维生素D和自噬与疾病的关系

甄　超,冯雪丹,王高宁(综述),郭　力(审校)

(河北医科大学第二医院神经内科 河北省神经病学重点实验室，石家庄 050000)



维生素D和自噬与疾病的关系

甄超△,冯雪丹△,王高宁△(综述),郭力※(审校)

(河北医科大学第二医院神经内科 河北省神经病学重点实验室，石家庄 050000)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.05.005

自噬可持续降解和重复利用细胞内多种成分，在维持真核细胞的新陈代谢过程中发挥着重要作用。自噬的过度激活或抑制都会导致一些疾病的发生。因此，维持体内适当的自噬水平对人类健康至关重要。目前，相继有文献报道多种疾病的发生与维生素D在人体内的水平密切相关，维生素D除具有维持钙磷代谢、抗感染、抗肿瘤等作用外，其调节自噬水平的功能也逐渐被发掘及备受关注。该文着眼于自噬，维生素D与自身免疫性疾病、感染性疾病、肿瘤3大类疾病的关系，总结了近年来的研究进展及尚存在的问题。

1自噬概述及与人类健康

自噬,源于希腊语“autophagy”，是“自食”“自己吃自己”的意思[1]，是真核生物中一个进化上高度保守的自我溶解、吞噬途径。自噬是维持细胞内稳态、细胞分化和降解细胞内病原体必不可少的过程[2]。自噬的基本过程如下：在自噬早期，细胞胞质中出现大量游离的膜性结构，形态学上称为前自噬泡。细胞受损时，前自噬泡首先包绕在变性的细胞器、长半衰期蛋白和部分胞质周围；然后逐渐延伸，包裹需要被降解的物质，形成自噬体；自噬体通过细胞骨架微管系统运输至溶酶体，与之融合，形成自噬溶酶体，再通过泛素-蛋白酶体系统来降解其内容物，而自噬体膜则可脱落循环再利用。根据被降解物运送至溶酶体的方式的不同，可将自噬分为3种不同的类型：巨自噬(通过自噬体将细胞内容物运送至溶酶体)、微自噬(溶酶体膜向内凹陷包裹被降解物质)和分子伴侣介导的自噬(被降解物可跨溶酶体膜直接易位至溶酶体内)[3]。研究发现，巨自噬与人类健康和疾病的发生密切相关，是当前国内外学术研究的热点，该文旨在研究巨自噬。

当机体处于饥饿、生长因子缺乏、应激、微生物感染等情况下，激活自噬，利于氨基酸、脂肪酸、糖和核苷酸回收，此功能对于维持细胞能量水平和细胞存活及内稳态尤其重要，这一作用已在细胞和机体水平上得到证明[4]。而当机体自噬功能异常或失调时，则会导致诸多疾病，包括自身免疫性疾病、感染、肿瘤以及神经退行性疾病等[5]。

2维生素D概述及与人类健康

维生素D是一种脂溶性维生素，是胆固醇类衍生物。维生素D有5种化合物，与健康关系最密切的是维生素D3，其主要来源是由皮肤中的7-脱氢胆固醇通过日光紫外线照射后转化而成，其次是从食物，如富含油性的鱼类(三文鱼，鳕鱼的肝油等)和晒干的蘑菇中摄取。维生素D3在体内经过两次羟化作用转变为具有强大生物学效应的1,25双羟维生素D3[1,25-dihydroxyvitamin D3,1,25-(OH)2D3)[3]。1,25-(OH)2D3]可抑制肾素合成，增强心肌收缩力，促进胰岛素的分泌，它还是一种有效的免疫调节剂。维生素D的缺乏与慢性肾脏病、心血管疾病、糖尿病、自身免疫性疾病、骨关节炎、肿瘤、肺功能和哮喘等多系统疾病密切相关[6]。由此看来，维生素D除了能维持机体钙磷代谢平衡外，还有介导免疫调节、血压调节、促胰岛素分泌等功能[7]。

3维生素D与自噬

近年来，越来越多文献报道上述疾病可能还与维生素D调节自噬的作用相关[3,8]。人类最初认识到维生素D诱导自噬是在用骨化三醇或EB1089(西奥骨化醇)来处理乳腺癌细胞时发现的[9]。后来相继有文献报道，维生素D可在白血病细胞、巨噬细胞中诱导自噬[8]。

维生素D3在自噬的不同阶段通过不同通路调节自噬。①诱导自噬阶段:维生素D3通过升高胞质中游离钙的水平，抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白激活，诱导自噬。②自噬体核化阶段：维生素D3通过减轻B细胞淋巴瘤/白血病2的抑制、增加抑菌肽、下调核因子κB等途径，增加机体Beclin-1(也称BECN1)，诱导自噬。③自噬体成熟和降解阶段：维生素D3上调核苷酸结合寡聚化结构域2(nucleotide-bingding oligomerization domain 2，NOD2)水平，募集自噬相关基因(autophagy related genes，ATG)16，增强溶酶体酶活性，诱导自噬体与溶酶体的融合[3]。

4维生素D、自噬与疾病

4.1维生素D、自噬与自身免疫性疾病多发性硬化是一种病因尚未完全明确的中枢神经系统白质的炎性脱髓鞘性疾病，是青壮年神经功能障碍的常见原因。此病的理想实验动物模型是实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)。研究表明，多发性硬化患者和EAE小鼠血液中ATG5 mRNA、蛋白水平显著升高且与其神经功能缺损程度密切相关[10]。ATG5是细胞凋亡与自噬的转换阀门，是自噬体形成的重要基因。自噬体形成初期，ATG12-ATG5-ATG16L形成的复合物与其外膜结合，既可以促进自噬体延伸，同时可促使微管相关蛋白1轻链3向自噬体靠拢[11]。机体缺乏ATG5，溶酶体将不能与自噬体融合。另有研究显示，雷帕霉素作为自噬的激活剂可缓解EAE小鼠的症状[12]。因此，自噬与多发性硬化发病相关。

早在1974年，Agranoff和Gold berg[13]就已经根据多发性硬化的地理分布指出其发病率与暴露在阳光下的程度呈负相关。而阳光很可能是通过皮肤中产生的维生素D3发挥作用。因此，维生素D3补充剂已被认为是一种潜在的治疗多发性硬化症的策略。实验表明，维生素D缺乏会加重EAE小鼠的神经功能评分[14]。而每日给予EAE小鼠足量的钙和1,25-(OH)2D3可预防小鼠发病，延缓和控制其病情的发展[15-16]。在人类感染结核杆菌的单核细胞中，1,25-(OH)2D3通过抗菌肽上调自噬相关基因(Beclin-1、ATG5)的表达，诱导自噬[17]。由此推测，自噬在介导维生素D治疗多发性硬化方面具有不容忽视的作用。

炎症性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)是肠黏膜免疫系统失调、持续肠道感染、环境等多种因素混合作用的结果，是一种自身免疫相关的疾病。IBD包括溃疡性结肠炎和克罗恩病。自噬相关基因ATG16L1和免疫相关GTP酶家族M蛋白为克罗恩病的易患基因位点[18]。IBD患者表现为肠黏膜炎症的同时伴有活化的核因子κB，特别是p65水平的升高[19]。NOD2位点的变异是发展为克罗恩病的最主要危险因素。而NOD2和核因子κB在调节自噬中发挥重要的作用。潘氏细胞通过分泌颗粒内容物，包括抗微生物肽和溶菌酶，在肠道固有免疫中发挥着重要作用[20]。在ATG5-ATG16L1-小鼠实验模型中，潘氏细胞的颗粒胞吐途径表现为显著异常。总之，上述数据均支持自噬与IBD发病机制的联系。已有专家提出维生素D3的缺乏是IBD发生的一个重要环境因素[21]。溃疡性结肠炎和克罗恩病的临床研究证实，患者血清中25-羟维生素D水平显著低于健康人群。维生素D3可以增加人类肠道上皮细胞NOD2的表达[22]。在动物实验中，连续15 d或30 d喂食兔子富含高剂量维生素D3的植物，发现在其空肠中潘氏细胞的大小和数量均有增加，且增加程度与维生素D3具有时间和剂量依赖性。然而，关于维生素D通过介导自噬参与IBD发病机制则需要更丰富且更直接的证据。

4.2维生素D、自噬与感染性疾病自噬可降解进入机体细胞的病毒、细菌等微生物[23]。人类免疫缺陷病毒1(human immunodeficiency virus 1，HIV-1)像一个强制性侵入细胞内的寄生虫，通过利用宿主细胞进行复制和传染而生存，并能规避防止其生长的细胞。感染的HIV-1可下调机体Beclin-1和微管相关蛋白1轻链3B-Ⅱ，从而降低每个细胞的基础自噬水平和自噬体的数量[24-25]。然而，许多其他RNA和DNA病毒感染细胞后表现为自噬体的聚集[26-27]。众多研究表明，丙型肝炎病毒可上调自噬相关基因ATG5和微管相关蛋白1轻链3B的表达，激活自噬[25]，且丙型肝炎病毒大量复制需要Beclin-1、微管相关蛋白1轻链3、ATG5、ATG12等自噬蛋白的参与[26,28-29]。

流行病学研究发现，维生素D缺乏症导致癌症、自身免疫性疾病和感染性疾病发病率的增加[30]。维生素D缺乏和感染性疾病之间的联系可追溯至100多年前，科学家发现太阳辐射有利于结核病患者的康复。维生素D缺乏与结核病易患性密切相关。1,25-(OH)2D3可抑制培养的人类巨噬细胞中结核分枝杆菌的生长。1,25-(OH)2D3可以通过诱导自噬来抑制HIV-1的复制，在用1,25-(OH)2D3连续刺激4 h后，人类单核细胞微管相关蛋白1轻链3B-Ⅱ水平升高的程度与自噬激活剂雷帕霉素相仿[8]。1,25-(OH)2D3通过抗菌肽，上调自噬相关基因的Beclin-1和ATG5的转录表达，诱导自噬。同时，ATG5是细胞凋亡与自噬的转换阀门[15]。病毒等微生物入侵机体后，体内细胞自噬反应性增多，以清除病原微生物。机体补充维生素D后，自噬进一步增强的同时，启动吞噬病原体的细胞凋亡。

4.3维生素D、自噬与肿瘤关于自噬对于肿瘤发生、发展以及治疗的研究中存在相互矛盾的结论[31]，说明自噬对肿瘤的调节可能具有两面性：一方面，自噬可以诱导肿瘤细胞对于应激、缺氧、饥饿及其一些形式的治疗产生耐受性，促进肿瘤细胞生存[5,32]。研究表明，Beclin-1等位基因的缺失在人类乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌中非常常见[33]。相关动物实验也证实，Beclin-1的等位基因缺失也使小鼠易发生肝细胞癌、肺腺癌、乳腺增生和淋巴瘤。Beclin-1等位基因的缺陷或ATG5的缺失导致的自噬缺陷，促进长生的肾上皮和乳腺细胞系的肿瘤发生[34]。另一方面，自噬可以作为肿瘤的抑制机制，启动肿瘤抑制基因。Beclin-1基因的过度表达导致自噬增强，抑制肿瘤的发生[35]。自噬在肿瘤细胞中的不同作用可能取决于肿瘤类型、分期和遗传背景[32]。

维生素D缺乏症导致癌症等疾病发病率的增加[30]，1,25-(OH)2D3能有效抑制多种肿瘤细胞系增生，如结肠癌、白血病、前列腺癌等[36]。维生素D3可通过上调Beclin-1激活自噬，剔除Beclin-1 基因的HL-60细胞(人早幼粒白血病细胞)则会消除维生素D3诱导自噬、活化凋亡的效应[3]。西奥骨化醇(维生素D3的类似物)可增强放射线在胸腺瘤中诱导的自噬[37]。值得一提的是，维生素D受体缺陷小鼠患乳腺肿瘤疾病的症状与自噬基因Beclin-1缺陷型小鼠的表现相似[35]。由此可见，自噬在维生素D治疗肿瘤疾病中发挥了重要作用。

5结语

自噬是一个极其复杂的生理过程，在机体对疾病的防御中发挥着至关重要的作用。自噬异常或失调会导致多种疾病的发生。因此，干预自噬活性为预防和治疗疾病开辟了新的途径。维生素D具有多重生物学效应并参与多系统疾病的发生，同时，也是重要的自噬激活剂。维生素D是一种已上市药物，具有价格低廉、安全性高、不良反应小等诸多优点，在临床多种疾病的治疗中具有广阔的前景。深入了解维生素D与自噬的关系及其在疾病发生、发展中的作用，不仅有助于进一步阐述和理解疾病的发病机制，还可为疾病的防治提供新的手段和思路。

参考文献

[1]Periyasamy-Thandavan S，Jiang M，Schoenlein P，etal.Autophagy：molecular machinery，regulation，and implications for renal pathophysiology[J].Am J Physiol Renal Physiol，2009，297(2)：F244-256.

[2]Höyer-Hansen M，Nordbrandt SP，Jäättelä M.Autophagy as a basis for the health-promoting effects of vitamin D[J].Trends Mol Med，2010，16(7)：295-302.

[3]Wu S，Sun J.Vitamin D，vitamin D receptor，and macroautophagy in inflammation and infection[J].Discov Med，2011，11(59)：325.

[4]Mizushima N，Levine B，Cuervo AM，etal.Autophagy fights disease through cellular self-digestion[J].Nature，2008，451(7182)：1069-1075.

[5]Levine B，Kroemer G.Autophagy in the pathogenesis of disease[J].Cell，2008，132(1)：27-42.

[6]Holick MF.Vitamin D deficiency[J].N Engl J Med， 2007，357(3)：266-281.

[7]Jones G.Expanding role for vitamin D in chronic kidney disease：importance of blood 25-OH-D levels and extra-renal 1alpha-hydroxylase in the classical and nonclassical actions of 1alpha，25-dihydroxyvitamin D (3)[J].Semin Dial,2006，20(4)：316-324.

[8]Campbell GR，Spector SA.Hormonally active vitamin D3(1α，25-dihydroxycholecalciferol) triggers autophagy in human macrophages that inhibits HIV-1 infection[J].J Biol Chem，2011，286(21)：18890-18902.

[9]Mathiasen IS,Lademann U,Jäättelä M.Apoptosis induced by vitamin D compounds in breast cancer cells is inhibited by Bcl-2 but does not involve known caspases or p53[J].Cancer Res，1999，59(19)：4848-4856.

[10]Alirezaei M，Fox HS，Flynn CT，etal.Elevated ATG5 expression in autoimmune demyelination and multiple sclerosis[J].Autophagy，2009，5(2)：152-158.

[11]赵勇，栗文彬，师长宏，等.自噬相关基因Atg5的原核表达及多克隆抗体制备[J].生物技术通讯，2009，20(4):482-484.

[12]Dello Russo C，Lisi L，Feinstein DL，etal.mTOR kinase，a key player in the regulation of glial functions：relevance for the therapy of multiple sclerosis[J].Glia，2013，61(3)：301-311.

[13]Agranoff BW，Goldberg D.Diet and the geographical distribution of multiple sclerosis[J].Lancet，1974， 304(7888)：1061-1066.

[14]Cantorna MT,Mahon BD.Mounting evidence for vitamin D as an environmental factor affecting autoimmune disease prevalence[J].Exp Biol Med (Maywood),2004,229(11):1136-1142.

[15]Cantorna MT,Hayes CE,DeLuca HF.1, 25-Dihydroxyvitamin D3reversibly blocks the progression of relapsing encephalomyelitis, a model of multiple sclerosis[J].Proc Natl Acad Sci U S A,1996,93(15):7861-7864.

[16]Cantorna MT,Humpal-Winter J,DeLuca HF.Dietary calcium is a major factor in 1, 25-dihydroxycholecalciferol suppression of experimental autoimmune encephalomyelitis in mice[J].J Nutr,1999,129(11):1966-1971.

[17]Yuk JM，Shin DM，Lee HM，etal.Vitamin D3induces autophagy in human monocytes/macrophages via cathelicidin[J].Cell Host Microbe，2009，6(3)：231-243.

[18]Parkes M，Barrett JC，Prescott NJ，etal.Sequence variants in the autophagy gene IRGM and multiple other replicating loci contribute to Crohn′s disease susceptibility[J].Nat Genet，2007，39(7)：830-832.

[19]Rogler G，Brand K，Vogl D，etal.Nuclear factor κB is activated in macrophages and epithelial cells of inflamed intestinal mucosa[J].Gastroenterology，1998，115(2)：357-369.

[20]Ouellette AJ.Paneth cells and innate mucosal immunity[J].Curr Opin Gastroenterol，2010，26(6)：547-553.

[21]Laverny G，Penna G，Vetrano S，etal.Efficacy of a potent and safe vitamin D receptor agonist for the treatment of inflammatory bowel disease[J].Immunol Lett，2010，131(1)：49-58.

[22]Wang TT，Dabbas B，Laperriere D，etal.Direct and indirect induction by 1，25-dihydroxyvitamin D3of the NOD2/CARD15-defensinβ2innate immune pathway defective in crohn disease[J].J Biol Chem，2010，285(4):2227-2231.

[23]Dreux M，Chisari FV.Viruses and the autophagy machinery[J].Cell Cycle，2010，9(7)：1295-1307.

[24]Espert L，Varbanov M，Robert-Hebmann V，etal.Differential role of autophagy in CD4T cells and macrophages during X4 and R5 HIV-1 infection[J].PLoS One，2009，4(6)：e5787.

[25]Blanchet FP，Moris A，Nikolic DS，etal.Human immunodeficiency virus-1 inhibition of immunoamphisomes in dendritic cells impairs early innate and adaptive immune responses[J].Immunity，2010，32(5)：654-669.

[26]Dreux M，Gastaminza P，Wieland SF，etal.The autophagy machinery is required to initiate hepatitis C virus replication[J].Proc Natl Acad Sci U S A，2009，106(33)：14046-14051.

[27]Tang H，Da L，Mao Y，etal.Hepatitis B virus X protein sensitizes cells to starvation-induced autophagy via up-regulation of beclin 1 expression[J].Hepatology，2009，49(1)：60-71.

[28]Ke PY，Chen SS.Activation of the unfolded protein response and autophagy after hepatitis C virus infection suppresses innate antiviral immunity in vitro[J].J Clin Invest，2011，121(1)：37-56.

[29]Guévin C，Manna D，Bélanger C，etal.Autophagy protein ATG5 interacts transiently with the hepatitis C virus RNA polymerase (NS5B) early during infection[J].Virology，2010，405(1)：1-7.

[30]Schwalfenberg G.Not enough vitamin D Health consequences for Canadians[J].Can Fam Physician，2007，53(5)：841-854.

[31]Rosenfeldt MT，Ryan KM.The multiple roles of autophagy in cancer[J].Carcinogenesis，2011，32(7)：955-963.

[32]White E，DiPaola RS.The double-edged sword of autophagy modulation in cancer[J].Clin Cancer Res，2009，15(17)：5308-5316.

[33]Aita VM，Liang XH，Murty V，etal.Cloning and genomic organization of beclin 1，a candidate tumor suppressor gene on chromosome 17q21[J].Genomics，1999，59(1)：59-65.

[34]Karantza-Wadsworth V，Patel S，Kravchuk O，etal.Autophagy mitigates metabolic stress and genome damage in mammary tumorigenesis[J].Genes Dev，2007，21(13)：1621-1635.

[35]Liang XH，Jackson S，Seaman M，etal.Induction of autophagy and inhibition of tumorigenesis by beclin 1[J].Nature，1999，402(6762)：672-676.

[36]Li H，Stampfer MJ，Hollis JB，etal.A prospective study of plasma vitamin D metabolites，vitamin D receptor polymorphisms，and prostate cancer[J].PLoS Med，2007，4(3)：e103.

[37]DeMasters G，Di XU，Newsham I，etal.Potentiation of radiation sensitivity in breast tumor cells by the vitamin D3analogue，EB 1089，through promotion of autophagy and interference with proliferative recovery[J].Mol Cancer Ther，2006，5(11)：2786-2797.

摘要：自噬是真核细胞的Ⅱ型程序性细胞死亡过程，自噬失调会导致多种疾病的发生。该领域已经成为目前生物医学研究的热点，而通过调控自噬活性来防治疾病是重要的研发方向。研究表明，维生素D除具有维持机体钙磷代谢、介导免疫反应等功能外，还能介导自噬活性，参与多系统疾病的发生。深入了解维生素D的自噬调节功能及其与疾病的关系不仅有助于阐明疾病病理机制，还具有重要的实际应用意义。

关键词：自噬；维生素D；自身免疫性疾病；感染性疾病；肿瘤

Vitamin D,Autophagy and DiseasesZHENChao,FENGXue-dan,WANGGao-ning，GUOLi.(DepartmentofNeurology,theSecondHospitalofHebeiMedicalUniversity/KeyLaboratoryofHebeiNeurology,Shijiazhuang050000,China)

Abstract:Autophagy is typeⅡ programmed cell death process of all eukaryotic cells.Autophagy disorders can lead to a variety of diseases,and it has become a hot field of biomedical research.To prevent and treat diseases by regulating autophagy activity has become an important research direction.Studies have shown that vitamin D is not only involved in calcium and phosphorus metabolism,immune response, but also capable of mediating autophagy activity,and related to multi-system diseases.Depth understanding of the autophagy function of vitamin D and its relationship with the diseases not only will help elucidate the pathogenesis of these diseases,but also have important practical significance.

Key words:Autophagy; Vitamin D; Autoimmune diseases; Infectious diseases; Tumor

收稿日期：2014-04-15修回日期：2014-08-15编辑：伊姗

中图分类号：R365

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)05-0781-03