Vitamin D, vitamin D receptor, and macroautophagy in inflammation and infection

Vitamin D, vitamin D receptor, and macroautophagy in inflammation and infection.

Author information

• 
  ¹Department of Medicine, University of Rochester, New York 14642, USA.
  

Abstract

Дефицит витамина D является важным фактором в патологии, по крайней мере, 17 разновидностей онкологических заболеваний, а также аутоиммунных заболеваний, диабета, остеохондроза, пародонтоза и более (Adorini и Пенна, 2008; Блейни et al., 2009; Campbell et al., 2010; Cannell et al., 2008; Gocek и Studzinski, 2009; Grau et al., 2003; Хини, 2008) (http://www.vitamindcouncil.org). Рецептор витамина D (VDR) является ядерным рецептором, который опосредует большинство биологических функций витамина D₃ активная форма витамина D (Baeke et al., 2010). Активация VDR сигнализации влияет на многие процессы, включая метаболизм кальция, апоптоз, иммунитет, и аутофагии (Bikle, 2010; Hewison, 2008; Jo, 2010; Норман, 2008; белый, 2008). Autophagy влияет на различные аспекты прогрессирования заболевания, в том числе стресс-адаптации, продолжительность жизни расширение, развитие, иммунитет и рак (Брест et al., 2010; Levine и Кремером, 2008; White et al., 2010; De Meyer et al., 2009 г.). Растет озабоченность в отношении использования витамина D в качестве дешевой и удобной добавка для профилактики заболеваний. В этой статье мы рассмотрим последние достижения в сигнальные пути, связанные с витамином D/VDR и аутофагии. Обсуждаются молекулярные механизмы и возможности применения витамина D₃ сигнализации для аутофагии гомеостаза.

Есть два биологически соответствующих форм витамина D. один - эргокальциферол или витамин D₂, а другой-холекальциферол или витамин D₃. Фермента 25-hydroxyvitamin D-1альфа-гидроксилазы, которая катализирует 25-hydroxyvitamin D₃ в 1,25(OH)₂D₃, имеет решающее значение для производства активной формой витамина D. после того, рассмотрен клетки-мишени, витамин D₃ связывает ее родственных рецепторов, АСГ.

АСГ является членом ядерного рецептора суперсемейства (Adams et al., 2004). У млекопитающих, VDR сильно выраженных метаболических тканей, таких как кишечник, почки, кожи, щитовидной железы, умеренно выраженного в почти всех тканях (Bookout et al., 2006; Norman, 2008). Кроме того, АСГ выражается во многих злокачественных тканей (Sertznig et al., 2009; Silvagno et al., 2010). Активные VDR связывает витамин D элементы ответа (VDREs), расположенных в промоторных областей генов-мишеней, тем самым контролируя транскрипции этих генов (Carlberg, 2003; Haussler et al., 2008). АСГ влияет на транскрипцию, по крайней мере, 913 генов в человеческой SCC25 клетки (области головы и шеи, плоскоклеточный рак клеток линии) (Wang et al., 2005). Влияние биологических процессов в диапазоне от метаболизма кальция на экспрессию ключевых антимикробных пептидов (Albert et al., 2009; камень и Tangpricha, 2010; солнца, 2010). Поэтому, не удивительно, что витамин D₃/VDR сигнализации занимается минерального и костного гомеостаза, модуляции роста, сердечно-сосудистые процессы, профилактика онкологических заболеваний и регуляции иммунных реакций, в том числе и аутофагии. Дисфункция и витамина D VDR₃ дефицит может привести к снижению развития костей и здоровья, а также увеличить риск многих хронических заболеваний, включая сахарный диабет 1 типа, ревматоидный артрит, болезнь крона, инфекционные заболевания и рак (Холиком, 2010).

Autophagy

Аутофагия-это лизосом-опосредованной катаболические пути, что происходит повсеместно во всех эукариотических клетках (Reggiori и Клионский, 2002). В зависимости от маршрута доставки лизосом, аутофагии классифицируется на три различных типа: macroautophagy (поставка цитозольной содержимое лизосом, autophagosomes), microautophagy (внутренняя инвагинация лизосомальных мембран), и шаперон-опосредованной аутофагии (прямой транслокации через лизосомную мембрану) (Mizushima и Левин, 2010). Мы ориентируемся на macroautophagy, который в дальнейшем просто назвать аутофагии, в этом обзоре.

Процесс млекопитающих аутофагии делится на шесть основных этапов: инициация, или индукции, нуклеации, удлинение, закрытие, созревания и деградации или экструзии (Kang et al., 2011). Нуклеации является формирование мембраны изоляции/phagophore. Зарождающийся мембран срослись в их края, чтобы сформировать двойной мембраной везикул, называемых autophagosomes. Удлинение и закрытие привести к завершению зрелые autophagosome (Vellai, 2009). В autophagosome предохранители с лизосом сформировать autolysosome, а затем его содержание снижается (Levine et al., 2011, 2008; Рой и Debnath, 2010). Более 30 аутофагии-связанных генов (ATG) регулируют аутофагии на молекулярном уровне (Huang и Клионский, 2007).

Уборка функция аутофагии является поддержание клеточной энергии уровней и выживаемость клеток по утилизации аминокислот и жирных кислот в периоды метаболической стресс (Onodera и Ohsumi, 2005; Levine et al., 2008). Кроме того, аутофагии защищает клетки путем деградации поврежденных белков и органелл, а также внутриклеточных возбудителей. Функции аутофагии включают подавления опухоли (Рой и Debnath, 2010), антимикробной защиты (Deretic, 2010), угнетение сердечной гипертрофии (De Meyer и Martinet, 2009), anti-aging (Vellai, 2009)и другие (Fleming, 2011). Примечательно, что функции аутофагии пересекаются с теми, витамина D/VDR сигнализации.

Аутофагия может быть, индуцированного клеточного стресса, в том числе голодание, гипоксия, биологических агентов и химических веществ. Некоторые исследования сообщают, аутофагии, индуцированных витамин D₃ и ее аналогов в человеческих миелоидных лейкозных клеток, макрофагов, клеток рака молочной железы, головы и шеи плоскоклеточный рак клеток (табл. 1) (Demasters et al., 2006; Хойер-Hansen et al., 2005). Сигнальные пути, регулируемые витамин D₃ есть Bcl-2, beclin-1, mammalian target of rapamycin (mTOR), класс III фосфатидилинозитол-3-киназы комплекс (PI3KC3), кателицидина, метаболизм кальция, и циклин-зависимые киназы (Таблица 1). Эти пути являются критическими в узел обороны и воспалительных реакций. Таким образом, витамин D₃ и аутофагии связанные с врожденного иммунитета (Fabri и Модлин, 2009; Jo, 2010; Liu и Модлин, 2008), воспалительные заболевания кишечника (Verway et al., 2010), инфекции и рак (Gewirtz et al., 2009; Хойер-Hansen et al., 2010).

Витамин D₃ является основным регулятором метаболизма кальция (флот, 2006). Увеличение циркулирующего витамина D₃ активирует АСГ, что приводит к увеличению кишечной абсорбции кальция (Song et al., 2003). В возбудимых клетках, таких как нейроны, кальций высвобождается из саркоплазматического или эндоплазматический ретикулум (ER) для активации кальций-зависимых киназ и фосфатаз, тем самым регулируя многочисленные клеточные процессы, в том числе и аутофагии. ER кальция индуцирует аутофагии, когда стимулируется витамином D₃ (Хойер-Hansen et al., 2007). Этот процесс подавляется mTOR, негативным регулятором macroautophagy, и вызывает массивное накопление autophagosomes в beclin-1 - и ATG7-зависимый характер, так как они не сливаются с лизосом (Хойер-Hansen et al., 2007). Витамин D₃ может вниз-регулировать экспрессию белка mTOR, таким образом, вызывая аутофагии путем ингибирования комплекса mTORC1 (Loewith et al., 2002; Wang et al., 2008).

Bcl-2 семьи также регулирует аутофагии (Chipuk et al., 2010). Опубликованные данные о связи между витамином D₃ и Bcl-2 являются противоречивыми. Витамин D₃ и аналогов витамина D значительно индуцированной экспрессии Bcl-2 при псориазе (Adisen et al., 2006). Однако, Xu et al. (1993) сообщили, что витамин D₃ охраняемых HL60 клетки от апоптоза, но вниз-регулируемой экспрессии Гена Bcl-2. Wagner et al. (2003) обнаружили, что витамин D₃-индуцированного апоптоза Y79 клеток сопровождалось снижением экспрессии Bcl-2 и повышение белка Bax.

Последние исследования также установлено, что Bcl-2 ингибирует аутофагии, подавляя кальция сигналов, в зависимости от того, Bcl-2 место. Bcl-2 ингибирует аутофагии только когда Bcl-2 находится в ER, где было предложено регулировать клеточные Ca²⁺ гомеостаз (Хойер-Hansen et al., 2007). Чтобы полностью понять отношения между VDR и Bcl-2, Bcl-2 члены семьи должны быть расследованы.

Beclin-1 сидит в основе регуляции аутофагии (Sun et al., 2009). Она является ключевым компонентом PI3KC3 комплекса, что важно для локализации autophagic белки предварительно autophagosomal структура (Kang et al., 2011; Кихара et al., 2001). Beclin-1 регулируется от многих факторов, таких как Bcl-2 (Pattingre et al., 2005), NF-B (Copetti et al., 2009b), витамин D₃и аналоги витамина D3 (Хойер-Hansen et al., 2005; Wang et al., 2008; ЮК et al., 2009). Ингибирование целевого Гена VDR кателицидина значительно ослабляет витамин D₃-улучшенная beclin-1 выражение и витамин D₃-индуцированной аутофагии (Wang et al., 2008; ЮК et al., 2009). Однако механизм, посредством которого витамин D₃ увеличивает beclin-1 выражение остается неясным.

Витамин D₃ можно также увеличить beclin-1 выражение через Bcl-2. Beclin-1, Bcl-2-гомология-3 (BH3)-только белок (Синха и Левин, 2008). Bcl-2 связывается непосредственно домен BH3 в beclin-1, ингибируя beclin-1 и, следовательно, аутофагии. Подавление эндогенной Bcl-2 повышает уровень голода-индуцированной аутофагии, возможно, из-за выхода beclin-1 из Bcl-2-beclin-1 комплекс, позволяющий достаточное количество beclin-1, чтобы устроиться на работу, чтобы привязать к PI3KC3 (Maiuri et al., 2007; Pattingre et al., 2005; Zhang et al., 2009).

Кроме того, его воздействие на beclin-1, витамин D₃ сигнализации активирует сигнальный путь PI3K, чтобы побудить аутофагии. PI3K представляет семейство киназ, которые фосфорилируют 3-гидроксильной группы в фи inositides (Saji и Ringel, 2010). Витамин D₃ активирует PI3K пути в THP-1 клеток (Sly et al., 2001), усиливает экспрессию beclin-1, и индуцирует экспрессию PI3KC3 в лейкозных клеток (Wang et al., 2008).

Кателицидина, АСГ вниз по течению Гена, необходимо в autophagosome формирования. Кателицидина принят на работу в autophagosomes через Ca²⁺/кальмодулин-зависимые киназы (киназы-бета) и AMP-активированной протеинкиназы сигнальных путей в человеческих моноцитов, получавших витамин D₃ (Тьфу et al., 2009).

АСГ также регулирует аутофагии через p19^INK4D. p19^INK4D - циклин-зависимые киназы ингибитор. Витамин D₃ индуцирует экспрессию p19^INK4D в SCC25 клеток, тем самым защищая клетки от аутофагии-индуцированной смерти (Тавера-Mendoza et al., 2006). Понятно, что витамин D₃ сигнализации увеличивает p19^INK4D что в свою очередь уменьшает аутофагии и уменьшается VDR связан промоутер p19^INK4D Гена (de tavera-Mendoza et al., 2006). Однако механизм p19^INK4D функция в аутофагии по-прежнему остается в значительной степени неясным.

Витамин D аналоговый EB1089 может увеличить объем кислой отсек лизосом и активность протеаз лизосом в зависимости от времени до начала каких-либо видимых изменений в морфологии клеток или фрагментации ДНК обнаруживаются (Хойер-Hansen et al., 2005). Таким образом, витамин D₃ сигнализация может повысить autolysosome созревания и деградации.

Воспаление (inflammare в Латинской, поджечь) организма немедленного реагирования на повреждение его тканей и клеток патогенных микроорганизмов, вредных раздражителей, таких как химические вещества или физические травмы (Weiss, 2008; Medzhitov, 2008). Как аутофагии и АСГ сигнализации играют важную роль в управлении воспалительной реакции. Ниже мы более детально обсудим воспалительных сигнальных путей, связанных с витамином D и/или аутофагии.

Ядерный фактор-B (NF-B), семья играет различные роли в иммунитет, воспаление и рак (Карин, 2006). АСГ вниз регулирует NF-B деятельности (Wu et al., 2010a; 2010b). В NF-B связывающий участок находится в промоутер beclin-1 Гена (Copetti et al., 2009b). Активный NF-B p65-регулирует экспрессию beclin-1 и стимулирует аутофагии в несколько клеточных систем (Copetti et al., 2009a).

Конститутивно активной IκB киназы (IKK) субъединиц стимуляции аутофагии. Ингибирование или абляции NF-B p65 не подавлять IKK-индуцированной аутофагии (Криолло et al., 2010). В этот момент, понятно, что витамин D₃ сигнализация уменьшается аутофагии через NF-B. Однако, последствия NF-B на аутофагии противоречивы.

В отличие от стимулирующей роли NF-B в регуляции аутофагии, NF-B появилась как негативный регулятор аутофагии, как индуцируемый фактор некроза опухоли, активных форм кислорода (АФК), и голод в некоторых клеточных линиях (Djavaheri-Mergny et al., 2006). NF-B подавляет голод-зависимой аутофагии в острой миелоидной лейкемии (AML) клеточной линии U937 (Fabre et al., 2007). Длительное NF-B препятствует активации E. coli-индуцированной аутофагии в макрофаги путем down-регуляции экспрессии Atg5 и beclin-1 (Schlottmann et al., 2008). Дальнейшие исследования в различных системах потребуется для полного прояснения роли NF-B в аутофагии.

TNF-α является плейотропным воспалительных цитокинов, производимых активированных иммунных клеток, а также стромальных клеток (Эспозито и Cuzzocrea, 2009). TNF-α значительно увеличивает экспрессию beclin-1 через JNK путь в человеческих атеросклеротических сосудистых гладких клеток (Jia et al., 2006). Витамин D₃ ингибирует TNF-α в микобактериями-инфицированных макрофагов и мононуклеарных клеток периферической крови от больных туберкулезом легких (Martineau et al., 2007; Прабху Anand et al., 2009). Витамин D аналоговый холекальциферол снижает уровень циркулирующих уровень TNF-α (Stubbs et al., 2010). Кроме того, ФНО-α значительно увеличивает экспрессию MAP1LC3 (ATG8), чтобы побудить аутофагии. MAP1LC3 экспрессия индуцируется через Akt и JNK пути в человеческих атеросклеротических сосудистых гладких клеток (Jia et al., 2006). Таким образом, витамин D3 сигнализации возможно снижение TNF-α-индуцированных аутофагии.

NOD2-это внутриклеточный распознавания образов рецептор, который распознает muramyldipeptide (MDP), неотъемлемого компонента бактериальной клеточной стенки. NOD2 выражается в миеломоноцитарный клеток, дендритных клеток и кишечных эпителиальных клеток (Лекат et al., 2010). NOD2 запуск по MDP индуцирует аутофагии в дендритные клетки. Этот эффект требует рецепторов, взаимодействующих серин-треонин киназы-2, ATG5, ATG7, и ATG16L1 (Cooney et al., 2010). Витамин D₃ робастно стимулирует экспрессию Гена NOD2 и белка в первичной человека моноцит и эпителиальных клеток (Wang et al., 2010). Кроме того, NOD2 известен триггер аутофагии и элиминации внутриклеточных бактерий путем привлечения ATG16L1 на сайт бактериальных запись (Travassos et al., 2010). Таким образом, витамин D₃ может увеличить пузырька удлинение через NOD2 пути.

ИФН-γ является цитокин, вырабатываемый лимфоцитами, обладает противовирусным, иммунорегулирующее и противоопухолевое свойства (Schroder et al., 2004). Витамин D₃ тормозит IFN-γ в наивной CD62 лиганда⁺CD4⁺ Т-клетки (Staeva-Виейра и Фридман, 2002) и микобактерий-инфицированных мононуклеарных клеток периферической крови и макрофагов (Martineau et al., 2007; Прабху Anand et al., 2009). IFN-γ активирует и увеличивает активности лизосом в макрофагах. Это непосредственно побуждает аутофагии и вербовки аутофагии белков микобактерий phagosome в макрофагах (Аль-Zeer et al., 2009; Gutierrez et al., 2004; Singh et al., 2006). Аутофагии, индуцированного ИФН-γ зависит от ATG5 (Chang et al., 2010). IFN-γ активации макрофагов индуцирует продукции оксида азота, что в свою очередь способствует аутофагии через аутокринными положительной обратной связи (Ghadimi et al., 2010). IFN-γ, уровень повышается, когда клетки при определенных нагрузок, таких как Сальмонеллы инфекции (Liu et al., 2010). Однако нет прямых доказательств того, что витамин D₃ сигнализация может снизиться аутофагии с помощью IFN-γ.

Витамин D₃ сигнализации влияет аутофагии на нескольких уровнях, результатом которого является двусторонней (рис. 2). С одной стороны, витамин D₃ сигнализации повышает уровень свободного цитозольного кальция и, следовательно, уменьшается активность mTOR и индуцирует аутофагии; витамин D₃ сигнализации также увеличивает beclin-1 Через несколько путей, уменьшает ингибирование Bcl-2, увеличивает кателицидина, и вниз регулирует NF-B, который может уменьшить beclin-1 уровень. Витамин D₃ сигнализация может увеличить PI3KC3 белка, повышение нуклеации. Способствовать удлинение, витамин D₃ сигнализации увеличивает NOD2 уровне Новобранец ATG16, увеличивает лизосомальные протеазы активностью и индуцирует autophagosomes сплавить лизосом через кателицидина.

С другой стороны, витамин D₃ сигнализация может снизиться аутофагии с помощью различных механизмов, особенно при определенных напряжений. Витамин D₃ может снизить уровень NF-B, ФНО-α или IFN-γ, снижая, таким образом, аутофагии. Кроме того, витамин D₃ повышает уровень p19^INK4D, который защищает клетки организма от аутофагии-индуцированной смерти (рис. 2).

Витамин D, VDR, и Macroautophagy воспалительные и инфекционные заболевания

Острое воспаление считается host defense стратегия, чтобы удалить вредные раздражители. Воспаление играет важную роль в заживлении ран и инфекции разрешение. Воспаление-это не синоним инфекции. Инфекции, вызванные экзогенных патогенов, таких как бактерии, вирусы и паразитов, принимая во внимание, что воспаление является одним из хост-ответы к патогену.

Хотя успешный воспалительной реакции, как правило, жестко регулируется организмом, воспаление может стать патологическим и вышла из-под контроля. Если острое воспаление не удается устранить возбудителя инфекции, воспалительный процесс сохраняется и приобретает новые характеристики (Medzhitov, 2008). Хроническое воспаление-это длительное, dysregulated, и дезадаптивные реакции, что предполагает активное воспаление, разрушение ткани, и попытки восстановления тканей (Weiss, 2008). Убедительные доказательства того, показано, что оба витамина D сигнализации и аутофагии играют важную роль в патогенезе хронического воспаления и инфекции.

1. Витамин D сигнализации и аутофагии при воспалительных заболеваниях кишечника

Воспалительные заболевания кишечника (ВЗК) - dysregulated ответ иммунной системы, связанный с кишечной ткани commensal микробиоты в генетически восприимчивые (Kaser и Blumberg, 2008). Основные виды IBD являются болезнь крона (БК) и язвенный колит. Патогенез ВЗК включает в себя сложное взаимодействие между генетические, микробиологические, иммунологические и экологические факторы (Bouma и Strober, 2003). Более 30 генетических локусов, связанных с воспалительными заболеваниями кишечника были выявлены в genome-wide association studies (Schreiber, 2009). Аутофагия-ассоциированных генов ATG16L1 и IRGM подтверждаются восприимчивость локусов для CD (Hampe et al., 2007; Parkes et al., 2007; Rioux et al., 2007). Вариантов в NOD2 локус связаны с сильнейшими риск развития CD (Hugot et al., 2001).

Воспаления слизистой оболочки у пациентов с ВЗК сопровождается повышенный уровень активации NF-B, в частности, Р65 (Rogler et al., 1998; Schreiber et al., 1998). NOD2 и NF-B играют важную роль в регуляции аутофагии. Paneth клетки играют важную роль в кишечном врожденного иммунитета путем секреции гранул содержание, в том числе антимикробных пептидов и лизоцим (Ouellette, 2010). В экспериментальных моделях, Paneth клетки показывают заметных отклонений от нормы в экзоцитоза гранул в пути ATG5- и ATG16L1-дефицитных мышей (Cadwell et al., 2008). В человеческом исследовании, NOD2 мутации в значительной степени связаны подвздошной CD и были связаны со снижением экспрессии α-defensins HD-5 и HD-6 изолятов подвздошной Paneth cells (Wehkamp et al., 2004). Взятые вместе, данные сильно вовлечь аутофагии в патогенезе ВЗК (Kaser и Blumberg, 2008).

Дефицит витамина D₃ было предложено, как важный экологический фактор для IBD (Laverny et al., 2010). Витамин D₃ сигнализации регулирует аутофагии через несколько этапов, которые могут повлиять на эффективность процедуры с витамином D₃ и его аналоги на IBD. Витамин D₃ может увеличить NOD2 выражение в человеческих кишечных эпителиальных клеток (Wang et al., 2010). У кроликов, которые были даны растений, содержащих высокие уровни витамина D₃ в течение 15 или 30 дней, время - и дозо-зависимое увеличение размера и количества Paneth клетки были обнаружены в тощей кишке (Zanuzzi et al., 2008). В пилотном клиническом исследовании, в IBD пациентов, Miheller et al. (2009) сообщили, краткосрочный положительный эффект на болезнь крона деятельность по истечении одного года администрация витамина D₃. Однако, нет прямого in vivo доказательства витамина D₃ сигнализации в регуляции аутофагии в IBD.

Некоторые микроорганизмы имеют развитые механизмы противодействия или взять под контроль autophagic пути как стратегия выживания (Colombo et al., 2006; Kirkegaard et al., 2004). Coxiella burnetii находится в phagosome, который взаимодействует с autophagic вакуоли, а затем с лизосом генерировать большое репликативной нишу. Эта бактериологически приводом взаимодействия с autophagosomes и его транзит через autophagic тропа пользу Coxiella репликации клетки-хозяина. Мы полагаем, что витамин D₃ сигнализации могут препятствовать аутофагии и убивают бактерии через кателицидина. Однако, мы не нашли никаких опубликованы сообщения о влиянии витамина D₃ сигнализации и Coxiella burnetii.

Cathelicidins являются одним из основных антимикробных пептида семей. В человека, есть только один кателицидина члена семьи, человека катионных антимикробных белков (hCAP-18), который расщепляется освободить LL37 (Durr et al., 2006). LL-37 показал широким спектром действия против грам-отрицательных и грам-положительных бактерий, различных вирусов и грибков (Tjabringa et al., 2006). В организме человека, кателицидина содержит активации VDREs в его промоутер регион, 507 bp вверх по течению своего сайта инициации транскрипции (Wang et al., 2004). Активация VDR результаты экспрессии кателицидина, как на уровне мРНК и белка, уровни моноцитов/макрофагов (Liu et al., 2006; Перич et al., 2008; Wang et al., 2004).

Существует длительная история использования витамина D для лечения микобактериальных инфекций (лю и Модлин, 2008; Hewison, 2010). Витамин D₃’s антагонизм M. tuberculosis включает в себя антимикробные пептиды (Liu et al., 2006) и аутофагии (тьфу et al., 2009). Витамин D₃-индуцированной антимикробной активности полностью ингибируется в присутствии siRNA против кателицидина (Liu et al., 2007; ЮК et al., 2009). Следовательно, кателицидина необходим для индукции аутофагии с помощью витамина D₃ в бактериальной инфекции.

Все больше доказательств того, поддерживает идею, что аутофагия регулируется витамином D₃ сигнализации на различных уровнях, включая индукционные, нуклеации, удлинение до созревания и деградации. Витамин D₃ сигнализация играет важную роль в регуляции аутофагии, чтобы избежать аутофагии-индуцированных повреждений и препятствовать вторжению микроорганизмов.

Чтобы понять последствия витамин D₃ и аутофагии в воспалительных и инфекционных заболеваний, нам необходимо изучить механизмы, с помощью которых витамин D₃ сигнализации регулирует аутофагии, особенно в лечении болезней, связанных экспериментальных моделях in vivo. Неизвестный вопросы включают: 1) отношения между VDR и Bcl-2; 2) механизм, посредством которого витамин D₃ увеличивает beclin-1 выражение; 3) механизм, с помощью которого p19^INK4D уменьшается аутофагии; 4) последствия NF-B на аутофагии; 5) является ли витамин D₃ сигнализация, непосредственно участвующих в регуляции аутофагии в IBD; 6) бактериальные-host взаимодействий, в результате которых бактерии аутофагии в качестве стратегии выживания. Исследования вышеперечисленных аспектов позволит улучшить наше понимание функции витамина D₃ сигнализации и применять знания для разработки эффективной терапии в анти-воспалительные и анти-инфекцией.

Introduction

Vitamin D deficiency is a critical factor in the pathology of at least 17 varieties of cancer, as well as autoimmune diseases, diabetes, osteoarthritis, periodontal disease, and more (Adorini and Penna, 2008; Blaney et al., 2009; Campbell et al., 2010; Cannell et al., 2008; Gocek and Studzinski, 2009; Grau et al., 2003; Heaney, 2008) (http://www.vitamindcouncil.org). Vitamin D receptor (VDR) is a nuclear receptor that mediates most biological functions of vitamin D₃, the active form of vitamin D (Baeke et al., 2010). Activation of VDR signaling affects many processes, including calcium metabolism, apoptosis, immunity, and autophagy (Bikle, 2010; Hewison, 2008; Jo, 2010; Norman, 2008; White, 2008). Autophagy influences various aspects of disease progression, including stress adaptation, lifespan extension, development, immunity, and cancer (Brest et al., 2010; Levine and Kroemer, 2008; White et al., 2010; De Meyer et al., 2009). There is increasing concern regarding the use of vitamin D as a cheap and convenient supplement for disease prevention. In this article, we review the recent advances of the signaling pathways associated with vitamin D/VDR and autophagy. We discuss the molecular mechanisms and potential application of vitamin D₃ signaling to autophagy homeostasis.

There are two biologically relevant forms of vitamin D. One is ergocalciferol, or vitamin D₂, and the other is cholecalciferol, or vitamin D₃. The enzyme 25-hydroxyvitamin D-1alpha-hydroxylase, which catalyzes 25-hydroxyvitamin D₃ into 1,25(OH)₂D₃, is critical to the production of the active form of vitamin D. After being taken up by target cells, vitamin D₃ binds to its cognate receptor, VDR.

VDR is a member of the nuclear receptor superfamily (Adams et al., 2004). In mammals, VDR is highly expressed in metabolic tissues, such as intestine, kidney, skin, and thyroid gland, and moderately expressed in nearly all tissues (Bookout et al., 2006; Norman, 2008). Moreover, VDR is expressed in many malignant tissues (Sertznig et al., 2009; Silvagno et al., 2010). Active VDR binds to vitamin D response elements (VDREs) located in promoter regions of target genes, thereby controlling the transcription of these genes (Carlberg, 2003; Haussler et al., 2008). VDR affects the transcription of at least 913 genes in human SCC25 cells (head and neck squamous cell carcinoma cell line) (Wang et al., 2005). The impacted biological processes range from calcium metabolism to the expression of key antimicrobial peptides (Albert et al., 2009; Kamen and Tangpricha, 2010; Sun, 2010). Therefore, it is not surprising that vitamin D₃/VDR signaling is involved in mineral and bone homeostasis, modulation of growth, cardiovascular processes, cancer prevention, and regulation of immune responses, including autophagy. Dysfunction of VDR and vitamin D₃ deficiency can cause poor bone development and health, as well as increase the risk of many chronic diseases, including type 1 diabetes, rheumatoid arthritis, Crohn’s disease, infectious diseases, and cancer (Holick, 2010).

Autophagy

Autophagy is a lysosome-mediated catabolic pathway that occurs ubiquitously in all eukaryotic cells (Reggiori and Klionsky, 2002). Depending on the route of delivery to the lysosome, autophagy is classified into three different types: macroautophagy (delivery of cytosolic contents to the lysosome by autophagosomes), microautophagy (inward invagination of the lysosomal membrane), and chaperone-mediated autophagy (direct translocation across the lysosomal membrane) (Mizushima and Levine, 2010). We focus on macroautophagy, which is hereafter simply termed autophagy, in this review.

The process of mammalian autophagy is divided into six principal steps: initiation or induction, nucleation, elongation, closure, maturation, and degradation or extrusion (Kang et al., 2011). Nucleation is the formation of the isolation membrane/phagophore. The nascent membranes are fused at their edges to form double-membrane vesicles, called autophagosomes. Elongation and closure lead to completion of the mature autophagosome (Vellai, 2009). The autophagosome fuses with a lysosome to form an autolysosome, and then its content is degraded (Levine et al., 2011, 2008; Roy and Debnath, 2010). More than 30 autophagy-related genes (ATG) regulate autophagy at the molecular level (Huang and Klionsky, 2007).

The housekeeping function of autophagy is to maintain cellular energy levels and cell survival by recycling amino acids and fatty acids during periods of metabolic stress (Onodera and Ohsumi, 2005; Levine et al., 2008). Moreover, autophagy protects the cell by degrading damaged proteins and organelles as well as intracellular pathogens. The functions of autophagy include tumor suppression (Roy and Debnath, 2010), antimicrobial defense (Deretic, 2010), inhibition of cardiac hypertrophy (De Meyer and Martinet, 2009), anti-aging (Vellai, 2009), and others (Fleming, 2011). Remarkably, the functions of autophagy overlap with those of the vitamin D/VDR signaling.

Autophagy can be induced by cellular stress, including starvation, hypoxia, biologic agents, and chemicals. Some studies have reported autophagy induced by vitamin D₃ and its analogs in human myeloid leukemia cells, macrophages, breast cancer cells, and head and neck squamous cancer cells (Table 1) (Demasters et al., 2006; Hoyer-Hansen et al., 2005). The signaling pathways regulated by vitamin D₃ include Bcl-2, beclin-1, mammalian target of rapamycin (mTOR), the class III phosphatidylinositol 3-kinase complex (PI3KC3), cathelicidin, calcium metabolism, and cyclin-dependent kinase (Table 1). These pathways are critical in host defense and inflammatory responses. Hence, vitamin D₃ and autophagy are associated with innate immunity (Fabri and Modlin, 2009; Jo, 2010; Liu and Modlin, 2008), inflammatory bowel diseases (Verway et al., 2010), infection, and cancer (Gewirtz et al., 2009; Hoyer-Hansen et al., 2010).

Vitamin D₃ is a major regulator of calcium metabolism (Fleet, 2006). Increased circulating vitamin D₃ activates VDR, leading to increased intestinal calcium absorption (Song et al., 2003). In excitable cells such as neurons, calcium is released from the sarcoplasmic or endoplasmic reticulum (ER) to activate calcium-dependent kinases and phosphatases, thereby regulating numerous cellular processes, including autophagy. ER calcium induces autophagy when stimulated by vitamin D₃ (Hoyer-Hansen et al., 2007). This process is inhibited by mTOR, a negative regulator of macroautophagy, and induces massive accumulation of autophagosomes in a beclin-1- and ATG7-dependent manner since they are not fused with lysosomes (Hoyer-Hansen et al., 2007). Vitamin D₃ can down-regulate the expression of mTOR protein, thus inducing autophagy by inhibiting the mTORC1 complex (Loewith et al., 2002; Wang et al., 2008).

The Bcl-2 family also regulates autophagy (Chipuk et al., 2010). The published reports on the relationships between vitamin D₃ and Bcl-2 are contradictory. Vitamin D₃ and vitamin D analogs significantly induced the expression of Bcl-2 in psoriasis (Adisen et al., 2006). However, Xu et al. (1993) reported that vitamin D₃ protected HL60 cells against apoptosis but down-regulated the expression of the Bcl-2 gene. Wagner et al. (2003) found that vitamin D₃-induced apoptosis of Y79 cells was accompanied by a reduction of Bcl-2 and increase of Bax protein.

A recent study further determined that Bcl-2 inhibits autophagy by repressing calcium signals, depending on Bcl-2’s location. Bcl-2 inhibits autophagy only when Bcl-2 resides in the ER, where it has been suggested to regulate cellular Ca²⁺ homeostasis (Hoyer-Hansen et al., 2007). To fully understand the relationships between VDR and Bcl-2, all Bcl-2 family members need to be investigated.

Beclin-1 sits at the core of autophagy regulation (Sun et al., 2009). It is a key component of the PI3KC3 complex, which is important for the localization of autophagic proteins to a pre-autophagosomal structure (Kang et al., 2011; Kihara et al., 2001). Beclin-1 is regulated by many factors, such as Bcl-2 (Pattingre et al., 2005), NF-κB (Copetti et al., 2009b), vitamin D₃, and vitamin D3 analogs (Hoyer-Hansen et al., 2005; Wang et al., 2008; Yuk et al., 2009). Inhibition of the VDR target gene cathelicidin significantly weakens vitamin D₃-enhanced beclin-1 expression and vitamin D₃-induced autophagy (Wang et al., 2008; Yuk et al., 2009). However, the mechanism by which vitamin D₃ increases beclin-1 expression remains unclear.

Vitamin D₃ can also increase beclin-1 expression through Bcl-2. Beclin-1 is a Bcl-2-homology-3 (BH3)-only protein (Sinha and Levine, 2008). Bcl-2 binds directly to a BH3 domain in beclin-1, inhibiting beclin-1 and consequently autophagy. Silencing of endogenous Bcl-2 increases the level of starvation-induced autophagy, possibly due to the release of beclin-1 from the Bcl-2-beclin-1 complex, allowing a sufficient amount of beclin-1 to be recruited to bind to PI3KC3 (Maiuri et al., 2007; Pattingre et al., 2005; Zhang et al., 2009).

Besides its effects on beclin-1, vitamin D₃ signaling activates PI3K signaling pathway to induce autophagy. PI3K represents a family of kinases that phosphorylate the 3-hydroxyl group in phosphatidylinositol inositides (Saji and Ringel, 2010). Vitamin D₃ activates the PI3K pathway in THP-1 cells (Sly et al., 2001), enhances the expression of beclin-1, and induces the expression of PI3KC3 in leukemia cells (Wang et al., 2008).

Cathelicidin, a VDR downstream gene, is essential in autophagosome formation. Cathelicidin is recruited into autophagosomes through the Ca²⁺/calmodulin-dependent kinase (kinase-beta) and AMP-activated protein kinase signaling pathways in human monocytes treated with vitamin D₃ (Yuk et al., 2009).

VDR also regulates autophagy through p19^INK4D. p19^INK4D is a cyclin-dependent kinase inhibitor. Vitamin D₃ induces the expression of p19^INK4D in SCC25 cells, thus protecting cells from autophagy-induced death (Tavera-Mendoza et al., 2006). It is clear that vitamin D₃ signaling increases p19^INK4D which in turn decreases autophagy and decreases VDR bound to the promoter of the p19^INK4D gene (Tavera-Mendoza et al., 2006). However, the mechanism of p19^INK4D function in autophagy still remains largely unclear.

Vitamin D analog EB1089 can increase the volume of the acidic compartment of lysosomes and the protease activity of lysosomes in a time-dependent manner starting before any apparent changes in cell morphology or DNA fragmentation are detectable (Hoyer-Hansen et al., 2005). Therefore, vitamin D₃ signaling can enhance autolysosome maturation and degradation.

Inflammation (inflammare in Latin, to set on fire) is the body’s immediate response to damage to its tissues and cells by pathogens, noxious stimuli such as chemicals, or physical injury (Weiss, 2008; Medzhitov, 2008). Both autophagy and VDR signaling play critical roles in controlling inflammatory responses. Below we discuss in more depth the inflammatory signaling pathways associated with vitamin D and/or autophagy.

The nuclear factor-κB (NF-κB) family plays diverse roles in immunity, inflammation, and cancer (Karin, 2006). VDR down-regulates NF-κB activity (Wu et al., 2010a; 2010b). A NF-κB binding site is found in the promoter of the beclin-1 gene (Copetti et al., 2009b). Active NF-κB p65 up-regulates the expression of beclin-1 and stimulates autophagy in several cellular systems (Copetti et al., 2009a).

Constitutively active IκB kinase (IKK) subunits stimulate autophagy. Inhibition or ablation of NF-κB p65 fails to suppress IKK-induced autophagy (Criollo et al., 2010). At this point, it is clear that vitamin D₃ signaling decreases autophagy through NF-κB. However, the effects of NF-κB on autophagy are inconsistent.

In contrast to the stimulatory role of NF-κB in the regulation of autophagy, NF-κB has emerged as a negative regulator of autophagy, as induced by tumor necrosis factor, reactive oxygen species (ROS), and starvation in some cell lines (Djavaheri-Mergny et al., 2006). NF-κB inhibits starvation-dependent autophagy in the acute myeloid leukemia (AML) cell line U937 (Fabre et al., 2007). Prolonged NF-κB activation prevents E. coli-induced autophagy in macrophages by down-regulating the expression of Atg5 and beclin-1 (Schlottmann et al., 2008). Further research in various systems will be required to fully clarify the roles of NF-κB in autophagy.

TNF-α is a pleiotropic inflammatory cytokine produced by activated immune cells as well as stromal cells (Esposito and Cuzzocrea, 2009). TNF-α significantly increases the expression of beclin-1 through the JNK pathway in human atherosclerotic vascular smooth cells (Jia et al., 2006). Vitamin D₃ inhibits TNF-α in mycobacteria-infected macrophages and peripheral blood mononuclear cells from pulmonary tuberculosis patients (Martineau et al., 2007; Prabhu Anand et al., 2009). The vitamin D analog cholecalciferol reduces the circulating level of TNF-α (Stubbs et al., 2010). In addition, TNF-α significantly increases the expression of MAP1LC3 (ATG8) to induce autophagy. MAP1LC3 expression is induced via both the Akt and JNK pathways in human atherosclerotic vascular smooth cells (Jia et al., 2006). Therefore, vitamin D3 signaling may decrease TNF-α-induced autophagy.

NOD2 is an intracellular pattern recognition receptor that recognizes muramyldipeptide (MDP), an integral component of bacterial cell walls. NOD2 is expressed in myelomonocytic cells, dendritic cells, and intestinal epithelial cells (Lecat et al., 2010). NOD2 triggering by MDP induces autophagy in dendritic cells. This effect requires receptor-interacting serine-threonine kinase-2, ATG5, ATG7, and ATG16L1 (Cooney et al., 2010). Vitamin D₃ robustly stimulates the expression of the NOD2 gene and protein in primary human monocytic and epithelial cells (Wang et al., 2010). Moreover, NOD2 is known to trigger autophagy and eliminate intracellular bacteria through the recruitment of ATG16L1 to the site of bacterial entry (Travassos et al., 2010). Therefore, vitamin D₃ may increase vesicle elongation through the NOD2 pathway.

IFN-γ is a cytokine produced by lymphocytes that has antiviral, immunoregulatory, and anti-tumor properties (Schroder et al., 2004). Vitamin D₃ inhibits IFN-γ in naive CD62 ligand⁺CD4⁺ T cells (Staeva-Vieira and Freedman, 2002) and mycobacteria-infected peripheral blood mononuclear cells and macrophages (Martineau et al., 2007; Prabhu Anand et al., 2009). IFN-γ activates and increases lysosome activity in macrophages. It directly induces autophagy and the recruitment of autophagy proteins to the mycobacterial phagosome in macrophages (Al-Zeer et al., 2009; Gutierrez et al., 2004; Singh et al., 2006). Autophagy induced by IFN-γ depends on ATG5 (Chang et al., 2010). IFN-γ activation of macrophages also induces nitric oxide production, which in turn promotes autophagy through an autocrine positive-feedback loop (Ghadimi et al., 2010). IFN-γ level increases when cells are under certain stresses, such as Salmonella infection (Liu et al., 2010). However, there is no direct evidence to show that vitamin D₃ signaling may decrease autophagy through IFN-γ.

Vitamin D₃ signaling affects autophagy at several levels, the outcome of which is two-sided (Figure 2). On one hand, vitamin D₃ signaling increases the level of free cytosolic calcium and consequently decreases mTOR activity and induces autophagy; vitamin D₃ signaling also increases beclin-1 through several pathways, decreases the inhibition of Bcl-2, increases cathelicidin, and down-regulates NF-κB, which may decrease beclin-1 level. Vitamin D₃ signaling can increase PI3KC3 protein, enhancing nucleation. To promote elongation, vitamin D₃ signaling increases NOD2 level to recruit ATG16, increases lysosomal protease activity, and induces autophagosomes to fuse with lysosomes through cathelicidin.

On the other hand, vitamin D₃ signaling may decrease autophagy through different mechanisms, especially under certain stresses. Vitamin D₃ may decrease the level of NF-κB, TNF-α, or IFN-γ, thus decreasing autophagy. In addition, vitamin D₃ increases the level of p19^INK4D, which protects cells from autophagy-induced death (Figure 2).

Vitamin D, VDR, and Macroautophagy in Inflammation and Infectious Disease

Acute inflammation is considered a host defense strategy to remove the injurious stimuli. Inflammation plays a critical role in wound healing and infection resolution. Inflammation is not a synonym for infection. Infection is caused by an exogenous pathogen, such as bacteria, viruses, and parasites, whereas inflammation is one of the host responses to the pathogen.

Although a successful inflammatory response is normally closely regulated by the body, inflammation could become pathologic and out of control. If the acute inflammation fails to eliminate the pathogen, the inflammatory process persists and acquires new characteristics (Medzhitov, 2008). Chronic inflammation is a prolonged, dysregulated, and maladaptive response that involves active inflammation, tissue destruction, and attempts at tissue repair (Weiss, 2008). Compelling evidence demonstrates that both vitamin D signaling and autophagy play a critical role in the pathogenesis of chronic inflammation and infection.

1. Vitamin D signaling and autophagy in inflammatory bowel diseases

Inflammatory bowel disease (IBD) is a dysregulated response of the immune system associated with intestinal tissues to the commensal microbiota in a genetically susceptible host (Kaser and Blumberg, 2008). The major types of IBD are Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis. The pathogenesis of IBD involves a complex interplay between genetic, microbial, immunological, and environmental factors (Bouma and Strober, 2003). More than 30 genetic loci associated with IBD have been identified in genome-wide association studies (Schreiber, 2009). Autophagy-associated genes ATG16L1 and IRGM are confirmed susceptibility loci for CD (Hampe et al., 2007; Parkes et al., 2007; Rioux et al., 2007). Variants in the NOD2 locus are associated with the strongest risk of developing CD (Hugot et al., 2001).

Mucosal inflammations in patients with IBD are accompanied by elevated levels of activated NF-κB, particularly p65 (Rogler et al., 1998; Schreiber et al., 1998). NOD2 and NF-κB play important roles in regulating autophagy. Paneth cells play an important role in intestinal innate immunity by means of secreting granule contents, including antimicrobial peptides and lysozyme (Ouellette, 2010). In experimental models, Paneth cells show notable abnormalities in the granule exocytosis pathway in ATG5- and ATG16L1-deficient mice (Cadwell et al., 2008). In human study, NOD2 mutations have been largely linked to ileal CD and have been associated with reduced expression of α-defensins HD-5 and HD-6 in isolates of ileal Paneth cells (Wehkamp et al., 2004). Taken together, the data strongly implicate autophagy in the pathogenesis of IBD (Kaser and Blumberg, 2008).

Deficiency of vitamin D₃ has been suggested as an important environmental factor for IBD (Laverny et al., 2010). Vitamin D₃ signaling regulates autophagy through several steps, which may affect the efficacy of treatments with vitamin D₃ and its analogs on IBD. Vitamin D₃ can increase NOD2 expression in human intestinal epithelial cells (Wang et al., 2010). In rabbits that were given a plant containing high levels of vitamin D₃ for 15 or 30 days, time- and dose-dependent increases in the size and number of Paneth cells were found in the jejunum (Zanuzzi et al., 2008). In a pilot clinical study in IBD patients, Miheller et al. (2009) reported a short-term beneficial effect on Crohn’s disease activity after one-year administration of vitamin D₃. However, there is no direct in vivo evidence of vitamin D₃ signaling in the regulation of autophagy in IBD.

Some microorganisms have developed mechanisms to counteract or take control of the autophagic pathway as a survival strategy (Colombo et al., 2006; Kirkegaard et al., 2004). Coxiella burnetii resides in a phagosome that interacts with autophagic vacuoles and then with lysosomes to generate a large replicative niche. This bacterially driven interaction with autophagosomes and its transit through the autophagic pathway favor Coxiella replication in the host cell. We speculate that vitamin D₃ signaling may inhibit autophagy and kill the bacteria through cathelicidin. However, we found no published reports on the effects of vitamin D₃ signaling and Coxiella burnetii.

Cathelicidins are one of the major antimicrobial peptide families. In human, there is only one cathelicidin family member, human cationic antimicrobial protein (hCAP-18), which is cleaved to release LL37 (Durr et al., 2006). LL-37 has shown a broad spectrum of activity against both Gram-negative and Gram-positive bacteria, various viruses, and fungi (Tjabringa et al., 2006). In humans, cathelicidin contains activating VDREs in its promoter region, 507 bp upstream of its transcription initiation site (Wang et al., 2004). Activation of VDR results in the expression of cathelicidin at both the mRNA and protein levels in monocytes/macrophages (Liu et al., 2006; Peric et al., 2008; Wang et al., 2004).

There is a long history of using vitamin D to treat mycobacterial infections (Liu and Modlin, 2008; Hewison, 2010). Vitamin D₃’s antagonism of M. tuberculosis involves antimicrobial peptides (Liu et al., 2006) and autophagy (Yuk et al., 2009). Vitamin D₃-induced antimicrobial activity is completely inhibited in the presence of siRNA against cathelicidin (Liu et al., 2007; Yuk et al., 2009). Hence, cathelicidin is essential for the induction of autophagy by vitamin D₃ in bacterial infection.

Increasing evidence supports the idea that autophagy is regulated by vitamin D₃ signaling at different levels, including induction, nucleation, elongation to maturation, and degradation. Vitamin D₃ signaling plays essential roles in regulating autophagy to avoid autophagy-induced damage and to inhibit invasion of microorganisms.

To understand the effects of vitamin D₃ and autophagy in inflammation and infectious diseases, we need to explore mechanisms by which vitamin D₃ signaling regulates autophagy, especially in disease-associated experimental models in vivo. The unknown questions include: 1) the relationships between VDR and Bcl-2; 2) the mechanism by which vitamin D₃ increases beclin-1 expression; 3) the mechanism by which p19^INK4D decreases autophagy; 4) the effects of NF-κB on autophagy; 5) whether vitamin D₃ signaling is directly involved in the regulation of autophagy in IBD; and 6) bacterial-host interactions by which bacteria use autophagy as a survival strategy. Studies on the above aspects will improve our understanding of the functions of vitamin D₃ signaling and apply the insights to the development of effective therapy in anti-inflammation and anti-infection.

Витамин D: айсберг питательных веществ.

Понимание витамин D роль в здоровье человека недавно расширилась. В настоящее время она признана более, чем гормон активации в почках только для кальциевого гомеостаза. Он перерабатывается и используется практически каждой клетки в организме. Пациенты с хронической болезнью почек имеют дефицит в почках продукции 1,25(OH)(2)D и классические, получавших кальцитриол или его активных аналогов. Несмотря на часто имеющие более низкие системные уровни 1,25(OH)(2)D у пациентов с хронической болезнью почек сохраняют возможность дополнительной почечной продукции 1,25(OH)(2)D. это имеет далеко идущие последствия для их здоровья. Это обзор рассматривает клинических испытаний и наблюдений в 3-х сферах, влияющих на развитие хронической болезни почек у пациентов. Рак, сердечно-сосудистые заболевания и инфекции ответственны за большую часть заболеваемости и смертности в этой популяции пациентов. Мы будем обсуждать витамин D и его роль в этих болезненных состояний с акцентом на хронические заболевания почек пациента.