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重磅綜述丨維生素D代謝與癌癥關(guān)系
前言
維生素D，傳統(tǒng)上被認(rèn)為是一種必需的脂溶性維生素，可以從膳食獲得，也可以經(jīng)紫外線照射后在皮膚中合成，是固醇激素合成的前體，廣泛調(diào)節(jié)人體的生理過程。維生素D的經(jīng)典代謝路徑是在肝臟和腎臟中經(jīng)歷兩步代謝后生成一種具有生理活性的代謝物骨化三醇，它能夠綁定維生素D受體（VDR）行使多種生理功能，經(jīng)典的角色是調(diào)節(jié)骨重建中的鈣和磷代謝。然而，近期的研究表明它也可以被一種CYP11A1驅(qū)使的非典型代謝路徑代謝和激活。
皮膚缺少日照且膳食補(bǔ)充不足容易引起維生素D缺乏，且有研究表明這種缺乏會(huì)增加除了骨骼疾病外的其它疾病例如癌癥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。首次觀察到日照不足和癌癥的發(fā)生和死亡率呈正相關(guān)關(guān)系是在80年前的北美。隨后，在1980年和1992年，第一次有流行病學(xué)研究將低日光暴露和結(jié)直腸癌及前列腺癌的高發(fā)生率結(jié)合起來，這表明維生素D作為日照的一個(gè)替代物可以降低結(jié)直腸癌和前列腺癌的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。從那以后，很多流行病學(xué)的研究都支持了涉及18種癌癥的UVB-維生素D-癌癥假說。這種假說隨后被維生素D和癌癥風(fēng)險(xiǎn)的直接相關(guān)性研究證實(shí)。此外，很多人群隊(duì)列研究揭示了血清中的25-羥基維生素D (25(OH)D)水平和結(jié)直腸癌、乳腺癌、前列腺癌、胃癌及其它的一些癌癥高風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)。而且，一些細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也為維生素D的抗癌作用提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。因此，維生素D的缺乏能促進(jìn)很多癌癥的發(fā)生和進(jìn)展，維持足夠的維生素D水平有助于預(yù)防和治療癌癥。
既然諸多流行病學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明了維生素D在預(yù)防和治療癌癥中的作用，那么人們對(duì)于骨化三醇和維生素類似物在臨床中的應(yīng)用也進(jìn)行了研究。然而，過量使用維生素D引發(fā)的高血鈣癥限制了其在臨床中的使用。而且，有足夠的數(shù)據(jù)表明癌細(xì)胞通過幾種方式降低骨化三醇的水平，導(dǎo)致其功能減弱和抗癌活性的降低。因此，研究維生素D在癌癥中如何代謝及代謝失調(diào)有助于克服目前維生素D及其類似物在臨床中應(yīng)用中的限制。
維生素D代謝
維生素D作為一種激素前體需要代謝成具有生理活性的產(chǎn)物綁定到同源核受體上去實(shí)現(xiàn)其對(duì)不同生理功能的調(diào)控。
經(jīng)典代謝路徑
圖1維生素D代謝概覽
圖1代表了維生素D的經(jīng)典代謝路徑。維生素D有兩種主要的異構(gòu)體，維生素D2（麥角鈣化醇）和維生素D3（膽鈣化醇）。維生素D2由植物、酵母、真菌中含有的麥角固醇經(jīng)過紫外照射后合成，也可以從植物源性的食物例如蘑菇中攝入。維生素D3由表皮中的7-脫氫膽固醇經(jīng)紫外照射后合成，也可以通過動(dòng)物源性的食物例如魚肝油中攝入。不管是從飲食還是皮膚中獲得的維生素D2和維生素D3都要首先綁定維生素D-結(jié)合蛋白（VDBP）進(jìn)入循環(huán)，然后再被運(yùn)輸?shù)礁闻K。
進(jìn)入肝臟后，維生素D被25-羥化酶（CYP2R1和CYP27A1）代謝成25(OH)D（骨化二醇），25(OH)D是血清中維生素D的主要循環(huán)形式。25(OH)D隨后被腎臟近端小管中的1α-羥化酶（CYP27B1）代謝成1α,25(OH)2D（骨化三醇），是維生素D最具有生理活性的成分。骨化三醇進(jìn)入循環(huán)后和VDBP綁定后，被運(yùn)輸?shù)侥c、骨、腎臟等目標(biāo)組織中，隨后參與調(diào)節(jié)鈣和磷的吸收、轉(zhuǎn)移和重吸收。一旦生成，骨化二醇和骨化三醇的水平就會(huì)被25(OH)D
24-羥化酶（CYP24A1）嚴(yán)格調(diào)控，這種酶催化骨化二醇和骨化三醇的C-24和C-23位羥基化，24-羥基化路徑產(chǎn)生代謝物鈣三酸，鈣三酸沒有生理活性最終從膽汁排出體外，人們了解較少的23-羥基化路徑則形成1,25-26,23內(nèi)脂，這條路徑中的CYP24A1催化活性表現(xiàn)出物種差異。CYP24A1羥化過程最終會(huì)使維生素D失去活性這個(gè)過程是在一個(gè)研究中被發(fā)現(xiàn)的。在這個(gè)研究中，Cyp24a1被敲除的小鼠表現(xiàn)出膜內(nèi)骨受損礦化和高血鈣癥，導(dǎo)致了50%的小鼠死亡。有趣的是，在Cyp24a1和VDR都被敲除的小鼠中沒有上述缺陷，表明骨化三醇的增加而不是24或23-羥基化維生素D代謝物的缺乏導(dǎo)致了這種缺陷表型的產(chǎn)生。
在目標(biāo)組織中，骨化三醇綁定到VDR，VDR是配體激活轉(zhuǎn)錄因子核受體家族中的一種，會(huì)引起對(duì)各種下游生理功能的基因型和非基因型的調(diào)控。在基因通路中，骨化三醇綁定到細(xì)胞質(zhì)VDR后，促使VDR磷酸化、然后和RXR形成異源二聚體，最后對(duì)復(fù)合物進(jìn)行核轉(zhuǎn)運(yùn)。骨化三醇–VDR–RXR復(fù)合物綁定到目標(biāo)基因啟動(dòng)子中的維生素D受體單元(VDRE)后招募轉(zhuǎn)錄輔助因子或輔助抑制因子去調(diào)節(jié)目標(biāo)基因mRNA的表達(dá)，來調(diào)節(jié)不同的生理功能，包括鈣和磷的代謝等。有趣的是，一項(xiàng)近期的研究表明自噬適配蛋白p62/SQSTM1通過在肝星狀細(xì)胞中直接綁定VDR和RXR的方式影響VDR-RXR形成異源二聚體和對(duì)目標(biāo)基因的招募。在非基因通路中，骨化三醇綁定到膜結(jié)合的VDR，這種VDR是一種快速響應(yīng)的類固醇-綁定蛋白(1,25D-MARRS)，這種作用隨后會(huì)引發(fā)細(xì)胞信號(hào)通路的劇烈變化，包括鈣和分裂素-激活蛋白激酶(MAPK)的信號(hào)通路，通過與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子間的直接蛋白-蛋白作用參與對(duì)某些表型功能的調(diào)控。
替代代謝路徑
圖2維生素D替代代謝路徑
如圖2，近年來在細(xì)胞色素P450側(cè)鏈裂解酶CYP11A1參與下的維生素D的替代代謝路徑被報(bào)道出來。CYP11A1最初是在類固醇的器官中催化類固醇生成的第一步限速酶，其原理是首先誘導(dǎo)C-22和C-20位的膽固醇羥基化，隨后使C-20和C-22之間的鍵斷裂產(chǎn)生孕烯醇酮（類固醇激素的常見前體）。那么是怎么發(fā)現(xiàn)CYP11A1是一個(gè)新的維生素D代謝酶的呢？研究發(fā)現(xiàn)CYP11A1在周緣組織例如皮膚和胃腸道中表達(dá)，維生素D可以替代膽固醇作為這種酶的底物。CYP11A1調(diào)節(jié)維生素D在C-20和C-22位發(fā)生連續(xù)羥基化，并且不會(huì)發(fā)生側(cè)鏈的斷裂。CYP11A1催化的單羥基化產(chǎn)物主要有20(OH)D、22(OH)D和17(OH)D。這些羥基化的產(chǎn)物會(huì)進(jìn)一步被CYP11A1羥基化形成20,23(OH)2D、20,22(OH)2D、17,20(OH)2D和17,20,23(OH)3D。而且，這條路徑的主要產(chǎn)物20(OH)D也能作為CYP27A1和CYP24A1的底物，CYP27A1作用下的羥基化位置是C-25或C-26,而CYP24A1羥基化的位置是C-24或C-25。在CYP27B1的催化下這些產(chǎn)物的C-1α位置還可以被羥基化產(chǎn)生三羥基化維生素D代謝物，這些代謝物不包括17,20,23(OH)3D，它是CYP11A1驅(qū)使的維生素D代謝終產(chǎn)物。總之，據(jù)推測(cè)這條替代的代謝路徑能生成超過21種維生素D的羥基化代謝產(chǎn)物。
在CYP11A1催化的產(chǎn)物中，以20(OH)D和它的羥基化產(chǎn)物為例，它們?cè)谄つw細(xì)胞中有與骨化三醇相當(dāng)或者更好的誘導(dǎo)抗增殖、分化和抗炎的效果。而且，這些代謝物對(duì)紫外誘導(dǎo)下的DNA損傷和氧化應(yīng)激表現(xiàn)出更強(qiáng)的防御機(jī)制，對(duì)一些相關(guān)細(xì)胞系有更好的抗癌特性。有趣的是，CYP11A1的產(chǎn)物，例如20(OH)D和20,23(OH)2D，對(duì)VDR有部分或偏向的抵抗作用。舉個(gè)例子，這些代謝物在激活VDR的藥物濃度水平上不會(huì)誘導(dǎo)血鈣效應(yīng)或者CYP24A1的表達(dá)，以上兩種現(xiàn)象則在骨化三醇治療比較常見。
除了VDR,類維生素A的受體α(RORα)和γ(RORγ)亞型-配體依賴轉(zhuǎn)錄因子核受體家族中的成員，也可以作為20(OH)
D和20,23(OH)2D新的受體。RORs參與調(diào)節(jié)很多病癥例如癌癥、自身免疫病和代謝異常中的免疫和代謝過程。有趣的是，CYP11A1衍生的維生素D代謝物可以作為RORα和RORγ的反向激動(dòng)劑抑制其轉(zhuǎn)錄活性。舉個(gè)例子，20(OH)D和20,23(OH)2D能夠分別抑制RORα和RORγ目標(biāo)基因Bmal1和G6Pase的轉(zhuǎn)錄。因此，維生素D的多效性和負(fù)面效應(yīng)不僅歸因于骨化三醇-VDR路徑，也取決于CYP11A1衍生的維生素D代謝物-VDR或-RORα/γ路徑。這一部分需要更多的工作來定義維生素D對(duì)健康和疾病的廣泛影響。
經(jīng)典維生素D代謝的激素調(diào)節(jié)
骨化三醇，作為一種激素，以一種負(fù)反饋機(jī)制緊密調(diào)節(jié)維生素D代謝中，使維生素D失活的酶-CYP24A1，是骨化三醇-VDR-RXR復(fù)合物最強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄目標(biāo)之一。CYP24A1的啟動(dòng)子包含2個(gè)接近轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游150和250-bp的VDREs,驅(qū)動(dòng)骨化三醇對(duì)CYP24A1的強(qiáng)烈誘導(dǎo)。此外，通過招募組蛋白H4�；D(zhuǎn)移酶和位于人類CYP24A1基因下游50到70-kb的RNA聚合酶II，骨化三醇也能誘導(dǎo)CYP24A1的表達(dá)。因此，腎臟中骨化三醇驅(qū)動(dòng)的CYP24A1表達(dá)能緊密調(diào)節(jié)骨化二醇和骨化三醇的水平。而且，骨化三醇也通過對(duì)啟動(dòng)子區(qū)域的表觀遺傳修飾等復(fù)雜的機(jī)制抑制腎臟中CYP27B1的轉(zhuǎn)錄。
除了骨化三醇的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，甲狀旁腺激素（PTH）和成纖維細(xì)胞生長因子（FGF-23）兩種激素也能調(diào)節(jié)維生素D代謝，這兩種激素對(duì)維持鈣和磷的穩(wěn)態(tài)都有重要作用。PTH由甲狀旁腺分泌對(duì)低血清鈣濃度有響應(yīng)，鈣感受器受體（CaSRs）在甲狀旁腺細(xì)胞表面被表達(dá)。PTH通過cAMP-依賴的轉(zhuǎn)錄增加或者上調(diào)核器官受體NR4A2-依賴的轉(zhuǎn)錄刺激腎臟表達(dá)CYP27B1。即使增加骨化三醇能誘導(dǎo)CYP24A1的表達(dá)引發(fā)其自身降解，PTH也能激活腎臟中的cAMP–PKA路徑誘到mRNA中CYP24A1的降解使骨化三醇的水平得到維持。這種維持導(dǎo)致的高血鈣水平能以一種負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制通過綁定甲狀旁腺中的CaSRs實(shí)現(xiàn)對(duì)PTH分泌的負(fù)反饋調(diào)節(jié)。FGF-23由成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞分泌，對(duì)高血磷和高鈣水平有響應(yīng)。FGF-23抑制在腎小管近端頂端膜上的鈉-磷協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2(NPT2)的表達(dá)促進(jìn)磷的分泌，這種抑制通過綁定細(xì)胞膜中的FGF receptor–Klotho復(fù)合物實(shí)現(xiàn)。此外，F(xiàn)GF-23抑制腎臟中CYP27B1的表達(dá)同時(shí)刺激CYP24A1的表達(dá)使血清中的骨化三醇水平降低，然而這種機(jī)理目前還有待證實(shí)。
維生素D的抗癌性質(zhì)
由于已經(jīng)在流行病學(xué)和臨床前研究觀察到了維生素D在預(yù)防和治療癌癥方面的積極效果，人們也提出了很多機(jī)制來解釋這一現(xiàn)象。有大量研究數(shù)據(jù)顯示維生素D能夠調(diào)節(jié)腫瘤發(fā)生的整個(gè)過程，從最開始發(fā)生到轉(zhuǎn)移以及細(xì)胞-微環(huán)境的相互作用，如圖3所示。這些機(jī)理包括調(diào)節(jié)細(xì)胞的行為，例如增殖、分化、凋亡、自噬和上皮到間質(zhì)(EMT)的轉(zhuǎn)變，以及調(diào)節(jié)細(xì)胞-微環(huán)境相互作用，例如血管生成、抗氧化、炎癥和免疫系統(tǒng)。
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圖3維生素D的抗癌性質(zhì)
初始階段：在抗炎、抗氧化和DNA損傷修復(fù)中的作用
腫瘤的初始階段是一個(gè)在正常細(xì)胞中不可逆的基因突變過程，隨后誘導(dǎo)了變化。很多數(shù)據(jù)表明維生素D在腫瘤形成階段起到關(guān)鍵的阻礙作用，這種作用通過抗炎、抗氧化以及DNA損傷修復(fù)過程得以發(fā)揮。
抗炎
慢性炎癥是一種低程度的長期響應(yīng)，最終導(dǎo)致組織的逐漸破損并在活性氧（ROS）和炎癥位點(diǎn)分泌的細(xì)胞因子的作用下進(jìn)行修復(fù)�，F(xiàn)在人們廣泛意識(shí)到慢性炎癥是導(dǎo)致腫瘤產(chǎn)生的一個(gè)主要因素。而維生素D通過至少4個(gè)機(jī)制發(fā)揮抗炎作用。
第一種機(jī)制是骨化三醇通過抑制環(huán)氧化酶-2(COX-2)和PG受體的表達(dá)以及促進(jìn)PGs的降解抑制促炎響應(yīng)的前列腺素路徑。在前列腺癌細(xì)胞中，骨化三醇降低了COX-2及PG受體EP2和FP的表達(dá)，同時(shí)增加了15-羥基前列腺脫氫酶(15-PGDH-一個(gè)NAD+-依賴的負(fù)責(zé)PGE2降解的酶)的表達(dá)。此外，在乳腺癌的研究中表明，骨化三醇治療后COX-2mRNA表達(dá)會(huì)減少和PGE2會(huì)增加的。在乳腺癌細(xì)胞系和卵巢癌組織中VDR的表達(dá)與COX-2呈負(fù)相關(guān)，支持了骨化三醇-VDR可以抑制COX-2表達(dá)和PGs生成這一觀點(diǎn)。
第二種機(jī)制是維生素D可以抑制p38
MAPK調(diào)節(jié)的促炎癥信號(hào)通路。在正常的前列腺上皮細(xì)胞和前列腺癌細(xì)胞中，骨化三醇誘導(dǎo)MAPK磷酸酶-5的表達(dá)抑制促炎癥細(xì)胞因子例如IL-6的生成，這一過程阻止了p38
MAPK的磷酸化和激活。除了前列腺細(xì)胞，骨化三醇也能誘導(dǎo)人體單核細(xì)胞和鼠的巨噬細(xì)胞中的MKP-1，抑制脂多糖形成IL-6和腫瘤壞死因子(TNF)-α。
第三種機(jī)制是骨化三醇能夠抑制核因子(NFκB)信號(hào)通路。骨化三醇抑制巨噬細(xì)胞中的AKT及其下游目標(biāo)物1
IκBα的磷酸化，這種抑制通過上調(diào)THEM4(一種抑制NFκB的AKT調(diào)控蛋白)和COX-2的表達(dá)得以實(shí)現(xiàn)。在成纖維細(xì)胞中，骨化三醇增加了IκBα蛋白的穩(wěn)定性，同時(shí)誘導(dǎo)VDR和IκBα酶的綁定，阻止其磷酸化和激活，最終抑制NFκB亞單元p65的核轉(zhuǎn)移。
第四種機(jī)制是維生素D可以調(diào)節(jié)免疫和癌細(xì)胞之間的相互作用進(jìn)而抑制促炎細(xì)胞因子的生成。外周血單核細(xì)胞和結(jié)直腸癌細(xì)胞培養(yǎng)基實(shí)驗(yàn)表明維生素D治療可以顯著降低促炎細(xì)胞因子例如TNF-α,
IL-6和低程度的IL-10的生成，支持了維生素D在腫瘤微環(huán)境中的抗炎作用這一觀點(diǎn)。
抗氧化和DNA損傷修復(fù)
ROS在腫瘤發(fā)生的很多方面都起著重要作用，它能促進(jìn)DNA突變、細(xì)胞增殖和細(xì)胞凋亡。因此，維持系統(tǒng)的抗氧化性是防止腫瘤進(jìn)展的關(guān)鍵步驟。越來越多的數(shù)據(jù)表明維生素D能夠促進(jìn)抗氧化保護(hù)氧化應(yīng)激導(dǎo)致的DNA損傷。研究表明在VDR敲除的小鼠結(jié)腸上皮細(xì)胞中由于氧化應(yīng)激引發(fā)的DNA損傷有上升趨勢(shì)。而且，用骨化三醇治療的小鼠能顯著降低丙二醛水平，丙二醛通常是脂質(zhì)過氧化導(dǎo)致DNA損傷的終產(chǎn)物。日常補(bǔ)充維生素D可以減少過氧化導(dǎo)致的DNA損傷，這表明維生素D能夠抵制過氧化應(yīng)激導(dǎo)致的DNA損傷。
維生素D調(diào)節(jié)的對(duì)ROS誘導(dǎo)的DNA損傷的保護(hù)主要?dú)w因于其在抑制ROS解毒過程中大量酶的表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，骨化三醇分別誘導(dǎo)前列腺上皮細(xì)胞中超氧化歧化酶1(SOD1)和雄激素敏感的前列腺癌細(xì)胞中超氧化歧化酶2(SOD2)的表達(dá)。此外，骨化三醇還誘導(dǎo)硫氧還原蛋白酶1(TXNRD1)的表達(dá)，這種酶會(huì)降低前列腺和乳腺癌細(xì)胞中硫氧還原蛋白的抗氧化功能，骨化三醇還會(huì)誘導(dǎo)葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的表達(dá)，這種酶在前列腺和卵巢癌細(xì)胞中產(chǎn)生NADPH用于谷胱甘肽的再生。而且，NF-E2-相關(guān)因子2（NRF2）,一個(gè)可以增加多種抗氧化劑酶的表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，維生素D可以通過增加NRF2的表達(dá)、核轉(zhuǎn)運(yùn)或者減少KEAP1調(diào)控的降解來對(duì)其進(jìn)行調(diào)控。由于NRF2是抗氧化酶的主要調(diào)節(jié)者，這可能也是維生素D能夠誘導(dǎo)抗氧化酶和表現(xiàn)抗氧化作用的潛在機(jī)制。
除了通過放大抗氧化性來預(yù)防DNA損傷外，維生素D也能直接調(diào)節(jié)DNA的損傷修復(fù)過程。研究表明維生素D增加參與DNA損傷修復(fù)過程中的基因表達(dá)，例如p35、增殖細(xì)胞核抗原(PCNA)、乳腺癌細(xì)胞中的乳腺基因1(BRCA1)、PECs中的毛細(xì)管擴(kuò)張突變基因(ATM)和招募DNA修復(fù)蛋白(RAD50)及鱗狀癌細(xì)胞中的生長停滯和DNA損傷誘導(dǎo)α(GADD45α)。維生素D也能阻止由乳腺癌細(xì)胞中的溶酶體肽鏈內(nèi)切酶半胱氨酸組織蛋白1酶調(diào)節(jié)的p53-綁定的蛋白1(53BP1)的降解。因此，維生素D一定程度上可以通過誘導(dǎo)抗炎、抗氧化和DNA損傷修復(fù)功能防止腫瘤初始階段的基因突變。
進(jìn)展階段：在細(xì)胞增殖/分化和凋亡/自噬中的作用
即使細(xì)胞已經(jīng)在初始階段發(fā)生了基因突變，維生素D仍然能通過抑制細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)分化和死亡來阻礙腫瘤進(jìn)展進(jìn)而發(fā)揮抗癌作用。
細(xì)胞增殖和分化
骨化三醇被證明在正常和癌細(xì)胞中均有阻止細(xì)胞增殖和促進(jìn)分化的作用。而且除了骨化三醇，由CYP11A1催化產(chǎn)生的新的維生素D代謝物例如20(OH)D3、20(OH)D2、1,20(OH)2D3和20,23(OH)2D3都有通過VDR抑制細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)分化的作用，作用效果與骨化三醇相當(dāng)，但是對(duì)鈣的影響更小。維生素D的抗增殖效果受到包括調(diào)節(jié)生長因子、細(xì)胞循環(huán)和信號(hào)通路在內(nèi)的多種機(jī)制的調(diào)控。第一，維生素D增加了類胰島素生長因子綁定蛋白3（IGF）和周期蛋白依賴激酶（CDK）抑制劑p21和p27的表達(dá)，同時(shí)抑制CDK2的表達(dá)，進(jìn)而抑制IGF-1和IGF-2刺激的細(xì)胞增殖和細(xì)胞周期。第二，骨化三醇降低轉(zhuǎn)錄因子4-β-連環(huán)蛋白的形成或增加Wnt拮抗劑DKK-1的表達(dá)來抑制Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路。第三，維生素D也能激活轉(zhuǎn)錄因子FoxO3/4，它能夠刺激細(xì)胞周期停滯和抗增殖的目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄，通過什么方式呢？通過誘導(dǎo)神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞的去乙�；腿チ姿峄瓿�。第四，維生素D還能抑制端粒酶的活性，并且誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變生長因子（TGFβ）及其受體的表達(dá)進(jìn)而抑制細(xì)胞生長。第五，維生素D能調(diào)節(jié)細(xì)胞分化中涉及的多個(gè)信號(hào)通路，例如磷酸�；�3激酶/AKT、MAPK、NF-kB和Ca2+信號(hào)通路。
凋亡和自噬
維生素D誘導(dǎo)的凋亡主要由抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-XL的下調(diào)以及促進(jìn)凋亡蛋白Bax、Bak和Bad的上調(diào)完成。此外，通過上調(diào)其它促凋亡蛋白例如GOS2、DAP-3、DAP-3和胱門蛋白酶也能誘導(dǎo)凋亡的產(chǎn)生。維生素D還能通過增加同源性磷酸酶(PTEN)的表達(dá)來抑制AKT調(diào)節(jié)的抗凋亡信號(hào)通路。最后，維生素D能通過招募Ca2+依賴的凋亡因子例如Ca2+依賴的μ-鈣蛋白酶和Ca2+/鈣蛋白酶依賴的細(xì)胞凋亡蛋白酶-12來激發(fā)凋亡過程。
自噬是一個(gè)在細(xì)胞生存和凋亡依賴的細(xì)胞死亡過程中有重要作用的分解代謝過程。有趣的是，大量數(shù)據(jù)表明維生素D能夠?qū)┘?xì)胞中的自噬模式從細(xì)胞生存轉(zhuǎn)向死亡。維生素能表現(xiàn)細(xì)胞毒性或者抑制細(xì)胞生長的自噬，而敏感的放射療法通常誘導(dǎo)細(xì)胞保護(hù)的自噬。維生素D誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬死亡過程歸因于一種調(diào)節(jié)自噬的基因-beclin 1的上調(diào)。此外，CDK抑制劑可能包括在維生素D調(diào)節(jié)的細(xì)胞自噬死亡過程中，因?yàn)檫@種抑制作用通過失去p19得到增加或失去p27基因得到減弱。而且，維生素D也能通過誘導(dǎo)DNA損傷-誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄4(DDIT4)和調(diào)節(jié)發(fā)育和DNA損傷的基因(REDD1，一種抑制自噬的mTORC1抑制劑)的表達(dá)引發(fā)自噬。
癌癥中維生素D活性的失調(diào)
前面提到，典型的骨化三醇的形成酶CYP27B1在腎臟中表達(dá)，調(diào)節(jié)骨化三醇功能和降解的VDR和CYP24A1在一些特定組織例如腸、骨骼和腎臟中表達(dá)。然而，除了以上組織，在其它部位也有表達(dá)，說明很多細(xì)胞都可以是維生素D的目標(biāo)并且骨化三醇的水平能夠局部調(diào)節(jié)以發(fā)揮精細(xì)的組織特異功能。重要的是，這種維生素D的局部調(diào)節(jié)作用在很多癌細(xì)胞中處于失調(diào)狀態(tài)，這歸咎于對(duì)基于維生素D的癌癥治療的抵抗。關(guān)于癌癥中的維生素D代謝和功能失調(diào)的總結(jié)可見圖4。
圖4癌癥中維生素D的代謝失調(diào)
VDR在很多細(xì)胞中都有表達(dá)，VDR-RXR通常與癌癥發(fā)展呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在很多癌癥中VDR的表達(dá)會(huì)隨著去分化和腫瘤進(jìn)展逐漸降低。
癌癥的進(jìn)展一般有五種方式影響VDR的表達(dá)。第一，轉(zhuǎn)錄抑制因子Snail在很多癌癥中都會(huì)過表達(dá)，它們參與EMT、腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移，對(duì)VDR的表達(dá)表現(xiàn)出抑制作用。研究表明Snail 1和Snail 2能夠綁定到VDR基因啟動(dòng)子區(qū)域的E-boxes上，然后招募阻礙蛋白抑制結(jié)直腸癌和乳腺癌中的VDR轉(zhuǎn)錄。第二，腫瘤抑制基因p53，在近半數(shù)腫瘤中發(fā)生丟失或突變，能夠增加VDR的轉(zhuǎn)錄。有趣的是，癌癥相關(guān)的p53突變細(xì)胞能直接與VDR綁定調(diào)節(jié)VDR的響應(yīng)，或者間接參與VDR調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄過程防止癌細(xì)胞凋亡。第三，很多癌癥中的致癌基因Ras的連續(xù)突變會(huì)抑制VDR表達(dá)。人體結(jié)直腸癌中的K-Ras突變表達(dá)和小鼠結(jié)直腸癌及大鼠腸上皮細(xì)胞中的H-Ras突變表達(dá)能抑制VDR的轉(zhuǎn)錄從而抑制骨化三醇依賴的VDR的激活。除了降低VDR的表達(dá)，在角質(zhì)形成細(xì)胞和PEC細(xì)胞系中分別有H-Ras和K-Ras的突變表達(dá)，它們通過誘導(dǎo)RXRα的磷酸化抑制VDR的轉(zhuǎn)錄。第四，癌癥中也會(huì)發(fā)生VDR的表觀遺傳沉默。VDR啟動(dòng)子區(qū)域的CpG島甲基化與結(jié)直腸和乳腺癌中的VDR表達(dá)減弱相關(guān)。乳腺癌細(xì)胞中的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT)抑制劑誘導(dǎo)VDR的表達(dá)并且提高了骨化三醇的抗增殖效果。第五，有報(bào)道表明癌癥中miRNA也參與VDR的表達(dá)。
CYP27B1
由于骨化二醇是維生素D的主要循環(huán)形式，與只依賴腎臟產(chǎn)生骨化三醇的細(xì)胞相比，能表達(dá)CYP27B1的細(xì)胞會(huì)進(jìn)一步增加骨化三醇的局部濃度。與VDR類似，CYP27B1的表達(dá)也與肺癌、前列腺癌、結(jié)直腸癌、甲狀腺癌和皮膚癌的進(jìn)展呈負(fù)相關(guān)，表明在這些組織中骨化三醇的局部濃度可能對(duì)阻止癌癥進(jìn)展有重要作用。有趣的是，目前的研究表明，在結(jié)直腸癌中，促炎癥因子IL-6和TNF-α使CYP27B1的表達(dá)下調(diào)，表明促炎癥腫瘤微環(huán)境也是腫瘤進(jìn)展中使CYP27B1表達(dá)下降的影響因素。但是，關(guān)于這種分子機(jī)制目前還不清楚。除了這些癌癥中的負(fù)相關(guān)作用外，在甲狀腺癌、乳腺癌和腎癌中觀察到了正相關(guān)的結(jié)果。與肺癌不同的是，肺癌患者的肺泡巨噬細(xì)胞中的CYP27B1表達(dá)與癌癥進(jìn)展呈正相關(guān)關(guān)系。這個(gè)可以部分解釋為在單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突細(xì)胞中觀察到促炎因子IFN-γ、TNF-α和TLRs使CYP27B1表達(dá)上調(diào)，表明促炎腫瘤微環(huán)境可能增加哺乳動(dòng)物細(xì)胞中CYP27B1的表達(dá)。這種免疫細(xì)胞中CYP27B1表達(dá)的變化和維生素D代謝的關(guān)系可能有助于免疫-抑制腫瘤微環(huán)境。
CYP24A1
已知CYP24A1是一種可以降解骨化二醇和骨化三醇的酶，那么癌細(xì)胞可能通過上調(diào)CYP24A1的表達(dá)來降低骨化三醇的局部濃度，這中關(guān)系類似很多癌癥中CYP27B1的降低。在大多數(shù)研究中，的確表明CYP24A1的表達(dá)與癌癥進(jìn)展呈正相關(guān)，其中黑色素瘤是個(gè)例外。
盡管CYP24A1表達(dá)是由骨化三醇-VDR通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)誘導(dǎo)的，癌細(xì)胞中高水平的CYP24A1表達(dá)不太可能由VDR激活介導(dǎo)，因?yàn)樵诤芏喟┌Y中，VDR的表達(dá)和活性都發(fā)生了下調(diào)。這說明很多癌癥中CYP24A1的過表達(dá)不是骨化三醇-VDR機(jī)制的調(diào)節(jié)結(jié)果。目前已經(jīng)有4種機(jī)制被提出來。第一，乳腺癌和一些其它癌癥中的CYP24A1過表達(dá)與包含CYP24A1基因染色體的擴(kuò)增有關(guān)。有趣的是，只在腫瘤組織中觀察到CYP24A1的擴(kuò)增，良性組織中則沒有，說明CYP24A1導(dǎo)致的骨化三醇失活可能是腫瘤狀態(tài)進(jìn)展的關(guān)鍵因素。第二，癌癥中的CYP24A1過表達(dá)與miRNAs的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控相關(guān)。第三，絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶2(CK2)信號(hào)通路抑制前列腺癌中的CYP24A1過表達(dá)。有趣的是，CK2在很多癌癥中都會(huì)發(fā)生過表達(dá)，并且通常與不良預(yù)后相關(guān)。第四，表觀遺傳調(diào)節(jié)CYP24A1啟動(dòng)子區(qū)域也會(huì)促進(jìn)癌癥中CYP24A1表達(dá)的改變。
在皮膚細(xì)胞中，CYP11A1驅(qū)動(dòng)維生素D的替代代謝路徑，CYP24A1能產(chǎn)生抑制維生素D代謝的產(chǎn)物而不是降解骨化三醇。有趣的是，CYP11A1產(chǎn)生的20(OH)D可以被CYP24A1羥化后形成20,24(OH)2D和20,25(OH)2D，這兩種二氫化物與骨化三醇和20(OH)D對(duì)黑色素瘤有更好的抑制效果。與此相一致的是，20-羥化維生素D代謝物受體RORα/γ的表達(dá)與黑色素瘤的進(jìn)展呈負(fù)相關(guān)并且有良好的預(yù)后。這些研究表明，激活維生素D的替代代謝路徑可能是腫瘤治療的一個(gè)新策略。
基于維生素D的癌癥治療
雖然缺乏隨機(jī)的臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，很多流行病學(xué)、臨床、臨床前和體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明激活維生素D信號(hào)是癌癥預(yù)防和治療的有效策略。而且，很多基于維生素D代謝的激活或活性失調(diào)的干預(yù)治療已經(jīng)被研究用于癌癥治療。然而，治療策略中有些潛在的缺陷還有待改善。
系統(tǒng)性激活維生素D信號(hào)的一個(gè)潛在危險(xiǎn)是有很高的概率引發(fā)高血鈣癥，這能導(dǎo)致很嚴(yán)重的身體損傷。為了降低這種副作用，研究者努力開發(fā)基于VDR的抗結(jié)劑，與骨化三醇相比在維持抗癌活性的同時(shí)減小引發(fā)了高血鈣癥的幾率。直到現(xiàn)在，已經(jīng)測(cè)試了約有1500種維生素D類似物，只有很少一部分被證明可以用于后續(xù)的白血病、乳腺癌、前列腺癌和結(jié)腸癌病人的臨床評(píng)價(jià)中。作為CYP11A1主導(dǎo)的維生素D替代通路現(xiàn)在也被越來越多的了解了，但是對(duì)它在癌癥和VDR及ROR中的功能還知之甚少。這條路徑的研究將有助于開發(fā)癌癥治療中的新策略。此外，癌細(xì)胞中骨化三醇的局部濃度的增加是另一種可以避免產(chǎn)生高血鈣癥的策略。作為一種骨化三醇降解酶，CYP24A1在很多癌癥中被過量表達(dá)，抑制這個(gè)酶可以增加癌細(xì)胞中骨化三醇的局部濃度。的確，目前的研究表明通過基因敲除或者藥物的方式抑制CYP24A1的活性可以很大程度增加骨化三醇的抗癌效果。迄今為止，基于臨床目的一些CYP24A1的靶向抑制劑已經(jīng)被開發(fā)出來，這些抑制劑對(duì)癌癥治療是否有臨床療效和足夠的安全性還有待臨床驗(yàn)證。
此外，由于癌癥進(jìn)展過程中CYP27B1、VDR、CYP11A1和RORα/γ的表達(dá)會(huì)逐漸降低，基于維生素D的治療效果可能局限在早期階段。因此，定性和開發(fā)新的用于預(yù)測(cè)基于維生素D癌癥治療效果的診斷標(biāo)記物可能是這種策略得以成功應(yīng)用的不可或缺的部分。而且，深入研究癌癥進(jìn)展導(dǎo)致這些酶的表達(dá)降低的機(jī)制也是其中的關(guān)鍵步驟。正如前文提到，關(guān)于如何調(diào)控參與CYP27B1-VDR和CYP11A1-RORα/γ代謝過程的酶的表達(dá)的機(jī)制我們還了解的太少。目前的理解是很多癌基因信號(hào)通路通過調(diào)節(jié)相應(yīng)酶的表達(dá)或代謝物活性覆蓋了多條代謝通路。相應(yīng)的，這些癌基因信號(hào)通路很大程度上調(diào)節(jié)維生素D代謝和功能相關(guān)的酶的表達(dá)和活性。揭開這種錯(cuò)綜復(fù)雜的癌基因和維生素D代謝通路之間的關(guān)系需要對(duì)癌癥中維生素D代謝和功能的失調(diào)有更深入的理解，也能對(duì)癌癥治療提供更有希望的策略。
