維生素D的生物學作用

尉全平

人們對維生素D的認識開始于歐洲工業革命時期，北歐工業城市兒童佝僂病的出現。1822年Sniadecki認識到日照對于預防和治療佝僂病的重要性。1918年Mellanby等用魚肝油成功的預防了小狗的佝僂病，McCollum等將這新的營養素命名為維生素D。一旦人們能夠利用酵母大量合成維生素D，便將其添加入牛奶中發揮抗佝僂病作用。后來人們發現來源于酵母的維生素D和魚肝油的抗佝僂病效果是不一樣的。隨著對維生素D結構的不斷認識，人們將來源于酵母的維生素D稱作維生素D2，將豬或人皮膚含有的維生素D稱作維生素D3［1］。近年來人們認識到維生素D不但可以調節鈣磷代謝，而且具有抗腫瘤、免疫調節、調控腎素血管緊張素系統等多種生物學作用，與腫瘤、自身免疫性疾病、感染性疾病、心血管疾病等密切相關。本文著重對維生素D的生物學作用作一概述。

1 生命進化過程中的維生素D

維生素D是世界上最古老的激素之一。在西印度群島東北的馬尾藻海有一種叫Emilianii huxleyi的浮游植物，存在了至少7．5億年。這種浮游植物體內可產生大量的麥角固醇(前維生素D2)，當受到陽光照射，麥角固醇可轉變為前維生素D2，后者隨即迅速轉變為維生素D2［2］。據推測，存在于這些浮游植物或浮游動物體內的前維生素D至少有三方面的作用:(1)由于前維生素D、維生素D與DNA、RNA、蛋白質的紫外線吸收光譜是重疊的，故可作為生物體的天然“防曬霜”，保護生物體內DNA、RNA及蛋白質這些對紫外線敏感的生物大分子免受太陽紫外線的破壞;(2)每次前維生素D轉變為它的光產物，生物體把其當做自身接受紫外線數量的一個光化學信號;(3)前維生素D存在于質膜的脂質雙分子層中，在轉變為維生素D的過程中，其結構中的B環打開，使質膜的結構及通透性發生改變，增加鈣等陽離子的內流［3］。

鈣在生物體內具有重要作用，如信號傳導、構成生物體骨骼等，海洋中豐富的鈣為海洋生物提供了充足的鈣源。通過漫長的的進化，脊柱動物由海洋遷徙至陸地，需要有效的方法利用植物中的鈣以適應陸地的低鈣環境，故逐漸發展了一套內分泌系統來提高腸鈣吸收的效率，維生素D在這套系統中起著非常重要的作用［2，4］。現在，兩棲動物、爬行動物、所有鳥類、大多數哺乳動物依靠日光照射來獲取維生素D［2］。

2 維生素D的經典生物學作用

人體內維生素D經過2次羥化轉變為1，25(OH)2D3，后者是維生素D的主要生物活性形式，通過作用于小腸、骨、腎、甲狀旁腺這些靶器官來發揮調節鈣磷代謝、維持骨健康的生物學作用:(1)1，25(OH)2D3與它的核受體，即存在于小腸細胞內的維生素D受體(vitamin D receptor，VDR)相互作用，并且1，25(OH)2D3-VDR與細胞核內的維甲酸X受體(retinoic acid X receptor，RXR)組成復合體，然后 1，25(OH)2D3-VDR-RXR 復合體與基因啟動子中的維生素D反應原件(vitamin D response element，VDRE)結合，促進上皮細胞鈣通道的表達，使更多的鈣進入細胞內。進入細胞內的鈣通過依賴維生素D的鈣結合蛋白(calcium-binding protein，calbindin)等轉運入血循環［1］。1，25(OH)2D3通過促進Na-Pi協同轉運及腸上皮細胞對磷的攝取來增加磷的吸收［5］。(2)當膳食鈣不足時，1，25(OH)2D3與成骨細胞內的VDR發生作用，誘導細胞膜蛋白細胞核因子-κB受體活化因子配體(receptor activator of NF-κB ligand，RANKL)的表達，RANKL與前破骨細胞膜上的細胞核因子-κB受體活化因子(receptor activator of NF-κB，RANK)連接，誘導前破骨細胞分化為成熟的破骨細胞。成熟的破骨細胞釋放鹽酸及膠原酶溶解骨釋放鈣和磷入血循環［1］。另一方面1，25(OH)2D3刺激成骨細胞促進骨樣組織成熟和鈣鹽沉積。(3)1，25(OH)2D3可促進腎重吸收鈣及鈣結合蛋白的表達，也增加遠端腎小管PTH依賴的鈣轉運。1，25(OH)2D3通過調控腎小管上皮細胞鈣通道的表達來促進鈣的重吸收［5］。(4)1，25(OH)2D3抑制甲狀旁腺的增生和PTH的合成［6］。因此，維生素D可以調節血鈣磷水平在正常的生理范圍內，以維持神經肌肉興奮性傳導、骨礦化等代謝功能。

3 維生素D的非經典生物學作用

1，25(OH)2D3主要通過作用于細胞的VDR發揮其生物學作用。研究發現VDR不但存在于小腸、骨、腎、甲狀旁腺這些與鈣磷代謝有關的組織，也存在于幾乎人體所有的組織和細胞，包括腦、結腸、乳腺、前列腺、胰腺、心臟、皮膚、骨骼肌、單核細胞、活化的T及B淋巴細胞［1］，VDR在眾多不參與鈣磷代謝組織的發現為探索維生素D非經典生物學作用提供了線索。同樣，腎臟不是合成1，25(OH)2D3的唯一器官，研究證實:結腸、前列腺、乳腺、腦等細胞，以及β-胰島細胞、血管平滑肌細胞、巨噬細胞等都可以表達25-羥維生素D-1α-羥化酶，因此可以將25(OH)D3轉變為1，25(OH)2D3。一些惡性腫瘤細胞如人前列腺癌細胞系DU145和PC-3也表達1α-羥化酶［6］。1，25(OH)2D3在腎外組織的局部合成與其調控細胞增殖與分化、調節免疫等生物學作用有關。1，25(OH)2D3的局部合成依賴于前體的血循環水平，有助于解釋維生素D缺乏與腫瘤、自身免疫性疾病關系密切的原因。

3．1 維生素D與腫瘤 大量的流行病學資料證實生活在高緯度地區有維生素D缺乏傾向會增加發生結腸、前列腺、乳腺、卵巢、食道及其它組織腫瘤的幾率。一些研究提示將25(OH)D水平維持在20 ng/ml以上會使結腸、前列腺、乳腺、卵巢癌的發生率降低30% ～50%［1］。Tangpricha等［7］曾將鼠結腸腫瘤種植于實驗鼠皮下，同接受充足維生素D補充的老鼠相比，處于維生素D缺乏狀態的老鼠腫瘤的侵襲性生長程度更重。1982年Tanaka等觀察到惡性腫瘤細胞有VDR，1，25(OH)2D3可顯著抑制腫瘤細胞增殖并誘導成熟。眾多調節細胞增殖和分化的基因中，有的啟動區域有維生素D反應元件，因此被定義為1，25(OH)2D3的靶基因，有的基因則直接受1，25(OH)2D3影響，這些基因包括P21、P27，以及其它與細胞分化、凋亡、血管生成有關的基因［6］。1，25(OH)2D3可以將腫瘤細胞阻滯于G0/G1期，從而調節細胞的增殖和分化，機制為:①1，25(OH)2D3可誘導周期素依賴性激酶抑制因子p21的轉錄，后者能夠抑制單核-巨噬細胞系的生長，促進其分化。(2)1，25(OH)2D3能夠促進周期素依賴性激酶抑制因子p27的合成及穩定。(3)在TGF-α/EGFR過度表達的腫瘤，1，25(OH)2D3誘導EGFR被隔絕于細胞核內體，從而抑制EGFR生長信號的傳達以及對細胞周期素 D1基因的激活。(4)在單核細胞系HL60及成骨細胞，1，25(OH)2D3誘導C/EBPβ的表達，后者能夠明顯的抑制致癌性細胞周期素 D1信號［5］。此外，1，25(OH)2D3能夠使胰島素樣生長因子結合蛋白(IGFBP)的表達上調，從而抑制胰島素樣生長因子(IGF)的活性，阻斷IGF-1的有絲分裂作用，誘導腫瘤細胞凋亡［8］。

有實驗觀察到:25(OH)D3對表達1-α羥化酶的細胞顯示抗增殖作用，而對敲掉1-α羥化酶基因的角化細胞則不表現抗增殖作用，故1，25(OH)2D3抗細胞增殖的作用可能和自分泌有關［5］。

3．2 維生素D與免疫

3．2．1 維生素D對免疫系統的調節:1，25(OH)2D3通過調節免疫細胞的增殖、分化及細胞因子的分泌來發揮其免疫調節作用。樹突細胞(dendritic cells，DCs)對于啟動T淋巴細胞介導的免疫反應必不可少，1，25(OH)2D3能夠阻礙單核細胞向DCs的分化，抑制幼稚DCs分化為成熟DCs，導致DCs下調主要組織相容性復合體(MHC)Ⅱ類分子和共刺激分子CD40的表達，減少DCs分泌IL-12和增加IL-10的產生，從而誘導出具有致耐受性表型及功能的DCs［9］，因而不能激活T淋巴細胞。即使在去除了1，25(OH)2D3后，DCs仍然保持未成熟的表型。靜止的T、B淋巴細胞沒有VDR，被激活后，則表達VDR。1，25(OH)2D3可減少Th1細胞的增生，抑制其分泌IFN-γ、IL-2和IL-5;對于Th2則能明顯促進其增殖，并且可直接刺激其分泌IL-4、IL-5和 IL-10，使以Th1為主的免疫排斥反應向以耐受為主的Th2類細胞免疫反應偏移［8］。未活化的單核細胞具有VDR，1，25(OH)2D3可促使單核細胞向巨噬細胞轉化，而且加強單核/巨噬細胞的免疫功能，巨噬細胞本身還具有合成1，25(OH)2D3的能力［10］。1，25(OH)2D3調控 IL-2、TGF-B1 等多種細胞因子的表達和合成，促進活化的B淋巴細胞合成免疫球蛋白［6］。

3．2．2 維生素D與自身免疫性疾病:資料表明:居住在高緯度地區與多發性硬化、風濕性關節炎、克羅恩病、1型糖尿病等自身免疫性疾病的發病有關［6］。Hypponen等［11］觀察到兒童從1歲起每天補充2 000 U維生素D可將1型糖尿病的發病率降低80%。系統性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus，SLE)的發病機制中 DCs數量及功能的異常具有重要意義。1，25(OH)2D3能夠抑制SLE的DCs成熟，使其不能激活T細胞，抑制自身免疫反應的進行，阻礙SLE病情的進展。1型糖尿病是由T細胞介導的胰島β細胞選擇性破壞的自身免疫性疾病，其發病機制與免疫耐受的破壞及Th1/Th2功能失調有密切關系。1，25(OH)2D3促進CD+4T細胞亞群由Th1向Th2的轉化，增加胰腺淋巴結中CD+4CD+25調節性T細胞的數量，并且促進外周T淋巴細胞凋亡，從而起到保護胰島β細胞的作用［12］。炎癥性腸病、類風濕關節炎的發病也與Th1/Th2功能失調有關。實驗性自身免疫性腦脊髓炎小鼠是人類多發性硬化癥的模型，1，25(OH)2D3通過調節免疫細胞及細胞因子對其有預防作用［13］。

3．2．3 維生素D與感染性疾病:人們很早就意識到佝僂病患兒容易患感染性疾病和死于肺炎。而結核病與維生素D缺乏關系密切。普通感冒、流感、呼吸道合胞病毒感染、猩紅熱、腦膜炎等感染性疾病在冬季達到高峰，那時人體維生素D水平最低［14］。巨噬細胞感染結核桿菌后可上調1-α羥化酶及VDR的表達，局部產生的1，25(OH)2D3導致抗菌肽的合成，抗菌肽可殺死巨噬細胞內結核桿菌等病原體［15］。1，25(OH)2D3通過誘導p21及C/EBPβ來增強單核-巨噬細胞的免疫功能。誘導p21可促使單核細胞分化為成熟的巨噬細胞［16］，轉錄因子C/EBPβ對于巨噬細胞抗細菌、抗病毒的功能及合成IL-12至關重要［17］。1，25(OH)2D3缺乏可以導致外周血T淋巴細胞總數及T輔助細胞百分比明顯下降，進而使CD4/CD8比值下降，導致細胞免疫功能降低。同時也使B細胞分化及成熟發生障礙，引起低免疫球蛋白血癥［10］。

3．3 維生素D與高血壓 研究顯示隨緯度增高，高血壓發病率增加，緯度越高，居民的平均血壓也越高。Krause等［18］報道:高血壓患者接受紫外線照射3個月可使血25(OH)D濃度上升180%，同時使舒張壓及收縮壓降低6 mm Hg(1 mm Hg=0．133 kPa)，達到了降壓藥的預期效果。腎素-血管緊張素系統(renin-angiotensin system，RAS)對血壓及水電解質調節具有重要作用，RAS激活是高血壓發病的主要機制之一。維生素D可以抑制腎素基因轉錄，對RAS有負性調節作用。其機制為1，25(OH)2D3和受體復合物與轉錄因子CREB結合后抑制腎素基因轉錄［19］。VDR基因敲掉小鼠可觀察到高腎素、血管緊張素Ⅱ水平及由此導致的高血壓、心臟肥大［14］。此外維生素D還可以通過抑制NF-κB信號途徑來減少腎臟血管緊張素原的表達［19］。胰島素抵抗是高血壓發病機制之一，維生素D可能通過減輕胰島素抵抗而影響血壓。

血管平滑肌細胞及內皮細胞均表達維生素D受體。在自發性高血壓大鼠，1，25(OH)2D3可通過增加細胞內游離鈣的濃度而減弱內皮依賴的主動脈收縮［20］。

3．4 維生素D與神經系統 維生素D與記憶力、邏輯分析、身體平衡、情緒等神經系統的功能呈正性關系，血25(OH)D水平降低和多種神經精神性疾病，如抑郁癥、帕金森綜合癥、自閉癥等有密切聯系。神經細胞及膠質細胞中均含有豐富的VDR，也含有1-α羥化酶，可直接將25(OH)D轉變為有活性的1，25(OH)2D3

［21］。1，25(OH)2D3在神經系統的作用包括誘導VDR在中樞及周圍神經系統的表達［22］、影響運動神經元興奮性傳導速度、調節神經生長因子等神經營養因子的合成［23，24］。1，25(OH)2D3對有序的腦發育過程有重要影響［25］。在鼠胚胎發育的15～23 d，可觀察到胚胎大腦中VDR穩定的增長，1，25(OH)2D3可誘導神經生長因子的表達、刺激胚胎大腦海馬區神經突的生長［26］。鼠胚胎的低維生素D水平可導致腦體積增大、大腦外形改變、腦室增大，以及初生小鼠神經生長因子表達的減少。

此外，維生素D可增加胰島素敏感性，在2型糖尿病的發病機制中起重要作用。維生素D與哮喘關系密切，維生素D水平降低與變態反應及哮喘嚴重性標志物增高存在相關性。妊娠期間的維生素D缺乏與子癇前期、胰島素抵抗和妊娠期糖尿病相關。維生素D對腎臟也有保護作用。

綜上所述，無論在低等生命體還是在高等生物，維生素D都發揮著重要的生物學作用，在人類很多疾病的發病機制中也能找到維生素D的蹤跡。隨著研究的進展，人們對維生素D的生物學作用將會有更深入的認識，維生素D及其類似物也將為臨床疾病的治療提供新的思路。

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