維生素D代謝物調節鈣代謝的機理及其應用

韓進誠 洪堯彰 曹博宏 鄭永祥*

(1.商丘師范學院生命科學學院，商丘 476000;2.宜蘭大學生物技術研究所，宜蘭 26047;

3.宜蘭大學動物科技系，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生率的攀升，如肉雞脛骨軟骨發育不良(tibial dyscondropalsia，TD)、母豬蹄裂與跛腳、雞蛋破蛋率增加等，會導致嚴重的經濟損失。骨骼異常的原因主要在于骨骼發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過程中最重要的礦物質之一。在畜禽生長方面，鈣主要提供體增重及骨骼發育的需要。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，動物仍可能產生佝僂癥等問題。本文旨在簡要介紹維生素D代謝物調節鈣離子恒定的機理及其在畜禽生產中的應用。

1 維生素D的代謝途徑及生理功能

飼糧中的維生素D3經肝臟25－羥化酶催化生成25－羥基維生素 D3(25－OH D3)，經腎臟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，調節腎臟對鈣、磷的重吸收。研究發現，1，25－(OH)2D3經克洛索(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，體內鈣、磷恒定，甚至免疫系統運作過程中都發揮重要作用。

維生素D對鈣吸收的調節是一種反饋作用。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，則反饋系統中斷，也會導致缺乏癥的發生［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－羥化酶基因轉錄，最終使25－OH D3轉化為 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，動物就會出現相應的缺乏癥，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密度過低，急性型多發生在妊娠動物(如母畜的產后癱瘓)上。過量的維生素D會降低骨骼礦化作用，導致骨細胞壞死、骨鈣化異常、高血鈣，嚴重時可致死。

2 維生素D代謝物調節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移到基底膜;第三，鈣離子逆濃度梯度由細胞基底膜轉運出細胞，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的調控。

維生素D經血液維生素D結合蛋白(vitamin D binding protein，DBP)運送到小腸細胞，與細胞膜表面受體Cubilin和Megalin結合后，維生素D以內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)復合物結合，并作用于目標基因的維生素D反應元件(vitamin D response element，VDRE)，產生鈣結合蛋白(calcium binding protein，Calbindin)。鈣離子經由瞬時受體電位通道蛋白6(transient receptor potential channel type 6，TRPV6)進入細胞內，在細胞內鈣離子與Calbindin結合，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。

維持體內鈣離子恒定及骨骼生長的機理非常復雜，其中主要有3種激素參與調控，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控血液鈣離子濃度。在激素與蛋白調節鈣離子吸收的過程中，維生素D代謝產物的作用至關重要。

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－羥化酶產生量提高，1α－羥化酶作用于 25－OH D3，將其轉化為最佳活性態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)結合，并使破骨細胞活化，將骨基質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)能調控破骨細胞的活化。OPG是一個誘騙受體(decoy receptor)，當OPG由基質細胞的細胞膜分泌出來后，會與蝕骨細胞的前驅細胞上的RANK競爭RANKL，并與之結合，使RANKL無法與RANK結合，進而導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的主要功能是調節血液中鈣離子濃度，增加腸道上皮細胞對鈣離子的吸收，調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成骨細胞CCAAT增強子結合蛋白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鍵。環化腺苷酸(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會結合在C/EBPβ上，使C/EBPβ活性增加，而1，25－(OH)2D3會與 VDR 及 RXR 結合形成復合物，并與VDRE結合轉錄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鈣離子濃度過高導致細胞死亡。Christakos等［6］指出，24－羥化酶有自身的反饋調節模式，如果25－OH D3或1，25－(OH)2D3合成過多，會反過來誘導24－羥化酶基因表達，抑制自身活性，減緩合成速度，故其能在體內維持維生素D的動態平衡。

2.5 TRPV6

TRPV6為吸收腸道鈣離子的重要因子，承擔鈣離子通道功能。Khanal 等［7］發現1，25－(OH)2D3能調節TRPV6 的 活 性。 當1，25－(OH)2D3與小腸細胞膜上快速反應類固醇結合受體(membrane associated，rapid response，steroid－binding receptor，MARRS) 結合后，激活腺苷酸環化酶，再經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，以調節胞內鈣離子濃度［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的主要功能是經主動運輸方式將鈣離子運送到血液。Wasserman等［11］經免疫組織化學法證實，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移，而維生素D代謝系統是調節體內鈣離子平衡的重要因子。1，25－(OH)2D3與 VDR結合后，它會參與對Calbindin的基因表達的調節作用［12］。VDR及其基因mRNA表達量在轉錄時會受到鈣離子［13－14］、1，25－(OH)2D3［15－16］、甲狀旁腺素［17］和腎上腺糖皮質激素［18］濃度的影響及調節。VDR活化時，與目的基因起動子的維生素D反應元件結合，繼而調節目的基因轉錄生成Calbindin［19－20］。

3 維生素D代謝物在畜禽生產中的應用

生產中用到的維生素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生骨鈣不足的現象，添加25－OH D3則會調節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磷轉運蛋白(NaPi－Ⅱb)的基因 mRNA 表達量［27］。

1，25－(OH)2D3也可調節腸道 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］;調節免疫反應，降低火雞骨髓炎的發生幾率［29］。另外，1，25－(OH)2D3具有調節抗菌肽基因表達、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

在規模化、集約化飼養條件下，由于飼養環境關系，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。長期飼養的蛋雞、種雞會出現肝功能受損現象，常見脂肪肝和腎臟癥候群導致肝機能障礙，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，可經腎臟1α－羥化酶轉化為最佳活性形式1，25－(OH)2D3。近年來，國內外學者已經開展1α－OH D3在動物(尤其是家禽)生產中的應用研究。

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