維生素D代謝物調(diào)節(jié)鈣代謝的機理及其應(yīng)用

韓進誠 洪堯彰 曹博宏 鄭永祥*

(1.商丘師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，商丘 476000;2.宜蘭大學(xué)生物技術(shù)研究所，宜蘭 26047;

3.宜蘭大學(xué)動物科技系，宜蘭 26047)

隨著動物品種的改良，動物生長性能顯著提高，但同時伴隨骨骼異常發(fā)生率的攀升，如肉雞脛骨軟骨發(fā)育不良(tibial dyscondropalsia，TD)、母豬蹄裂與跛腳、雞蛋破蛋率增加等，會導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失。骨骼異常的原因主要在于骨骼發(fā)育無法跟上動物體重與遺傳改進的速度。鈣是禽畜生長和生產(chǎn)過程中最重要的礦物質(zhì)之一。在畜禽生長方面，鈣主要提供體增重及骨骼發(fā)育的需要。維生素D的主要作用是影響腸道鈣、磷吸收，同時在骨中將有機鈣轉(zhuǎn)換為無機鈣。當維生素D缺乏時，腸道對鈣和磷的吸收減少，此時即使飼糧中含有充分的鈣、磷，動物仍可能產(chǎn)生佝僂癥等問題。本文旨在簡要介紹維生素D代謝物調(diào)節(jié)鈣離子恒定的機理及其在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用。

1 維生素D的代謝途徑及生理功能

飼糧中的維生素D3經(jīng)肝臟25－羥化酶催化生成25－羥基維生素 D3(25－OH D3)，經(jīng)腎臟1α－羥化酶作用生成其活性形式1，25－二羥基維生素 D3［1，25－(OH)2D3］。1，25－(OH)2D3可促進小腸對鈣、磷的吸收，維持鈣、磷正常代謝及骨骼礦化，調(diào)節(jié)腎臟對鈣、磷的重吸收。研究發(fā)現(xiàn)，1，25－(OH)2D3經(jīng)克洛索(Klotho)活化瞬時受體電位通道蛋白5(transient receptor potential channel type 5，TRPV5)，增 加 鈣 離 子 吸 收［1］。 因 此，25－OH D3在動物骨骼礦物化形成，體內(nèi)鈣、磷恒定，甚至免疫系統(tǒng)運作過程中都發(fā)揮重要作用。

維生素D對鈣吸收的調(diào)節(jié)是一種反饋作用。當血鈣濃度過低時，腎臟分泌1α－羥化酶使25－OH D3轉(zhuǎn)化為 1，25－(OH)2D3的量增加，促進鈣吸收;當血鈣濃度達到平衡后，1，25－(OH)2D3生成量隨即減少;如果維生素D不足或缺乏，則反饋系統(tǒng)中斷，也會導(dǎo)致缺乏癥的發(fā)生［2］。血鈣濃度過高時，1，25－(OH)2D3會與 1α － 羥化酶基因作用，抑制1α－羥化酶基因轉(zhuǎn)錄，最終使25－OH D3轉(zhuǎn)化為 1，25－(OH)2D3的量減少［3］，從而降低鈣離子吸收，維持血鈣平衡。

如果飼糧中維生素D不足或缺乏，動物就會出現(xiàn)相應(yīng)的缺乏癥，主要包括軟骨病和骨松癥。軟骨病的典型癥狀有血中鈣、磷濃度過低，軟骨鈣化不正常。骨松癥最大特征是骨質(zhì)密度過低，急性型多發(fā)生在妊娠動物(如母畜的產(chǎn)后癱瘓)上。過量的維生素D會降低骨骼礦化作用，導(dǎo)致骨細胞壞死、骨鈣化異常、高血鈣，嚴重時可致死。

2 維生素D代謝物調(diào)節(jié)鈣離子吸收的分子機理

鈣離子吸收方式主要有2種:第1種為具有飽和性的跨細胞方式運輸，第2種為非飽和性的旁細胞通路運輸。第1種跨細胞方式包括3個步驟:第一，腸腔鈣離子順濃度梯度經(jīng)擴散方式進入腸道上皮細胞;第二，鈣離子由細胞刷狀緣膜頂膜轉(zhuǎn)移到基底膜;第三，鈣離子逆濃度梯度由細胞基底膜轉(zhuǎn)運出細胞，進入血液。腸道鈣離子吸收以跨細胞方式為主，受到維生素D的調(diào)控。

維生素D經(jīng)血液維生素D結(jié)合蛋白(vitamin D binding protein，DBP)運送到小腸細胞，與細胞膜表面受體Cubilin和Megalin結(jié)合后，維生素D以內(nèi)吞作用方式進入細胞，然后進入細胞核，與視黃醇類X受體(retinoid X receptor，RXR)、維生素D 受體(vitamin D receptor，VDR)復(fù)合物結(jié)合，并作用于目標基因的維生素D反應(yīng)元件(vitamin D response element，VDRE)，產(chǎn)生鈣結(jié)合蛋白(calcium binding protein，Calbindin)。鈣離子經(jīng)由瞬時受體電位通道蛋白6(transient receptor potential channel type 6，TRPV6)進入細胞內(nèi)，在細胞內(nèi)鈣離子與Calbindin結(jié)合，被運送至基底膜，再通過細胞膜鈣三磷酸腺苷酶(plasma membrane calcium ATPase，PMCA)將鈣離子運送出小腸上皮細胞。

維持體內(nèi)鈣離子恒定及骨骼生長的機理非常復(fù)雜，其中主要有3種激素參與調(diào)控，分別為甲狀旁腺素(parathyroid hormone，PTH)、降鈣素(calcitonin)和 1，25－(OH)2D3。腸道吸收鈣離子的 2 個重要蛋白為TRPV6和Calbindin，這些激素及蛋白相互作用調(diào)控血液鈣離子濃度。在激素與蛋白調(diào)節(jié)鈣離子吸收的過程中，維生素D代謝產(chǎn)物的作用至關(guān)重要。

2.1 甲狀旁腺素

血清中鈣離子濃度過低時，甲狀旁腺素分泌增加，腎臟1α－羥化酶產(chǎn)生量提高，1α－羥化酶作用于 25－OH D3，將其轉(zhuǎn)化為最佳活性態(tài)1，25－(OH)2D3，后者可使鈣離子吸收增加;同時腎臟近曲小管和集尿管L型鈣離子通道打開，促進鈣離子重吸收。骨骼中甲狀旁腺素刺激成骨細胞產(chǎn)生的細胞核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor kappa B ligand，RANKL)［4］與破骨細胞的細胞核因子κB受體活化因子(receptor activator for nuclear factor kappa B，RANK)結(jié)合，并使破骨細胞活化，將骨基質(zhì)分解為鈣離子和磷酸鹽釋放到血液，以維持血液鈣離子濃度。骨保護素(osteoprotegerin，OPG)能調(diào)控破骨細胞的活化。OPG是一個誘騙受體(decoy receptor)，當OPG由基質(zhì)細胞的細胞膜分泌出來后，會與蝕骨細胞的前驅(qū)細胞上的RANK競爭RANKL，并與之結(jié)合，使RANKL無法與RANK結(jié)合，進而導(dǎo)致破骨細胞的前趨細胞無法分化為成熟破骨細胞。

2.2 降鈣素

降鈣素由甲狀腺的濾泡旁細胞(parafollicular cells，又稱C細胞)分泌，當血清中鈣離子濃度過高時，會刺激C細胞分泌降鈣素，來降低血清鈣離子和磷酸鹽濃度。降鈣素在腎臟中可降低腎小管對鈣、磷的重吸收，并通過尿液增加鈣、磷的排出量，此外還可抑制小腸對鈣離子和磷酸鹽的吸收。在骨骼方面，降鈣素可抑制破骨細胞活化，增加成骨細胞表達，使鈣離子和磷酸鹽能在骨基質(zhì)沉積礦化，使血液中鈣離子濃度降低。

2.3 1，25－(OH)2D3

1，25－(OH)2D3的主要功能是調(diào)節(jié)血液中鈣離子濃度，增加腸道上皮細胞對鈣離子的吸收，調(diào)控骨骼重吸收和礦化。Christakos等［5］指出，1，25－(OH)2D3和甲狀旁腺素會誘導(dǎo)成骨細胞CCAAT增強子結(jié)合蛋白β(CCAAT enhance binding protein β，C/EBPβ)和骨橋蛋白(osteopontin，OPN)表達，而OPN是一種鈣吸附性糖蛋白，為骨骼重吸收及礦化的主要因子。VDR基因表達量是影響1，25－(OH)2D3能否作用于目標基因的關(guān)鍵。環(huán)化腺苷酸(cAMP)、蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)和C/EBPβ均會使VDR基因表達量增加，PKA會結(jié)合在C/EBPβ上，使C/EBPβ活性增加，而1，25－(OH)2D3會與 VDR 及 RXR 結(jié)合形成復(fù)合物，并與VDRE結(jié)合轉(zhuǎn)錄OPN，使OPN基因表達量增加［6］。

2.4 24－羥化酶

24－羥化酶由腎臟分泌，主要功能是在血液中與 25－OH D3或 1，25－(OH)2D3作用，形成不具備活化狀態(tài)的24，25－二羥基維生素 D3［24，25－(OH)2D3］或 1，24，25 － 二羥基維生素 D3［1，24，25－(OH)2D3］，防止高血鈣癥或細胞內(nèi)鈣離子濃度過高導(dǎo)致細胞死亡。Christakos等［6］指出，24－羥化酶有自身的反饋調(diào)節(jié)模式，如果25－OH D3或1，25－(OH)2D3合成過多，會反過來誘導(dǎo)24－羥化酶基因表達，抑制自身活性，減緩合成速度，故其能在體內(nèi)維持維生素D的動態(tài)平衡。

2.5 TRPV6

TRPV6為吸收腸道鈣離子的重要因子，承擔(dān)鈣離子通道功能。Khanal 等［7］發(fā)現(xiàn)1，25－(OH)2D3能調(diào)節(jié)TRPV6 的 活 性。 當1，25－(OH)2D3與小腸細胞膜上快速反應(yīng)類固醇結(jié)合受體(membrane associated，rapid response，steroid－binding receptor，MARRS) 結(jié)合后，激活腺苷酸環(huán)化酶，再經(jīng)PKA通路釋放出大量β－葡萄糖苷酸酶(β－glucuronidase)，使TRPV6活性提高，促進鈣離子吸收;此時，鈣離子會與Calbindin結(jié)合，并與溶酶體融合［8］。另外，蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)可作用于基底膜，將鈣離子以胞吐方式送至細胞外，以調(diào)節(jié)胞內(nèi)鈣離子濃度［9］。

2.6 Calbindin

Calbindin可分為2類:第1類是 Calbindin D9K，相對分子質(zhì)量為9 000，存在于哺乳動物小腸和腎臟;第2類是Calbindin D28K，相對分子質(zhì)量為28 000，存在于家禽腸道、腎臟以及哺乳動物的成骨細胞和大腦［10］。Calbindin的主要功能是經(jīng)主動運輸方式將鈣離子運送到血液。Wasserman等［11］經(jīng)免疫組織化學(xué)法證實，Calbindin和鈣泵位于家禽生殖道中有鈣分泌的部位，包括遠程峽部(碳酸鈣開始沉積在乳突層的部位)和殼腺黏膜的管狀腺細胞，而沒有鈣分泌的漏斗部和蛋白分泌部則未見Calbindin和鈣泵存在。

2.7 VDR

蛋殼鈣化階段需依賴小腸中鈣離子的轉(zhuǎn)移，而維生素D代謝系統(tǒng)是調(diào)節(jié)體內(nèi)鈣離子平衡的重要因子。1，25－(OH)2D3與 VDR結(jié)合后，它會參與對Calbindin的基因表達的調(diào)節(jié)作用［12］。VDR及其基因mRNA表達量在轉(zhuǎn)錄時會受到鈣離子［13－14］、1，25－(OH)2D3［15－16］、甲狀旁腺素［17］和腎上腺糖皮質(zhì)激素［18］濃度的影響及調(diào)節(jié)。VDR活化時，與目的基因起動子的維生素D反應(yīng)元件結(jié)合，繼而調(diào)節(jié)目的基因轉(zhuǎn)錄生成Calbindin［19－20］。

3 維生素D代謝物在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用

生產(chǎn)中用到的維生素D代謝物包括25－OH D3、1α － 羥基維生素 D3(1α－OH D3) 及1，25－(OH)2D3，它們可改善畜禽生長性能，尤其是蛋雞和肉雞。25－OH D3可提高肉雞體增重、采食量，改善飼料效率，增加脛骨灰分，降低雛雞死亡率［21］;增加小腸絨毛長度、腸壁厚度及腺窩深度，提高抗體水平，增強機體免疫力［22］。在蛋雞上的試驗顯示，25－OH D3可提高產(chǎn)蛋率，增加蛋殼厚度、強度，降低軟蛋或破蛋率［23］。一般懷孕母豬會因懷孕產(chǎn)生骨鈣不足的現(xiàn)象，添加25－OH D3則會調(diào)節(jié)其血漿骨鈣蛋白及堿性磷酸酶活性，維持骨骼強度及灰分含量［24］。

1α－OH D3可改善肉雞生長性能，提高磷利用率，增加骨骼灰分含量［25－26］，改善肌肉色澤，增加腸黏膜鈉離子依賴型Ⅱb磷轉(zhuǎn)運蛋白(NaPi－Ⅱb)的基因 mRNA 表達量［27］。

1，25－(OH)2D3也可調(diào)節(jié)腸道 NaPi－Ⅱb 的基因mRNA及鈣離子通道TRPV6的基因表達量，增加鈣、磷離子吸收［28］;調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，降低火雞骨髓炎的發(fā)生幾率［29］。另外，1，25－(OH)2D3具有調(diào)節(jié)抗菌肽基因表達、對抗微生物入侵的功能。Dai等［30］指出，1，25－(OH)2D3經(jīng)分裂原活化蛋白激酶(mitogen－activated protein kinase，MAPK)通路活化人 β 防御素 －3(human beta－defensin－3，hBD－3)和抗菌肽(cathelicidin)的基因表達。

4 小結(jié)

在規(guī)?；⒓s化飼養(yǎng)條件下，由于飼養(yǎng)環(huán)境關(guān)系，動物不易照射到陽光，因此較難由自身合成所需的維生素D3。長期飼養(yǎng)的蛋雞、種雞會出現(xiàn)肝功能受損現(xiàn)象，常見脂肪肝和腎臟癥候群導(dǎo)致肝機能障礙，無法正常表達25－羥化酶，進而影響維生素D3的轉(zhuǎn)化率。目前25－OH D3已在歐洲獲得批準，可作為飼料添加劑使用。25－OH D3是維生素D3在血液中的主要存在形式，可經(jīng)腎臟1α－羥化酶轉(zhuǎn)化為最佳活性形式1，25－(OH)2D3。近年來，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展1α－OH D3在動物(尤其是家禽)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究。

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