维生素D 信号通路关键基因研究进展

刘 琨，刘军麟

（1.海南医学院第二附属医院皮肤性病科，海南 海口 570200；2.海南省人民医院皮肤性病科，海南 海口 570200）

近年来基于维生素D 骨骼外作用研究不断深入，对于维生素D 及其信号通路的了解亦不断加深。本文对近年来国内外相关研究进行综述并总结维生素D 受体（vitamin D receptor，VDR）信号通路的部分关键基因在维生素D 合成与代谢中的作用，以期为进一步研究打下基础。

1 维生素D 及活性形式的生物学功能

由7-脱氢胆固醇（7-dehydrocholesterol，7-DHC）在皮肤中生成的维生素D3（vitamin D3，VD3）是维生素D 在人体内的天然存在形式。7-DHC 在紫外线作用下，生成维生素D3前体，再异构化成维生素。维生素D3在皮肤中的合成能力与紫外线强度成正比［2］。除皮肤合成这一途径外，维生素D3亦可由部分天然食物或化学合成品转化而来。维生素D3本身不具备生物活性，其在体内的主要活性形式是1，25（OH）2D3［3］。1，25（OH）2D3是维生素D3通过体内生化反应形成的产物。其中间代谢产物25（OH）D3通常被用来评价体内维生素D 水平的高低［4］。

2 维生素D 信号通路关键基因

目前维生素D 代谢及维生素D 信号通路研究较多的是GC、CYP2R1、CYP24A1、CYP27B1、VDR及RXRα基因。本文将综述上述关键基因的研究进展。

2.1 CYP2R1 基因

CYP2R1基因位于染色体11p15.2 上，长约21 kb，包含9 个外显子，编码维生素D 的25-羟化酶，其主要作用是在维生素D3的C-25 位羟化，将维生素D3转化为25（OH）D3。CYP2R1基因主要表达于肝脏，亦有研究表明CYP2R1基因可于人体睾丸中表达，当其表达下降时可导致血清25（OH）D3显著降低及骨密度下降［5］。威斯康星大学的Hector F.De-Luca 团队研究证实：CYP2R1基因敲除小鼠的血清中25（OH）D3水平显著降低，但25（OH）D3的合成并未完全阻断，这提示还存在其他的基因编码25-羟化酶［6］。这意味着，当CYP2R1基因功能受损时，生物体内并不能合成足够生理需要量的25（OH）D3，CYP2R1基因在维生素D 信号通路中发挥着关键作用。

Thacher 等［7，8］对尼日利亚12 个家族的CYP2R1基因的启动子、外显子和内含子-外显子侧翼区域进行测序，证实CYP2R1错译突变（L99P 与K242N）与维生素D 水平相关，并通过免疫荧光技术标记其转录的蛋白含量证实这两种突变可导致体内25（OH）D3含量明显下降，且不能通过补充维生素D 改善（纯合突变与杂合突变相比P=0.025、对照组相比P=0.008）。由该突变所导致的非典型维生素D 缺乏性佝偻病属于维生素D 依赖型佝偻病1B 型亚型。一项包括33 996 名欧裔的大样本全基因组关联分析显示CYP2R1基因的rs10741657与人体维生素D 缺乏显著相关（P=3.3×10-20）［9］。有研究对1 800 余名新疆维吾尔族、哈萨克族居民进行了多阶段整群抽样调查，采用Logistic 回归分析发现CYP2R1基因的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）rs10766197（G/A）与维吾尔族人群的维生素D 缺乏症相关（OR=6.533，P=0.019）［10］。一项来自美国的长达2 年的包括白种人、黑种人、拉丁美裔人和其他人种的732 名肥胖患者参与的多中心临床研究发现［11］，CYP2R1rs10741657（GG/GA/AA）在男性和女性、高蛋白和低蛋白饮食组以及高脂和低脂饮食组之间的基因频率相似，而在不同人种之间则存在差异（P≤0.05），且不同的基因型与空腹血糖水平具有相关性（P=0.004）。有研究用免疫组化方法对巴塞罗那阿尔诺大学莱莱达医院和圣保罗医院留存的217 例子宫内膜癌患者的石蜡包埋样本进行研究发现，维生素D 可部分通过CYP27A1和CYP2R1增加肿瘤内25（OH）D3的产生进而通过自分泌/旁分泌方式增强对VDR 的作用来延缓子宫内膜癌的进展，从而增强抗癌作用［12］。

2.2 GC 基因

GC基因位于染色体4q13.3，长约64 kb，包含15 个外显子，编码维生素D 结合蛋白（vitamin D binding protein，VDBP）。VDBP 的主要生理作用是与血清中的维生素D 及维生素D 代谢物结合并转运至不同靶器官产生相应的效应。如将维生素D转运至肝脏合成25（OH）D3，将25（OH）D3转运至肾脏进一步合成活性衍生物等。

VDBP 有3 种常见的变异体Gc1f、Gc1s 及Gc2，不同变异体由GC基因第11 外显子上的两个SNP确定：rs7041（Gc1f 与Gc1s）和rs4588（Gc1f 与Gc2）［13］。VDBP 不同变异体氨基酸序列的差异导致了其与维生素D 的亲和力不同，Gc1f 对维生素D代谢物的亲和力最高，Gc2 最低［14］。

全基因组关联研究表明［15］：rs7041 和rs4588 与游离25（OH）D3水平相关；携带rs7041（Gc1s）TT 基因型和rs4588（Gc2）AA 基因型的个体其25（OH）D3血清水平较低［16］。这些SNP 在不同种族人群中占比不同从而导致黑种人和黄种人常表达Gc1f 型VDBP，而白种人则更常表达Gc1s 型VDBP，Gc2 型则在黄种人和欧洲的白种人中更为常见，在黑种人族群中少见［13，17］。体外研究表明［18］：在单核细胞中，与低亲和力VDBP（Gc1s 或Gc2）相比，高亲和力VDBP（Gc1f）降低了25（OH）D3对基因表达的影响。另有多个研究提示［19-21］：GC 基因的rs7041、rs4588、rs2282679、rs1155563、rs12512631、rs17467 825、rs2298850 和rs3755967 均与25（OH）D3水平相关。一项来自巴西的大型横断面研究表明［17］：rs2282679 的CC 基因型和GC基因的Gc2 亚型与更低的VDBP 和总25（OH）D3水平以及更高的维生素D3缺乏症风险相关（P值分别为＜0.001、0.01）。这意味着VDBP 变异体可能影响25（OH）D3的生物利用度。丹麦一项包含1 743 名参与者的前瞻性研究表明［22］，rs4588 的GC基因型可能通过影响消化系统中维生素D 的摄入从而影响结直肠癌的患病风险（IRR=0.91，95%CI：0.82-1.01）。笔者认为GC基因可能通过影响维生素D 的摄入能力从而调节体内维生素D3的水平，进而导致疾病的发生。

另外，尚有研究发现活化的T 细胞表面有VDBP 表达，可以调控维生素D 通路下游基因的表达，且调节性T 细胞和炎症性T 细胞之间的平衡也受VDBP 的影响［23］。还有学者通过肺炎小鼠模型研究发现VDBP 能够结合脂肪酸，并且能作为趋化因子在中性粒细胞的聚集中起重要作用［24］。笔者推测VDBP 调控炎症反应与其调控维生素D 通路下游基因的表达可能存在一定的相关性，这有待进一步验证。

2.3 CYP27B1 基因

CYP27B1基因位于染色体12q14.1 上，长约4.7 kb，包含9 个外显子，编码维生素D 1α-羟化酶。该酶主要存在于肾脏中，其作用主要是将25（OH）D3转化为1，25（OH）2D3而产生生物学效应。

基于佝偻症患者的研究发现，若CYP27B1基因失活或缺失，可引起Ⅰ型维生素D 依赖型佝偻病（VDDR1），也称假性维生素D 缺乏性佝偻病［25］。该结果得到另一类似研究的证实：CYP27B1基因敲除的小鼠出现佝偻病样表现，且无法检测出1，25（OH）2D3，并出现继发性低钙及甲状旁腺功能亢进［26，27］。除在肾脏中表达外，CYP27B1基因还可在皮肤和甲状旁腺中表达，且受其产物1，25（OH）2D3的负反馈调节［28］。亦有报道称［29］：在正常人群、自身免疫性疾病人群（如克罗恩病、结节病等）的巨噬细胞或癌细胞中也发现了CYP27B1基因的表达，但与在肾脏与甲状旁腺中不同的是，在巨噬细胞、癌细胞中的CYP27B1基因表达产物并不受血清1，25（OH）D3水平的调节，而是受免疫刺激物（如γ-干扰素，脂多糖、白介素15 等）的上调作用。美国马萨诸塞州波士顿大学医学中心的一项研究表明CYP27B1可将人脂肪细胞中的25（OH）D3转化为1，25（OH）2D3从而抑制了炎症细胞因子的产生，抑制脂肪燃烧降低肥胖相关代谢疾病的风险［30］。此外，尚有研究在孕妇的胎盘中监测到该基因的表达，作者认为可能与免疫功能相关［31］。

最近的一篇报道提示：CYP27B1基因与结直肠癌、前列腺癌、乳腺癌、肺癌、胰腺癌、非霍奇金淋巴瘤、口腔扁平苔藓和多发性硬化症等相关）［32］。其中rs10877012（启动子C＞A）与原发性慢性肾上腺皮质功能减退症的患病风险相关（OR=1.53，95%CI：1.07-2.19，P=0.02）。而另一项研究中发现［33］，rs118204009 可能与多发性硬化的发生相关。这提示CYP27B1基因与机体免疫及代谢功能息息相关，其具体机制有待进一步研究。

2.4 CYP24A1

CYP24A1基因位于染色体20q13.2 上，长约28 kb，包含13 个外显子，编码维生素D24-羟化酶。该酶为维生素D 合成限速酶，属细胞色素P450 家族成员，主要存在于肝脏、肾脏及包含VDR 的所有细胞中，其主要作用为将25（OH）D3羟基化为24，25（OH）2D3和1，25（OH）2D3［34］，具有维持维生素D 内分泌系统正常运行、调节机体雌激素及其受体等作用［35］。

动物实验表明［36］：CYP24A1基因缺失的小鼠有50%在3 周龄前死亡，而存活的小鼠因无法清除体内的1，25（OH）2D3可导致膜内骨损伤，但当CYP24A1和VDR基因共同缺失时，小鼠的骨损伤情况反而减轻。这提示通过VDR 作用的1，25（OH）2D3升高是导致骨缺损的原因。一项来自加拿大的对4 个有特发性婴儿高钙血症的家族的研究表明［37］：CYP24A1的失活突变可能是特发性婴儿高钙血症发生的原因之一，序列分析显示这些患儿的CYP24A1基因产生了5 种不同的突变［E143del（E143 的框内缺失）、E322K、R396W、L409S和R159Q］。所有突变都会影响蛋白质的功能。并且除了L409S外，所有突变的表达产物其分解代谢能力均被破坏，只有L409S突变保持了少量的活性。也有其他研究表明［38］：CYP24A1突变在成人中也影响钙的代谢。这些患者的特点是高钙血症、高钙尿症和复发性肾结石。因此，当患者考虑有与肾结石相关的长期高钙血症时应注意CYP24A1突变的可能，尤其是当该患者在补充维生素D 或类似药物时更应注意这一风险［39］。

国内学者采用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱技术对中国汉族健康人群CYP24A1基因的多态性进行研究［40］，结果提示 rs1570669、rs34043203、rs3787557、rs6068816 在中国汉族健康人群中分布频率较高，且GCTT 单倍型频率最高。近年来部分研究表明CYP24A1基因多态性与肿瘤的发生、发展相关，且与肿瘤的去分化及不良预后显著相关。1 项对女性肺癌的研究发现［41］：rs6068816 T 等位基因可以降低非吸烟女性在肺腺癌和其他类型的中晚期肺癌的发病风险（OR=0.59，95%CI：0.35-0.99，P=0.048）。此外在油烟暴露的情况下，rs6068816 T 等位基因同样是一个保护因素，CC 基因型的非吸烟女性患肺癌风险是CT基因型和TT 基因型个体的2.32 倍（95% CI：1.31-4.10，P=0.004），同时该研究通过meta 分析得出结论：rs6068816 TT 基因型与整体肿瘤的低发病风险相关，rs4809957 AG 基因型与总体癌症的高发病风险相关。同时CYP24A1基因也通过维生素D 信号通路在乳腺癌的发展及预后中发挥重要作用，对TCGA 数据库中的1 102 例乳腺癌患者数据的研究中发现［42］：低CYP24A1基因的表达与乳腺癌预后不良显著相关（P＜0.000 1）。最近有研究表明［43］：CYP24A1基因的rs1570669 AG 基因型个体发生泌尿系统肿瘤的风险较GG 基因型低28%（OR=0.72，P=0.016），在显性模型中，与GG 型相比，AGAA 基因型个体患泌尿系统肿瘤的风险明显降低（OR=0.74，95% CI：0.57-0.94，P=0.015）。除此以为，亦有研究发现CYP24A1基因与结直肠癌的发生相关。CYP24A1是具有较高敏感性的肠上皮特异性标志物，提示通过检测CYP24A1的表达有助于鉴别结肠肿瘤［44］。以上研究提示CYP24A1基因多态性导致的1，25（OH）2D3体内清除率降低可能与某些疾病的发生机制相关，有待后继研究进一步证实。

2.5 VDR 基因与视黄酸X 受体α（retinoid X receptor α，RXRα）基因

在维生素D 信号通路的相关研究中，VDR和RXRα基因研究得较多，二者关系也较密切。VDR基因位于染色体12q13.11 上，长约63 kb，包含12 个外显子。其编码产物VDR 属于类固醇受体家族，广泛分布于全身器官、组织及有核细胞中。RXRα基因位于染色体9q34.2 上，长约114 kb，包含12 个外显子。其编码产物为视黄醇X 受体α，可通过与VDR 结合形成异源二聚体而发挥作用。

关于VDR基因的SNP 研究最为多见，VDR基因多态性在不同人种、民族、地区中均存在较大的差异，VDR基因不同SNP 可对维生素D 转运和代谢途径产生影响，且与许多疾病的易感性相关［45］。在多项使用VDR基因敲除及/或维生素D 缺乏的小鼠实验中均表明［46-48］：维生素D 及VDR基因在维持胃肠上皮及其屏障功能方面具有重要的调节作用。

视黄醇X 受体α 是核受体超家族的配体依赖性转录因子，由A/B 区（调节N 端结构域或AF-1 结构域），DNA 结合结构域（DBD），铰链区和配体结合域（LBD）组成［49］。有学者利用小角度X 射线散射和氢-氘交换技术的研究证实了VDR/RXR 复合物的特性，并且证实了VDR/DBD DNA 和VDR/LBD DNA 之间的协同作用，表明配体和DNA 可以共同作用微效基因的表达［50，51］。并且RXR 也是一种配体激活的转录因子，在细胞分化、细胞生长及细胞凋亡中发挥作用。有两项研究探索了RXRα基因SNP 与健康人体内维生素D 水平的关系。Matthias Wjst 团队认为rs3132299 和1，25（OH）2D3以及rs877954 和25（OH）D3水平之间存在显著关联［52］。而Ahn 等［53］研究表明：RXRα的多态性与25（OH）D3或1，25（OH）2D3水平没有关联。目前RXRα 基因与25（OH）D3的水平是否相关仍存在争议，可能与不同的研究人群及其疾病状态有关。

3 总结与展望

维生素D 信号通路广泛调节着基因的表达，也是维生素D 及其衍生物产生生理效应的关键通路。在基因水平上，该通路参与调控全基因组约5%的基因，可直接影响900 多个基因的功能［54］，在钙稳态、骨骼内效应、细胞增殖、分化、氧化应激、血管生成、炎症反应、免疫调节、抗菌肽的产生及识别等生物学过程中发挥着重要作用［54-56］。本文综述了该通路中6 个关键基因的研究进展及对未来研究的展望，以期更准确、全面了解该通路的生理、病理学机制，并为进一步研究奠定基础。

作者贡献度说明：

刘琨：文献筛选、综述写作等工作；刘军麟：文章整体把控、文章内容审校等。

所有作者声明不存在利益冲突关系。