] . L'ajout de mononucléotide de nicotinamide (NMN) améliore les réponses antitumorales des cellules NK dans les modèles de xénogreffes dérivés de cellules murines et humaines. ^[20] .

Dynamique du NAD+ dans les maladies inflammatoires

Métabolisme du NAD+ Les conditions inflammatoires évoluent considérablement, ce qui influence la progression et la gravité de la maladie. Ces changements posent des défis, mais ouvrent également de nouvelles perspectives pour le traitement des troubles inflammatoires.

Déplétion du NAD+ dans les modèles de MICI et de septicémie

Les taux sériques de NAD+ des patients atteints de MICI sont intéressants. Leurs taux sériques de NAD+ sont trois fois supérieurs à ceux des personnes en bonne santé. ^[8] . Les tissus intestinaux présentent cependant des taux de NAD+ bien plus faibles pendant l'inflammation. Des recherches sur des modèles expérimentaux de colite ont montré que les taux de NAD+ chutent fortement dans l'épithélium intestinal. ^[21] . Cela se produit parce que Enzymes consommatrices de NAD+ comme CD38, SIRT4-6 et PARP1 devenir deux fois plus actif pendant l'inflammation ^[21] .

Le sepsis épuise également les réserves tissulaires de NAD+. Les tissus cardiaques et pulmonaires des souris septiques présentent des concentrations de NAD+ bien inférieures à celles des animaux témoins. ^[22] . Cette baisse entraîne de multiples problèmes organiques en perturbant la fonction mitochondriale, l’activité lysosomale et l’activité des sirtuines, toutes essentielles pour que les cellules restent en bonne santé pendant le stress inflammatoire.

Inhibition du NAMPT et effets anti-inflammatoires

La nicotinamide phosphoribosyltransférase (NAMPT) joue un rôle clé dans le contrôle de l'inflammation. Au-delà de ses fonctions enzymatiques, la NAMPT extracellulaire (eNAMPT) agit comme une cytokine pro-inflammatoire. Le FK866, qui bloque la NAMPT, présente de puissants effets anti-inflammatoires dans de nombreux modèles pathologiques. ^[23] .

Des études sur l'ischémie cérébrale ont révélé que le FK866 réduit les taux de TNF-α, de NAMPT et d'IL-6 dans le tissu cérébral. Il contribue à améliorer la fonction neurologique et à réduire le volume de l'infarctus. ^[24] . Le composé réduit également l'infiltration des cellules inflammatoires et bloque la signalisation NF-κB ^[25] . Le blocage du NAMPT aide à réduire la perméabilité intestinale liée à l'inflammation en interférant avec l'activation du NF-κB ^[8] .

Le moment d'inhibition de la NAMPT est crucial. La bloquer avant le début de l'inflammation aggrave les lésions tissulaires. Son utilisation ultérieure contribue à réduire les réponses inflammatoires, démontrant ainsi que les effets du NAD+ dépendent du contexte. ^[22] .

Réplétion en NAD+ dans la réponse immunitaire à la COVID-19

La COVID-19 perturbe le métabolisme du NAD+. Le sang des patients atteints d'une forme grave de la COVID-19 présente des taux sanguins de métabolites NAD+ plus faibles et des taux d'AMP plus élevés. ^[2] . Ces changements métaboliques sont liés à des niveaux plus élevés de cytokines pro-inflammatoires, notamment l'IL-6, l'IL-10 et le TNF-α ^[2] .

Supplémentation en précurseurs du NAD+ Cela semble prometteur pour la prise en charge de la gravité de la COVID-19. Un essai clinique de phase 3 a montré des résultats encourageants. Les patients prenant un complément alimentaire à base de nicotinamide riboside (NR) ont récupéré plus rapidement : 5,7 jours contre 9,2 jours pour le placebo, avec un risque relatif de 5,6. ^[2] . Leurs cytokines inflammatoires ont également diminué :

Pro-inflammatoires : IL-6, IFNγ, TNF-α
Chimiokines : CXCL10, CCL19, CX3CL1, CXCL11
Réglementaire : IL-10, IL-15RA, IL-17C

Le NAD+ aide en renforçant l'immunité antivirale grâce aux isozymes PARP tout en contrôlant l'inflammation excessive via l'activation des sirtuines ^[26] . Cela rend le NAD+ essentiel pour équilibrer une défense antivirale efficace avec une résolution inflammatoire contrôlée, exactement là où le traitement de la COVID-19 semble fonctionner le mieux.

NAD+ et régulation métabolique circadienne

Le métabolisme du NAD+ et les rythmes circadiens fonctionnent ensemble dans un réseau de régulation complexe qui harmonise les processus métaboliques avec les cycles lumière-obscurité quotidiens. Cette relation bidirectionnelle aide les organismes à optimiser l'utilisation de l'énergie en fonction de leurs activités quotidiennes.

Expression NAMPT et boucle CLOCK-BMAL1

L'hétérodimère CLOCK:BMAL1 pilote une boucle de rétroaction transcriptionnelle-traductionnelle qui alimente le système circadien. Ce complexe active la transcription des gènes Period ( Per1-3 ) et Cryptochrome ( Cry1-2 ). ^[27] . L'horloge centrale régule la biosynthèse du NAD+ en contrôlant rythmiquement l'expression de la nicotinamide phosphoribosyltransférase (NAMPT). La NAMPT est l'enzyme clé de la voie de récupération du NAD+. ^[28] . Le complexe CLOCK:BMAL1 se fixe aux éléments E-box du promoteur de NAMPT à des moments précis pour contrôler son expression cyclique. ^[28] .

L'expression de NAMPT atteint son pic pendant les heures sombres dans les tissus de souris ^[29] . Cela crée un système de rétroaction interconnecté qui entraîne des fluctuations du taux de NAD+. Des études montrent que la suppression de l'activateur de l'horloge Bmal1 réduit la concentration cellulaire totale de NAD+. La suppression des répresseurs de l'horloge Cry1 et Cry2 a l'effet inverse et augmente les niveaux de NAD+ ^[10] . L'horloge moléculaire façonne les signaux métaboliques par le contrôle direct de la production de NAD+.

Désacétylation de SIRT1 et PER2

SIRT1, qui dépend du NAD+ pour fonctionner comme désacétylase, renforce la régulation circadienne en interagissant avec les composants clés de l'horloge. L'activité de SIRT1 varie selon les fluctuations du taux de NAD+ au cours de la journée. ^[30] . SIRT1 désacétyle BMAL1 et le libère de la suppression de CRY1 ^[29] . Il désacétyle également le PER2, ce qui accélère sa dégradation ^[30] .

La désacétylation de PER2 par SIRT1 au niveau de la lysine 680 affecte la stabilité et la fonction de PER2 ^[10] . Les cellules sans SIRT1 présentent des niveaux accrus de protéine PER2 malgré une diminution Per2 ARNm. Ceci indique une régulation après traduction. ^[30] . Les scientifiques ont constaté que l'accumulation et l'acétylation de PER2 diminuaient en présence de SIRT1. ^[30] . Cela crée une autre boucle de régulation dans laquelle les niveaux de NAD+ influencent la machinerie de l'horloge centrale via l'activité de SIRT1.

Oscillations NAD+ et homéostasie métabolique

Le NAD+ présente des cycles forts de 24 heures Dans tous les types de tissus. Les concentrations atteignent leur maximum tôt dans les périodes d'obscurité (ZT16) et leur minimum tôt dans les périodes de lumière (ZT4). ^[10] . Ces changements rythmiques du NAD+ stimulent les voies métaboliques en :

Régulation de la fonction mitochondriale et de la phosphorylation oxydative
Modification des taux d'oxydation des acides gras
Contrôler les habitudes d'utilisation des nutriments

Différents tissus présentent des rythmes NAD+ spécifiques. Le tissu adipeux brun présente des oscillations NAD+ plus fortes que le tissu adipeux blanc. ^[29] . Des troubles de ces cycles NAD+ peuvent entraîner des troubles métaboliques. La correction des rythmes NAD+ hépatiques en cas d'obésité améliore la réponse à l'insuline et favorise la combustion des graisses. ^[31] . Nicotinamide riboside (NR) et d'autres précurseurs du NAD+ peuvent contribuer à restaurer les rythmes circadiens perturbés. Ceci démontre les bénéfices potentiels du ciblage des voies du NAD+ pour traiter les troubles métaboliques. ^[29] .

Cibles thérapeutiques émergentes liées au NAD+

Les scientifiques ont découvert des cibles thérapeutiques prometteuses dans la voie NAD, capables de s'attaquer à des mécanismes pathologiques spécifiques au niveau moléculaire. Ces nouvelles interventions agissent par différents mécanismes, mais partagent un fondement commun : la régulation du métabolisme NAD+.

Inhibiteurs de SARM1 pour la neuroprotection

Des scientifiques ont découvert que le récepteur SARM1 (Sterile α and Toll/IL-1 motif-containing 1) agit comme une hydrolase NAD+ centrale, offrant ainsi une nouvelle cible pour le traitement des maladies neurodégénératives. Le rôle de SARM1 comme exterminateur d'axones se manifeste par la déplétion de NAD+, faisant de son inhibition une puissante stratégie neuroprotectrice. ^[32] . Des équipes de recherche ont développé des inhibiteurs du site actif de SARM1 dépendants du NAD qui arrêtent l'hydrolyse du NAD+ et créent des conjugués covalents avec l'adénosine diphosphate ribose (ADPR). ^[33] .

Le composé 331P1 bloque spécifiquement l'activité de la SARM1 NADase et empêche la fragmentation des axones dans les modèles de neuropathie périphérique induite par la chimiothérapie ^[7] . Ce composé a complètement réduit l'augmentation de 5 fois des niveaux de chaînes légères de neurofilaments plasmatiques chez les souris traitées au paclitaxel par rapport aux animaux non traités. ^[7] . Les effets protecteurs ont aidé à préserver les fibres nerveuses intraépidermiques, ce qui a montré à quel point l'inhibiteur fonctionnait bien contre les lésions nerveuses toxiques.

Silençage de la NAPRT dans le traitement du cancer

Certains cancers, en particulier les carcinomes rénaux déficients en FH, présentent une inactivation de l'enzyme biosynthétique NAD+, la nicotinate phosphoribosyl transférase (NAPRT), par hyperméthylation. ^[34] . Ce changement épigénétique crée une faiblesse puisque ces cellules dépendent fortement de la voie alternative de synthèse NAD+ médiée par NAMPT.

Les cellules cancéreuses avec NAPRT silencieuse sont extrêmement sensibles aux inhibiteurs de la nicotinamide phosphoribosyl transférase (NAMPTi) ^[35] . Le traitement est encore plus efficace lorsque :

NAMPTi se combine avec des inhibiteurs de PARP pour une destruction synergique des cellules tumorales
La combinaison perturbe les mécanismes de réparation de l'ADN médiés par PAR
Le NAPRT sert de biomarqueur pour identifier les tumeurs adaptées à cette approche

Complexe HTC et génération de NADPH

Les scientifiques ont découvert qu'il existait une approche thérapeutique différente impliquant le complexe de transfert d'hydrure (HTC) - un système multi-enzymatique qui modifie le métabolisme du NAD en déplaçant les équivalents réducteurs du NADH vers le NADP+ ^[36] . Le HTC rassemble la malate déshydrogénase 1, l'enzyme malique 1 et la pyruvate carboxylase cytosolique qui forment des corps séparés en phases dans les cellules cancéreuses. ^[36] .

HTC reste réprimé dans les cellules sénescentes mais devient actif après l'inactivation de p53. Le HTC fournit aux cellules du NAD+ et du NADPH , ce qui les aide à éviter la sénescence et à travailler avec le RAS oncogène pour transformer les cellules primaires ^[36] . Étant donné que les suppresseurs de tumeurs p53 et RB contrôlent le HTC, cibler ce complexe pourrait inverser les adaptations métaboliques qui aident les cellules cancéreuses à survivre.

Défis liés à la traduction des résultats de la recherche sur le NAD+ en clinique

Les recherches sur le NAD+ sont prometteuses lors des études précliniques, mais les chercheurs se heurtent à des obstacles majeurs pour traduire ces résultats en traitements cliniques. Le développement de thérapies sûres et efficaces à base de NAD+ nécessite de relever plusieurs défis majeurs.

Variabilité de la biodisponibilité des précurseurs du NAD+

Le plus gros problème de la traduction clinique provient de la biodisponibilité incohérente des Précurseurs du NAD+ . Les précurseurs du NAD+ se dégradent fortement dans l'intestin et le foie après administration orale, ce qui limite leur efficacité. ^[3] . Les recherches montrent que les bactéries intestinales décomposent principalement le NMN, le NR et le NAM administrés par voie orale ^[3] . Les taux sanguins de NMN après ingestion orale présentent des variations spectaculaires - allant de quantités indétectables à 90 μM - ce qui rend difficile la compréhension de la façon dont le corps le traite. ^[3] .

Le mode d'administration influence considérablement la localisation des précurseurs dans l'organisme. Le NMN augmente efficacement les taux de NAD+ dans de nombreux tissus lorsqu'il est injecté dans la cavité péritonéale (500 mg/kg), mais l'administration orale agit principalement au niveau du foie. ^[3] . Cette incohérence conduit à des résultats mitigés dans les essais sur l'homme ^[9] .

Effets indésirables du NAM à forte dose

Supplémentation en nicotinamide À fortes doses, le NAM provoque la mort cellulaire à des doses supérieures à 20 mM, la moitié des cellules mourant à 21,5 mM. ^[37] . Des études animales ont montré que 2,5 g/kg pris par voie orale sont mortels pour la moitié des sujets, soit environ 150 g chez l'homme. ^[37] .

Les gens peuvent tolérer 1 à 3 g par jour sur de longues périodes ^[37] , mais le NAM à forte dose interfère avec les poly(ADP-ribose) polymérases (PARP), ce qui pourrait compromettre la stabilité du génome. ^[37] . Le NAM modifie également la façon dont les cellules traitent les groupes méthyles, affectant la méthylation de l'ADN et des protéines ^[37] . Des doses très élevées peuvent provoquer une toxicité hépatique temporaire ^[38] . La prise de 6 g à jeun provoque des maux de tête, des étourdissements et des vomissements. ^[37] .

Besoin d'une modulation NAD+ personnalisée

Les traitements NAD+ fonctionnent différemment pour chaque personne ; des approches personnalisées sont donc pertinentes. Des enzymes clés comme la NAMPT diminuent avec l'âge chez la souris, le rat et l'homme. ^[39] , tandis que l'expression de CD38 augmente ^[39] . Ces changements liés à l'âge dans les enzymes de traitement du NAD+ réduisent l'efficacité des précurseurs ^[39] .

Les essais cliniques montrent des résultats incohérents malgré l’utilisation de doses similaires ^[39] . Les caractéristiques démographiques des patients, les propriétés des composés, les méthodes de prélèvement d'échantillons et les techniques de mesure contribuent toutes à ces résultats variables. ^[39] . Bien sûr, nous avons besoin d'études humaines détaillées pour déterminer les pathologies qui répondent le mieux aux rappels de NAD+ et trouver les durées et les doses de traitement appropriées. ^[40] .

Conclusion

Les recherches sur la voie du NAD révèlent son incroyable complexité et son rôle essentiel dans le fonctionnement cellulaire. Les scientifiques savent désormais que le NAD+ ne se limite pas à sa fonction fondamentale de cofacteur redox. Il régule également les processus épigénétiques, les réponses immunitaires et les rythmes circadiens. Les réserves de NAD+ présentes dans différentes parties des cellules montrent comment la nature s'est adaptée pour contrôler les processus dépendants du NAD+ dans chaque compartiment cellulaire.

De nouvelles méthodes d'analyse des flux ont révolutionné nos connaissances sur le métabolisme du NAD+. Elles révèlent l'équilibre délicat entre la production et l'utilisation du NAD+ par les cellules. Cet équilibre maintient les cellules en bonne santé, et sa dégradation accélère le vieillissement et les maladies. La déplétion du NAD+ accélère incontestablement le vieillissement cellulaire en altérant la réparation de l'ADN, les réponses au stress et les fonctions métaboliques.

Les traitements ciblant le métabolisme du NAD+ semblent prometteurs. Les inhibiteurs de SARM1 protègent les cellules nerveuses en stoppant la perte nocive de NAD+. Les cellules cancéreuses dont la NAPRT est inhibée deviennent vulnérables à certains traitements. Le nouveau complexe de transfert d'hydrure pourrait constituer une autre voie d'ajustement du métabolisme cellulaire.

Les scientifiques doivent surmonter plusieurs obstacles avant que la recherche sur le NAD+ puisse aider les patients. Les précurseurs du NAD+ ne sont pas bien absorbés par l'organisme, ce qui limite leur utilisation thérapeutique. De fortes doses de nicotinamide pourraient être dangereuses. Ces problèmes imposent aux médecins d'adopter des approches adaptées à chaque patient, en fonction de ses profils enzymatiques métaboliques.

La recherche future sur le NAD+ nécessite la collaboration d'experts issus de nombreux domaines : biochimistes, généticiens et médecins. De meilleurs outils d'analyse permettront de mesurer plus précisément les variations du NAD+ dans les tissus et les compartiments cellulaires. Ces connaissances permettront de développer des traitements ciblés pour des pathologies allant des maladies nerveuses au cancer.

Le métabolisme du NAD+ relie de nombreuses voies cellulaires et agit à la fois comme capteur et régulateur de la santé métabolique. Il reste encore beaucoup à faire, mais nous pouvons nous appuyer sur ces progrès pour mieux comprendre cette molécule cruciale et ses effets sur la santé et la maladie.

FAQ

Q1. Quelles sont les principales fonctions du NAD+ dans le métabolisme cellulaire ? Le NAD+ joue un rôle essentiel dans les réactions d'oxydoréduction, acceptant et cédant des électrons dans diverses voies métaboliques. Il joue un rôle essentiel dans la production d'énergie, la réparation de l'ADN et la régulation des enzymes impliquées dans des processus tels que la glycolyse et l'oxydation des acides gras.

Q2. Comment le NAD+ influence-t-il la régulation épigénétique ? Le NAD+ agit comme cofacteur pour des enzymes comme les sirtuines, qui modifient la structure de la chromatine et l'expression des gènes. Les variations des taux de NAD+ peuvent affecter la désacétylation des histones, les profils de méthylation de l'ADN et les paysages épigénétiques globaux, reliant ainsi le métabolisme à la régulation des gènes.

Q3. Quelle est la relation entre le NAD+ et les rythmes circadiens ? Les taux de NAD+ oscillent selon un cycle de 24 heures, régulés par l'horloge circadienne centrale. Cette oscillation influence les processus métaboliques tout au long de la journée. À l'inverse, des enzymes dépendantes du NAD+, comme SIRT1, peuvent moduler les protéines de l'horloge, créant ainsi une relation bidirectionnelle entre le métabolisme du NAD+ et les rythmes circadiens.

Q4. Quel est l'impact du métabolisme du NAD+ sur la fonction des cellules immunitaires ? Les taux de NAD+ influencent significativement le métabolisme et le fonctionnement des cellules immunitaires. Par exemple, le NAD+ est essentiel à la polarisation des macrophages, à la prévention de l'épuisement des lymphocytes T et à l'activation des cellules tueuses naturelles. La modulation du métabolisme du NAD+ peut potentiellement renforcer ou inhiber les réponses immunitaires dans diverses pathologies.

Q5. Quels sont les défis liés au développement de thérapies à base de NAD+ ? Les principaux défis comprennent la biodisponibilité variable des précurseurs du NAD+, les effets indésirables potentiels d'une supplémentation à forte dose et la nécessité d'approches personnalisées. L'incohérence des résultats cliniques et la complexité du métabolisme du NAD+ selon les tissus et les pathologies compliquent également le développement thérapeutique.

Références

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