NAD⁺ and its precursors in human longevity

Abstract

Aging is a complex issue due to its nature in progressive physiological and functional decay. As better medicine, technology, and living conditions became accessible to many people, the longevity of human beings increased during the past centuries. Recent research established vital roles for NAD⁺ and its precursors in protecting and maintaining the redox homeostasis in cells, which might be applicable therapeutically to prevent cell degeneration. Notably, the contribution of NAD⁺ metabolites to lifespan extension in model systems indicates that the potential beneficial effects of NAD⁺ precursors. In this mini review, by introducing the background of NAD⁺-consuming enzymes in “caloric restriction”, we focus on NAD⁺ and its precursors in diet, with further emphasis on its association with health and diseases. We also provide insights in future utilization of NAD⁺ and its precursors as nutrition supplement for lifespan extension.

Graphical abstract

Keywords

longevity / sirtuins / NAD⁺ / NAD⁺ synthesis / NAD⁺ precursor / nicotinamide riboside

References

[1] Dann, W. J. (1937) Nicotinic acid and vitamin B2. Science, 86, 616–617

[2] McCay, C. M., Crowell, M. F. and Maynard, L. A. (1989) The effect of retarded growth upon the length of life span and upon the ultimate body size. 1935. Nutrition, 5, 155–171, discussion 172

[3] Cantó, C. and Auwerx, J. (2009) Caloric restriction, SIRT1 and longevity. Trends Endocrinol. Metab., 20, 325–331

[4] Koubova, J. and Guarente, L. (2003) How does calorie restriction work? Genes Dev., 17, 313–321

[5] Lane, M. A., Ingram, D. K. and Roth, G. S. (1999) Calorie restriction in nonhuman primates: effects on diabetes and cardiovascular disease risk. Toxicol. Sci., 52, 41–48

[6] Schmidt, M. T., Smith, B. C., Jackson, M. D. and Denu, J. M. (2004) Coenzyme specificity of Sir2 protein deacetylases: implications for physiological regulation. J. Biol. Chem., 279, 40122–40129

[7] Sinclair, D. A. and Guarente, L. (2006) Unlocking the secrets of longevity genes. Sci. Am., 294, 48–57 

[8] Sinclair, D. A. and Guarente, L. (1997) Extrachromosomal rDNA circles—a cause of aging in yeast. Cell, 91, 1033–1042

[9] Dilova, I., Easlon, E. and Lin, S. J. (2007) Calorie restriction and the nutrient sensing signaling pathways. Cell. Mol. Life Sci., 64, 752–767

[10] Kaeberlein, M. and Powers, R. W. III (2007) Sir2 and calorie restriction in yeast: a skeptical perspective. Ageing Res. Rev., 6, 128–140

[11] Rongvaux, A., Andris, F., Van Gool, F. and Leo, O. (2003) Reconstructing eukaryotic NAD metabolism. BioEssays, 25, 683–690

[12] Bieganowski, P. and Brenner, C. (2004) Discoveries of nicotinamide riboside as a nutrient and conserved NRK genes establish a Preiss-Handler independent route to NAD⁺ in fungi and humans. Cell, 117, 495–502

[13] Belenky, P., Racette, F. G., Bogan, K. L., McClure, J. M., Smith, J. S. and Brenner, C. (2007) Nicotinamide riboside promotes Sir2 silencing and extends lifespan via Nrk and Urh1/Pnp1/Meu1 pathways to NAD⁺. Cell, 129, 473–484

[14] Belenky, P., Bogan, K. L. and Brenner, C. (2007) NAD⁺ metabolism in health and disease. Trends Biochem. Sci., 32, 12–19

[15] Gingrich, W. and Schlenk, F. (1944) Codehydrogenase I and other pyridinium compounds as V-Factor for hemophilus influenzae and H. parainfluenzae. J. Bacteriol., 47, 535–550

[16] Bogan, K. L. and Brenner, C. (2008) Nicotinic acid, nicotinamide, and nicotinamide riboside: a molecular evaluation of NAD⁺ precursor vitamins in human nutrition. Annu. Rev. Nutr., 28, 115–130

[17] DissertationTip (1998) Dietary Reference Intakes for Thiamin, Riboflavin, Niacin, Vitamin B6, Folate, Vitamin B12, Pantothenic Acid, Biotin, and Choline. Washington: National Academy Press

[18] Hegyi, J., Schwartz, R. A. and Hegyi, V. (2004) Pellagra: dermatitis, dementia, and diarrhea. Int. J. Dermatol., 43, 1–5

[19] Wilson, S.A. (1914) The Pathology of pellagra. In Proc. R. Soc. Med., 7, 31–41

[20] Tullius, S. G., Biefer, H. R., Li, S., Trachtenberg, A. J., Edtinger, K., Quante, M., Krenzien, F., Uehara, H., Yang, X., Kissick, H. T., et al. (2014) NAD⁺ protects against EAE by regulating CD4⁺ T-cell differentiation. Nat. Commun., 5, 5101

[21] Slegtenhorst, B. R., Dor, F. J., Rodriguez, H., Voskuil, F. J. and Tullius, S. G. (2014) Ischemia/reperfusion injury and its consequences on immunity and inflammation. Curr. Transplant. Rep., 1, 147–154

[22] Bernofsky, C. (1980) Physiology aspects of pyridine nucleotide regulation in mammals. Mol. Cell. Biochem., 33, 135–143

[23] Tempel, W., Rabeh, W. M., Bogan, K. L., Belenky, P., Wojcik, M., Seidle, H. F., Nedyalkova, L., Yang, T., Sauve, A. A., Park, H. W., et al. (2007) Nicotinamide riboside kinase structures reveal new pathways to NAD⁺. PLoS Biol., 5, e263

[24] Li, J., Mayne, R. and Wu, C. (1999) A novel muscle-specific beta 1 integrin binding protein (MIBP) that modulates myogenic differentiation. J. Cell Biol., 147, 1391–1398

[25] Sasaki, Y., Araki, T. and Milbrandt, J. (2006) Stimulation of nicotinamide adenine dinucleotide biosynthetic pathways delays axonal degeneration after axotomy. J. Neurosci., 26, 8484–8491

[26] Brown, K. D., Maqsood, S., Huang, J. Y., Pan, Y., Harkcom, W., Li, W., Sauve, A., Verdin, E. and Jaffrey, S. R. (2014) Activation of SIRT3 by the NAD⁺ precursor nicotinamide riboside protects from noise-induced hearing loss. Cell Metab., 20, 1059–1068

[27] Cantó, C., Houtkooper, R. H., Pirinen, E., Youn, D. Y., Oosterveer, M. H., Cen, Y., Fernandez-Marcos, P. J., Yamamoto, H., Andreux, P. A., Cettour-Rose, P., et al. (2012) The NAD⁺ precursor nicotinamide riboside enhances oxidative metabolism and protects against high-fat diet-induced obesity. Cell Metab., 15, 838–847

[28] Fukuwatari, T., Ohta, M., Kimtjra, N., Sasaki, R. and Shibata, K. (2004) Conversion ratio of tryptophan to niacin in Japanese women fed a purified diet conforming to the Japanese Dietary Reference Intakes. J. Nutr. Sci. Vitaminol., 50, 385–391

[29] Knip, M., Douek, I. F., Moore, W. P., Gillmor, H. A, McLean, A. E., Bingley, P. J., Gale, E. A. and the European Nicotinamide Diabetes Intervention Trial Group. (2000) Safety of high-dose nicotinamide: a review. Diabetologia, 43, 1337–1345

[30] Carson, D. (2004) European Nicotinamide Diabetes Intervention Trial (ENDIT): a randomised controlled trial of intervention before the onset of type 1 diabetes. Lancet, 363, 925–931

[31] Virág, L. and Szabó, C. (2002) The therapeutic potential of poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors. Pharmacol. Rev., 54, 375–429

[32] Ieraci, A. and Herrera, D. G. (2006) Nicotinamide protects against ethanol-induced apoptotic neurodegeneration in the developing mouse brain. PLoS Med., 3, e101

[33] Feng, Y., Paul, I. A. and LeBlanc, M. H. (2006) Nicotinamide reduces hypoxic ischemic brain injury in the newborn rat. Brain Res. Bull., 69, 117–122

[34] Capuzzi, D. M., Morgan, J. M., Brusco, O. A. Jr and Intenzo, C. M. (2000) Niacin dosing: relationship to benefits and adverse effects. Curr. Atheroscler. Rep., 2, 64–71

[35] Carlson, L. A. (2004) Niaspan, the prolonged release preparation of nicotinic acid (niacin), the broad-spectrum lipid drug. Int. J. Clin. Pract., 58, 706–713

[36] Kamanna, V. S. and Kashyap, M. L. (2000) Mechanism of action of niacin on lipoprotein metabolism. Curr. Atheroscler. Rep., 2, 36–46

[37] Hassa, P. O., Haenni, S. S., Elser, M. and Hottiger, M. O. (2006) Nuclear ADP-ribosylation reactions in mammalian cells: where are we today and where are we going? Microbiol. Mol. Biol. Rev., 70, 789–829

[38] Revollo, J. R., Körner, A., Mills, K. F., Satoh, A., Wang, T., Garten, A., Dasgupta, B., Sasaki, Y., Wolberger, C., Townsend, R. R., et al. (2007) Nampt/PBEF/Visfatin regulates insulin secretion in beta cells as a systemic NAD biosynthetic enzyme. Cell Metab., 6, 363–375

[39] Kirkland, J. B. (2003) Niacin and carcinogenesis. Nutr. Cancer, 46, 110–118

[40] Reddy, S., Bibby, N. J. and Elliott, R. B. (1990) Early nicotinamide treatment in the NOD mouse: effects on diabetes and insulitis suppression and autoantibody levels. Diabetes Res., 15, 95–102

[41] Dali-Youcef, N., Lagouge, M., Froelich, S., Koehl, C., Schoonjans, K. and Auwerx, J. (2007) Sirtuins: the ‘magnificent seven’, function, metabolism and longevity. Ann. Med., 39, 335–345

[42] Westphal, C. H., Dipp, M. A. and Guarente, L. (2007) A therapeutic role for sirtuins in diseases of aging? Trends Biochem. Sci., 32, 555–560

[43] Zhang, R. (2013) MNADK, a novel liver-enriched mitochondrion-localized NAD kinase. Biol. Open, 2, 432–438

[44] Zhang, R. (2015) MNADK, a long-awaited human mitochondrion-localized NAD kinase. J. Cell. Physiol., 230, 1697–1701

ACKNOWLEDGEMENTS

We gratefully acknowledge the National Natural Science Foundation of China (No. 21502026), Shenzhen Science and Technology Innovation Committee (JCYJ20140411112047887) for their support to Yanchao Pan. We thankDr. Zhen Xie for comments on the manuscript.

The authors Jimin Lin, Yanchao Pan and Jiangyun Wang declare that they have no conflict of interests.

This article does not contain any studies with human or animal subjects performed by any of the authors.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg