维生素D的生物学作用

尉全平

人们对维生素D的认识开始于欧洲工业革命时期，北欧工业城市儿童佝偻病的出现。1822年Sniadecki认识到日照对于预防和治疗佝偻病的重要性。1918年Mellanby等用鱼肝油成功的预防了小狗的佝偻病，McCollum等将这新的营养素命名为维生素D。一旦人们能够利用酵母大量合成维生素D，便将其添加入牛奶中发挥抗佝偻病作用。后来人们发现来源于酵母的维生素D和鱼肝油的抗佝偻病效果是不一样的。随着对维生素D结构的不断认识，人们将来源于酵母的维生素D称作维生素D2，将猪或人皮肤含有的维生素D称作维生素D3［1］。近年来人们认识到维生素D不但可以调节钙磷代谢，而且具有抗肿瘤、免疫调节、调控肾素血管紧张素系统等多种生物学作用，与肿瘤、自身免疫性疾病、感染性疾病、心血管疾病等密切相关。本文着重对维生素D的生物学作用作一概述。

1 生命进化过程中的维生素D

维生素D是世界上最古老的激素之一。在西印度群岛东北的马尾藻海有一种叫Emilianii huxleyi的浮游植物，存在了至少7．5亿年。这种浮游植物体内可产生大量的麦角固醇(前维生素D2)，当受到阳光照射，麦角固醇可转变为前维生素D2，后者随即迅速转变为维生素D2［2］。据推测，存在于这些浮游植物或浮游动物体内的前维生素D至少有三方面的作用:(1)由于前维生素D、维生素D与DNA、RNA、蛋白质的紫外线吸收光谱是重叠的，故可作为生物体的天然“防晒霜”，保护生物体内DNA、RNA及蛋白质这些对紫外线敏感的生物大分子免受太阳紫外线的破坏;(2)每次前维生素D转变为它的光产物，生物体把其当做自身接受紫外线数量的一个光化学信号;(3)前维生素D存在于质膜的脂质双分子层中，在转变为维生素D的过程中，其结构中的B环打开，使质膜的结构及通透性发生改变，增加钙等阳离子的内流［3］。

钙在生物体内具有重要作用，如信号传导、构成生物体骨骼等，海洋中丰富的钙为海洋生物提供了充足的钙源。通过漫长的的进化，脊柱动物由海洋迁徙至陆地，需要有效的方法利用植物中的钙以适应陆地的低钙环境，故逐渐发展了一套内分泌系统来提高肠钙吸收的效率，维生素D在这套系统中起着非常重要的作用［2，4］。现在，两栖动物、爬行动物、所有鸟类、大多数哺乳动物依靠日光照射来获取维生素D［2］。

2 维生素D的经典生物学作用

人体内维生素D经过2次羟化转变为1，25(OH)2D3，后者是维生素D的主要生物活性形式，通过作用于小肠、骨、肾、甲状旁腺这些靶器官来发挥调节钙磷代谢、维持骨健康的生物学作用:(1)1，25(OH)2D3与它的核受体，即存在于小肠细胞内的维生素D受体(vitamin D receptor，VDR)相互作用，并且1，25(OH)2D3-VDR与细胞核内的维甲酸X受体(retinoic acid X receptor，RXR)组成复合体，然后 1，25(OH)2D3-VDR-RXR 复合体与基因启动子中的维生素D反应原件(vitamin D response element，VDRE)结合，促进上皮细胞钙通道的表达，使更多的钙进入细胞内。进入细胞内的钙通过依赖维生素D的钙结合蛋白(calcium-binding protein，calbindin)等转运入血循环［1］。1，25(OH)2D3通过促进Na-Pi协同转运及肠上皮细胞对磷的摄取来增加磷的吸收［5］。(2)当膳食钙不足时，1，25(OH)2D3与成骨细胞内的VDR发生作用，诱导细胞膜蛋白细胞核因子-κB受体活化因子配体(receptor activator of NF-κB ligand，RANKL)的表达，RANKL与前破骨细胞膜上的细胞核因子-κB受体活化因子(receptor activator of NF-κB，RANK)连接，诱导前破骨细胞分化为成熟的破骨细胞。成熟的破骨细胞释放盐酸及胶原酶溶解骨释放钙和磷入血循环［1］。另一方面1，25(OH)2D3刺激成骨细胞促进骨样组织成熟和钙盐沉积。(3)1，25(OH)2D3可促进肾重吸收钙及钙结合蛋白的表达，也增加远端肾小管PTH依赖的钙转运。1，25(OH)2D3通过调控肾小管上皮细胞钙通道的表达来促进钙的重吸收［5］。(4)1，25(OH)2D3抑制甲状旁腺的增生和PTH的合成［6］。因此，维生素D可以调节血钙磷水平在正常的生理范围内，以维持神经肌肉兴奋性传导、骨矿化等代谢功能。

3 维生素D的非经典生物学作用

1，25(OH)2D3主要通过作用于细胞的VDR发挥其生物学作用。研究发现VDR不但存在于小肠、骨、肾、甲状旁腺这些与钙磷代谢有关的组织，也存在于几乎人体所有的组织和细胞，包括脑、结肠、乳腺、前列腺、胰腺、心脏、皮肤、骨骼肌、单核细胞、活化的T及B淋巴细胞［1］，VDR在众多不参与钙磷代谢组织的发现为探索维生素D非经典生物学作用提供了线索。同样，肾脏不是合成1，25(OH)2D3的唯一器官，研究证实:结肠、前列腺、乳腺、脑等细胞，以及β-胰岛细胞、血管平滑肌细胞、巨噬细胞等都可以表达25-羟维生素D-1α-羟化酶，因此可以将25(OH)D3转变为1，25(OH)2D3。一些恶性肿瘤细胞如人前列腺癌细胞系DU145和PC-3也表达1α-羟化酶［6］。1，25(OH)2D3在肾外组织的局部合成与其调控细胞增殖与分化、调节免疫等生物学作用有关。1，25(OH)2D3的局部合成依赖于前体的血循环水平，有助于解释维生素D缺乏与肿瘤、自身免疫性疾病关系密切的原因。

3．1 维生素D与肿瘤 大量的流行病学资料证实生活在高纬度地区有维生素D缺乏倾向会增加发生结肠、前列腺、乳腺、卵巢、食道及其它组织肿瘤的几率。一些研究提示将25(OH)D水平维持在20 ng/ml以上会使结肠、前列腺、乳腺、卵巢癌的发生率降低30% ～50%［1］。Tangpricha等［7］曾将鼠结肠肿瘤种植于实验鼠皮下，同接受充足维生素D补充的老鼠相比，处于维生素D缺乏状态的老鼠肿瘤的侵袭性生长程度更重。1982年Tanaka等观察到恶性肿瘤细胞有VDR，1，25(OH)2D3可显著抑制肿瘤细胞增殖并诱导成熟。众多调节细胞增殖和分化的基因中，有的启动区域有维生素D反应元件，因此被定义为1，25(OH)2D3的靶基因，有的基因则直接受1，25(OH)2D3影响，这些基因包括P21、P27，以及其它与细胞分化、凋亡、血管生成有关的基因［6］。1，25(OH)2D3可以将肿瘤细胞阻滞于G0/G1期，从而调节细胞的增殖和分化，机制为:①1，25(OH)2D3可诱导周期素依赖性激酶抑制因子p21的转录，后者能够抑制单核-巨噬细胞系的生长，促进其分化。(2)1，25(OH)2D3能够促进周期素依赖性激酶抑制因子p27的合成及稳定。(3)在TGF-α/EGFR过度表达的肿瘤，1，25(OH)2D3诱导EGFR被隔绝于细胞核内体，从而抑制EGFR生长信号的传达以及对细胞周期素 D1基因的激活。(4)在单核细胞系HL60及成骨细胞，1，25(OH)2D3诱导C/EBPβ的表达，后者能够明显的抑制致癌性细胞周期素 D1信号［5］。此外，1，25(OH)2D3能够使胰岛素样生长因子结合蛋白(IGFBP)的表达上调，从而抑制胰岛素样生长因子(IGF)的活性，阻断IGF-1的有丝分裂作用，诱导肿瘤细胞凋亡［8］。

有实验观察到:25(OH)D3对表达1-α羟化酶的细胞显示抗增殖作用，而对敲掉1-α羟化酶基因的角化细胞则不表现抗增殖作用，故1，25(OH)2D3抗细胞增殖的作用可能和自分泌有关［5］。

3．2 维生素D与免疫

3．2．1 维生素D对免疫系统的调节:1，25(OH)2D3通过调节免疫细胞的增殖、分化及细胞因子的分泌来发挥其免疫调节作用。树突细胞(dendritic cells，DCs)对于启动T淋巴细胞介导的免疫反应必不可少，1，25(OH)2D3能够阻碍单核细胞向DCs的分化，抑制幼稚DCs分化为成熟DCs，导致DCs下调主要组织相容性复合体(MHC)Ⅱ类分子和共刺激分子CD40的表达，减少DCs分泌IL-12和增加IL-10的产生，从而诱导出具有致耐受性表型及功能的DCs［9］，因而不能激活T淋巴细胞。即使在去除了1，25(OH)2D3后，DCs仍然保持未成熟的表型。静止的T、B淋巴细胞没有VDR，被激活后，则表达VDR。1，25(OH)2D3可减少Th1细胞的增生，抑制其分泌IFN-γ、IL-2和IL-5;对于Th2则能明显促进其增殖，并且可直接刺激其分泌IL-4、IL-5和 IL-10，使以Th1为主的免疫排斥反应向以耐受为主的Th2类细胞免疫反应偏移［8］。未活化的单核细胞具有VDR，1，25(OH)2D3可促使单核细胞向巨噬细胞转化，而且加强单核/巨噬细胞的免疫功能，巨噬细胞本身还具有合成1，25(OH)2D3的能力［10］。1，25(OH)2D3调控 IL-2、TGF-B1 等多种细胞因子的表达和合成，促进活化的B淋巴细胞合成免疫球蛋白［6］。

3．2．2 维生素D与自身免疫性疾病:资料表明:居住在高纬度地区与多发性硬化、风湿性关节炎、克罗恩病、1型糖尿病等自身免疫性疾病的发病有关［6］。Hypponen等［11］观察到儿童从1岁起每天补充2 000 U维生素D可将1型糖尿病的发病率降低80%。系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus，SLE)的发病机制中 DCs数量及功能的异常具有重要意义。1，25(OH)2D3能够抑制SLE的DCs成熟，使其不能激活T细胞，抑制自身免疫反应的进行，阻碍SLE病情的进展。1型糖尿病是由T细胞介导的胰岛β细胞选择性破坏的自身免疫性疾病，其发病机制与免疫耐受的破坏及Th1/Th2功能失调有密切关系。1，25(OH)2D3促进CD+4T细胞亚群由Th1向Th2的转化，增加胰腺淋巴结中CD+4CD+25调节性T细胞的数量，并且促进外周T淋巴细胞凋亡，从而起到保护胰岛β细胞的作用［12］。炎症性肠病、类风湿关节炎的发病也与Th1/Th2功能失调有关。实验性自身免疫性脑脊髓炎小鼠是人类多发性硬化症的模型，1，25(OH)2D3通过调节免疫细胞及细胞因子对其有预防作用［13］。

3．2．3 维生素D与感染性疾病:人们很早就意识到佝偻病患儿容易患感染性疾病和死于肺炎。而结核病与维生素D缺乏关系密切。普通感冒、流感、呼吸道合胞病毒感染、猩红热、脑膜炎等感染性疾病在冬季达到高峰，那时人体维生素D水平最低［14］。巨噬细胞感染结核杆菌后可上调1-α羟化酶及VDR的表达，局部产生的1，25(OH)2D3导致抗菌肽的合成，抗菌肽可杀死巨噬细胞内结核杆菌等病原体［15］。1，25(OH)2D3通过诱导p21及C/EBPβ来增强单核-巨噬细胞的免疫功能。诱导p21可促使单核细胞分化为成熟的巨噬细胞［16］，转录因子C/EBPβ对于巨噬细胞抗细菌、抗病毒的功能及合成IL-12至关重要［17］。1，25(OH)2D3缺乏可以导致外周血T淋巴细胞总数及T辅助细胞百分比明显下降，进而使CD4/CD8比值下降，导致细胞免疫功能降低。同时也使B细胞分化及成熟发生障碍，引起低免疫球蛋白血症［10］。

3．3 维生素D与高血压 研究显示随纬度增高，高血压发病率增加，纬度越高，居民的平均血压也越高。Krause等［18］报道:高血压患者接受紫外线照射3个月可使血25(OH)D浓度上升180%，同时使舒张压及收缩压降低6 mm Hg(1 mm Hg=0．133 kPa)，达到了降压药的预期效果。肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensin system，RAS)对血压及水电解质调节具有重要作用，RAS激活是高血压发病的主要机制之一。维生素D可以抑制肾素基因转录，对RAS有负性调节作用。其机制为1，25(OH)2D3和受体复合物与转录因子CREB结合后抑制肾素基因转录［19］。VDR基因敲掉小鼠可观察到高肾素、血管紧张素Ⅱ水平及由此导致的高血压、心脏肥大［14］。此外维生素D还可以通过抑制NF-κB信号途径来减少肾脏血管紧张素原的表达［19］。胰岛素抵抗是高血压发病机制之一，维生素D可能通过减轻胰岛素抵抗而影响血压。

血管平滑肌细胞及内皮细胞均表达维生素D受体。在自发性高血压大鼠，1，25(OH)2D3可通过增加细胞内游离钙的浓度而减弱内皮依赖的主动脉收缩［20］。

3．4 维生素D与神经系统 维生素D与记忆力、逻辑分析、身体平衡、情绪等神经系统的功能呈正性关系，血25(OH)D水平降低和多种神经精神性疾病，如抑郁症、帕金森综合症、自闭症等有密切联系。神经细胞及胶质细胞中均含有丰富的VDR，也含有1-α羟化酶，可直接将25(OH)D转变为有活性的1，25(OH)2D3

［21］。1，25(OH)2D3在神经系统的作用包括诱导VDR在中枢及周围神经系统的表达［22］、影响运动神经元兴奋性传导速度、调节神经生长因子等神经营养因子的合成［23，24］。1，25(OH)2D3对有序的脑发育过程有重要影响［25］。在鼠胚胎发育的15～23 d，可观察到胚胎大脑中VDR稳定的增长，1，25(OH)2D3可诱导神经生长因子的表达、刺激胚胎大脑海马区神经突的生长［26］。鼠胚胎的低维生素D水平可导致脑体积增大、大脑外形改变、脑室增大，以及初生小鼠神经生长因子表达的减少。

此外，维生素D可增加胰岛素敏感性，在2型糖尿病的发病机制中起重要作用。维生素D与哮喘关系密切，维生素D水平降低与变态反应及哮喘严重性标志物增高存在相关性。妊娠期间的维生素D缺乏与子痫前期、胰岛素抵抗和妊娠期糖尿病相关。维生素D对肾脏也有保护作用。

综上所述，无论在低等生命体还是在高等生物，维生素D都发挥着重要的生物学作用，在人类很多疾病的发病机制中也能找到维生素D的踪迹。随着研究的进展，人们对维生素D的生物学作用将会有更深入的认识，维生素D及其类似物也将为临床疾病的治疗提供新的思路。

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