Molecular link between vitamin D and cancer prevention

Abstract

Витамин D относится к двум жирорастворимых веществ, витамина D₃ (холекальциферол) и витамин D₂ (эргокальциферол), и их метаболитов, которые являются важными питательными веществами для здоровья человека. Недостаточность витамина D₃ источники включают молочные продукты, яйца, рыба и мясо [1], в то время как недостаточность витамина D₂ (эргокальциферол) источников УФ-облученных дрожжей и плесневых грибов [2,3]. Однако, там, кажется, некоторые неучтенных пищевые источники [4]. В организме человека витамин D₃, сделанные естественным образом в организме после воздействия ультрафиолетового света, выступает как важный эндокринный гормон, предшественник.

Mellanby [5] и McCollum [6] впервые выявлен витамин D эффекты в экспериментах по изучению химических компонентов из печени трески, которые могли бы предотвратить рахит у животных. Более поздние исследования гессом [7], McCollum [8], Steenbock [9], криво, [9] и Виндаус [10] помог выделить, идентифицировать и определить структуру и функции этого гормона и его важной роли в скелетных здоровья. В 1939 году, Windhaus определена структура и начальные пути витамина D₃ синтезировали из 7-дегидрохолестерин [11,12]. Его биохимические исследования стали основой для Холиком и коллеги [13,14,15,16], чтобы позже выяснить биохимические механизмы и физиологические механизмы, которые регулируют формирование активного витамина D, гормона, 1α,25-дигидроксивитамин D₃ [17]. Витамин D₃ изначально синтезирован с помощью первоначальная беседа 7-дегидрохолестерин при УФ-облучении кожи [13,14,15,16]. Этот провитамин D₃ затем метаболизируется в печени и почках производить активный гормон, 1α,25-дигидроксивитамин D₃ часто в литературе упоминается просто как витамин D [18,19,20,21] (рис. 1). Однако, extrarenal производства 1,25-дигидроксивитамин D также происходит во многих органах [22]. 25-hydroxyvitamin D [25(OH)D]. циркулирующий метаболит витамина D, который обычно измеряется.

В 90-е годы с выше discovery на сегодняшний день, ученые доказали однозначно, что витамин D оказывает спектр биологических эффектов, выходящих за рамки его роль в классической гомеостаза кальция и фосфатов. Клонирование рецептора витамина Д (VDR) в 1987 году и обнаружения VDRs почти во всех тканях организма стимулировало широкий интерес в его физиологических функций [23]. Витамин D₃ имеет важные гомеостатические функции плода и взрослого развития и дифференциации в эндокринные, метаболические, неврологические, эпидермальный и иммунологических систем организма человека [24,25,26] (табл. 1). Более того, некоторые исследования подтверждают важную роль витамина D в регуляции механизмов регуляции клеточной пролиферации, дифференцировки и роста. Эти органы доказательств, выявить защитные функции витамина D против канцероген-индуцированной неоплазии и рецидивирующего вторичного метастазирования [27].

Витамин D действует как стероидный гормон, регулирующий транскрипцию генов. Влияние биологически активных гормонов 1α,25-дигидроксивитамин D₃ происходит через VDR. VDR был выявлен в 1969 г. [28] и была клонирована в 1987 году [29], его кристаллической структуре и связывание с его естественным лигандом характеризовались в 2000 году [30]. С момента своего открытия, исследователи обнаружили VDR во многих тканях организма, включая кости, β клеток поджелудочной железы, паращитовидной железы, головного мозга, кожи, предстательной железы, семенников, сердца, скелетных мышц, тканей, молочной железы, печени, легких, кишечнике, почках, жировых клеток и иммунный ответ клеток, таких как макрофаги, дендритные клетки и активированные B - и T-клеток [31,32,33,34,35,36]. Рецептор широко распределяется в организме, с указанием физиологическую роль в гомеостатической регуляции за пределы минерализации костной ткани. Связывание Лиганда, 1α,25-дигидроксивитамин D₃ его рецепторов может активировать или подавлять генов [37,38,39,40,41]. VDR оказывает свое геномные эффекты путем связывания регуляторных витамин D элементы ответа (VDREs) представить в промоторных областей генов-мишеней в этих тканях. Наиболее распространенным мотивом для VDRE последовательность состоит из двух половин-сайтов, каждый с шестью-консенсусной последовательности нуклеотидов, GGTCCA, разделенных трех других нуклеотидов любой последовательности [37]. Этот мотив известен как прямой повтор 3 (DR3), хотя другие конфигурации VDRE-сайты связывания, в том числе DR6 и DR4, существуют в некоторых витамин D-регулируемых генов [26,37,42,43].

Лиганд-bound VDR-зависимой регуляции транскрипции генов происходит через димеризацию рецептора с ретиноевой х рецептором (RXR). Хотя VDR преимущественно связывается RXR, создание VDR-RXR димер, АСГ могут также связывать другие рецепторы ядерного рецептора суперсемейства, к которым относятся щитовидная железа, витамина A, PPAR-γ и других бесхозных рецепторов [44]. VDR-RXR димер может регулировать гены в нескольких системах и тканях [26].

1.2.2. АСГ структура и роль Кофакторов

VDR имеет два варианта изоформ, один с 424 аминокислот (АА), а другой-с 427 aa [45,46]. Полный функциональный белок содержит несколько отдельных доменов: ДНК-связывающий домен (aa 24-115), последовательность ядерной локализации (aa 44-55, 79-105), петли домена (aa 116-226), домен димеризации (АА 37, 91-92, 244-263, 317-395), что пересекается с лиганд-связывающий домен (LBD) (aa 227-244, 268-326, 396-422) и последовательности активации домена (AF2; АА 246, 416-422) [47,48].

Как и другие ядерные рецепторы гормонов, АСГ имеет консервативный ДНК-связывающий домен, который состоит из двух цинковых пальцев, необходимых для целевого Гена VDRE привязки и димеризации активированного рецептора. Первый цинковый палец (проксимальнее N terminus белка) требуется для док-в VDRE, а второй-цинковый палец, необходимые для привязки димеризации с RXR. Ядерная локализация последовательности находится в ДНК-связывающей области и чуть выше по течению C терминал для этой привязки домена. В последовательности ядерной локализации направляет локализации активированного рецептора в ядро, чтобы регулировать транскрипцию генов. В LBD, который состоит из 12 α-спиралей соединены β-листов, регионы, необходимых для 1α,25-дигидроксивитамин D₃ переплет на спирали 2 и еще двух регионов, необходимых для RXR heterodimerization (см. [30,37] ключ для ссылки на LBD кристаллической структуры и свойств и функций). В этом C-terminus области LBD заключается основной момент активации домена, AF2, необходимые для транскрипции coactivation. Связывания Лиганда с активным гормоном создает конформационные изменения, релизы транскрипции repressors таких как WSTF и WINAC и позволяет крепление тиваторами [49,50,51]. AF2 связана кофакторами стероидных рецепторов коактиватор (SRC) семьи, NCoA62-пропустить, CBP/p300 и p/CAF, и белки VDR-interacting protein complex (капельно/посредник) [52,53]. CBP/p300 и p/CAF имеют гистонов ацетил трансферазы способность, которая распутывает хроматина целевого Гена [54]. Этот эффект хроматина позволяет транскрипции машины, такие как TF2B и РНК-полимеразы II, связывать и впоследствии инициировать транскрипцию [55]. Капельно комплекс, состоящий из примерно 15 лейцин-богатых белков, является уникальным по своей функции в том, что она создает мост между SRC коактиватор белков, представленному на VDRE Гена и транскрипции машины на стартовой площадке регулируемого Гена. Капельное 205 конкретно требуется в этом витамин D-индуцированную транскрипцию, чтобы включить открытое положение транскрибируется хроматина [56,57].

1.2.3. Nongenomic Цитоплазматической Действий

Витамин D может также функционировать через nongenomic механизмов, не оказывая транскрипционных эффектов или требующие дополнительного синтеза белка. Такие nongenomic эффекты уже сообщалось ранее, для других ядерных гормонов, таких как эстроген, гормон щитовидной железы и кортикостероиды [58,59]. Считается, что витамин D регулирует быстрого клеточного потока кальция и кальций-активируемых хлорных каналов, активности через связанный с мембраной рецептор, белок, известный как 1,25-(OH)₂D мембрано-связанных быстрого реагирования стероид-связывающий белок (1,25 D-MARRSBP), также известный как стресс эндоплазматического ретикулума белка 57. MARRSBP было определено, очищали и клонировали из куриных кишечного эпителия [60]. MARRSBP также были найдены в тканях, включая остеобласты, печени, адипоциты и мышц [61,62,63,64,65,66,67]. MARRSBP действует через G-белок, связанный с процессом, который активирует фосфолипазу с. Фосфолипаза с гидролизует связанный с мембраной phosphoinositol дифосфат (PIP₂) освободить инозитол трифосфат (IP₃) и диацилглицерол. В свою очередь, эти клеточные мессенджеры включить высвобождение кальция из эндоплазматического магазины и опосредуют острой быстрое высвобождение кальция в клетки [68]. Это взаимодействие, однако, не может произойти без ядерного целевых АСГ, указывая, что кооператив механизм действия между мембраносвязанных MARRSBP и АСГ является посредником быстрого реагирования в некоторые типы тканей [35,69]. Это взаимодействие между связанный с мембраной и ядром связыванием рецепторов может происходить в раковых клеточных линиях. В MCF-7 клеток рака молочной железы, MARRSBP противодействует АСГ, таким образом, заключающим в себе связанный с мембраной MARRSBP в модуляции клеточной пролиферации и малигнизации. Однако, полная целью этого взаимодействия является еще до конца не изучены [70].

Через геномного действия витамина D₃ через VDR регулирования нескольких генов, содержащих VDREs, 1α,25(OH)₂ витамин D₃ и его аналоги подавляют прогрессирование клеточного цикла и рост опухолевых клеток в несколько клеточных линий рака. Таких механизмов в диапазоне от предотвращения пролиферации клеток (клеточного цикла) для индуцирования апоптоза для индуцирования или подавления молекул клеточной адгезии и факторов роста, которые способствуют клеточной самонаведения и метастазов.

Клеточный цикл регулируется сложной сети взаимосвязанных регуляторов, что в концерте регулируют клеточную пролиферацию. Витамин D может оказывать ингибирующее рост действие через репрессии различных ключевых молекул, участвующих в регуляции клеточного цикла. Например, Дженсен и его коллеги [71] показано, что 1,25-(OH)₂D₃ лечение рака молочной железы человека линии клеток MCF-7 в результате репрессий против c-Myc, известный прото-онкоген в регулирующих клеточный цикл машины. Салехи-Tabar и коллеги [72] показано, что 1,25-(OH)₂D₃ может подавлять экспрессию онкогена c-Myc и, таким образом, способствует повышенная экспрессия его антагонист, транскрипционный репрессор, MAD1/MXD1. Этот эффект опосредуется других клеточных регуляторов, таких как F-box белок (FBW7). Мейер и его коллеги [73] также показали, что в толстой клеток колоректальной опухоли, лечение с 1,25-(OH)₂D₃ может подавить c-Fos и c-Myc Гена выражение в форме, которая включает в себя B-катенин сигнального взаимодействия. В клетки рака простаты, Вашингтон и коллеги [74] показали, что эти репрессии-это независимый белок ретинобластомы (Rb). Li и его коллеги [75] показали, что лечение рака яичников клетки с 1,25-дигидроксивитамин D₃ результаты в p27(Kip1) стабилизация и G(1) арест через снижение экспрессии циклин E/циклин-зависимой киназы 2 и Skp1-Cullin-F-box белок/Skp2 убиквитин лигаза. В совокупности, эти исследования подтверждают, что витамин д может подавлять пролиферацию клеток через тормозящее воздействие на несколько органов регулирования в сети клеточного цикла управления машины.

Акуцу и коллеги [76] сообщили, что лечение человеческой головы и шеи плоскоклеточный рак клеток SCC25 с витамином D арестован пролиферации клеток в G₀/Г₁ фаза. Витамин D также upregulated рост-арест репарацию повреждений ДНК фактор, GADD45α, как на уровне мРНК и белка. Циклин-зависимые киназы ингибитор p21 также индуцированных на уровне мРНК, но не на уровне белка. Чанг и его коллеги показали, что витамин D и его аналоги, март-10, были сильнодействующие химические вещества, которые могли бы арест клеточного цикла в G₀/Г₁ переходный этап в MCF-1 клеток рака молочной железы линии. Этот процесс происходит путем экспрессии BAX/BCL проапоптотических белков и инициации апоптоза через высвобождение цитохрома C из митохондрий. Кроме того, MART-10 индуцированной не наблюдается гиперкальциемического эффекты (которые иногда наблюдаются с витамином D лечение), предполагая, что таких аналогов было бы хорошо агентов сдерживать прогрессирование рака без вредных побочных эффектов ([77]). В аденома и карцинома ободочной и прямой клеточных линий (SW620, PC/JW и HT29), лечение с витамином D или его аналог, EB1089, индуцированного апоптоза независимых р53, увеличил число клеток в G₁ фазы и повышение уровня проапоптотических белков, Bak (член BCl-2 Гена семьи), во всех протестированных клеточных линий. Этот вывод предположили, что витамин D и его аналоги являются клинически эффективными для лечения колоректального рака. В крысиной глиомы C6.9 клеточных линий, витамин D лечение индуцированного апоптоза через фрагментации ДНК и регуляция р53 и GADD45 гены [78]. В клеточных линиях рака предстательной железы, витамин D лечение ингибирует циклин-зависимой киназы 2 деятельности и индуцированных G₀/Г₁ арест клеточного цикла [79]. Таким образом, несколько линий доказательств от in vitro исследования подтверждают роль витамина D в стимулировании клеточного цикла и стимулирования апоптоза в злокачественных трансформированных клеток.

2.3. Гипоксии, окислительного стресса, HIF-1 и Ангиогенеза

Гипоксия и окислительный стресс часто связан с раком прогрессии. Окислительный стресс часто вызывает повреждение ДНК и потери ДНК-способность ремонта [80,81]. Гипоксия также способствует гипоксия-индуцируемого фактора 1 (HIF-1)-зависимого ангиогенеза важное значение для роста опухоли [82]. Лечение нескольких клеточных линий, таких как SW-480-АДГ, LNCaP (клеточная линия рака предстательной железы) и MCF-7, витамин D активизирует клеточные сигнальные каскады, которые снижают thioredoxin и стимулировать антиоксидантные реакции, вызывать мРНК экспрессии супероксиддисмутазы (предстательной железы, эпителиальные клетки) и downregulate глутатиона за счет увеличения глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы выражением [83,84,85].

Витамин D₃ тормозит инициаторов клеточного ангиогенеза в несколько клеточных линий рака. Добавление витамина D₃ к высоко агрессивным андроген-insensitive клеточной линии рака простаты, CL-1, подавляет пролиферацию этих клеток как в normoxia и в гипоксических средах, которые напоминают те, что в раковых тканях. Этот эффект наблюдается и в LNCaP и в SW-480 клеточных линий рака толстой кишки. Витамин D₃ также угнетает секрецию фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) в этих клеточных линиях, а также в MCF-7 клеток рака молочной железы линии. Кроме того, витамин D лечение downregulates эндотелин 1 (эт-1) и глюкозо transporter 1 (Glut-1). VEGF-1, ET-1 и Glut-1 необходимы для индукции ангиогенеза. Этот молекулярный эффект опосредуется через значительное снижение экспрессии HIF-1 транскрипции и трансляции [86].

Исследования Чанг и его коллеги [87] показал, что в опухоли полученных эндотелиальных клеток от АСГ нокаутных мышей, потеря VDR привело к увеличению HIF-1α, VEGF, ангиопоэтина-1 и тромбоцитарного фактора роста уровней. Кроме того, in vivo, мыши, лишенные VDR выставлены увеличенные кровеносные сосуды покрываем опухолевых очагов. Это явно подразумевает АСГ в контроле опухоль-ассоциированного ангиогенеза.

Витамин D₃ сильно тормозит Sonic Hedgehog сигнального каскада в человеческой почечно-клеточного рака. Мышей xenografted с почечно-клеточной карциномы клеток, но, получавших витамин D экспонат отсутствие развития опухоли или существенное торможение роста, предполагая, что витамин D₃ можно использовать профилактически для предотвращения развития опухоли или регрессии [88].

Инсулиноподобные факторы роста (Фуи) и их связывающие белки были замешаны в развитии ряда опухолей [89]. В случае рака предстательной железы, например, IGFBP3 белка снижается, когда клетки прогресс от доброкачественных до злокачественных метастазов [90,91]. Microarray анализ показал, что витамин D₃ регулирует IGFBP3, которые секвестрами и модулирует уровни IGF-I, в человека LNCaP рака предстательной железы клеточных линий [92]. После лечения витамином D₃, IGFBP3 мРНК сильно upregulated в LNCaP клеток. В злокачественных и метастатических MCF10CA клетки рака молочной железы, IGFBP3 транскрипты были upregulated после лечения с витамином D, аналоговый, близнецы [93]. IGFBP5 экспрессии генов был наведен после лечения витамином D₃ в MCF-7 клеток рака молочной железы линии [94].

Взаимодействие в клеточной сигнализации, который необходим для витамин д, рост-ингибирующей роли в клетки рака простаты возникает между витамином D и андрогенов [79]. Без андрогенных рецепторов, витамин D является неэффективным в своих защитных действий, указывая, что защитная функция гормона требует, сигнализация перекрестные помехи между обеими молекулами.

Аналогичным образом, в клеточной линии рака толстой кишки, Caco-2, витамин D сигнализации полагают, модуляции апоптоза, влияние трансформирующего фактора роста β1 (TGF-β1). В отличие от его влияния на нормальные клетки эпителия, TGFβ не может препятствовать росту клеток Caco-2 (рак толстой кишки и других производных клеточных линий, таких как SW-480). Однако, это сопротивление восстанавливается после лечения Caco-2 клеточной линии с витамином D [95]. Эффект витамина D₃ кажется, через увеличение IGF-II рецепторов и повышенная экспрессия TFG-β1 в этих клеточных линий. Кроме того, видимая сенсибилизации клеток к апоптозу с помощью витамина D В противном случае апоптоз-резистентных злокачественных клеточных линий указывает на важную роль витамина D в лечении резистентных рефрактерных опухолей. Витамин D взаимодействует с TGF-β-SMAD1 сигнализации, блоки транскрипционной экспрессии белков клеточного цикла и подавляет действие клеточного цикла белок cyclins D₁D₂D₃ и е. витамин D может также ингибировать эпидермального фактора роста сигнализации и митогенных РАН сигнализации [40,96,97].

Wnt signaling активации-это одна из главных причин в патогенезе некоторых форм рака [98,99,100,101]. Wnt действует через ядерная локализация β-катенина и его связь с подчиненными факторы транскрипции, такие как TCF1 (также известный как TCF7) и TCF4 (также известный как TCF7L2). После ядерной локализации, β-катенин может активировать несколько генов, вовлеченных в опухолевый рост, метастазирование или ангиогенеза. Wnt может upregulate генов клеточного цикла, таких как циклин D, c-Myc и c-jun, матриксных металлопротеиназ ММП-7 [102]и конечностей, почек и сердца (LBH) транскрипционных факторов, которые способствуют озлокачествления клеток и метастазирования. Wnt также upregulates эндотелин 1, VEGF и интерлейкина 8 (IL-8), все из которых стимулировать ангиогенез, необходимый для подачи агрессивных опухолей [103,104,105]. Wnt также downregulates E-кадгерина, необходимых для адгезии клеток [106]. Это экспрессирован могут модулировать метастатическим трансформации, связанные с Wnt-активированный опухолевых клеток [107]. Противоопухолевый эффекты витамина D, что отталкивает Wnt сигнального действия были лучшие продемонстрировали в груди, прямой кишки и простаты раковых клеток. Витамин D лечение downregulates несколько выше онкогенез-содействие генов. Это действие модулированных по геномные эффекты VDR взаимодействия с β-катенин и, следовательно, подавление Wnt-активированный индукции транскрипции вышеупомянутых генов [85,94,107,108,109,110,111,112]. Витамин D также upregulates антагонистов Wnt, DKK-1, Таким образом подавляя активации Wnt и связанные с ними трансформации [112,113].

Витамин D лечение блоков продукции IL-1β в макрофаги [114] и, следовательно, блокирует воспаления, связанные с прогрессии рака толстой кишки. Эта инактивация IL-1β подавляет воспаление и, в свою очередь, Wnt signaling активации в рак толстой кишки эпителиальные клетки, необходимые для прогрессирования опухолей толстой кишки [115]. Подавляющая эффекты витамина D на воспаление также было подтверждено в ходе исследований, которые показали, что витамин д может подавлять IL-1β, IL-6 и IL-17 и NF-B в воспаления, связанные с груди и простаты раковых клеток [107,116,117].

2.5. Autophagy

Витамин D регулирует связанные с раком аутофагии. Аутофагия играет большую роль в профилактике опухолевой прогрессии in vivo [118,119]. Autophagy позволяет клеткам выжить в условиях стресса, такие как низкий уровень кислорода или питательных лишения, через переваривание клеточных обломков или накопленных поврежденных органелл. Такой мусор может привести к повреждению клеток и, следовательно, влияют на жизнеспособность и выживание. Хотя это может рассматриваться как противоречие признать, что продвижение выживания клетки в опухолевые клетки будет оправдано, исследования в миелоидного лейкоза HL60 клеток и в MCF-7 клеток рака молочной железы линии указывают, что активация аутофагии пути гормон, витамин D, является важным в увлекательных сигнальных путей, опосредующих опухоль-подавляющей роли витамина D. витамин D лечение опухолевых клеток, кажется, посредником регуляция белка, известного как beclin-1, который взаимодействует с PI3 киназы (PI3K), который, в свою очередь, ингибирует mTOR, ответственного за продвижение опухолевого роста и прогрессии. Специфического ингибирования mTOR сигнальный одно, что подавляет молекул, таких как ингибиторы CDK, p19 и р27, но независимо от р53-опосредованного механизма. Витамин D лечение имеет решающее значение для поддержания жизнеспособности клеток и выживание с помощью сигнальных путей, которые требуют PI3K и митоген-активированной протеинкиназы сигнализацию и, не зависящих от путей выявления апоптоза. Такие сигнализации активации эффективен на ранних стадиях повреждение клеток, что связано с канцерогенеза (и терапии рака), и где неоваскуляризации тканей отсутствует. Лечение витамином D в таких опухолей на ранних стадиях клеточной трансформации будет вызывать аутофагии с целью расчистки поврежденных хромосом и органелл мусора [120]. После аутофагии, p53 и других опухоль-супрессорных генов могут либо инициировать ремонт сотовых каскадов, если опухолей в ранних стадиях или индуцировать апоптоз в-клеток, сенсибилизированных для лечения с помощью лучевой терапии или химиотерапии [119,121] Кроме того, благотворное влияние витамина D-индуцированной аутофагии было постулировано быть оказано через затухания воспаления, связанные с онкогенез. Однако, поскольку аутофагии эффекты могут способствовать как выживаемость клеток и ингибированию опухолевого прогрессирования, хотя и в рамках различных клеточных средах, баланс между двумя этими противоположными механизмами на витамин D лечение нуждается в дальнейшем исследовании. Такие исследования помогут определить точную последовательность и дозы витамина D лечение соответствующими качестве адъювантной противоопухолевой лекарственной терапии в сочетании с опухолью лечения [36,122,123,124].

Vitamin D refers to two fat soluble substances, vitamin D₃ (cholecalciferol) and vitamin D₂ (ergocalciferol), and their metabolites, which are considered to be important nutrients for human health. Dietary vitamin D₃ sources include dairy, eggs, fish and meat [1], while dietary vitamin D₂ (ergocalciferol) sources are UVB-irradiated yeast and fungi [2,3]. However, there seem to be some unaccounted for dietary sources [4]. In humans, vitamin D₃, made naturally by the body following exposure to ultraviolet light, acts as an important endocrine hormone precursor.

Mellanby [5] and McCollum [6] first identified vitamin D’s effects in experiments that investigated the chemical components of cod liver oil that could prevent rickets in animals. Later studies by Hess [7], McCollum [8], Steenbock [9], Askew [9] and Windaus [10] helped isolate, identify and determine the structure and function of this hormone and its essential role in skeletal health. In 1939, Windhaus determined the structure and initial pathways by which vitamin D₃ was synthesized from 7-dehydrocholesterol [11,12]. His biochemical investigations were the basis for Holick and colleagues [13,14,15,16] to later elucidate the biochemical pathways and physiological mechanisms that regulated the formation of the active vitamin D hormone, 1α,25-dihydroxyvitamin D₃ [17]. Vitamin D₃ is initially synthesized via the initial conversation of 7-dehydrocholesterol upon UV irradiation of the skin [13,14,15,16]. This provitamin D₃ is further metabolized in the liver and kidneys to produce the active hormone, 1α,25-dihydroxyvitamin D₃, often mentioned in the literature simply as vitamin D [18,19,20,21] (Figure 1). However, extrarenal production of 1,25-dihydroxyvitamin D also occurs in many organs [22]. 25-hydroxyvitamin D [25(OH)D] is the circulating metabolite of vitamin D that is routinely measured.

In the 90 years since the above discovery to date, scientists have demonstrated unequivocally that vitamin D exerts a spectrum of biological effects well beyond its classical role in calcium and phosphate homeostasis. The cloning of the vitamin D receptor (VDR) in 1987 and the detection of VDRs in almost all tissues of the body spurred wide interest in its physiological functions [23]. Vitamin D₃ has important homeostatic functions in fetal and adult development and differentiation in endocrine, metabolic, neurological, epidermal and immunological systems of the human body [24,25,26] (Table 1). Moreover, several studies support an essential role for vitamin D in regulating mechanisms controlling cell proliferation, differentiation and growth. These bodies of evidence reveal protective functions for vitamin D against carcinogen-induced neoplasia and recurrent secondary metastasis [27].

Vitamin D acts as a steroid hormone by regulating gene transcription. The effect of the bioactive hormone 1α,25-dihydroxyvitamin D₃ occurs via the VDR. The VDR was identified in 1969 [28] and was cloned in 1987 [29]; its crystal structure and binding to its natural ligand were characterized in 2000 [30]. Since its discovery, researchers have detected the VDR in many tissues of the body, including bone, pancreatic β cells, parathyroid gland, brain, skin, prostate, testes, heart, skeletal muscle tissue, breast, liver, lung, intestine, kidneys, adipose cells and immune response cells, such as macrophages, dendritic cells and activated B- and T-cells [31,32,33,34,35,36]. The receptor is widely distributed in the body, indicating physiological roles in homeostatic regulation beyond bone tissue mineralization. Ligand binding by 1α,25-dihydroxyvitamin D₃ to its receptor can either activate or repress genes [37,38,39,40,41]. The VDR exerts its genomic effects by binding to regulatory vitamin D response elements (VDREs) present in the promoter regions of target genes in these tissues. The most prevalent motif for the VDRE sequence consists of two half-sites, each with the six-nucleotide consensus sequence, GGTCCA, separated by three other nucleotides of any sequence [37]. This motif is known as direct repeat 3 (DR3), although other configurations of VDRE-binding sites, including DR6 and DR4, exist in some vitamin D-regulated genes [26,37,42,43].

Ligand-bound VDR-dependent transcription regulation of genes occurs via the dimerization of the receptor with the retinoic X receptor (RXR). Although VDR preferentially binds to RXR, creating a VDR-RXR dimer, VDR can also bind other receptors of the nuclear receptor superfamily, which include thyroid, vitamin A, PPAR-γ and other orphan receptors [44]. The VDR-RXR dimer can regulate genes in several systems and tissues [26].

1.2.2. VDR Structure and Role of Cofactors

The VDR has two variant isoforms, one with 424 amino acids (aa) and the other with 427 aa [45,46]. The complete functional protein contains several distinct domains: a DNA-binding domain (aa 24–115), a nuclear localization sequence (aa 44–55, 79–105), a hinge domain (aa 116–226), a dimerization domain (aa 37, 91–92, 244–263, 317–395) that overlaps with the ligand-binding domain (LBD) (aa 227–244, 268–326, 396–422) and the sequences of the activation domain (AF2; aa 246, 416–422) [47,48].

As with other nuclear hormone receptors, VDR has a conserved DNA-binding domain that comprises two zinc fingers necessary for target gene VDRE binding and dimerization of the activated receptor. The first zinc finger (proximal to the N terminus of the protein) is required for docking at the VDRE, whereas the second zinc finger is required for binding dimerization with RXR. A nuclear localization sequence is located within the DNA-binding region and just upstream of the C terminal to this binding domain. The nuclear localization sequence directs localization of the activated receptor to the nucleus to regulate gene transcription. The LBD, which consists of 12 α-helices joined by β-sheets, has regions required for 1α,25-dihydroxyvitamin D₃ binding at helix 2 and two further regions required for RXR heterodimerization (see [30,37] for key references on LBD crystal structure and properties and functions). Within this C-terminus region of the LBD lies the major activation domain, AF2, required for transcription coactivation. Ligand binding by the active hormone creates a conformational change that releases transcription repressors such as WSTF and WINAC and enables attachment of coactivators [49,50,51]. AF2 is bound by cofactors of the steroid receptor coactivator (SRC) family, NCoA62-SKIP, CBP/p300 and p/CAF, and proteins of the VDR-interacting protein complex (DRIP/Mediator) [52,53]. CBP/p300 and p/CAF have histone acetyl transferase ability, which unravels the chromatin of the target gene [54]. This unwinding of the chromatin enables the transcription machinery, such as TF2B and RNA polymerase II, to bind and subsequently initiate transcription [55]. The DRIP complex, made up of approximately 15 leucine-rich proteins, is unique in its function in that it creates a bridge between the SRC coactivator proteins lodged at the VDRE of the gene and the transcription machinery at the start site of the regulated gene. DRIP 205 specifically is required in this vitamin D-induced transcription activation to enable an open position of the transcribed chromatin [56,57].

1.2.3. Nongenomic Cytoplasmic Action

Vitamin D can also function via nongenomic mechanisms without exerting transcriptional effects or requiring additional protein synthesis. Such nongenomic effects have previously been reported for other nuclear hormones, such as estrogen, thyroid hormone and corticosteroids [58,59]. Vitamin D is thought to regulate rapid cellular calcium flux and calcium-activated chloride channel activity via a membrane-bound receptor protein known as 1,25-(OH)₂D membrane–associated rapid response steroid-binding protein (1,25 D-MARRSBP), also known as endoplasmic reticulum stress protein 57. MARRSBP was identified, purified and cloned from chick intestinal epithelium [60]. MARRSBP has also been found in tissues, including osteoblasts, liver, adipocytes and muscle [61,62,63,64,65,66,67]. MARRSBP acts via a G protein-coupled process that activates phospholipase C. Phospholipase C hydrolyzes membrane-bound phosphoinositol bisphosphate (PIP₂) to release inositol trisphosphate (IP₃) and diacylglycerol. In turn, these cellular messengers enable the release of calcium from endoplasmic stores and mediate the acute quick release of calcium in the cell [68]. This interaction, however, cannot occur without nuclear-targeted VDR, indicating that a cooperative mechanism of action between membrane-bound MARRSBP and VDR mediates rapid responses in some tissue types [35,69]. This interaction between the membrane-bound and nucleus-bound receptors can occur in cancer cell lines. In MCF-7 breast cancer cells, MARRSBP antagonizes VDR, thus implicating the membrane-bound MARRSBP in the modulation of cellular proliferation and malignancy. However, the full purpose of this interaction is yet to be elucidated [70].

Through the genomic actions of vitamin D₃ via VDR regulation of several genes containing VDREs, 1α,25(OH)₂ vitamin D₃ and its analogues inhibit cell cycle progression and tumor cell growth in several cancer cell lines. Such mechanisms range from preventing cell proliferation (cell cycle arrest) to inducing apoptosis to inducing or suppressing cell adhesion molecules and growth factors that promote cellular homing and metastasis.

The cell cycle is regulated by a complex network of interlinked regulators that in concert govern cellular proliferation. Vitamin D may exert growth inhibitory effects through repression of different key molecules involved in cell cycle regulation. For example, Jensen and colleagues [71] demonstrated that 1,a,25-(OH)₂D₃ treatment of human breast cancer cell line MCF-7 resulted in repression of c-Myc, a known proto-oncogene in the cell cycle regulatory machinery. Salehi-Tabar and colleagues [72] demonstrated that 1,a,25-(OH)₂D₃ can suppress expression of the oncogene c-Myc and, thus, promotes the increased expression of its antagonist, the transcriptional repressor, MAD1/MXD1. This effect is mediated by other cellular regulators, such as F-box protein (FBW7). Meyer and colleagues [73] also demonstrated that in colonic cells of colorectal tumors, treatment with 1,a,25-(OH)₂D₃ can suppress c-Fos and c-Myc gene expression in a manner that involves B-catenin signaling interactions. In prostate cancer cells, Washington and colleagues [74] showed that this repression is independent of retinoblastoma protein (Rb). Li and colleagues [75] showed that treatment of ovarian cancer cells with 1,25-dihydroxyvitamin D₃ results in p27(Kip1) stabilization and G(1) arrest through downregulation of cyclin E/cyclin-dependent kinase 2 and Skp1-Cullin-F-box protein/Skp2 ubiquitin ligase. Collectively, these studies confirm that vitamin D can suppress cell proliferation through inhibitory effects on several regulators in the network of cell cycle control machinery.

Akutsu and colleagues [76] reported that treating human head and neck squamous cell carcinoma cells SCC25 with vitamin D arrested cell proliferation at the G₀/G₁ phase. Vitamin D also upregulated the growth-arrest DNA damage repair factor, GADD45α, at both the mRNA and protein levels. Cyclin-dependent kinase inhibitor p21 was also induced at the mRNA level, but not at the protein level. Chiang and colleagues showed that both vitamin D and its analogue, MART-10, were potent chemicals that could arrest the cell cycle at the G₀/G₁ transition phase in MCF-1 breast cancer cell lines. This process occurred through the expression of BAX/BCL proapoptotic proteins and the initiation of apoptosis via release of cytochrome C from mitochondria. Moreover, MART-10 induced no observed hypercalcemic effects (which are sometimes observed with vitamin D treatment), suggesting that such analogues would be good agents to deter cancer progression without detrimental side effects ([77]). In adenoma and carcinoma colorectal cell lines (SW620, PC/JW and HT29), treatment with vitamin D or its analogue, EB1089, induced apoptosis independent of p53, increased the number of cells in the G₁ phase and increased levels of the proapoptotic protein, Bak (a member of the BCl-2 gene family), in all cell lines tested. This finding suggested that vitamin D and its analogues are clinically effective for treating colorectal cancers. In rat glioma C6.9 cell lines, vitamin D treatment induced apoptosis via DNA fragmentation and upregulation of p53 and GADD45 genes [78]. In prostate cancer cell lines, vitamin D treatment inhibited cyclin-dependent kinase 2 activity and induced G₀/G₁ cell cycle arrest [79]. Therefore, several lines of evidence from in vitro studies support the role of vitamin D in promoting cell cycle arrest and promoting apoptosis in malignant transformed cells.

2.3. Hypoxia, Oxidative Stress, HIF-1 and Angiogenesis

Hypoxia and oxidative stress are often associated with cancer progression. Oxidative stress often induces DNA damage and loss of DNA-repair ability [80,81]. Hypoxia also promotes hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1)-dependent angiogenesis essential for tumor growth [82]. Treatment of several cell lines, such as SW-480-ADH, LNCaP (a prostate cancer cell line) and MCF-7, with vitamin D activates cellular signaling cascades that reduce thioredoxin and promote antioxidant responses, induce mRNA expression of superoxide dismutase (in prostate epithelial cells) and downregulate glutathione levels by increasing glucose-6-phosphate dehydrogenase expression [83,84,85].

Vitamin D₃ inhibits initiators of cellular angiogenesis in several cancer cell lines. Adding vitamin D₃ to the highly aggressive androgen-insensitive prostate cancer cell line, CL-1, inhibits proliferation of these cells both in normoxia and in hypoxic environments that resemble those in cancer tissues. This effect is also observed in LNCaP and in SW-480 colon cancer cell lines. Vitamin D₃ also inhibits secretion of vascular endothelial growth factor (VEGF) in these cell lines, as well as in the MCF-7 breast cancer cell line. Furthermore, vitamin D treatment downregulates endothelin 1 (ET-1) and glucose transporter 1 (Glut-1). VEGF-1, ET-1 and Glut-1 are essential for inducing angiogenesis. This molecular effect is mediated via significant downregulation of HIF-1 transcription and translation [86].

A study by Chung and colleagues [87] showed that in tumor-derived endothelial cells from VDR knockout mice, loss of VDR resulted in an increase in HIF-1α, VEGF, angiopoietin 1 and platelet-derived growth factor levels. Moreover, in vivo, mice lacking VDR exhibited enlarged blood vessels to perfuse tumor lesions. This clearly implicates VDR in the control of tumor-associated angiogenesis.

Vitamin D₃ strongly inhibits the Sonic Hedgehog signaling cascade in human renal cell carcinoma. Mice xenografted with renal cell carcinoma cells yet treated with vitamin D exhibit the absence of tumor development or substantial growth inhibition, suggesting the vitamin D₃ can be used prophylactically to prevent tumor development or regression [88].

Insulin-like growth factors (IGFs) and their binding proteins have been implicated in the development of several tumors [89]. In prostate cancer, for example, IGFBP3 protein levels decrease when cells progress from benign to malignant metastasis [90,91]. Microarray analysis has shown that vitamin D₃ regulates IGFBP3, which sequesters and modulates levels of IGF-I, in LNCaP human prostate cancer cell lines [92]. Upon treatment with vitamin D₃, IGFBP3 mRNA is highly upregulated in LNCaP cells. In malignant and metastatic MCF10CA breast cancer cells, IGFBP3 transcripts were upregulated after treatment with a vitamin D analogue, Gemini [93]. IGFBP5 gene expression was induced after treatment with vitamin D₃ in MCF-7 breast cancer cell lines [94].

An interaction in cellular signaling that is required for vitamin D’s growth-inhibitory role in prostate cancer cells occurs between vitamin D and androgens [79]. Without androgen receptors, vitamin D is ineffective in its protective action, indicating that the protective function of the hormone requires signaling cross talk between both molecules.

Similarly, in the colon cancer cell line, Caco-2, vitamin D signaling is thought to modulate the apoptotic effects of transforming growth factor β1 (TGF-β1). Unlike its effect on normal epithelial cells, TGFβ cannot inhibit cell growth in Caco-2 (and other colon cancer-derived cell lines, such as SW-480). However, this resistance is reverted upon treatment of Caco-2 cell lines with vitamin D [95]. The effect of vitamin D₃ appears to be via upregulation of IGF-II receptors and increased expression of TFG-β1 itself in these cell lines. Furthermore, the apparent sensitization of cells to apoptosis by vitamin D in otherwise apoptosis-resistant malignant cell lines indicates an important role for vitamin D in the treatment of resistant refractory tumors. Vitamin D interacts with TGF-β–SMAD1 signaling, blocks transcriptional expression of cell cycle proteins and inhibits the action of cell cycle protein cyclins D₁, D₂, D₃ and E. Vitamin D can also inhibit epidermal growth factor signaling and its mitogenic Ras signaling [40,96,97].

Wnt signaling activation is a key culprit in the pathogenesis of several cancers [98,99,100,101]. Wnt acts through the nuclear localization of β-catenin and its association with downstream transcription factors, such as TCF1 (also known as TCF7) and TCF4 (also known as TCF7L2). Upon nuclear localization, β-catenin can activate several genes involved in tumor growth, metastasis or angiogenesis. Wnt can upregulate cell cycle progression genes, such as cyclin D, c-Myc and c-jun, matrix metalloproteinase MMP-7 [102], and limb, bud and heart (LBH) transcription factor, which promote cell malignancy and metastasis. Wnt also upregulates endothelin 1, VEGF and interleukin 8 (IL-8), all of which promote angiogenesis, required to feed aggressive tumors [103,104,105]. Wnt also downregulates E-cadherin, required for cellular adhesion [106]. This downregulation may modulate the metastatic transformation associated with Wnt-activated tumor cells [107]. The antitumor effects of vitamin D that antagonize Wnt signaling action have been best demonstrated in breast, colorectal and prostate cancer cells. Vitamin D treatment downregulates several of the above tumorigenesis-promoting genes. This action is modulated by the genomic effects of VDR interaction with β-catenin and, therefore, suppression of Wnt-activated transcription induction of the above-mentioned genes [85,94,107,108,109,110,111,112]. Vitamin D also upregulates the Wnt antagonist, DKK-1, thus suppressing Wnt activation and associated transformation [112,113].

Vitamin D treatment blocks production of IL-1β in macrophages [114] and, hence, blocks inflammation associated with colon carcinoma progression. This inactivation of IL-1β suppresses inflammation and, in turn, Wnt signaling activation in colon cancer epithelial cells required for the progression of colon tumors [115]. The suppressive effects of vitamin D on inflammation have also been confirmed through studies that have shown that vitamin D can suppress IL-1β, IL-6 and IL-17 and NF-κB in inflammation associated with breast and prostate cancer cells [107,116,117].

2.5. Autophagy

Vitamin D regulates cancer-associated autophagy. Autophagy is important in the prevention of tumor progression in vivo [118,119]. Autophagy allows cells to survive in conditions of stress, such as low oxygen or nutrient deprivation, through digestion of cellular debris or accumulated damaged organelles. Such debris may damage the cell and, hence, affect viability and survival. Although it may be considered a contradiction to accept that promoting cell survival in tumor cells would be warranted, studies in HL60 myeloid leukemia cells and in MCF-7 breast cancer cell lines indicate that activating autophagy pathways by the hormone, vitamin D, is important in exciting signaling pathways mediating the tumor-suppressive role of vitamin D. Vitamin D treatment of tumor cells seems to mediate upregulation of a protein known as beclin-1, which interacts with PI3 kinase (PI3K), which, in turn, inhibits mTOR, responsible for promoting tumor growth and progression. The specific inhibition of mTOR signaling is one that suppresses molecules, such as CDK inhibitors, p19 and p27, but is independent of p53-mediated mechanisms. Vitamin D treatment is crucial for maintaining cell viability and survival via signaling pathways that require PI3K and mitogen-activated protein kinase signaling and that are independent of pathways eliciting apoptosis. Such signaling activation is effective at early stages of cellular damage, which is associated with carcinogenesis (and cancer therapy), and where neovascularization of tissues is absent. Treatment with vitamin D in such tumors at early stages of cellular transformation would induce autophagy with the aim of clearing damaged chromosomes and organelle debris [120]. After autophagy, p53 and other tumor-suppressor genes can either initiate cellular repair cascades if tumorigenesis is in its earlier stages or induce apoptosis in cells sensitized for treatment with radiotherapy or chemotherapy [119,121] Moreover, the beneficial effects of vitamin D-induced autophagy have been postulated to be exerted via attenuation of inflammation associated with tumorigenesis. However, because autophagy effects can promote both cell survival and inhibition of tumor progression, albeit under different cellular environments, the balance between both these opposing mechanisms on vitamin D treatment needs further study. Such studies will help determine the exact sequence and dose of vitamin D treatment relevant as an adjuvant anticancer drug therapy in combination with tumor treatments [36,122,123,124].

Традиционно считается типичным витамином , регулирующих гомеостаз кальция и фосфора, витамина D теперь обнаружил, как универсальный молекулы с новыми ролями иммунитета, рак, инфекционные заболевания, фиброза, жировой болезни печени, алкогольной болезни печени. Большой объем клинических данных показал, распространенности и рисков витамин D дефицит в различных хронических заболеваний. Биологически активный витамин D, 1,25-dihydroxylvitamin D3, синтезируется в двух различных систем. Помимо классических двух-этап гидроксилирования в печени и почках, 1,25-dihydroxylvitamin D3 также можно производить локально на клетки иммунной системы в ответ на инфекцию. Биоактивные витамин D, образующихся в этих двух бассейнов, по-видимому, функционирует по-разному: в то время как бывший способствует адсорбции кальция и гомеостаз, последний дает иммунной регуляции. Иммунную регуляторные функции витамина D характеризуется индукции антимикробных пептидов, подавление врожденного иммунного ответа, индукция Th2 цитокинов и стимуляции т-регуляторных т-клеток. Витамин D дефицит или недостаточность в подавляющем большинстве случаев, связанных с вирусными гепатитами, циррозом печени и жировой болезни печени. Недавние клинические испытания показали, что витамин D добавки значительно повысить эффективность интерферона плюс рибавирин терапии через устойчивый вирусологический ответ. Недавнее исследование показало, что 25-дигидроксивитамин D, а не 1,25-дигидроксивитамин D может непосредственно подавлять вирус гепатита С В СБОРЕ. Кроме того, клинические данные показали, что витамин D дефицит связан с алкогольной и безалкогольной жировой болезни печени. В этом обзоре мы выделяем некоторые последние достижения в витамин D исследований и клинических исследованиях.