維生素D 信號通路關(guān)鍵基因研究進展

劉 琨，劉軍麟

（1.海南醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院皮膚性病科，海南 海口 570200；2.海南省人民醫(yī)院皮膚性病科，海南 ?？?570200）

近年來基于維生素D 骨骼外作用研究不斷深入，對于維生素D 及其信號通路的了解亦不斷加深。本文對近年來國內(nèi)外相關(guān)研究進行綜述并總結(jié)維生素D 受體（vitamin D receptor，VDR）信號通路的部分關(guān)鍵基因在維生素D 合成與代謝中的作用，以期為進一步研究打下基礎(chǔ)。

1 維生素D 及活性形式的生物學(xué)功能

由7-脫氫膽固醇（7-dehydrocholesterol，7-DHC）在皮膚中生成的維生素D3（vitamin D3，VD3）是維生素D 在人體內(nèi)的天然存在形式。7-DHC 在紫外線作用下，生成維生素D3前體，再異構(gòu)化成維生素。維生素D3在皮膚中的合成能力與紫外線強度成正比［2］。除皮膚合成這一途徑外，維生素D3亦可由部分天然食物或化學(xué)合成品轉(zhuǎn)化而來。維生素D3本身不具備生物活性，其在體內(nèi)的主要活性形式是1，25（OH）2D3［3］。1，25（OH）2D3是維生素D3通過體內(nèi)生化反應(yīng)形成的產(chǎn)物。其中間代謝產(chǎn)物25（OH）D3通常被用來評價體內(nèi)維生素D 水平的高低［4］。

2 維生素D 信號通路關(guān)鍵基因

目前維生素D 代謝及維生素D 信號通路研究較多的是GC、CYP2R1、CYP24A1、CYP27B1、VDR及RXRα基因。本文將綜述上述關(guān)鍵基因的研究進展。

2.1 CYP2R1 基因

CYP2R1基因位于染色體11p15.2 上，長約21 kb，包含9 個外顯子，編碼維生素D 的25-羥化酶，其主要作用是在維生素D3的C-25 位羥化，將維生素D3轉(zhuǎn)化為25（OH）D3。CYP2R1基因主要表達于肝臟，亦有研究表明CYP2R1基因可于人體睪丸中表達，當(dāng)其表達下降時可導(dǎo)致血清25（OH）D3顯著降低及骨密度下降［5］。威斯康星大學(xué)的Hector F.De-Luca 團隊研究證實：CYP2R1基因敲除小鼠的血清中25（OH）D3水平顯著降低，但25（OH）D3的合成并未完全阻斷，這提示還存在其他的基因編碼25-羥化酶［6］。這意味著，當(dāng)CYP2R1基因功能受損時，生物體內(nèi)并不能合成足夠生理需要量的25（OH）D3，CYP2R1基因在維生素D 信號通路中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

Thacher 等［7，8］對尼日利亞12 個家族的CYP2R1基因的啟動子、外顯子和內(nèi)含子-外顯子側(cè)翼區(qū)域進行測序，證實CYP2R1錯譯突變（L99P 與K242N）與維生素D 水平相關(guān)，并通過免疫熒光技術(shù)標記其轉(zhuǎn)錄的蛋白含量證實這兩種突變可導(dǎo)致體內(nèi)25（OH）D3含量明顯下降，且不能通過補充維生素D 改善（純合突變與雜合突變相比P=0.025、對照組相比P=0.008）。由該突變所導(dǎo)致的非典型維生素D 缺乏性佝僂病屬于維生素D 依賴型佝僂病1B 型亞型。一項包括33 996 名歐裔的大樣本全基因組關(guān)聯(lián)分析顯示CYP2R1基因的rs10741657與人體維生素D 缺乏顯著相關(guān)（P=3.3×10-20）［9］。有研究對1 800 余名新疆維吾爾族、哈薩克族居民進行了多階段整群抽樣調(diào)查，采用Logistic 回歸分析發(fā)現(xiàn)CYP2R1基因的單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）rs10766197（G/A）與維吾爾族人群的維生素D 缺乏癥相關(guān)（OR=6.533，P=0.019）［10］。一項來自美國的長達2 年的包括白種人、黑種人、拉丁美裔人和其他人種的732 名肥胖患者參與的多中心臨床研究發(fā)現(xiàn)［11］，CYP2R1rs10741657（GG/GA/AA）在男性和女性、高蛋白和低蛋白飲食組以及高脂和低脂飲食組之間的基因頻率相似，而在不同人種之間則存在差異（P≤0.05），且不同的基因型與空腹血糖水平具有相關(guān)性（P=0.004）。有研究用免疫組化方法對巴塞羅那阿爾諾大學(xué)萊萊達醫(yī)院和圣保羅醫(yī)院留存的217 例子宮內(nèi)膜癌患者的石蠟包埋樣本進行研究發(fā)現(xiàn)，維生素D 可部分通過CYP27A1和CYP2R1增加腫瘤內(nèi)25（OH）D3的產(chǎn)生進而通過自分泌/旁分泌方式增強對VDR 的作用來延緩子宮內(nèi)膜癌的進展，從而增強抗癌作用［12］。

2.2 GC 基因

GC基因位于染色體4q13.3，長約64 kb，包含15 個外顯子，編碼維生素D 結(jié)合蛋白（vitamin D binding protein，VDBP）。VDBP 的主要生理作用是與血清中的維生素D 及維生素D 代謝物結(jié)合并轉(zhuǎn)運至不同靶器官產(chǎn)生相應(yīng)的效應(yīng)。如將維生素D轉(zhuǎn)運至肝臟合成25（OH）D3，將25（OH）D3轉(zhuǎn)運至腎臟進一步合成活性衍生物等。

VDBP 有3 種常見的變異體Gc1f、Gc1s 及Gc2，不同變異體由GC基因第11 外顯子上的兩個SNP確定：rs7041（Gc1f 與Gc1s）和rs4588（Gc1f 與Gc2）［13］。VDBP 不同變異體氨基酸序列的差異導(dǎo)致了其與維生素D 的親和力不同，Gc1f 對維生素D代謝物的親和力最高，Gc2 最低［14］。

全基因組關(guān)聯(lián)研究表明［15］：rs7041 和rs4588 與游離25（OH）D3水平相關(guān)；攜帶rs7041（Gc1s）TT 基因型和rs4588（Gc2）AA 基因型的個體其25（OH）D3血清水平較低［16］。這些SNP 在不同種族人群中占比不同從而導(dǎo)致黑種人和黃種人常表達Gc1f 型VDBP，而白種人則更常表達Gc1s 型VDBP，Gc2 型則在黃種人和歐洲的白種人中更為常見，在黑種人族群中少見［13，17］。體外研究表明［18］：在單核細胞中，與低親和力VDBP（Gc1s 或Gc2）相比，高親和力VDBP（Gc1f）降低了25（OH）D3對基因表達的影響。另有多個研究提示［19-21］：GC 基因的rs7041、rs4588、rs2282679、rs1155563、rs12512631、rs17467 825、rs2298850 和rs3755967 均與25（OH）D3水平相關(guān)。一項來自巴西的大型橫斷面研究表明［17］：rs2282679 的CC 基因型和GC基因的Gc2 亞型與更低的VDBP 和總25（OH）D3水平以及更高的維生素D3缺乏癥風(fēng)險相關(guān)（P值分別為＜0.001、0.01）。這意味著VDBP 變異體可能影響25（OH）D3的生物利用度。丹麥一項包含1 743 名參與者的前瞻性研究表明［22］，rs4588 的GC基因型可能通過影響消化系統(tǒng)中維生素D 的攝入從而影響結(jié)直腸癌的患病風(fēng)險（IRR=0.91，95%CI：0.82-1.01）。筆者認為GC基因可能通過影響維生素D 的攝入能力從而調(diào)節(jié)體內(nèi)維生素D3的水平，進而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。

另外，尚有研究發(fā)現(xiàn)活化的T 細胞表面有VDBP 表達，可以調(diào)控維生素D 通路下游基因的表達，且調(diào)節(jié)性T 細胞和炎癥性T 細胞之間的平衡也受VDBP 的影響［23］。還有學(xué)者通過肺炎小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)VDBP 能夠結(jié)合脂肪酸，并且能作為趨化因子在中性粒細胞的聚集中起重要作用［24］。筆者推測VDBP 調(diào)控炎癥反應(yīng)與其調(diào)控維生素D 通路下游基因的表達可能存在一定的相關(guān)性，這有待進一步驗證。

2.3 CYP27B1 基因

CYP27B1基因位于染色體12q14.1 上，長約4.7 kb，包含9 個外顯子，編碼維生素D 1α-羥化酶。該酶主要存在于腎臟中，其作用主要是將25（OH）D3轉(zhuǎn)化為1，25（OH）2D3而產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。

基于佝僂癥患者的研究發(fā)現(xiàn)，若CYP27B1基因失活或缺失，可引起Ⅰ型維生素D 依賴型佝僂?。╒DDR1），也稱假性維生素D 缺乏性佝僂病［25］。該結(jié)果得到另一類似研究的證實：CYP27B1基因敲除的小鼠出現(xiàn)佝僂病樣表現(xiàn)，且無法檢測出1，25（OH）2D3，并出現(xiàn)繼發(fā)性低鈣及甲狀旁腺功能亢進［26，27］。除在腎臟中表達外，CYP27B1基因還可在皮膚和甲狀旁腺中表達，且受其產(chǎn)物1，25（OH）2D3的負反饋調(diào)節(jié)［28］。亦有報道稱［29］：在正常人群、自身免疫性疾病人群（如克羅恩病、結(jié)節(jié)病等）的巨噬細胞或癌細胞中也發(fā)現(xiàn)了CYP27B1基因的表達，但與在腎臟與甲狀旁腺中不同的是，在巨噬細胞、癌細胞中的CYP27B1基因表達產(chǎn)物并不受血清1，25（OH）D3水平的調(diào)節(jié)，而是受免疫刺激物（如γ-干擾素，脂多糖、白介素15 等）的上調(diào)作用。美國馬薩諸塞州波士頓大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的一項研究表明CYP27B1可將人脂肪細胞中的25（OH）D3轉(zhuǎn)化為1，25（OH）2D3從而抑制了炎癥細胞因子的產(chǎn)生，抑制脂肪燃燒降低肥胖相關(guān)代謝疾病的風(fēng)險［30］。此外，尚有研究在孕婦的胎盤中監(jiān)測到該基因的表達，作者認為可能與免疫功能相關(guān)［31］。

最近的一篇報道提示：CYP27B1基因與結(jié)直腸癌、前列腺癌、乳腺癌、肺癌、胰腺癌、非霍奇金淋巴瘤、口腔扁平苔蘚和多發(fā)性硬化癥等相關(guān)）［32］。其中rs10877012（啟動子C＞A）與原發(fā)性慢性腎上腺皮質(zhì)功能減退癥的患病風(fēng)險相關(guān)（OR=1.53，95%CI：1.07-2.19，P=0.02）。而另一項研究中發(fā)現(xiàn)［33］，rs118204009 可能與多發(fā)性硬化的發(fā)生相關(guān)。這提示CYP27B1基因與機體免疫及代謝功能息息相關(guān)，其具體機制有待進一步研究。

2.4 CYP24A1

CYP24A1基因位于染色體20q13.2 上，長約28 kb，包含13 個外顯子，編碼維生素D24-羥化酶。該酶為維生素D 合成限速酶，屬細胞色素P450 家族成員，主要存在于肝臟、腎臟及包含VDR 的所有細胞中，其主要作用為將25（OH）D3羥基化為24，25（OH）2D3和1，25（OH）2D3［34］，具有維持維生素D 內(nèi)分泌系統(tǒng)正常運行、調(diào)節(jié)機體雌激素及其受體等作用［35］。

動物實驗表明［36］：CYP24A1基因缺失的小鼠有50%在3 周齡前死亡，而存活的小鼠因無法清除體內(nèi)的1，25（OH）2D3可導(dǎo)致膜內(nèi)骨損傷，但當(dāng)CYP24A1和VDR基因共同缺失時，小鼠的骨損傷情況反而減輕。這提示通過VDR 作用的1，25（OH）2D3升高是導(dǎo)致骨缺損的原因。一項來自加拿大的對4 個有特發(fā)性嬰兒高鈣血癥的家族的研究表明［37］：CYP24A1的失活突變可能是特發(fā)性嬰兒高鈣血癥發(fā)生的原因之一，序列分析顯示這些患兒的CYP24A1基因產(chǎn)生了5 種不同的突變［E143del（E143 的框內(nèi)缺失）、E322K、R396W、L409S和R159Q］。所有突變都會影響蛋白質(zhì)的功能。并且除了L409S外，所有突變的表達產(chǎn)物其分解代謝能力均被破壞，只有L409S突變保持了少量的活性。也有其他研究表明［38］：CYP24A1突變在成人中也影響鈣的代謝。這些患者的特點是高鈣血癥、高鈣尿癥和復(fù)發(fā)性腎結(jié)石。因此，當(dāng)患者考慮有與腎結(jié)石相關(guān)的長期高鈣血癥時應(yīng)注意CYP24A1突變的可能，尤其是當(dāng)該患者在補充維生素D 或類似藥物時更應(yīng)注意這一風(fēng)險［39］。

國內(nèi)學(xué)者采用基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜技術(shù)對中國漢族健康人群CYP24A1基因的多態(tài)性進行研究［40］，結(jié)果提示 rs1570669、rs34043203、rs3787557、rs6068816 在中國漢族健康人群中分布頻率較高，且GCTT 單倍型頻率最高。近年來部分研究表明CYP24A1基因多態(tài)性與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展相關(guān)，且與腫瘤的去分化及不良預(yù)后顯著相關(guān)。1 項對女性肺癌的研究發(fā)現(xiàn)［41］：rs6068816 T 等位基因可以降低非吸煙女性在肺腺癌和其他類型的中晚期肺癌的發(fā)病風(fēng)險（OR=0.59，95%CI：0.35-0.99，P=0.048）。此外在油煙暴露的情況下，rs6068816 T 等位基因同樣是一個保護因素，CC 基因型的非吸煙女性患肺癌風(fēng)險是CT基因型和TT 基因型個體的2.32 倍（95% CI：1.31-4.10，P=0.004），同時該研究通過meta 分析得出結(jié)論：rs6068816 TT 基因型與整體腫瘤的低發(fā)病風(fēng)險相關(guān)，rs4809957 AG 基因型與總體癌癥的高發(fā)病風(fēng)險相關(guān)。同時CYP24A1基因也通過維生素D 信號通路在乳腺癌的發(fā)展及預(yù)后中發(fā)揮重要作用，對TCGA 數(shù)據(jù)庫中的1 102 例乳腺癌患者數(shù)據(jù)的研究中發(fā)現(xiàn)［42］：低CYP24A1基因的表達與乳腺癌預(yù)后不良顯著相關(guān)（P＜0.000 1）。最近有研究表明［43］：CYP24A1基因的rs1570669 AG 基因型個體發(fā)生泌尿系統(tǒng)腫瘤的風(fēng)險較GG 基因型低28%（OR=0.72，P=0.016），在顯性模型中，與GG 型相比，AGAA 基因型個體患泌尿系統(tǒng)腫瘤的風(fēng)險明顯降低（OR=0.74，95% CI：0.57-0.94，P=0.015）。除此以為，亦有研究發(fā)現(xiàn)CYP24A1基因與結(jié)直腸癌的發(fā)生相關(guān)。CYP24A1是具有較高敏感性的腸上皮特異性標志物，提示通過檢測CYP24A1的表達有助于鑒別結(jié)腸腫瘤［44］。以上研究提示CYP24A1基因多態(tài)性導(dǎo)致的1，25（OH）2D3體內(nèi)清除率降低可能與某些疾病的發(fā)生機制相關(guān)，有待后繼研究進一步證實。

2.5 VDR 基因與視黃酸X 受體α（retinoid X receptor α，RXRα）基因

在維生素D 信號通路的相關(guān)研究中，VDR和RXRα基因研究得較多，二者關(guān)系也較密切。VDR基因位于染色體12q13.11 上，長約63 kb，包含12 個外顯子。其編碼產(chǎn)物VDR 屬于類固醇受體家族，廣泛分布于全身器官、組織及有核細胞中。RXRα基因位于染色體9q34.2 上，長約114 kb，包含12 個外顯子。其編碼產(chǎn)物為視黃醇X 受體α，可通過與VDR 結(jié)合形成異源二聚體而發(fā)揮作用。

關(guān)于VDR基因的SNP 研究最為多見，VDR基因多態(tài)性在不同人種、民族、地區(qū)中均存在較大的差異，VDR基因不同SNP 可對維生素D 轉(zhuǎn)運和代謝途徑產(chǎn)生影響，且與許多疾病的易感性相關(guān)［45］。在多項使用VDR基因敲除及/或維生素D 缺乏的小鼠實驗中均表明［46-48］：維生素D 及VDR基因在維持胃腸上皮及其屏障功能方面具有重要的調(diào)節(jié)作用。

視黃醇X 受體α 是核受體超家族的配體依賴性轉(zhuǎn)錄因子，由A/B 區(qū)（調(diào)節(jié)N 端結(jié)構(gòu)域或AF-1 結(jié)構(gòu)域），DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域（DBD），鉸鏈區(qū)和配體結(jié)合域（LBD）組成［49］。有學(xué)者利用小角度X 射線散射和氫-氘交換技術(shù)的研究證實了VDR/RXR 復(fù)合物的特性，并且證實了VDR/DBD DNA 和VDR/LBD DNA 之間的協(xié)同作用，表明配體和DNA 可以共同作用微效基因的表達［50，51］。并且RXR 也是一種配體激活的轉(zhuǎn)錄因子，在細胞分化、細胞生長及細胞凋亡中發(fā)揮作用。有兩項研究探索了RXRα基因SNP 與健康人體內(nèi)維生素D 水平的關(guān)系。Matthias Wjst 團隊認為rs3132299 和1，25（OH）2D3以及rs877954 和25（OH）D3水平之間存在顯著關(guān)聯(lián)［52］。而Ahn 等［53］研究表明：RXRα的多態(tài)性與25（OH）D3或1，25（OH）2D3水平?jīng)]有關(guān)聯(lián)。目前RXRα 基因與25（OH）D3的水平是否相關(guān)仍存在爭議，可能與不同的研究人群及其疾病狀態(tài)有關(guān)。

3 總結(jié)與展望

維生素D 信號通路廣泛調(diào)節(jié)著基因的表達，也是維生素D 及其衍生物產(chǎn)生生理效應(yīng)的關(guān)鍵通路。在基因水平上，該通路參與調(diào)控全基因組約5%的基因，可直接影響900 多個基因的功能［54］，在鈣穩(wěn)態(tài)、骨骼內(nèi)效應(yīng)、細胞增殖、分化、氧化應(yīng)激、血管生成、炎癥反應(yīng)、免疫調(diào)節(jié)、抗菌肽的產(chǎn)生及識別等生物學(xué)過程中發(fā)揮著重要作用［54-56］。本文綜述了該通路中6 個關(guān)鍵基因的研究進展及對未來研究的展望，以期更準確、全面了解該通路的生理、病理學(xué)機制，并為進一步研究奠定基礎(chǔ)。

作者貢獻度說明：

劉琨：文獻篩選、綜述寫作等工作；劉軍麟：文章整體把控、文章內(nèi)容審校等。

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。