维生素D受体对骨代谢及其疾病的研究
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【摘要】维生素D受体(vitamin D receptor, VDR)是介导1,25(OH)2D3发挥生物效应的核内生物大分子,其不仅促使成骨细胞分泌细胞因子,参与骨的形成和矿化,加速成骨作用,而且能刺激破骨细胞分化,促进溶骨作用,并促进骨Ca、P的释放。目前应用限制性片断长度多态性多聚酶链反应法研究分析表明VDR基因具有明显的多态性,VDR基因多态性与骨密度、骨代谢疾病有一定关联。研究VDR基因多态性与骨代谢的关系对预测疾病发病风险,早期预防、诊断和治疗骨代谢疾病提供了新的方向。
【关键词】维生素D受体;基因多态性;成骨细胞;破骨细胞;骨代谢疾病
【中图分类号】R459.5 【文献标识码】A 【文章编号】1004-7484(2010)01-00-02
寻找骨代谢相关基因一直是骨生物学的研究热点,VDR基因是目前研究最广泛的与骨代谢相关的基因之一,它是维持正常骨代谢过程所必需的调节因子,在骨钙平衡中起着重要作用,机体缺乏则可能引起儿童佝偻病或成年人的骨质疏松等骨代谢相关疾病。因此VDR基因与骨代谢的关系成为目前研究的热点和焦点。本文就VDR与骨代谢及其相关疾病关系的最新研究进展作一综述。
1 维生素D受体(VDR)
VDR为亲白,是介导1,25(OH)2D3发挥生物效应的核内生物大分子,属于类固醇激素/甲状腺激素受体超家族成员。维生素D的许多生物学功能都是通过VDR介导调节靶基因转录来实现的[1]。1,25(OH)2D3激素信号分子在靶细胞与VDR结合形成激素-受体复合物,该复合物作用于靶基因上的特定DNA序列,对结构基因的表达产生调节作用。VDR在本质上是一种配体依赖的核转录因子,它在维持机体钙-磷代谢,调节细胞增殖、分化等方面起重要作用。
1.1 VDR的分类
VDR分为细胞核受体(nVDR)和细胞膜受体(mVDR)两大类,其分子量分别为50KDa和60KDa。
nVDR,是介导1,25(OH)2D3来发挥生物效应的主要途径,nVDR属于核受体超家族成员,核受体超家族是由甾体类激素核受体、甲状腺激素核受体和类视黄醇X受体组成[2]。nVDR在人体中30个靶细胞内存在。
1,25(OH)2D3除了可以通过nVDR产生基因效应作用于靶细胞外,还存在由mVDR介导的快速非基因效应,该效应的产生和完成所需要的时间仅为数秒到数分钟,而基因效应通常需要数小时到数天才可以显现出来。Norman等[3]研究表明1,25(OH)2D3在小肠对Ca2+快速吸收、胰岛β细胞分泌胰岛素、破骨细胞离子通道的开放、内皮细胞的快速迁移等方面均发挥了快速非基因效应。
1.2 VDR基因结构及功能
研究表明VDR基因从氨基端到羧基端一般可分为A、B、C、D、E、F6个功能区,每个功能区分工不同但又相互协作。
A/B区为N端短区,为转录激活自调节功能区(AF-1),但其自主调节功能很弱。C区为DNA结合区(DBD),该区高度保守,人、大鼠与鸡的同源性高达98.5%。它由VDR外显子II、III编码,主要参与DNA顺序识别,可识别靶基因上的维生素D反应元件,此外也部分参与二聚体界面的形成。DBD由8个保守的半胱氨酸组成2个锌指结构,每个锌指形成一个A2螺旋,两个A2螺旋相互垂直构成DBD的核心,从而与类视黄醇X受体(RXR)形成异二聚体。D区可能是一个铰链区,具有很高的免疫原性,但其确切结构和功能尚未阐明,可能与核定位有关。E区为配体结合区,由VDR基因外显子V-IX编码,是VDR结合1,25(OH)2D3的主要部位;其次,该区还介导与RXR形成异二聚体,增强其与VDRE的结合能力;第三,在该区近C端处存在一个转录激活/抑制功能区(AF-2),与AF-1协同作用,可促进VDR与协同激活因子/协同抑制因子相结合,从而使VDR发挥调控靶基因的转录活性[4]。另外,E区对DNA识别也有协同作用。F区结构和功能尚未阐明。
1.3 VDR基因多态性
应用限制性片断长度多态性多聚酶链反应技术(PCR-RFLP)研究发现,VDR基因序列上存在多个内切酶酶切位点,证实了VDR基因具有明显的多态性,到目前为止,至少有25个VDR多态性位点被发现,其中研究较多的为Bsm I、Apa I、Taq I、Fok I这四个位点,是参与骨代谢的主要位点。
不同区域的多态性位点对VDR基因表达产生的影响不同,Bsm I和Apa I酶切位点位于第VIII内含子上,其多态性不影响VDR的氨基酸序列;Taq I位于第Ⅸ外显子,虽然在编码区上,但其多态性是由同义突变造成,也不会使VDR的氨基酸序列改变;Fok I酶切位点位转录起始部位,其多态性可导致氨基酸序列长度发生改变。
总体来说,C-端启动子区内的多态性位点影响mRNA的表达方式和表达水平,而N-端非翻译区的多态性位点则影响mRNA的稳定性和蛋白质的翻译效率,并且这种影响与其所在细胞的类型、分化阶段和活性状态有关[5]。
VDR等位基因多态性与骨密度、骨转换、肠道钙吸收存在一定关联性,且与人骨生理参数正常变异相关,是骨代谢的遗传标记。但其影响VDR功能的途径目前尚在研究中。
1.4 VDR的组织分布和定位
VDR广泛分布于体内各组织细胞中。除了传统的VitD靶器官如肠道、肾脏、骨骼外,VDR还存在于血液淋巴系统(如T淋巴细胞、B淋巴细胞、单核细胞、巨噬细胞等),泌尿生殖系统(如乳腺、前列腺、子宫、卵巢等)以及神经系统及甲状旁腺等。另外,在一些肿瘤组织中也发现有VDR存在,如乳腺瘤、白血病细胞等[4]。
2 VDR对骨细胞骨代谢的作用
VDR不仅存在于成骨细胞中,也存在于破骨细胞中,故位于骨组织上的VDR的作用是双向的。位于成骨细胞上的VDR可影响遗传信息的转录过程,促进骨桥蛋白、骨钙蛋白的合成,促使成骨细胞分泌细胞因子,参与骨的形成和矿化。而位于破骨细胞上的VDR可抑制其增殖并促进破骨细胞的分化,促进骨Ca、P的释放。因而,VDR对骨的合成和分解代谢起着双向调节作用,使得骨形成和骨吸收处于动态平衡状态。
2.1 VDR对成骨细胞的作用
成骨细胞是1,25(OH)2D3作用的重要靶器官。位于成骨细胞上的VDR可促进骨桥蛋白(OPN)、骨钙蛋白(OC)的合成,参与骨的形成和矿化。OPN是成骨细胞分泌的一种基质蛋白,对细胞的粘着和迁移非常重要。1,25(OH)2D3与VDR结合,诱导破骨细胞移向骨基质表面,与OPN结合,清除老化的骨组织,合成新的骨组织。OC主要由成骨细胞合成分泌,是骨组织中最丰富的非胶原蛋白,OC大部分沉积在细胞外骨基质,新合成的小部分释放入血循环,OC在血清中的含量与成骨细胞合成的总量成正相关,可特异反映成骨细胞的活性,是反映机体骨更新状态和骨形成的特异指标,具有调节矿盐结晶生成,促进骨基质矿化的作用。并促进处于成熟后期成骨细胞I型胶原mRNA的表达及I型胶原蛋白的分泌,同时促进成骨细胞的合成分泌及骨基质的矿化,改善骨的质与量。另外成骨细胞产生胰岛素样生长因子(IGFs),包括IGF-I、IGF-II、6种胰岛素样生长因子结合蛋白(IGFBPs)和特异性细胞外胰岛素样生长因子受体。IGF-I可促进成骨细胞增殖、分化和幕集,抑制细胞凋亡,刺激骨胶原的转录和DNA合成,抑制胶原的降解,增加骨基质沉积。VDR能够增加IGF-I的数量,能升高人骨髓基质细胞(hBMSC)中IGFBP-2、IGFBP-3、IGFBP-4的mRNA水平,进而调节IGF系统,VDR对成骨细胞抑制增殖和促进分化的双向作用可能是通过这一重要机制介导的[6]。
2.2 VDR对破骨细胞的作用
VDR参与破骨细胞的形成和激活过程[7],同时参与破骨细胞单核前体细胞的形成和融合两个过程。骨髓基质细胞中的成骨细胞具有1,25(OH)2D3受体,但成熟破骨细胞自身却缺乏这种受体,因此1,25(OH)2D3对破骨细胞分化成熟的诱导作用很可能是通过成骨细胞来实现的。其可通过作用于骨髓基质细胞、骨母细胞和成骨细胞,促使其合成、分泌各种集落刺激因子和细胞因子,如促使产生骨保护素配体(OPGL)和破骨细胞分化因子(ODF),促进破骨细胞的发育。其中,OPG是破骨细胞形成的必要条件[8],而ODF表达升高有利于诱导破骨细胞前体单核细胞的融合和发育成熟,从而增加破骨细胞的骨吸收活性,影响破骨细胞的形成和功能,进而调节局部骨微环境内骨吸收和骨形成平衡的变化,影响骨组织重建。
骨代谢主要表现在骨密度、钙吸收等方面,同时也与骨质疏松、佝偻病等疾病密切相关。骨代谢的机理很复杂,不仅有多种基因参与代谢过程,环境因素对其也有一定的影响。VDR基因多态性与骨密度、骨代谢疾病有一定关联。研究时还必须综合考虑VDR基因自身的协同作用、基因间的交互作用和基因与环境因子的相互作用。
3.1 VDR基因多态性与骨密度
骨密度通常指骨矿物质密度(BMD),是评价骨量、预测骨质疏松、骨折等疾病易患性的重要指标。对VDR基因多态性与骨密度关系研究的报道遍布世界各地,研究对象范围也包括很广,但VDR基因多态性与骨密度的关系在不同种族、不同性别、不同年龄、不同部位及不同饮食习惯的研究中,结果不尽相同,目前研究结果有较大争议。如Grundberg等[9]对343名年龄在20-39岁的瑞典妇女进行调查结果显示,腰椎骨密度与VDR Bsm I基因多态性有一定关联。而Strandberg等[10]检测了88例健康青春期男孩,平均年龄16.9岁,发现Fok I位点基因型与腰椎及全身BMD相关,与股骨颈BMD不相关。另外Bell等[11]对年龄、身高、体重相似的黑人男性及白人男性进行对比,结果表明,腰椎和桡骨骨密度值与Apa I位点多态性有关联。目前认为这些研究结果的偏差可能是由于饮食差异、不同人群VDR基因型分布不同、各研究样本大小不同所导致的结论差异。
3.2 VDR基因多态性与钙代谢
国内外研究结果表明,VDR基因Fok I,Bsm I酶切多态性可能与膳食钙的吸收存在关联。Abrams等[12]报道的一项青少年膳食钙吸收率研究表明,FF基因型者比ff基因型者膳食钙平均吸收率高,VDR基因Fok I酶切多态性可能直接通过影响膳食钙的吸收而影响骨骼骨量的增长。黄振武等[13]以中国育龄妇女作为对象,发现VDR基因Bsm I或Fok I酶切不同型育龄妇女膳食钙的表观吸收率不同,呈现Bb
3.3 VDR基因多态性与骨质疏松
骨质疏松是一种常见的骨代谢性疾病,严重危害人类健康的疾病,其常伴随骨量的减少及骨折危险性的增加。现代医学研究结果表明,骨质疏松常由较低骨密度引起。因此,与骨密度遗传因素密切相关的VDR基因也被认为是骨质疏松的候选基因。遗传因素在决定骨质疏松的发病和进展方面起着主要作用,对VDR与骨质疏松相关性的深入研究,将为从基因水平认识疾病的发病机理提供重要的线索。
3.4 VDR基因多态性与佝偻病
佝偻病是维生素D缺乏所致的钙、磷代谢障碍和骨骼发育异常。VD缺乏性佝偻病的发生涉及机体VD缺乏、肠道钙吸收不良及骨骼代谢异常,因此一般推测VDR基因与佝偻病有关。目前导致佝偻病发生的环境因素已基本得到肯定,但与其相关的遗传因素则研究较少。研究发现除了维生素D缺乏可以引起营养性佝偻病外,基因突变也可引起某些类型的佝偻病。目前发现3种类型的佝偻病与基因突变有关:X连锁低磷酸盐性VitD抵抗性佝偻病与PEX基因突变有关;VitD依赖性佝偻病I型(VD-DR I)是由于1,25(OH)2D3的减少,伴有1α-羟化酶基因密码转录异常而引起;VitD依赖性佝偻病II型(VD-DR II)则是由VDR基因突变引起。因此一般推测VDR基因与佝偻病有关。
4 结论与展望
综上所述,VDR在骨代谢研究中取得了一定的进展,其在成骨细胞中能增强成骨细胞活性,对骨的矿化和形成有促进作用;同时在破骨细胞中又可增加破骨细胞活性、促进旧骨吸收,从而在骨代谢过程中起重要作用。VDR作为配体依赖型转运蛋白,与1,25(OH)2D3等结合,从而诱导下游靶基因的表达。VDR基因多态性与骨密度有一定关联,VDR基因型与骨代谢密切相关,在骨质疏松等多基因遗传疾病诊断中,VDR可与其它基因共同检测,预测疾病发病风险。但VDR对骨代谢疾病的致病机理目前尚未清楚,许多问题还有待进一步研究。它的基因多态性及与疾病的相关性,以及调控下游靶基因的机制等都有待我们进一步的研究和探讨。因此,阐明骨代谢疾病的遗传学病因,不但为研究发病机理奠定了基础,并且可为疾病的治疗和预防提供新的途径,从而更好地为医学遗传学、人类遗传学相应研究提供帮助。
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作者单位:南京市儿童医院210018