Vitamin D: a critical and essential micronutrient for human health

Interaction of vitamin D with membrane-based signaling pathways.

Author information

• 
  ¹Instituto de Investigaciones Biomédicas "Alberto Sols," Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Universidad Autónoma de Madrid Madrid, Spain.
  
• 
  ²Department of Medical Oncology, Hospital Universitario Puerta de Hierro Majadahonda Majadahonda, Spain.
  

Abstract

Активный метаболит витамина D 1α,25-дигидроксивитамин D₃ (1α,25(OH)₂D₃) является ключевым регулятором экспрессии генов высших организмов. Он модулирует активность рецептора витамина Д (VDR), член суперсемейства ядерных рецепторов гормонов, которые регулируют транскрипцию генов. Genome-wide иммунопреципитации хроматина исследования показали, что АСГ связывает сотни генома сайты даже в отсутствие 1α,25(OH)₂D₃ и что связывание лиганда увеличивается и частично меняет эти сайты связывания, которые зависят от типа клеток и по длительности лечения (Carlberg и Кэмпбелл, 2013). В то время как подмножество VDR сайты связывания может быть ответственным за контроль генной экспрессии (VDREs или витамин D response elements), другие могут быть временные анкоридж мест для населения unliganded “спящие” АСГ. Согласно классическому взгляду, АСГ связывает ДНК как гетеродимеры с ретиноидные X рецептора (RXRα, β, или γ), и после связывания лиганда, изменения транскрипции ставка соседних генов.

Однако многие гены, экспрессия которого изменены 1α,25(OH)₂D₃ не содержат VDREs. Предполагаемые механизмы этого действия включают в пост-транскрипционной регуляции посредством изменения уровней микрорнк, которые модулируют half-life и/или перевод их матричных РНК (Thorne et al., 2011; Wang et al., 2011; Alvarez-Díaz et al., 2012; Kasiappan et al., 2012; Guan et al., 2013). Также, 1α,25(OH)₂D₃ могут регулировать гены post-поступательно, через изменения фосфорилирования или других модификаций белков, которые влияют на их стабильность (Lin et al., 2003; Li et al., 2004 г.), или путем изменения уровня или активности протеаз, что цель их (Alvarez-Díaz et al., 2010).

Все большее значение в последнее время предоставлен другой механизм 1α,25(OH)₂D₃ действие: модуляция сигнальных путей, вызванных другими агентами на плазматической мембране. Действительно, ряд исследований показали, что 1α,25(OH)₂D₃ модулирующее влияние факторов роста и цитокинов, изменяя либо их цитозольной сигнальных путей, либо деятельности, целевых факторов транскрипции в ядре, или даже в паракринными моды путем ингибирования их синтеза и секреции соседних клеток.

Здесь мы рассмотрим имеющиеся данные на эти номера-классические, альтернативные механизмы, с помощью которых 1α,25(OH)₂D₃ модулирует экспрессию генов. В частности, для специфических генов, таких как c-MYCкак прямые , так транскрипционной и косвенные способы регулирования 1α,25(OH)₂D₃ были описаны (Pan и Симпсон, 1999; Pálmer et al., 2001; Toropainen et al., 2010; Салехи-Tabar et al., 2012).

Взаимодействие 1α,25(OH)₂D₃ с Wnt, hedgehog, и notch пути

Wnt, Hedgehog, и Notch сигнального пути, о котором давно известно, играют важнейшую роль во время развития, которые сейчас считаются критически важными для многих онкогенными процессов, в которых они функционируют неправильно из-за мутации и/или изменения в экспрессии компонентов.

Wnt факторы активируют несколько сигнальных путей, при связывании различных рецепторов плазматической мембраны: канонический или Wnt/β-катенин и неканонических (планарной полярности, Ca²⁺...) пути (Clevers и Nusse, 2012). Активация Wnt/β-катенин пути мутации APC или AXIN опухоль-супрессорных генов или CTNNB1/β-катенин онкоген вместе с изменениями в экспрессии ряда регуляторных генов (SFRPs, DICKKOPF (DKK)ы...) является отличительной чертой большинства колоректального рака и переменной пропорции несколько другие злокачественные новообразования (Clevers и Nusse, 2012). Ряд исследований сообщают, что 1α,25(OH)₂D₃ противодействует Wnt/β-катенин сигнального в клеток рака толстой кишки с помощью нескольких механизмов: снижение транскрипционно активных β-катенин/т-клеточный фактор комплексы, индукции β-катенин переселения из ядра к adherens развязок структур плазматической мембраны и увеличение уровня ингибитор Wnt DKK-1 (Pálmer et al., 2001; Shah et al., 2006; Aguilera et al., 2007) (Рис. (Рисунок 1).1). Таким образом, путь конечной точки, т.е., активация β-катенин целевых генов, ослабляется по 1α,25(OH)₂D₃ (Pálmer et al., 2001). Подчеркивая важность этой акции, дополнительный косвенный механизм Wnt/β-катенин антагонизм в рака толстой кишки, была предложена с участием IL-1β, который будет рассмотрен в разделе 1α,25(OH)₂D₃ и цитокинов. Хотя и 1,25(OH)₂D₃ ингибирует β-катенин/TCF транскрипционной активности толстой кишки и других онкологических клеток, регуляция Wnt/β-катенин пути либо лиганд-активированный или unliganded АСГ был описан в остеобласты и кератиноцитов, где он способствует формированию костей и волосяного фолликула дифференциации, соответственно (Larriba et al., 2013). Однако, результаты, представленные в кератиноциты являются противоречивыми: в то время как АСГ повышает Wnt сигналинга через прямое связывание лимфоцитов Enhancer-binding Factor (LEF)-1 независимо от лиганда и β-катенин (Luderer et al., 2011), лиганд-активированный АСГ, как полагают, препятствуют Wnt/β-катенин сигнального (Bikle, 2011; Jiang et al., 2012).

Ингибирование Hedgehog (Hh) сигнализации, витамин D соединений также было предложено. В исследовании, сочетая эксперименты в zebrafish, дрожжи Pichia пастори и фибробластов мыши, выделяется витамин D₃или его предшественником 7-дегидрохолестерин (7-DHC), было показано, опосредуют паракринными ингибирование Сглаживается (Smo) , пропатчен (Ptch)1, который ведет к пути инактивации (Bijlsma et al., 2006). В предлагаемой модели, которая включает в себя связывание витамина D₃ к Smo при высоких (микромолярных) концентрациях, Hh лигандов активировать пути, блокируя индукции секреции витамина D₃/7-DHC, Ptch1 (Bijlsma et al., 2006 Г.) (Рис. (Рисунок 1).1). Hh пути aberrantly активирован в базально-клеточная карцинома, наиболее частые человеческого типа опухоли. Интересно, что 1α,25(OH)₂D₃ подавляет пролиферацию и индуцирует дифференцировку мышь базальноклеточной карциномы и эмбриональное rhabdomyosarcomas с активированным Hh пути из-за Ptch1 удаление (Uhmann et al., 2011, 2012). Как и в предыдущем исследовании, 1α,25(OH)₂D₃ акты на уровне СМО в VDR-независимым образом (рис. (Рисунок 1).1). Любопытно, Tang et al. обнаружили, что витамин D₃ тормозит Hh и пролиферации клеток более эффективно, чем 7-DHC, 25(OH)D₃или 1α,25(OH)₂D₃ в мышиных базально-клеточная карцинома клеток (Tang et al., 2011). Витамин D₃ также подавляет пролиферацию и Hh путь через инактивации Smo в культивируемых клетках мышей клеток аденокарциномы поджелудочной железы, но не обладает противоопухолевой активностью in vivo (Брюггеман et al., 2010). Общая цель всех этих исследований является высокая концентрация витамина D₃ требуется соблюдать сообщили эффекты. Исследования в Асг-дефицитных мышей и мыши эксплантатов кожи показал, что отсутствие VDR усиливает экспрессию ряда компонентов Hh пути, такие как Shh, Smo, Gli1, Gli2и Ptch1, в то время как 1α,25(OH)₂D₃ подавляет их экспрессию (Bikle et al., 2013) (Рис. (Рисунок 1).1). Однако, взаимодействие между 1α,25(OH)₂D₃ и Hh сигнализации в коже человека остается до конца не изучены.

Несколько исследований, в которых связь витамина D с Notch сигнализации. Дифференциация человеческих остеобластов с витамином D₃ и дексаметазон существенно влияет на экспрессию рецептора Notch членов семьи (Schnabel et al., 2002). В грызуна остеобласты, фактора транскрипции ГЭС-1, которая является эффектором ПАЗ пути, усиливает индукцию SPP1/osteopontin транскрипция 1α,25(OH)₂D₃, с указанием в сотрудничестве 1α,25(OH)₂D₃ и Notch пути на ремоделирование костной ткани (Shen и Christakos, 2005) (рис. (Рисунок 1).1). Transcriptomic анализы в человеческой RWPE1 увековечены номера-опухолевой клетки простаты показал снижение РНК уровнях NOTCH лигандов Зубчатые (JAG)1, JAG2и Delta-like (DLL)1 по 1α,25(OH)₂D₃ (Kovalenko et al., 2010 Г.) (Рис. (Рисунок 1).1). Напротив, никаких изменений в выражении NOTCH-1 и JAG1 были обнаружены в культуре кератиноцитов человека по 1α,25(OH)₂D₃ лечение (Reichrath и Reichrath, 2012). Как JAG1 транскрипции и, следовательно, Notch сигнализации являются upregulated путем Wnt/β-катенин в колоректальных раковых клеток (Rodilla et al., 2009), репрессивный эффект 1α,25(OH)₂D₃ на пути Notch в этой системе может быть вторичной по отношению к антагонизм Wnt/β-катенин пути (рис. (Рисунок 11).

Взаимодействие 1α,25(OH)₂D₃ с агентами, которые запускают сигнальные пути через плазматическую мембрану киназы рецепторов

Существует взаимный антагонизм между 1α,25(OH)₂D₃ и эпидермальный фактор роста (EGF), мощным митогеном в первичных эпителиальных клеток толстой кишки и в установленном толстой кишки (Caco-2) и груди (T47D) опухолевых клеточных линиях. Это на основе перекрестного ингибирования экспрессии соответствующих рецепторов, VDR и EGFR (Tong et al., 1998, 1999). Однако, это типа клеток-зависимый эффект, как EGF увеличивает АСГ в тонкой кишки крысы и 1α,25(OH)₂D₃ увеличивает EGFR в BT-20 клеток рака молочной железы (Bruns et al., 1989; Деспрезе et al., 1991). Кроме того, 1α,25(OH)₂D₃ ингибирует EGFR сигнального путем повышения уровня е-кадгерина белка в мембране, которая downregulates EGFR (Pálmer et al., 2001; Andl и Rustgi, 2005), и путем снижения частоты SPROUTY-2, цитозольного белка, что снижает EGFR убиквитинирования, интернализации и деградации (Cabrita и Christofori, 2008; Barbáchano et al., 2010).

Трансформирующий фактор роста (TGF)-β имеет противоположные роли в канцерогенезе: он подавляет пролиферацию нормальных клеток эпителия, но позже индуцирует epithelial-mesenchymal transition, иммуносупрессии и метастазирования (пикап et al., 2013). 1α,25(OH)₂D₃ индуцирует выражение типа I, TGF-β рецепторов и обоих агентов, 1α,25(OH)₂D₃ и TGF-β, сотрудничать в Caco-2, ингибирование роста клеток (Chen et al., 2002; Pálmer et al., 2003). Кроме того, Smad3, посредник TGF-β сигнализации, - co-активатор АСГ и способствует регуляции генов, 1α,25(OH)₂D₃ (Yanagisawa et al., 1999), эффект, который расторгается по Smad7 в трансфицированных COS-7 клеток (Yanagi et al., 1999). Укрепление взаимодействия обеих сигнальных путей, 1α,25(OH)₂D₃ индуцирует экспрессию Смад якорь для активации рецепторов (SARA) (Pálmer et al., 2003), который поддерживает эпителиального фенотипа путем привлечения Smads 2/3 к активации TGF-β рецепторов и регулирует endocytic торговля EGFR и других белков (Tang et al., 2011; Kostaras et al., 2013). В частности, недавнее исследование р. м. Эванса группы выявил полногеномных перекрытия АСГ и Smad3 сайты связывания, который несет ответственность за несоблюдение VDR лигандов TGF-β1-опосредованной активации звездчатых клеток печени в печени фиброз (Ding et al., 2013). Эти авторы показывают, что TGF-β1 сигнализации перераспределяет VDR-связывающих участков генома и облегчает VDR привязки на Smad3 profibrotic целевых генов. После активации лиганда, АСГ привязки на coregulated генов уменьшается Smad3 размещения на этих площадках, вызывая ингибирование фиброз (Ding et al., 2013). Это регулирующий механизм обратной связи, в которой VDR лигандов ограничить фиброзный процесс, и поэтому они обеспечивают соответствующие номера-патологической реакцией тканей. Учитывая решающую роль TGF-β в канцерогенез, будущие исследования должны изучить, является ли витамин D соединений играть подобные роли в поддержании целостности эпителия противоположных начала карциномы.

1α,25(OH)₂D₃ и TGF-β также взаимодействовать в кости. Любопытно, что в rat (UMR 106 и ROS 17/2 .8) и человека (MG-63) клеток костной ткани TGF-β увеличивается VDR выражение, но ингибирует стимуляцию остеокальцин и osteopontin транскрипции и РНК уровней 1α,25(OH)₂D₃ (Staal et al., 1994). TGF-β оказывает в этом ингибирующее действие за счет снижения связывания VDR-RXR комплексов VDREs локализованных в промоторных этих генов, не затрагивая ядерной наличие АСГ, по крайней мере, в ROS 17/2 .8 клеток (Staal et al., 1996). В отличие от стимуляции остеокальцин синтез в человеческих и крысиных клеток, 1α,25(OH)₂D₃ уменьшается остеокальцин производства в мышь длинных костей плода культур и неонатальной остеобластического MC3T3 клеток, стимулируя резорбцию кости (Staal et al., 1998). Это костную резорбцию действие 1α,25(OH)₂D₃ - доза-зависимо ингибирует помощью TGF-β (Staal et al., 1998).

Комплекс, клеточный Тип, контекст, а иногда и возраст-зависимая связь существует между 1α,25(OH)₂D₃ и инсулиноподобные факторы роста (IGF)-I и II. Например, в C2C12 myoblasts 1α,25(OH)₂D₃ уменьшается IGF-I, экспрессия в то время как она увеличивается, что IGF-II (Garcia et al., 2011). В HT29 клеток карциномы толстой кишки несколько витамин D соединения ингибируют секрецию IGF-II, таким образом ослабляя его клеточной пролиферации деятельности (Oh et al., 2001). Кроме того, 1α,25(OH)₂D₃ блоки митогенных активности инсулина и ИФР-I в MCF7 клеток рака молочной железы, по крайней мере, частично за счет ингибирования c-FOS регуляция (Vink-Ван Вейнгаарденом et al., 1996). 1α,25(OH)₂D₃ и ИФР-I, также противоположный эффект на мышь длинных костей: IGF-I остеокальцин повышает продукции, которая полностью перекрывается 1α,25(OH)₂D₃ и тормозит повышение резорбции костной ткани, вызванные 1α,25(OH)₂D₃ (Staal et al., 1998). Кроме того, 1α,25(OH)₂D₃ по-разному регулирует экспрессию нескольких IGF-связывающих белков (IGFBPs), группа молекул с плейотропным действия, транспорта Фуи, а также модулировать выживаемость клеток/апоптоз: 1α,25(OH)₂D₃ индуцирует IGFBP3 выражение в SW480-ADH рак толстой кишки, установлено старшими должностными лицами-2 остеосаркома, PC3 рака предстательной железы, карциномы молочной железы MCF7 и MCF-10A нормальной грудной клетки (Pálmer et al., 2003; Matilainen et al., 2005; Malinen et al., 2011; Brosseau et al., 2013), IGFBP6 в установлено старшими должностными лицами-2, SW480-АДГ и толстой кишки карцинома клеток HT29 (Oh et al., 2001; Pálmer et al., 2003; Matilainen et al., 2005), IGFBP1 и IGFBP5 в установлено старшими должностными лицами-2 и PC3 клеток, и IGFBP4 установлено старшими должностными лицами в-2 клетки (Matilainen et al., 2005). И наоборот, 1α,25(OH)₂D₃ подавляет IGFBP4 в HT29 и SW480-ADH клеток, и IGFBP2 в клеток HT29 (Oh et al., 2001; Pálmer et al., 2003). В овариальных клетках, 1α,25(OH)₂D₃ в одиночку индуцирует IGFBP1 производства, но, наоборот, он усиливает ингибирующее действие инсулина (Parikh et al., 2010). Любопытно, что последние исследования показывают, что IGFBP3 взаимодействует с VDR (Li et al., 2013) и что IGFBP6 связывает АСГ и блокирует индукцию дифференцировки остеобластов, 1α,25(OH)₂D₃ (Cui et al., 2011).

Тип ячейки-зависимые эффекты 1α,25(OH)₂D₃ также были описаны для фактора роста гепатоцитов (HGF) сигнализации. 1α,25(OH)₂D₃ активирует HGF Гена промоутера и индуцирует HGF экспрессии и секреции крыс NRK-49F почечной интерстициальных фибробластов (Li et al., 2005) и в человеческом келоидных фибробластов (Zhang et al., 2011). Последовательно с этими результатами, дефицит витамина D снижает HGF и рецептора HGF/c-Met выражения во время регенерации печени у крыс (Goupil et al., 1997). И наоборот, 1α,25(OH)₂D₃ снижает уровень HGF РНК в человека HL-60 promyelocitic лейкозные клетки (Inaba et al., 1993), гладкомышечных клеток (Shalhoub et al., 2010) и MG-63 клеток остеосаркомы (Chattopadhyay et al., 2003). Кроме того, экспрессия c-Met подавляется 1α,25(OH)₂D₃ в человеческой MHCC97 гепатоцеллюлярной клеточной линии (Wu et al., 2007). Любопытно, что 1α,25(OH)₂D₃ и HGF сотрудничать, чтобы увеличить остеогенную дифференцировку человеческих стволовых клеток костного мозга и созревания хондроцитов, клеток-предшественников (ворчит et al., 1996; d'Ippolito et al., 2002; Chen et al., 2011, 2012). Также, 1α,25(OH)₂D₃ и HGF аддитивно угнетают пролиферацию андроген-отвечать клетки рака простаты (Qadan et al., 2000).

В соответствии с его регулирующей роли в организме, 1α,25(OH)₂D₃ сувениры физиологических и гомеостатической ангиогенеза но ингибирует ангиогенез в патологических условиях. Таким образом, 1α,25(OH)₂D₃ способствует миогенной дифференциации C2C12 клетки за счет увеличения экспрессии двух ключевых ангиогенных факторов: фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и фактора роста фибробластов-1 (Garcia et al., 2013). Кроме того, 1α,25(OH)₂D₃ стимулирует про-ангиогенные свойства эндотелиальных прогениторных клеток, увеличивая уровни VEGF (Грундманн et al., 2012). 1α,25(OH)₂D₃ также upregulates экспрессии VEGF в остеобласт-подобных клеток, но не в клетках рака молочной железы (Schlaeppi et al., 1997). Аналогично, ED-71, витамина D, аналоговый, усиливает экспрессии VEGF и стимулирует ангиогенез в мышиных костного мозга абляции модель (Okuda et al., 2007). Действительно, увеличение производства VEGF в гладкомышечные клетки сосудов результатов от активации VDRE представить в VEGF Гена промоутера (Cardus et al., 2009). Напротив, 1α,25(OH)₂D₃ downregulates гипоксия-индуцируемого фактора (HIF)-1 и экспрессии белка VEGF в несколько человек прямой кишки, простаты и молочной железы клеточных линий (Ben-Shoshan et al., 2007), уменьшает продукцию сосудистого эндотелиального фактора роста человека поясничного затрубное пространство клетки (Gruber et al., 2008), а также защищает от диабетической ретинопатии у крыс путем ингибирования экспрессии VEGF в сетчатке (Ren et al., 2012).

1α,25(OH)₂D₃ также модулирует активность сигнальных путей, опосредованных другими типами рецепторов плазматической мембраны, таких как G-белок связанных рецепторов. Shen et al. установлено, что 1α,25(OH)₂D₃ подавляет выражение паратиреоидный гормон-связанный белок (PTHrP) в клетки рака простаты с помощью отрицательных VDRE локализованные в некодирующей области Гена, таким образом, интригу индукции клеточной пролиферации и экспрессии про-инвазивных интегрина α₆β₄ оказываемое PTHrP сигнализации (Shen et al., 2007).