维生素D代谢物调节钙代谢的机理及其应用

韩进诚 洪尧彰 曹博宏 郑永祥*

(1.商丘师范学院生命科学学院，商丘 476000;2.宜兰大学生物技术研究所，宜兰 26047;

3.宜兰大学动物科技系，宜兰 26047)

随着动物品种的改良，动物生长性能显著提高，但同时伴随骨骼异常发生率的攀升，如肉鸡胫骨软骨发育不良(tibial dyscondropalsia，TD)、母猪蹄裂与跛脚、鸡蛋破蛋率增加等，会导致严重的经济损失。骨骼异常的原因主要在于骨骼发育无法跟上动物体重与遗传改进的速度。钙是禽畜生长和生产过程中最重要的矿物质之一。在畜禽生长方面，钙主要提供体增重及骨骼发育的需要。维生素D的主要作用是影响肠道钙、磷吸收，同时在骨中将有机钙转换为无机钙。当维生素D缺乏时，肠道对钙和磷的吸收减少，此时即使饲粮中含有充分的钙、磷，动物仍可能产生佝偻症等问题。本文旨在简要介绍维生素D代谢物调节钙离子恒定的机理及其在畜禽生产中的应用。

1 维生素D的代谢途径及生理功能

饲粮中的维生素D3经肝脏25－羟化酶催化生成25－羟基维生素 D3(25－OH D3)，经肾脏1α－羟化酶作用生成其活性形式1，25－二羟基维生素 D3［1，25－(OH)2D3］。1，25－(OH)2D3可促进小肠对钙、磷的吸收，维持钙、磷正常代谢及骨骼矿化，调节肾脏对钙、磷的重吸收。研究发现，1，25－(OH)2D3经克洛索(Klotho)活化瞬时受体电位通道蛋白5(transient receptor potential channel type 5，TRPV5)，增 加 钙 离 子 吸 收［1］。 因 此，25－OH D3在动物骨骼矿物化形成，体内钙、磷恒定，甚至免疫系统运作过程中都发挥重要作用。

维生素D对钙吸收的调节是一种反馈作用。当血钙浓度过低时，肾脏分泌1α－羟化酶使25－OH D3转化为 1，25－(OH)2D3的量增加，促进钙吸收;当血钙浓度达到平衡后，1，25－(OH)2D3生成量随即减少;如果维生素D不足或缺乏，则反馈系统中断，也会导致缺乏症的发生［2］。血钙浓度过高时，1，25－(OH)2D3会与 1α － 羟化酶基因作用，抑制1α－羟化酶基因转录，最终使25－OH D3转化为 1，25－(OH)2D3的量减少［3］，从而降低钙离子吸收，维持血钙平衡。

如果饲粮中维生素D不足或缺乏，动物就会出现相应的缺乏症，主要包括软骨病和骨松症。软骨病的典型症状有血中钙、磷浓度过低，软骨钙化不正常。骨松症最大特征是骨质密度过低，急性型多发生在妊娠动物(如母畜的产后瘫痪)上。过量的维生素D会降低骨骼矿化作用，导致骨细胞坏死、骨钙化异常、高血钙，严重时可致死。

2 维生素D代谢物调节钙离子吸收的分子机理

钙离子吸收方式主要有2种:第1种为具有饱和性的跨细胞方式运输，第2种为非饱和性的旁细胞通路运输。第1种跨细胞方式包括3个步骤:第一，肠腔钙离子顺浓度梯度经扩散方式进入肠道上皮细胞;第二，钙离子由细胞刷状缘膜顶膜转移到基底膜;第三，钙离子逆浓度梯度由细胞基底膜转运出细胞，进入血液。肠道钙离子吸收以跨细胞方式为主，受到维生素D的调控。

维生素D经血液维生素D结合蛋白(vitamin D binding protein，DBP)运送到小肠细胞，与细胞膜表面受体Cubilin和Megalin结合后，维生素D以内吞作用方式进入细胞，然后进入细胞核，与视黄醇类X受体(retinoid X receptor，RXR)、维生素D 受体(vitamin D receptor，VDR)复合物结合，并作用于目标基因的维生素D反应元件(vitamin D response element，VDRE)，产生钙结合蛋白(calcium binding protein，Calbindin)。钙离子经由瞬时受体电位通道蛋白6(transient receptor potential channel type 6，TRPV6)进入细胞内，在细胞内钙离子与Calbindin结合，被运送至基底膜，再通过细胞膜钙三磷酸腺苷酶(plasma membrane calcium ATPase，PMCA)将钙离子运送出小肠上皮细胞。

维持体内钙离子恒定及骨骼生长的机理非常复杂，其中主要有3种激素参与调控，分别为甲状旁腺素(parathyroid hormone，PTH)、降钙素(calcitonin)和 1，25－(OH)2D3。肠道吸收钙离子的 2 个重要蛋白为TRPV6和Calbindin，这些激素及蛋白相互作用调控血液钙离子浓度。在激素与蛋白调节钙离子吸收的过程中，维生素D代谢产物的作用至关重要。

2.1 甲状旁腺素

血清中钙离子浓度过低时，甲状旁腺素分泌增加，肾脏1α－羟化酶产生量提高，1α－羟化酶作用于 25－OH D3，将其转化为最佳活性态1，25－(OH)2D3，后者可使钙离子吸收增加;同时肾脏近曲小管和集尿管L型钙离子通道打开，促进钙离子重吸收。骨骼中甲状旁腺素刺激成骨细胞产生的细胞核因子κB受体活化因子配体(receptor activator for nuclear factor kappa B ligand，RANKL)［4］与破骨细胞的细胞核因子κB受体活化因子(receptor activator for nuclear factor kappa B，RANK)结合，并使破骨细胞活化，将骨基质分解为钙离子和磷酸盐释放到血液，以维持血液钙离子浓度。骨保护素(osteoprotegerin，OPG)能调控破骨细胞的活化。OPG是一个诱骗受体(decoy receptor)，当OPG由基质细胞的细胞膜分泌出来后，会与蚀骨细胞的前驱细胞上的RANK竞争RANKL，并与之结合，使RANKL无法与RANK结合，进而导致破骨细胞的前趋细胞无法分化为成熟破骨细胞。

2.2 降钙素

降钙素由甲状腺的滤泡旁细胞(parafollicular cells，又称C细胞)分泌，当血清中钙离子浓度过高时，会刺激C细胞分泌降钙素，来降低血清钙离子和磷酸盐浓度。降钙素在肾脏中可降低肾小管对钙、磷的重吸收，并通过尿液增加钙、磷的排出量，此外还可抑制小肠对钙离子和磷酸盐的吸收。在骨骼方面，降钙素可抑制破骨细胞活化，增加成骨细胞表达，使钙离子和磷酸盐能在骨基质沉积矿化，使血液中钙离子浓度降低。

2.3 1，25－(OH)2D3

1，25－(OH)2D3的主要功能是调节血液中钙离子浓度，增加肠道上皮细胞对钙离子的吸收，调控骨骼重吸收和矿化。Christakos等［5］指出，1，25－(OH)2D3和甲状旁腺素会诱导成骨细胞CCAAT增强子结合蛋白β(CCAAT enhance binding protein β，C/EBPβ)和骨桥蛋白(osteopontin，OPN)表达，而OPN是一种钙吸附性糖蛋白，为骨骼重吸收及矿化的主要因子。VDR基因表达量是影响1，25－(OH)2D3能否作用于目标基因的关键。环化腺苷酸(cAMP)、蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)和C/EBPβ均会使VDR基因表达量增加，PKA会结合在C/EBPβ上，使C/EBPβ活性增加，而1，25－(OH)2D3会与 VDR 及 RXR 结合形成复合物，并与VDRE结合转录OPN，使OPN基因表达量增加［6］。

2.4 24－羟化酶

24－羟化酶由肾脏分泌，主要功能是在血液中与 25－OH D3或 1，25－(OH)2D3作用，形成不具备活化状态的24，25－二羟基维生素 D3［24，25－(OH)2D3］或 1，24，25 － 二羟基维生素 D3［1，24，25－(OH)2D3］，防止高血钙症或细胞内钙离子浓度过高导致细胞死亡。Christakos等［6］指出，24－羟化酶有自身的反馈调节模式，如果25－OH D3或1，25－(OH)2D3合成过多，会反过来诱导24－羟化酶基因表达，抑制自身活性，减缓合成速度，故其能在体内维持维生素D的动态平衡。

2.5 TRPV6

TRPV6为吸收肠道钙离子的重要因子，承担钙离子通道功能。Khanal 等［7］发现1，25－(OH)2D3能调节TRPV6 的 活 性。 当1，25－(OH)2D3与小肠细胞膜上快速反应类固醇结合受体(membrane associated，rapid response，steroid－binding receptor，MARRS) 结合后，激活腺苷酸环化酶，再经PKA通路释放出大量β－葡萄糖苷酸酶(β－glucuronidase)，使TRPV6活性提高，促进钙离子吸收;此时，钙离子会与Calbindin结合，并与溶酶体融合［8］。另外，蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)可作用于基底膜，将钙离子以胞吐方式送至细胞外，以调节胞内钙离子浓度［9］。

2.6 Calbindin

Calbindin可分为2类:第1类是 Calbindin D9K，相对分子质量为9 000，存在于哺乳动物小肠和肾脏;第2类是Calbindin D28K，相对分子质量为28 000，存在于家禽肠道、肾脏以及哺乳动物的成骨细胞和大脑［10］。Calbindin的主要功能是经主动运输方式将钙离子运送到血液。Wasserman等［11］经免疫组织化学法证实，Calbindin和钙泵位于家禽生殖道中有钙分泌的部位，包括远程峡部(碳酸钙开始沉积在乳突层的部位)和壳腺黏膜的管状腺细胞，而没有钙分泌的漏斗部和蛋白分泌部则未见Calbindin和钙泵存在。

2.7 VDR

蛋壳钙化阶段需依赖小肠中钙离子的转移，而维生素D代谢系统是调节体内钙离子平衡的重要因子。1，25－(OH)2D3与 VDR结合后，它会参与对Calbindin的基因表达的调节作用［12］。VDR及其基因mRNA表达量在转录时会受到钙离子［13－14］、1，25－(OH)2D3［15－16］、甲状旁腺素［17］和肾上腺糖皮质激素［18］浓度的影响及调节。VDR活化时，与目的基因起动子的维生素D反应元件结合，继而调节目的基因转录生成Calbindin［19－20］。

3 维生素D代谢物在畜禽生产中的应用

生产中用到的维生素D代谢物包括25－OH D3、1α － 羟基维生素 D3(1α－OH D3) 及1，25－(OH)2D3，它们可改善畜禽生长性能，尤其是蛋鸡和肉鸡。25－OH D3可提高肉鸡体增重、采食量，改善饲料效率，增加胫骨灰分，降低雏鸡死亡率［21］;增加小肠绒毛长度、肠壁厚度及腺窝深度，提高抗体水平，增强机体免疫力［22］。在蛋鸡上的试验显示，25－OH D3可提高产蛋率，增加蛋壳厚度、强度，降低软蛋或破蛋率［23］。一般怀孕母猪会因怀孕产生骨钙不足的现象，添加25－OH D3则会调节其血浆骨钙蛋白及碱性磷酸酶活性，维持骨骼强度及灰分含量［24］。

1α－OH D3可改善肉鸡生长性能，提高磷利用率，增加骨骼灰分含量［25－26］，改善肌肉色泽，增加肠黏膜钠离子依赖型Ⅱb磷转运蛋白(NaPi－Ⅱb)的基因 mRNA 表达量［27］。

1，25－(OH)2D3也可调节肠道 NaPi－Ⅱb 的基因mRNA及钙离子通道TRPV6的基因表达量，增加钙、磷离子吸收［28］;调节免疫反应，降低火鸡骨髓炎的发生几率［29］。另外，1，25－(OH)2D3具有调节抗菌肽基因表达、对抗微生物入侵的功能。Dai等［30］指出，1，25－(OH)2D3经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)的基因表达。

4 小结

在规模化、集约化饲养条件下，由于饲养环境关系，动物不易照射到阳光，因此较难由自身合成所需的维生素D3。长期饲养的蛋鸡、种鸡会出现肝功能受损现象，常见脂肪肝和肾脏症候群导致肝机能障碍，无法正常表达25－羟化酶，进而影响维生素D3的转化率。目前25－OH D3已在欧洲获得批准，可作为饲料添加剂使用。25－OH D3是维生素D3在血液中的主要存在形式，可经肾脏1α－羟化酶转化为最佳活性形式1，25－(OH)2D3。近年来，国内外学者已经开展1α－OH D3在动物(尤其是家禽)生产中的应用研究。

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