烟酰胺N-甲基转移酶的研究进展

徐晚枫，厉平，李玲

（中国医科大学附属盛京医院内分泌科，沈阳 110004）

肥胖常并发严重的代谢紊乱如胰岛素抵抗、2型糖尿病和动脉粥样硬化，引起高死亡率和生活质量下降。近年来，烟酰胺N-甲基转移酶（nicotinamide N-methyltransferase，NNMT）成为脂肪组织中治疗肥胖及2型糖尿病的新靶点。现就NNMT在体内的功能综述如下。

1 NNMT简介

NNMT可利用S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosyl methionine，SAM）为甲基供体催化烟酰胺（nicotinamide，NAM），从而发生甲基化反应，生成S-腺苷-L-同型半胱氨酸（S-adenosyl-L-homocysteine，SAH）及N1-甲基烟酰胺（N1-methylated nicotinamide，MNAM）［1］。MNAM在体内还可以被醛氧化酶进一步氧化为2种化合物，N1-甲基-2-吡啶酮-5-甲酰胺（N1-methyl-2-pyridone-5-carboxamide，2Py）和N1-甲基-4-吡啶酮-3-甲酰胺（N1-methyl-4-pyridone-3-carboxamide，4Py），MNAM及其代谢产物2Py和4Py均通过肾脏排泄。WEINSHILBOUM及其同事分别在1994年及1997年克隆了人和小鼠的NNMT基因，将其定位于人类11号染色体和小鼠9号染色体上，包含3个外显子和2个内含子；人类NNMT基因约16.7 kb，其蛋白质包含264个氨基酸；NNMT在哺乳动物中相对保守，人和鼠的同源性达85%［1-2］。

迄今为止，研究最清楚的NNMT底物是NAM（属于维生素B3），NAM是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）的前体，而NAD+是参与能量代谢的关键分子。最近研究发现，NNMT在代谢和能量平衡方面也具有重要功能。

2 NNMT基因的表达与转录调节

NNMT在人类肝脏中的表达水平较高［1］，在脂肪组织（皮下和内脏脂肪组织）、动脉（主动脉及冠状动脉）、肌肉和各种间充质细胞中表达水平稍低，在中枢神经系统和造血细胞中表达水平较低；其在肝脏和脂肪组织中的表达差异较大，与代谢状态有关［3-5］。目前关于调节NNMT启动子活性的所知有限，已知在肿瘤细胞中转录因子STAT3和肝细胞核因子-1β能增加NNMT启动子活性［6-7］。

3 NNMT的功能

由于NNMT是NAD+前体NAM和甲基供体SAM代谢所需关键酶，所以其活性可能影响两大类酶：NAD+依赖酶和SAM依赖甲基转移酶。

3.1 NAM及NNMT产物MNAM在体内的作用

3.1.1 肝脏中的NNMT和MNAM：肝细胞NNMT表达水平为体内最高［1］，提示NNMT可能在肝脏中发挥代谢效应。在小鼠和人类中NNMT的表达水平与低血清胆固醇、低甘油三酯有关［5］。NNMT在肝脏中的代谢作用是由MNAM介导的，MNAM通过干扰去乙酰化酶沉默信息调节因子1（sirtuin type1，Sirt1）泛素化而增加其蛋白水平和活性，参与葡萄糖、脂质和能量代谢［5］。肝细胞内敲低NNMT，降低MNAM水平，使Sirt1蛋白降低，增加了FoxO1（Sirt1靶点）的乙酰化；反之亦然，NNMT过表达或用MNAM处理肝细胞则会增加Sirt1蛋白，同时降低FoxO1乙酰化［5］。在功能上，NNMT和MNAM增加了葡萄糖6磷酸酶和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶的表达及葡萄糖的产生，这些作用可以被抑制Sirt1的药物或者抑制Sirt1基因表达来阻止［5］。MNAM可能涉及参与Sirt1降解的组分，也可能是一种E3连接酶，如鼠双微粒体2等［8］。膳食中添加MNAM可以预防高脂饮食（high fat diet，HFD）喂养小鼠的代谢紊乱；MNAM可提高肝脏Sirt1蛋白水平，抑制肝细胞脂肪酸和胆固醇合成，降低甘油三酯和胆固醇含量［5］。在MNAM膳食补充组产生以上改善但不伴有体质量和脂肪的改变，提示了MNAM主要对肝脏产生影响［5］。

3.1.2 内皮细胞中的MNAM：研究［9］表明，MNAM也具有生物活性，在啮齿动物血栓形成模型中，药理学剂量的MNAM可显著增加内皮细胞分泌前列环素，并调节血栓形成和炎症过程。MNAM还可以通过增加内皮细胞一氧化氮的释放和血管对钙离子和乙酰胆碱的反应性起到舒张血管作用［10］。MNAM在内皮细胞中的作用机制不完全清楚，可能涉及环氧合酶2和内皮一氧化氮合酶。因此，MNAM可能是治疗内皮细胞功能紊乱如血栓形成、高血压和动脉粥样硬化的相关靶点。

3.1.3 NNMT与组织损伤：在人类和啮齿类动物炎症损伤模型中，NNMT表达增加，慢性阻塞性肺疾病伴肌肉萎缩患者肺和骨骼肌中NNMT表达显著增加［11］。NNMT的显著上调于各种形式的骨骼肌营养不良患者，在杜氏肌营养不良小鼠模型中也可见其表达增加［12］。此外，实验性肝损伤和肺动脉高压模型也能诱导NNMT的表达增加和活性增强［13-14］。目前认为炎症是导致NNMT表达增加的原因，用白细胞介素-6、肿瘤坏死因子α和转化生长因子β直接刺激人骨骼肌成肌细胞均会增加NNMT表达。NNMT和MNAM在这些炎症状态中的作用有待进一步阐明，目前认为其对损伤是一种保护性补偿机制［11，15］。

3.2 NNMT与甲基供体平衡

3.2.1 癌症细胞：NNMT在多种癌症组织中表达明显增加，原发性胶质母细胞瘤［16］，人乳头状甲状腺癌细胞系［17］、肾透明细胞癌［18］和膀胱癌［19］、胃癌［20］、人结肠癌［21］和口腔鳞状细胞癌［22］中均有NNMT上调。但肝细胞癌明显例外，其NNMT表达被抑制［23］。NNMT在肾透明细胞癌769-P细胞中的过表达降低了SAM/SAH比值，改变了细胞的表观遗传状态，H3K9和H3K27的整体H3甲基化降低，使一些促癌基因的表达增加［24］。另一方面，敲低卵巢癌SKOV3细胞中NNMT的表达有相反作用，使SAM/SAH比值升高，H3K9和H3K27整体H3甲基化水平升高；在一种非组蛋白-蛋白磷酸酶2上也观察到相似的甲基化改变，表明不同的NNMT表达及甲基供体水平会引起细胞内非组蛋白靶点的差异性甲基化［24-25］。

3.2.2 胚胎干细胞（embryonic stem cell，ESC）：最近的研究扩展了NNMT表达与人类胚胎干细胞（human embryonic stem cells，hESCs）整体组蛋白甲基化之间的联系，天然多能hESCs表达高水平的NNMT，在转化到启动阶段时，NNMT表达下调；与此同时，组蛋白甲基化的抑制增加了发育和关键代谢基因的数量，这些基因调控着hESCs从天然到启动阶段之间的转换［26］。NNMT参与了天然ESC状态的维持，因为NNMT活性是消耗甲基供体来产生SAH和MNAM，从而限制了SAM为其他甲基转移酶提供甲基，进而维持低水平的DNA和组蛋白甲基化；在过渡到启动状态时，NNMT表达减少，使更多的SAM蓄积并增加表观遗传标记的甲基化［26］。

3.2.3 脂肪组织：NNMT在人类和啮齿类动物的脂肪组织中高表达，在脂肪细胞3T3-L1分化过程中，NNMTmRNA、蛋白和酶活性均增加［27］。因此，用过量的NAM来处理小鼠脂肪组织外植体和3T3-L1细胞，可以显著增加分泌到培养基中的同型半胱氨酸，用MNAM来处理会减少同型半胱氨酸的分泌［27］。

人脂肪组织NNMT表达水平与肥胖、胰岛素抵抗呈正相关［3］。在体内敲低NNMT可以保护C57BL/6小鼠在HFD下的脂肪蓄积，改善糖耐量［28］。由于NNMT是脂肪细胞中主要的甲基转移酶，因此研究者测量了SAM/SAH比值，NNMT敲低增加了SAM/SAH比值和整体组蛋白H3K4甲基化［28］。将瘦代谢表型与聚胺循环活化联系起来，认为增加底物SAM、增加聚胺合成基因鸟氨酸脱羧酶和亚精胺乙酰转移酶表达，可以保护小鼠免受食源性肥胖［28］。有研究［29］还观察到，在用不同肥胖诱导饮食喂养的雄性和雌性小鼠中，缺失或敲低NNMT时，在体质量、糖耐量和胰岛素敏感性（insulin sensitivity，IS）评估中，存在性别和饮食特异性差异［29］。该研究利用体内敲低NNMT或NNMT敲除小鼠（NNMT-/-）方法，发现西方饮食（western diet，WD）喂养的雌鼠，NNMT敲低可降低体质量、脂肪量和胰岛素水平，改善糖耐量。尽管，用普通饲料喂养的NNMT-/-小鼠没有明显的表型，但用HFD喂养的NNMT-/-雄鼠表现出明显的IS改善；此外，NNMT-/-雌性小鼠喂养WD后体重增加减少，脂肪增加减少，胰岛素水平更低；但在NNMT-/-小鼠中未观察到糖耐量的改善［29］。

研究［3-4］还发现人类脂肪组织NNMT及MNAM与胰岛素抵抗和体质量指数（body mass index，BMI）呈正相关。KANNT等［3］的研究中，与对照组相比，2型糖尿病患者皮下和大网膜脂肪组织中NNMT的表达增加了约2倍；此外，在2型糖尿病受试者中还存在MNAM与脂肪组织中的NNMT表达呈正相关。采用正常血糖-高血浆胰岛素钳夹技术测定，发现大网膜脂肪组织NNMT表达和MNAM水平与胰岛素抵抗也呈显著正相关。而且增加IS的干预措施，如运动和减肥手术，也会降低脂肪组织中NNMT表达，但该研究未发现NNMT表达与BMI之间存在相关性，这与啮齿类动物的研究［28］数据一致。相反，LIU等［4］在一项队列研究中报道了循环MNAM水平与BMI、腰围和臀围呈正相关。不同的是，在KAANT等［3］的研究中，对照组和2型糖尿病个体BMI 33～47 kg/m2；而LIU等［4］的研究中，BMI为23～24 kg/m2。造成这种差异可能是由于不同的种族组成和队列研究的规模不同。这些研究结果表明NNMT对NAM的甲基化可能参与胰岛素抵抗。NEELAKANTAN等［30］用小分子NNMT抑制剂对饮食诱导的肥胖小鼠进行全身治疗，发现治疗后可使体质量及白色脂肪量显著降低，脂肪细胞变小，血浆胆固醇水平降低；而且使用NNMT抑制剂并不影响总食物摄入量，也不会产生任何明显的不良反应。

3.2.4 肝脏：肝脏是体内大部分甲基化发生的部位，虽然肝细胞是体内所有组织中表达NNMT水平最高的［1］，但NNMT却并不是肝脏中最主要的甲基转移酶，NNMT的敲低并不会改变小鼠肝脏或原代肝细胞中SAM/SAH的比值［5］。在正常情况下，NNMT活性不足以改变肝脏甲基供体的平衡，但在底物过量和甲基供体循环受损的情况下可能会发生。

综上所述，NNMT的酶活性可以调节整体表观遗传组蛋白谱，其代谢产物MNAM能通过Sirt1调控蛋白乙酰化。NNMT表达改变的功能结果是细胞特异性的。在作用机制方面，找到MNAM的下游靶点是了解其生理功能的关键，亲和纯化可用于寻找直接结合MNAM的蛋白，定量蛋白质组学与表达谱方法相结合，可以在不改变MNAMmRNA表达情况下识别MNAM所能调控的其他蛋白，并揭示这种代谢物的新生物学作用。目前尚不清楚NAM是否为细胞内NNMT消耗甲基供体的主要底物，对NNMT和其甲基供体之间调控的整体认识还处于起步阶段。目前研究表明，肝脏和内皮细胞的NNMT活性对机体有益，但在脂肪组织和肿瘤组织则有害，这一明显的矛盾对于NNMT在生理和疾病中的内源性作用提出了质疑，未来需要更多的研究来解决这些问题。