Η Ορμόνη-Βιταμίνη D3 και ο Ρόλος της στην Λειτουργία του Οργανισμού: ο Μηχανισμός Δράσης

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

1. Εισαγωγή/Ιστορική αναδρομή

2. Η παραγωγή και ο μεταβολισμός της ορμόνης-βιταμίνης D

    2.1 Οι ρόλοι της βιταμίνης D στους κλασικούς και μη κλασικούς ιστούς-στόχους

3. Ο υποδοχέας ορμόνης-βιταμίνης D και γονιδιακή μηχανισμοί δράσης του

    3.1 Ο υποδοχέας βιταμίνης D (VDR)

    3.2 Τα γενικά χαρακτηριστικά της δράσης του VDR: Οι τοποθεσίες δέσμευσης του
           στο DNA

    3.3 Ο σχηματισμός ετεροδιμερούς με τους υποδοχείς του ρετινοειδούς Χ (RXR)

    3.4 Ο VDR λειτουργεί μεσολαβώντας στη ρύθμιση και τον έλεγχο των γονιδίων
            μέσω της πρόσδεση συμπλεγμάτων στις αλληλουχίες των προαγωγών

    3.5 Γενικές αρχές της αλληλεπίδρασης VDR στο γονιδίωμα των κυττάρων-στόχων

    3.6 Genome-wide coregulatory recruitment γονιδίων μέσω του VDR

    3.7 Προσδιορισμός των βαθύτερων μηχανιστικών αποτελεσμάτων ως απάντηση
           στη δέσμευση VDR/RXR

    3.8 Ο δυναμικός αντίκτυπος της κυτταρικής διαφοροποίησης και της ασθένειας των
           cicstromes VDR και τα αποτελέσματα της μεταγραφής

4. Η ορμόνη-βιταμίνη D και η ανθρώπινη γενετική προσαρμογή

5. Η βιταμίνη D και ο υποδοχέας της στο μεταβολισμό και στην ανοσία

6. Η διατροφική επιγονιδιωματική

7. Η επιγονιδιωματική της βιταμίνης D

8. Η εξατομικευμένη απάντηση στην βιταμίνη D

9. Βιβλιογραφία

1. Εισαγωγή/Ιστορική αναδρομή

Στην μελέτη ανασκόπησης της διεθνούς βιβλιογραφίας από τους J. Wesley Pike and Sylvia Christakos [1], με τίτλο: «Η βιολογία και ο μηχανισμός δράσης της ορμόνης βιταμίνης D», αναλύοντας τις μελέτες των Melanby E. και συνεργατών … Ding N και συνεργατών [2-169], οι συντάκτες της ανασκόπησης αυτής περιγράφουν: «Η D ανακαλύφθηκε πολλές δεκαετίες πριν από Mellanby [2], McCollum[3], Steenbock [4], και Windaus [5].  

Η βιταμίνη D είναι πλέον γνωστή μέσω των επακόλουθων ερευνητικών προσπαθειών από πολλούς ερευνητές για την συμμετοχή της κεντρικά, στη ρύθμιση της ομοιόστασης ασβεστίου και φωσφόρου στα ανώτερα σπονδυλωτά, μέσω της μετατροπής της στην βιολογικά ενεργή μορφή της, την 1,25-διυδροξυβιταμίνη D3 (1,25(OH)2D3) [6].

Ο τρόπος δράσης της «βιταμίνης» περιλαμβάνει τη ρύθμιση της έκφρασης γονιδίων σε συγκεκριμένους ιστούς. Αυτή η δραστηριότητα διαμεσολαβείται από τον πυρηνικό υποδοχέα της βιταμίνης D (τον vitaminDreceptor, VDR), μια δεσμευτική πρωτεΐνη DNA που αλληλοεπιδρά άμεσα με τις ρυθμιστικές ακολουθίες κοντά στα γονίδια στόχους και που λειτουργεί για να προσλάβει τα ενεργά συγκροτήματα χρωματίνης που συμμετέχουν γενετικά και επιγενετικά στην τροποποίηση της μεταγραφής [7-10].

Με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά, καθώς και το γεγονός ότι ο ίδιος ο VDR είναι μέλος της οικογένειας των πυρηνικών υποδοχέων των παραγόντων μεταγραφής των γονιδίων-στόχων, η ορμονικά ενεργή μορφή της βιταμίνης D είναι το βασικό συστατικό μιας κλασικής στεροειδούς ορμόνης στο ενδοκρινικό σύστημα [11-13].

Τα γονίδια-στόχοι που ρυθμίζονται από τη βιταμίνη D δεν περιορίζονται σε εκείνα που εμπλέκονται στην ομοιόσταση των μετάλλων, αλλά περιλαμβάνουν επίσης γονίδια που συνδέονται με πολύ διαφορετικές βιολογικές διεργασίες που σχετίζονται με το καρδιαγγειακό και το ανοσοποιητικό σύστημα, το δέρμα, το μεταβολισμό των ξενοβιοτικών, και πολλές πρόσθετες κυτταρικές διεργασίες επίσης [14].

Η ορμόνη βιταμίνη D ελέγχει επίσης τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίηση, υπονοώντας ότι εκτός από το ευρύ θεραπευτικό δυναμικό της σε μεταβολικές ασθένειες, μπορεί επίσης να είναι χρήσιμη για τον έλεγχο ορισμένων καρκίνων [15].

2. Η παραγωγή και ο μεταβολισμός της βιταμίνης D

Είναι σημαντικό και σύμφωνο με τις έννοιες της ενδοκρινολογίας ότι, υπάρχουν τουλάχιστον δύο γονιδιακά προϊόντα που ρυθμίζονται άμεσα από την 1,25(OH)2D3 μέσω σημαντικών βρόχων ανάδρασης και λειτουργούν για να συνθέσουν αλλά και για να ελέγξουν τα επίπεδα της 1,25(OH)2D3 στο αίμα και για να υποβαθμίσουν την ορμόνη στους ιστούς-στόχους.

Η βιταμίνη D παράγεται στο δέρμα μετά την έκθεση στο ηλιακό φως μέσω μιας διαδικασίας που περιλαμβάνει την φωτόλυση της δερματικής 7-δευδροχολστερόλης (προβιταμίνη D) στην προβιταμίνη D ακολουθούμενη από ισομερισμό [6].

Σύντομα έγινε αντιληπτό, ωστόσο, ότι η βιταμίνη D πρέπει να ενεργοποιηθεί μεταβολικά περαιτέρω πριν από την λειτουργία (βλ. Εικόνα 1). Κατά συνέπεια, η μητρική βιταμίνη υδροξυλιώνεται στο ήπαρ σε 25(OH)D3 από το CYP2R1, μια 25-υδροξυλάση (25-OHase) που ανακαλύφθηκε από τον Russell και τους συναδέλφους [17, 18].

Εικόνα 1 Sunlight mediated photolysis of 7-dehydrocholesterol to vitamin D in the skin and its activation

Sunlight mediated photolysis of 7-dehydrocholesterol to vitamin D in the skin, and its activation through subsequent sequential hydroxylation in the liver by Cyp2R1 to 25(OH)D3 and by Cyp27b1 to the vitamin D hormone 1,25(OH)2D3 in the kidney. Cyp24a1 initiates the degradation of 25(OH)D3 to 24,25(OH)2D3 in the kidney and the degradation of 1,25(OH)2D3 to 1,24,25(OH)3D3 in all vitamin D targets tissues that results in eventual conversion to calcitroic acid. Alternative degradation pathways in mice also result from Cyp24a1 activity as well.

Αυτό το ένζυμο παρουσιάζει την υψηλότερη συγγένεια για τη βιταμίνη D και είναι πιθανόν το πιο σημαντικό από τις 25-OHases με βάση τα γενετικά στοιχεία που δείχνουν ότι τα ελαττώματα σε αυτό το γονίδιο στον άνθρωπο οδηγούν σε δυσλειτουργία της βιταμίνης D [18, 19].

Τα διαγονιδιακά ποντίκια χωρίς το CYP2R1 εξακολουθούν να παράγουν σημαντικά επίπεδα 25(OH)D3, γεγονός που υποδηλώνει ότι μπορεί να εμπλέκονται και άλλες υδροξυλάσες, συμπεριλαμβανομένων των μιτοχονδριακών CYP27A1 καθώς και των μικροσωμικών CYP2D11, CYP2D25, CYP2J2/3 και CYP3A4 [20].

Έτσι, απαιτούνται πρόσθετες έρευνες για τον καθορισμό όλων των συστατικών αυτής της συγκεκριμένης τροποποίησης της βιταμίνης D in vivo.

Η δεύτερη, και πιο σημαντική, υδροξυλίωση της βιταμίνης D εμφανίζεται στο νεφρό μέσω των ενεργειών του μιτοχονδριακού συμπλέγματος CYP27B1, και οδηγεί στη σύνθεση της δραστικής ορμόνης 1,25(OH)2D3  [21] (βλ. Εικ. 1).

Η ισχύς αυτού του ενζύμου ως αποκλειστικής πηγής της 1,25(OH)2D3 υποστηρίζεται από τον επακόλουθο προσδιορισμό μεταλλάξεων στο γονίδιο CYP27B1 που οδηγούν σε ραχίτιδα εξάρτησης από βιταμίνη D τύπου 1 (VDDR-1) που αντιπροσωπεύει την ανεπάρκεια 1,25(OH)2D3 που αναφέρθηκε για πρώτη φορά το 1973 [22, 23].

Είναι σημαντικό ότι ο βιοχημικός και σκελετικός φαινότυπος αυτού του συνδρόμου έχει ανακεφαλαιωθεί πιο πρόσφατα μέσω γενετικής διαγραφής του γονιδίου Cyp27b1 σε ποντίκια χρησιμοποιώντας ομόλογο ανασυνδυασμό [24].

Η δραστικότητα του νεφρικού CYP27B1 είναι ζωτικής σημασίας για την παραγωγή και τη διατήρηση φυσιολογικών επιπέδων κυκλοφορίας 1,25(OH)2D3 [6].

Κατά συνέπεια, η σύνθεση και η δραστηριότητα του CYP27B1 ρυθμίζεται αυστηρά από ενδοκρινικούς παράγοντες που αναπτύσσονται ως απάντηση στις μεταβολές του ασβεστίου πλάσματος ή/και του φωσφόρου, κυρίως της PTH (24) (βλέπε Εικόνα 2).

Εκτός από την PTH, η οποία προκαλείται ως απάντηση στην υποασβεστιαιμία και είναι ο κύριος διεγέρτης της παραγωγής 1,25(OH)2D3, η FGF23, η οποία απαιτεί τον διαμεμβρανικό συν-υποδοχέα αKlotho, είναι επίσης ένας σημαντικός διαμορφωτής του μεταβολισμού της βιταμίνης D [25, 26] (βλ. Εικ. 2).

Οι μοριακοί μηχανισμοί και οι οδοί σηματοδότησης με τις οποίες η PTH προκαλεί και ο FGF23 καταστέλλει την έκφραση του νεφρικού CYP27B1 παραμένουν απροσδιόριστοι επί του παρόντος [27].

Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι, η ολοκλήρωση του ενδοκρινικού κυκλώματος της βιταμίνης D περιλαμβάνει έναν ισχυρό μηχανισμό ανάδρασης μέσω του οποίου, η 1,25(OH)2D3 δρα για να καταστείλει την έκφραση του γονιδίου CYP27B1 στο νεφρό, να μειώσει την παραγωγή και την έκκριση PTH από τον παραθυρεοειδή αδένα και να αυξήσει την έκφραση του FGF23 στα οστά [28, 29].

Ένας παρόμοιος μηχανισμός αρνητικής ανάδρασης φαίνεται να υπάρχει και για το FGF23, το οποίο δρα όχι μόνο στο νεφρό για να ρυθμίσει προς τα κάτω το CYP27B1, αλλά το οποίο μπορεί να λειτουργήσει στον παραθυρεοειδή αδένα για να καταστείλει και την PTH [30].

Μια σειρά από πρόσθετους παράγοντες ρυθμίζουν επίσης την έκφραση του CYP27B1, συμπεριλαμβανομένων των ορμονών του φύλου και των επινεφριδίων, της προλακτίνης και της αυξητικής ορμόνης [28].

Εικόνα 2 Scheme for the regulation of mineral homeostasis in higher vertebrates

Εικ. 2 Scheme for the regulation of mineral homeostasis in higher vertebrates. The hormones PTH and FGF23 monitor extracellular calcium and phosphate, respectively, and orchestrate the mineral regulating activities of the intestine, kidney and bone through actions on vitamin D metabolism.

Μια πρόσφατη έκθεση περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο η προλακτίνη μπορεί να προκαλέσει το CYP27B1 μέσω της ενεργοποίησης του STAT5 [31]. Ευρείες μελέτες δείχνουν επίσης ότι η έκφραση του CYP27B1 δεν μπορεί να περιορίζεται στο νεφρό, αλλά μάλλον συντίθεται σε μικρές ποσότητες σε άλλους τύπους κυττάρων [32].

Αυτό υποδηλώνει ότι τα επίπεδα κυκλοφορίας της 25(OH)D3 θα μπορούσαν να ελέγξουν την παραγωγή 1,25(OH)2D3 σε αυτά τα κύτταρα είτε με άμεσο είτε με παρακρινικό ή αυτοκρινικό τρόπο ανεξάρτητα από το νεφρό.

Το δέρμα, αντίθετα, μπορεί να αντιπροσωπεύει ένα τρίτο παράδειγμα όπου εκτός από το 1,25(OH)2D3, η 25(OH)D3 λαμβάνει χώρα επίσης εσωτερικά μέσω της έκφρασης του CYP2R1 [33, 34].

Η υποβάθμιση της 1,25(OH)2D3 επιτυγχάνεται μέσω της δράσης του CYP24A1, ενός μικροσωμικού ενζύμου που εκφράζεται βασικά στο νεφρό καθώς και σε όλους τους ιστούς-στόχους της βιταμίνης D [35].

Αυτή η οδός αποικοδόμησης περιλαμβάνει μια τρίτη υδροξυλίωση 1,25(OH)2D3 στον άνθρακα 24 για την παραγωγή 1,24,25-τριυδροξυβιταμίνης D3 (1,24,25(OH)3D3) ή στον άνθρακα 23 για την παραγωγή 1,25-υδροξυβιταμίνης D3-26,23-λακτόνης και οι δύο προχωρούν μέσω περαιτέρω οξείδωσης σε καλσιτροϊκό οξύ και στο CO2 [28].

Η 25(OH)D3, το υπόστρωμα για την παραγωγή της 1,25(OH)2D3, υδροξυλιώνεται από το CYP24A1 στο νεφρό, οδηγώντας στην έκκριση 24,25-διυδροξυβιταμίνης D3 (24,25(OH)2D3) στο αίμα. Σε σύγκριση με τη ρύθμιση του CYP27B1, το CYP24A1 ρυθμίζεται αμοιβαία (διεγείρεται από 1,25(OH)2D3 και καταστέλλεται από την PTH), μια δραστηριότητα που διατηρεί τα συστημικά επίπεδα της 1,25(OH)2D3 [36, 37].

Μαζί, τόσο το FGF23 όσο και το α-klotho προκαλούν την έκφραση του CYP24A1, αν και ο παράγοντας μεταγραφής που ενεργοποιεί την έκφραση αυτή καθ’ αυτή παραμένει προς το παρόν άγνωστος [26].

Δεδομένου ότι το CYP24A1 είναι παρόν και σε όλα τα κύτταρα-στόχους της βιταμίνης D, το CYP24A1 μπορεί επίσης να διαμορφώσει τα ενδοκυτταρικά επίπεδα της 1,25(OH)2D3 με αποτέλεσμα τον έλεγχο της κυτταρικής απόκρισης στην 1,25(OH)2D3.

Ένας βιολογικός ρόλος για τον μεταβολίτη 24,25(OH)2D3 έχει προταθεί εδώ και αρκετές δεκαετίες, αν και τα στοιχεία για αυτή την υπόθεση δεν έχουν ακόμη προκύψει in vivo. Πράγματι, αν και η διαγραφή του γονιδίου CYP24A1 στο ποντίκι από τον St. Arnaud και τους συναδέλφους του είχε ως αποτέλεσμα έναν φαινότυπο υπερασβεστιαιμίας, υπερασβεστιουρίας, νεφρικής ασβεστοποίησης και σκελετικών ανωμαλιών, όλες αυτές οι επιδράσεις αποδόθηκαν στη συνέχεια στην τοξικότητα που προκλήθηκε από υψηλά επίπεδα κυκλοφορίας 1,25(OH)2D3 [38].

Έτσι, η ταυτόχρονη εκτομή των γονιδίων όχι μόνο για το CYP24A1 αλλά και για το VDR, επίσης, καταργεί πλήρως την τοξικότητα που προέκυψε από αυτά τα υψηλά επίπεδα της ορμόνης [39].

Είναι ενδιαφέρον ότι, οι εξουθενωτικές μεταλλάξεις εντός του γονιδίου CYP24A1 που ενισχύουν την ανταπόκριση σε 1,25(OH)2D3 έχουν βρεθεί πρόσφατα σε πολύ μικρά παιδιά με ιδιοπαθή παιδική υπερασβεστιαιμία και σε ενήλικες. Σε ενήλικες, οι ασθενείς χαρακτηρίζονταν από υπερασβεστιαιμία, υπερασβεστιουρία και επαναλαμβανόμενες πέτρες στα νεφρά [40-43].

Τα ευρήματα αυτά παρέχουν στοιχεία για έναν κρίσιμο ρόλο του CYP24A1 στον άνθρωπο. Όπως προαναφέρθηκε, μία από τις θεμελιώδεις δράσεις του 1,25(OH)2D3 σε όλα τα κύτταρα-στόχους είναι η τόνωση της έκφρασης του CYP24A1, με αποτέλεσμα να ξεκινήσει το μέσο για τη δική του καταστροφή.

Παραδόξως, αν και ο γενικός μηχανισμός μέσω του οποίου 1,25(OH)2D3 προκαλεί την CYP24A1 μεταγραφή θεωρήθηκε ότι είναι κατανοητή σε μοριακό επίπεδο, πιο πρόσφατες μελέτες έχουν αποκαλύψει ένα πιο σύνθετο τρόπο ενεργοποίησης από την ορμόνη-βιταμίνη D [44].

Αυτή η πρόσθετη πολυπλοκότητα αντιπροσωπεύει ένα παράδειγμα για το πώς τα περισσότερα γονίδια ρυθμίζονται μέσω της περιφερικής γονιδιωματικής διαμόρφωσης [10, 45].

Είναι ενδιαφέρον ότι οι μοριακοί μηχανισμοί που παραμένουν να προσδιοριστούν, μέσω των οποίων οι πρωτογενείς ρυθμιστικές πρωτεΐνες PTH, 1,25(OH)2D3 και FGF23 ελέγχουν την έκφραση των νεφρικών Cyp27b1 και Cyp24a1, οι μέχρι τώρα έρευνες δείχνουν ότι, οι ενέργειές τους είναι πιθανόν σε όλα τα επίπεδα να είναι μεταγραφικής φύσης.

Αυτοί οι μηχανισμοί είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του συστήματος της βιταμίνης D, καθώς αυτά τα συστατικά αντιπροσωπεύουν τους αποκλειστικούς ενζυμικούς μεσολαβητές της παραγωγής και της υποβάθμισης του βασικού μεταβολίτη της βιταμίνης D και τα επίπεδά τους συχνά παρεκκλίνουν ως συνέπεια των πολλών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα σε μια νόσου.

2.1 Οι ρόλοι της βιταμίνης D στους κλασικούς και μη κλασικούς ιστούς-στόχους

Η ομοιόσταση του ασβεστίου και του φωσφόρου ενορχηστρώνεται μέσω των διαρρυθμιστικών δράσεων της PTH και της FGF23, αντίστοιχα [46, 47] (βλ. Εικ. 2). Αυτές οι ορμόνες ελέγχουν με τη σειρά τους την έκφραση του νεφρικού παράγοντα CYP27B1 που ολοκληρώνει τη σύνθεση της 1,25(OH)2D3, ενεργώντας απευθείας μέσω του εντέρου, των νεφρών και των οστών για τον έλεγχο της ισορροπίας των μετάλλων [48].

Κατά συνέπεια, αυτοί οι ιστοί λειτουργούν για να αποκτήσουν ασβέστιο και φωσφορικό άλας από τη διατροφή, να απορροφήσουν τα ιόντα από το σπειραματική διήθηση, και να παρέχουν μια άμεση πηγή σκελετικού ασβεστίου και φωσφορικού άλατος όταν η διατροφή γίνεται ελλιπής.

Οι συγκεντρώσεις ασβεστίου και φωσφόρου στο πλάσμα επιτηρούνται και διατηρούνται σε στενά πλαίσια, είναι δε κεντρικής σημασίας για τη λειτουργία της 1,25(OH)2D3 και για πολλαπλές άλλες διεργασίες που συνδέονται με τα φυσιολογικά επίπεδα ασβεστίου και του φωσφορικού άλατος, όπως η λειτουργία των μυών και των νεύρων.

Οι εντερικές δράσεις της 1,25(OH)2D3 επικεντρώνονται στη ρύθμιση της παραγωγής πρωτεϊνών που είναι απαραίτητες για τις διαδικασίες της διαιτητικής απορρόφησης ασβεστίου και φωσφόρου, και περιλαμβάνουν τέτοια γονιδιακά προϊόντα όπως calbindin D9K (S100g), NCX1, TRPV6 και ATP2B1 [49] (βλ. Εικ. 3). Εικ. 3 Γενικοί μηχανισμοί δράσης της 1,25(OH)2D3 και η ποικίλη βιολογία της στα κύτταρα-στόχους

Εικ. 3 Γενικοί μηχανισμοί δράσης της 1,25(OH)2D3 και η ποικίλη βιολογία της στα κύτταρα-στόχους. Η 1,25(OH)2D3 ρυθμίζει τη μεταγραφή γονιδίων στα κύτταρα στόχους με τη σύνδεση στον VDR. Αυτό ενεργοποιεί τον VDR και ετεροδιμερίζεται με τον παράγοντα μεταγραφής RXR και συνδέεται στις αλληλουχίες DNA σύνδεσης VDRE (στοιχεία απόκρισης σε βιταμίνη D) μέσα και γύρω από τα γονίδια-στόχους. Η μεταγραφή προχωρά μέσα από την αλληλεπίδραση του VDR με τους συμπαράγοντες και με τα υπόλοια στοιχεία που απαιτούνται για την διαδικασία της μεταγραφής. Το ετεροδιεμρές VDR αλληλεπιδρά με τον υποδοχέα των στεροειδών coactivator 2 (SRC2 επίσης γνωστό και ως GRIP1), ο οποίος έχει ιστονική δραστηριότητα ακετυλοάσης (HAT), ως πρωταρχικός συμπαράγοντας. Ο SRC2 μπορεί να προσλάβει πρωτεΐνες ως δευτερεύοντες συμπαράγοντες, όπως την CBP/p300 που έχει επίσης δραστηριότητα HAT. Ο VDR αλληλεπιδρά επίσης με το σύμπλεγμα μεσολαβητών, το οποίο διευκολύνει την ενεργοποίηση του ολοενζύμου της RNA πολυμεράσης ΙΙ μέσω του τομέα C-terminal (CTD), προωθώντας έτσι το σχηματισμό του συγκροτήματος προετοιμασίας της μεταγραφής των γονιδίων στόχων. Το σύμπλεγμα SWI/SNF επίσης ενεργοποιείται από τον VDR, και το οποίο αναδιαμορφώνει τη χρωματίνη χρησιμοποιώντας την ενέργεια από την υδρόλυση του ATP. Η 1,25(OH)2D3 είναι γνωστό ότι διατηρεί την ομοιόσταση ασβεστίου και επηρεάζει πολλούς άλλους τύπους κυττάρων. Επιδράσεις σε άλλα κύτταρα και συστήματα περιλαμβάνουν την αναστολή του πολλαπλασιασμού των καρκινικών κυττάρων και την διαμόρφωση του ανοσοποιητικού συστήματος.

Η κύρια δράση της βιταμίνης D στη διατήρηση της ομοιόστασης ασβεστίου είναι η προώθηση της απορρόφησης ασβεστίου από το έντερο. Το συμπέρασμα αυτό βασίζεται στην παρατήρηση ότι η ραχίτιδα και η οστεομαλακία μπορούν να προληφθούν σε ποντίκια VDR-null που τρέφονται με μια δίαιτα πρόληψης πλούσια σε ασβέστιο, φώσφορο και λακτόζη [50, 51].

Επιπλέον, όταν ασθενείς με κληρονομική ραχίτιδα ανθεκτική στην 1,25(OH)2D3 λαμβάνουν ενδοφλέβια ή από του στόματος διατροφή υψηλής περιεκτικότητας σε ασβέστιο, οι σκελετικές φαινότυποι αυτών των ασθενών αντιστρέφονται [52].

Στο παραδοσιακό μοντέλο διευκολυντικής διάχυσης, η 1,25(OH)2D3 ρυθμίζει:

 α) την είσοδο ασβεστίου μέσω του διαύλου ασβεστίου TRPV6,

β) τη διακυτταρική κίνηση του ασβεστίου με τη σύνδεση του με τη δεσμευτική πρωτεΐνη ασβεστίου calbindin D και

c) την εξώθηση ασβεστίου από το κύτταρο από τη μεμβράνη πλάσματος μέσω της CaPase PMCA2b.

Ωστόσο, μελέτες σε TRPV6- και calbindin D-null ποντίκια έχουν αμφισβητήσει αυτή την παραδοσιακή άποψη. Πράγματι, δεν υπάρχουν φαινοτυπικές διαφορές μεταξύ των ποντικών calbindin-D9k- ή TRPV6-null και των ποντικών άγριου τύπου όταν το διαιτητικό ασβέστιο είναι φυσιολογικό [53-55].

Τα ευρήματα αυτά δείχνουν ότι υπό κατάλληλες συνθήκες ασβεστίου, η  calbindin-D9k και η TRPV6 είναι περιττά για την εντερική απορρόφηση ασβεστίου και προτείνουν την διατήρηση του ασβεστίου από άλλα κανάλια ή πρωτεΐνες που δεν έχουν ακόμη προσδιοριστεί.

Από την άλλη, η συγκεκριμένη διαγονιδιακή έκφραση του TRPV6 από το έντερο έχει αποδειχθεί ότι έχει ως αποτέλεσμα την σημαντική αύξηση της εντερικής απορρόφησης ασβεστίου και της οστικής πυκνότητας σε ποντίκια VDR-null, υποδεικνύοντας σημαντικό ρόλο για το TRPV6 στη διαδικασία απορρόφησης ασβεστίου [56].

Πρόσφατες μελέτες δείχνουν την πιθανότητα ότι η πρόσληψη ασβεστίου ευαίσθητου στη βιταμίνη D επιτυγχάνεται μέσω ενός σύνθετου δικτύου δραστικών συστατικών ρύθμισης ασβεστίου και όχι μέσω μιας ενιαίας οντότητας [57].

Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι αν και ο δωδεκαδάκτυλος έχει γίνει το επίκεντρο της έρευνας που σχετίζεται με την 1,25(OH)2D3-ρύθμιση της απορρόφησης ασβεστίου για πολλά χρόνια, είναι το περιφερικό έντερο, όπου μετά την κατάποση ασβεστίου η πλειοψηφία αυτού απορροφάται [58].

Μελέτες στις οποίες ο VDR εκφράζεται ή διαγράφεται ειδικά στην περιφερική περιοχή του εντέρου, τονίζουν τη σημασία τόσο των περιφερικών όσο και των εγγύς τμημάτων του εντέρου σε ομοιόσταση ασβεστίου με τη βιταμίνη D και την ανοργανοποίηση των οστών [59, 60].

Μελέτες που σχετίζονται με τους μηχανισμούς που εμπλέκονται στην 1,25(OH)2D3-ρύθμιση της απορρόφησης του ασβεστίου στο περιφερικό έντερο μπορεί να προτείνει νέες στρατηγικές για την αύξηση της αποτελεσματικότητας της απορρόφησης ασβεστίου σε άτομα που διατρέχουν κίνδυνο για απώλεια οστών λόγω γήρανσης, βαριατρική χειρουργική επέμβαση ή φλεγμονώδη νόσο του εντέρου.

Η 1,25(OH)2D3 μπορεί επίσης να προκαλέσει κινητοποίηση ασβεστίου και φωσφόρου από το σκελετό μέσω μιας διαδικασίας που περιλαμβάνει τόσο τη διέγερση της οστικής απορρόφησης μέσω της οστεοκλαστικής δραστηριότητας, καθώς και την επαγωγή νέου σχηματισμού οστεοκλάστη από κυτταρικές πρόδρομες ουσίες [61, 62].

Αυτός ο μηχανισμός εκμεταλλεύεται την ικανότητα της ορμόνης να προκαλέσει έκφραση του αυτοκρινικού παράγοντα TNFα (Ενεργοποιητής υποδοχέα NF-κB Ligand) από τα χονδροκύτταρα, τους οστεοβλάστες και τους οστεοκύτες. Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι η 1,25(OH)2D3 μπορεί επίσης να διαδραματίσει ενεργό ρόλο στη διαμόρφωση της έκφρασης ρυθμιστικών παραγόντων όπως ο Spp1 (οστεοποντίνη), ο MGP, ENPP1 (εκτονουκλεοτυτιδική πυροφωσφατάση φωσφοδιεστεράση 1) και ENPP2, και ANK, και ALPL (εντερική αλκαλική φωσφατάση), και ίσως και άλλοι επίσης [63, 64].

Αυτός ο συνολικός μηχανισμός απελευθέρωσης ασβεστίου από τα οστά έχει ιδιαίτερα βαθιές συνέπειες όταν τα διαιτητικά επίπεδα ασβεστίου και φωσφορικού άλατος δεν επαρκούν για τη διατήρηση εξωκυτταρικών επιπέδων που οδηγούν σε αύξηση τόσο της PTH όσο και της 1,25(OH)2D3.

Σε τέτοιες περιπτώσεις, η διατήρηση των επιπέδων του ασβεστίου και του φωσφόρου στο αίμα έχει προτεραιότητα με αποτέλεσμα την απορρόφηση των οστών και την αντίστοιχη δομική αποδυνάμωση του σκελετού, αυξάνοντας έτσι τον κίνδυνο κατάγματος των οστών.

Πρόσφατες μελέτες δείχνουν επίσης ότι οστεοκύτες, ώριμοι οστεοβλάστες που έχουν γίνει πλήρως μέσα σε οστικά ορυκτά, όχι μόνο λειτουργούν για τον έλεγχο απελευθέρωσης από τα οστά του ασβεστίου και του φωσφορικού άλατος μέσω της παραγωγής RANKL και ρυθμιστών ανοργανοποίησης [65, 66], αλλά μπορεί επίσης να ενεργήσουν για να αναδιαμορφώσουν τα οστά απευθείας κατά τη διάρκεια ορισμένων φυσιολογικών καταστάσεων, όπως η γαλουχία [67]. Αυτή η διαδικασία προκαλείται τόσο από 1,25(OH)2D3 και την παραθυρεοειδή ορμόνη που σχετίζονται με την πρωτεΐνη.

Οι ενέργειες αυτών των ορμονών επηρεάζουν επίσης την έκφραση του γονιδίου FGF23 απευθείας από το οστεοκύτταρο και ίσως και από άλλους τύπους κυττάρων, καθώς και την κυτταρική επεξεργασία και απελευθέρωση στην κυκλοφορία από όπου ελέγχεται η νεφρική διαμόρφωση των επιπέδων φωσφορικών αλάτων [47].

Είναι επίσης σημαντικό να σημειωθεί ότι η εξάντληση των επιπέδων ασβεστίου και φωσφόρου στο αίμα έχει ως αποτέλεσμα την αποτυχία των οστών να ανοργανοποιηθούν μέσω φυσικοχημικών αρχών, με αποτέλεσμα ραχίτιδα ή οστεομαλακία [48].

Έτσι, οι μελέτες αυτές υποστηρίζουν μια άμεση επίδραση της 1,25(OH)2D3 στα οστά, καθώς και έναν έμμεσο ρόλο μέσω της παροχής ασβεστίου στα οστά μέσω της διέγερσης της εντερικής απορρόφησης ασβεστίου. Εάν το φυσιολογικό ασβέστιο ορού δεν μπορεί να διατηρηθεί με την εντερική απορρόφηση ασβεστίου, τότε η 1,25(OH)2D3 δρα μαζί με την PTH για την τόνωση της οστεοκλαστογένεσης και την αύξηση της επαναπορρόφησης ασβεστίου από τα περιφερικά σωληνάρια του νεφρού [37].

Αν και οι ενέργειες της 1,25(OH)2D3 είναι μέτριες στο νεφρό, η πραγματική ποσότητα ασβεστίου που ανακτάται μέσω της επαναπορρόφησης είναι ιδιαίτερα σημαντική λόγω του μεγάλου ημερήσιου φορτίου ασβεστίου που φιλτράρεται από αυτό το όργανο.

Κεντρικό σημείο της ενορχηστρωμένης δράσεις του εντέρου, των νεφρών και των οστών από την 1,25(OH)2D3 είναι τα ρυθμιστικά συστήματα που παρακολουθούν την περιεκτικότητα σε ασβέστιο και φώσφορο στο πλάσμα και συμμετέχουν μαζί με την ορμόνη βιταμίνη D στη διατήρηση αυτών των επιπέδων στο εξωκυτταρικό χώρο.

Στην περίπτωση του ασβεστίου, το επίπεδο αυτού του ιόντος παρακολουθείται συνεχώς από τον υποδοχέα ανίχνευσης ασβεστίου στον παραθυρεοειδή αδένα, ο οποίος ανταποκρίνεται αυξάνοντας την έκκριση της PTH από τον παραθυρεοειδή αδένα όταν μειώνεται η περιεκτικότητα σε ασβέστιο.

Ενώ η συνέπεια της απελευθέρωσης ασβεστίου από τα επίπεδα φωσφορικών αλάτων του σκελετού επίσης, τόσο η PTH όσο και η FGF23 λειτουργούν συλλογικά στο νεφρό για την προώθηση της φωσφορικής διούρησης μέσω ενός μηχανισμού που περιλαμβάνει κυτταρική μετεγκατάσταση πολλαπλών μεταφορέων νάτριο-φωσφορικού νατρίου [30, 68].

Το FGF23 αντιπροσωπεύει την πολυπόθητη ορμόνη ρύθμισης φωσφορικών αλάτων ή φωσφατονίνη που δεν προκαλείται μόνο από φωσφορικό άλας όταν είναι σε αφθονία αλλά και από 1,25(OH)2D3, αν και κανένας από αυτούς τους μηχανισμούς δεν είναι επί του παρόντος κατανοητός [29, 69, 70].

Η σύνδεση του FGF23 με τη ρύθμιση του φωσφορικού άλατος προήλθε αρχικά από φαινότυπους που σχετίζονται με οστεομαλακία που προκαλείται από όγκους (TIO), αυτοσωμική κυρίαρχη υποφωσφορική ραχίτιδα (ADHR), και x-linked υποφωσφορικά (XLH) σύνδρομα [71]. Πιο πρόσφατα, μελέτες στις οποίες το γονίδιο Fgf23 έχει διαγραφεί ή υπερ-εκφραστεί στο ποντίκι έρχονται να υποστηρίξουν σθεναρά αυτή τη σύνδεση.

Όσον αφορά το FGF23, έχει πλέον εντοπιστεί ένας νέος μηχανισμός με τον οποίο το FGF23 προωθεί την ανακατανομή των μεταφορέων φωσφορικών αλάτων NaPi2a (Slc34a1) και NaPi2c (Slc34a3), έτσι ώστε να μειώνεται η εγγύς σωληνοειδής επαναπορρόφηση του φωσφορικού άλατος [30]. Η ικανότητα του FGF23 να καταστέλλει την κυκλοφορία της 1,25(OH)2D3 οδηγεί επίσης σε μείωση της πρόσληψης φωσφορικού άλατος από το έντερο.

Αυτές και πρόσθετες δράσεις στους νεφρούς και τα οστά, καθώς και στο έντερο αποκαθιστούν τις συγκεντρώσεις ασβεστίου και φωσφόρου στα κατάλληλα επίπεδα στο πλάσμα.

Οι μηχανισμοί ανάδρασης μέσω του FGF23 που περιγράφηκαν νωρίτερα και στη συνέχεια δρουν για να αποτρέψουν την αύξηση των επιπέδων φωσφόρου πέραν των αποδεκτών ορίων διατηρώντας έτσι τα επίπεδα ασβεστίου και φωσφόρου εντός στενών ορίων.

Ο μοριακός μηχανισμός(-οί) με τον οποίο ορίζεται από την 1,25(OH)2D3, η έκφραση αρκετών γονιδίων των οποίων οι λειτουργίες είναι αναπόσπαστο μέρος της διατήρησης της ομοιόστασης ασβεστίου και φωσφόρου δεν έχουν ακόμα αποσαφηνιστεί.

Η 1,25(OH)2D3 είναι επίσης ρυθμιστής του κυτταρικού πολλαπλασιασμού και της διαφοροποίησης, δραστηριότητες που δεν είναι σε αντίθεση με εκείνες που εκδηλώνονται από πολλές από τις στεροειδείς ορμόνες (βλ. Εικ. 3).

Αυτές οι δράσεις ρύθμισης της ανάπτυξης της 1,25(OH)2D3, καθώς και πολλές πρόσθετες βιολογικές διεργασίες που ρυθμίζονται από την 1,25(OH)2D3 τονίζουν όχι μόνο τις σημαντικές φυσιολογικές δραστηριότητες της ορμόνης αυτής, αλλά πιθανούς θεραπευτικούς ρόλους τόσο για την ορμόνη όσο και για συνθετικά ανάλογα της βιταμίνης D.

Αυτές περιλαμβάνουν θεραπείες για τον καρκίνο, τον έλεγχο της λειτουργίας του δέρματος, τη ρύθμιση του ανοσοποιητικού συστήματος και αυτοάνοσα νοσήματα και τον έλεγχο των καρδιαγγειακών παθήσεων.

Μελέτες σε ποντίκια VDR-null, για παράδειγμα, παρέχουν άμεσες αποδείξεις in vivo ότι ελλείψει του VDR υπάρχει αυξημένη ευαισθησία σε απάντηση σε μια χημική καρκινογόνο ουσία για την ανάπτυξη μιας ποικιλίας όγκων, συμπεριλαμβανομένων των όγκων του δέρματος, όγκους των λεμφαδένων και των υποδοχέων οιστρογόνων σε όγκους [72, 73]. VDR-null ποντίκια αναπτύσσουν επίσης υπέρταση και καρδιακή υπερτροφία [74].

Επιπλέον, τα ποντίκια VDR-null αναπτύσσουν επίσης πιο σοβαρές καταστάσεις φλεγμονώδους νόσου του εντέρου, η οποία σχετίζεται με αυξημένο αριθμό φλεγμονωδών κυτοκινών (IL-17 και IFNa) -εκκρίνοντας Τ κύτταρα σε πειραματικά μοντέλα κολίτιδας [75, 76] και παρουσιάζουν αλλοιώσεις στην έμφυτη και προσαρμοστική ανοσία επίσης.

3. Ο υποδοχέας βιταμίνης D και γονιδιακή μηχανισμοί δράσης του

3.1 Ο υποδοχέας βιταμίνης D (VDR)

Η δεσμευτική πρωτεΐνη που ορίζεται τελικά ως VDR ανακαλύφθηκε αρχικά στο έντερο του κοτόπουλου και έπειτα σε άλλους ιστούς συμπεριλαμβανομένων των παραθυρεοειδών αδένων, των νεφρών, και των οστών [7, 8].

Στα βιοχημικά χαρακτηριστικά αυτής της πρωτεΐνης, συμπεριλαμβάνονται η σύνδεσή  της με την χρωματίνη [77] και η ικανότητά της να συνδεθεί με το DNA [9] και είναι όμοια με τα χαρακτηριστικά εκείνα των  υποδοχέων των γνωστών στεροειδών ορμονών και παίζει ιδιαίτερο ρόλο στον έλεγχο της μεταγραφής.

Παρά την πολλή προσπάθεια που προηγήθηκε αυτού του γεγονότος, ήταν η κλωνοποίηση του γονιδίου VDR στο κοτόπουλο [11] και στους ανθρώπους [12] και αρουραίους [78] και μορφών αυτού του υποδοχέα που ακολούθησαν λίγο αργότερα, η οποία εγκαινίασε μια νέα εποχή στην έρευνα της βιταμίνης D.

Η διαθεσιμότητα των κλώνων του VDR cDNA επέτρεψε την άμεση ανίχνευση του VDR RNA στα κύτταρα, και η εισαγωγή της ανάλυσης RT-PCR στα τέλη της δεκαετίας του 1980, κατέστησε πλέον δυνατή την ανάπτυξη της πιο ευαίσθητης δοκιμασίας για τον VDR που είναι τώρα σε χρήση.

Η κλωνοποίηση του VDR και η δομή του τομέα του υποδοχέα που τελικά αποκαλύφθηκε, επιβεβαίωσε επίσης ότι ο VDR ήταν ένα πραγματικός στεροειδές υποδοχέας και ένα μέλος της οικογένειας των στεροειδών υποδοχέων των γονιδίων [13, 79, 80].

Εξίσου σημαντικό επίσης είναι ότι, η δομική κλωνοποίηση και η ανάλυση της ακολουθίας του ανθρώπινου χρωμοσωμικού γονιδίου [81, 82] για το VDR που ακολούθησε σε σύντομο χρονικό διάστημα, οδήγησε τελικά στον προσδιορισμό μιας σειράς μεταλλάξεων εντός του ίδιου του γονιδίου που ήταν υπεύθυνη για το σύνδρομο κληρονομικής ραχίτιδας της 1,25(OH)2D3 (HVDRR) [83-87].

Αυτό το σύνδρομο είχε προσδιοριστεί νωρίτερα από τον Βell και τους συναδέλφους το 1978 (86) και για την αιτιολογία του προτάθηκε όπως και από άλλους ερευνητές, να οφείλεται σε ελαττώματα στο γονίδιο VDR [88-91], μια υπόθεση που επιβεβαιώθηκε κατά τη διάρκεια των ετών που μεσολάβησαν [92].

Η ανακάλυψη μεταλλάξεων στο γονίδιο VDR, η πρώτη για οποιοδήποτε μέλος της οικογένειας των πυρηνικών αυτών υποδοχέων, σταθεροποίησε τον αναπόσπαστο και ουσιαστικό ρόλο του VDR ως μοναδικό μεσολαβητή των δραστηριοτήτων της ορμόνης-βιταμίνης D.

3.2 Τα γενικά χαρακτηριστικά της δράσης του VDR: Οι τοποθεσίες δέσμευσης του στο DNA

Οι πρώτες μελέτες πρότειναν ότι, η 1,25(OH)2D3 ενεργοποίησε τα προγράμματα έκφρασης γονιδίων σε μια ευρεία ποικιλία κυττάρων και προσδιόρισε πολυάριθμους υποψηφίους γονίδια-στόχους για την περαιτέρω έρευνα.

Οι πιο εμφανείς μεταξύ αυτών ήταν οι ιστοί που εξέφρασαν τις πρωτεΐνες που εξαρτώνται από τη βιταμίνη D και τη δέσμευση ασβεστίου (calbindins) [93, 94], και η οστεοκαλσίνη [95, 96], η οστεοποντίνη [97] και το CYP24A1 [98] πρωτεΐνες, αν και αρκετές άλλες εμφανίστηκαν και κατά τη διάρκεια των επόμενων αρκετών δεκαετιών.

Η κλωνοποίηση πολλών από τα γονίδια για αυτές τις πρωτεΐνες και ο προσδιορισμός της δομικής οργάνωσής τους ώθησε την εξερεύνηση των μηχανισμών μέσω των οποίων η 1,25(OH)2D3 και ο υποδοχέας της θα μπορούσαν να προωθήσουν τη ρύθμιση τους (βλ. Εικ. 3).

Οι μελέτες αυτές, πρώτα με την ανθρώπινη BGLP (οστεοκαλσίνη) [99, 100] και στη συνέχεια με το γονίδιο Spp1 (οστεοποντίνη) [101], Cyp24a1 [102-105] και άλλα [106], πρότεινε ότι ο V DDR δεσμεύεται με ένα 15 bp στοιχείο του DNA που ανταποκρίνεται στην βιταμίνη D, το VDRE (vitaminDreceptorelementVDRE) που αποτελείται από δύο άμεσα επαναλαμβανόμενο και κονσερβοποιημένο AGGTCA-εξανουκλεοτίδιο, τα οποία χωρίζονται από τρεις bp και βρίσκονται γενικά χίλιες βάσεις ή λίγο παραπάνω πριν κωδικόνιο αρχής της μεταγραφής στον προαγωγέα αυτών των γονιδίων [100].

Αυτά τα χαρακτηριστικά ήταν παρόμοια, αλλά όχι πανομοιότυπα, με εκείνα για άλλους πυρηνικούς υποδοχείς. Η 1,25(OH)2D3 επίσης καταστέλλει έντονα την έκφραση πολλών γονιδίων κυρίως εκείνων για την PTH και το CYP27B1, αλλά και σε πιο πρόσφατες μελέτες του γονιδίου IL-17.

Η καταστολή της IL-17-μεταγραφής από την 1,25(OH)2D3 έχει αναφερθεί ότι συνεπάγεται, εν μέρει, διαχωρισμό της δραστηριότητας της ακετυλάσης της ιστόνη, την ανακύκλωση της δεακετυλάσης και δέσμευση στις VDR / RXR για NFAT γονιδιακές περιοχές [107] (βλ. Εικ. 4).

Ενώ έχει σημειωθεί κάποια πρόοδος, οι μηχανισμοί καταστολής για αυτά και άλλα γονίδια που ρυθμίζονται από την D , δεν έχουν ακόμη γίνει πλήρως κατανοητοί, αλλά είναι σχεδόν βέβαιο ότι θα είναι πολύ διαφορετικοί [108].

Εικόνα 4 Mechanism of suppression of the IL-17 gene by 1,25(OH)2D3

Εικ. 4 Mechanism of suppression of the IL-17 gene by 1,25(OH)2D3Mechanism of repression of IL-17A activated transcription by 1,25(OH)2D3. The negative effect of 1,25(OH)2D3 on IL-17A involves blocking NFAT (an essential regulator of IL-17A gene transcription) from binding to its sites on the IL-17 gene and 1,25(OH)2D3 dependent association of RXR/VDR with the NFAT elements. 1,25(OH)2D3 repression of IL-17A also involves 1,25(OH)2D3 mediated recruitment of histone deacetylase and sequestration of Runx1 (also an important T cell receptor mediated transcriptional regulator of IL-17A) by 1,25(OH)2D3/VDR (not shown). From Joshi S, Pantalena LC, Liu XK, et al. 1,25-dihydroxyvitamin D(3) ameliorates Th17 autoimmunity via transcriptional modulation of interleukin-17A. Mol Cell Biol. 2011;31 [18]:3653–3669, with permission.

3.3 Ο σχηματισμός ετεροδιμερούς με τους υποδοχείς του ρετινοειδούς Χ (RXR)

Συνοδευτική της ανακάλυψης των πρώτων VDRE ήταν το σημαντικό εύρημα ότι η σύνδεση ΤΟΥ VDR σε αυτές τις συγκεκριμένες ακολουθίες DNA εξαρτιόταν από έναν άγνωστο πυρηνικό παράγοντα [109–111].

Η ταυτότητα αυτής της πρωτεΐνης αποκαλύφθηκε στη συνέχεια όταν ανακαλύφθηκε ότι συγκεκριμένα μέλη της οικογένειας υποδοχέων στεροειδών που ονομάζονται υποδοχείς ρετινοειδούς Χ (RXR) ήταν σε θέση να σχηματίσουν ετεροδιμερή συγκροτήματα με τον VDR και άλλα μέλη αυτής της κατηγορίας των στεροειδών υποδοχέων [112 (βλ. Εικ. 3).

Είναι σημαντικό ότι, η 1,25(OH)2D3 βρέθηκε να προωθεί τον σχηματισμό ετεροδιμερών μεταξύ VDR και RXR, αν και η κυτταρική θέση αυτής της αλληλεπίδρασης παραμένει απροσδιόριστη επί του παρόντος [111, 113].

Έχει προταθεί ότι εκτός από τη συμβολή της στη σύνδεση στο DNA, το RXR μπορεί να συμμετάσχει στη διαδικασία ενεργοποίησης μεταγραφής [114, 115]. Πρόσφατες διαρθρωτικές μελέτες, ωστόσο, δείχνουν ότι αυτό το σύμπλεγμα φαίνεται ικανό να μπορεί να συνδεθεί με ένα μόριο συνμπαράγοντα-ρύθμισης της μεταγραφής [116].

3.4 Ο VDR λειτουργεί μεσολαβώντας στη ρύθμιση και τον έλεγχο των γονιδίων μέσω της πρόσδεση συμπλεγμάτων στις αλληλουχίες των προαγωγών

Οι πρώτες μελέτες αποκάλυψαν ότι η δέσμευση του παράγοντα μεταγραφής VDRκοντά στους υποστηρικτές οδηγεί σε μια αλληλεπίδραση με όλα βασικά συμπλέγματα εκκίνησης της μεταγραφής και ενισχύει την παραγωγή γονιδίων.

Είναι πλέον γνωστό ότι, η μεταγραφή και η διαμόρφωση της που λαμβάνει χώρα από τους περισσότερους ενεργοποιητές-ενισχυτές παράγοντες μεταγραφής,  είναι μια ιδιαίτερα περίπλοκη διαδικασία και συμπεριλαμβάνει την σύνδεση διαφορετικών συν-ρυθμιστικών συμπλεγμάτων, όπου το καθένα από αυτά εμφανίζει και εκδηλώνει με μοναδικές λειτουργίες στο γονίδιο γενικότερα στον προαγωγέα ειδικότερα που ενώνεται και ελέγχει.

Η ανάπτυξη ή/και η αποκατάσταση της εγγενούς κατάστασης της χρωματίνης απαιτεί την παρουσία ρυθμιστικών μηχανισμών ικανών, είτε να μετατοπίσουν ή/και να εκτοπίσουν νουκλεοσώματα (αναδιαμόρφωση χρωματίνης), να μεταβάλουν την κατάσταση συμπύκνωσης και, συνεπώς, την τοπική αρχιτεκτονική της χρωματίνης (τροποποιήσεις ιστόνης), να δημιουργήσουν ή να περιορίσουν νέες περιοχές δέσμευσης για πρόσθετα συν-ρυθμιστικά συγκροτήματα (επιγενετικές τοποθεσίες) και/ή να διευκολύνουν την είσοδο της RNA-πολυμεράσης (RNA II pol II) σε κατάλληλες χρονικές στιγμές και τόπους (βλέπε Εικ. 3).

Τρία συμπλέγματα προσλαμβάνονται από το VDR και συμμετέχουν σε αυτές τις δραστηριότητες και είναι γνωστό ότι και περιλαμβάνουν:

1) Η ATPase όλων των θηλαστικών συμπεριλαμβανομένων των κυττάρων του ανθρώπινου κυττάρου και είναι ομόλογα του συμπλέγματος της ζύμης SWI/SNF (εξελικτική κονσερβοποίηση)  και χρησιμοποιείται για την απόδοση της ενέργειας με την μορφή του ATP για την αναδιαμόρφωση και επανατοποθέτηση νουκλεοσωμάτων [117],

2) Τα συμπλέγματα-συγκροτήματα που περιέχουν είτε ιστονική ακετυλοτραν-σφεράση (ΧΤ) ή μεθυλτρανσφεράσες (HMTs), αποκετυλοτρανεσφεράσες (HDACs) ή απομεθυλάσες της ιστόνης (DMTs) που λειτουργούν για την τροποποίηση της λυσίνης ή της αργινίνης που βρίσκονται σε συγκεκριμένες θέσεις των τελικών αμινοαλυσίδων της ιστόνης 3 ή/και ιστόνης 4 [118, 119] και

3) Διαμεσολαβητικά συμπλέγματα-συγκρότημα, που διευκολύνει την είσοδο της RNA πολυμεράσης II στην διαδικασία εκκίνησης της μεταγραφής και διαδραματίζοντας έναν επιπλέον νέου ρόλο στη εκκίνηση της μεταγραφής [120]. Είναι επίσης εμφανή και άλλα ρυθμιστικά συγκροτήματα, για τα οποία η γνώση μας είναι ιδιαίτερα ελλιπής.

Διάφορες κατηγορίες ρυθμιστικών συμπλεγμάτων-συγκροτημάτων περιλαμβάνουν στοιχεία δυναμικών και ιδιαίτερα ενεργών μηχανισμών επιγενετικού χαρακτήρα και περιλαμβάνουν τη συντονισμένη έκφραση των δικτύων των γονιδίων σε όλο το γονιδίωμα [121]. Τα προγράμματα αυτά είναι ευρέως υπεύθυνα για την ανάπτυξη, τη διαφοροποίηση και την ώριμη λειτουργία των κυττάρων [122, 123].

Τα HATs και τα αμοιβαία HDACs τους, για παράδειγμα, ρυθμίζουν το επίπεδο των επιγενετικών σημαδιών H3 και H4, ελέγχοντας το βαθμό στον οποίο η χρωματίνη συμπυκνώνεται και, συνεπώς, το DNA γίνεται προσβάσιμο για τη δέσμευση του συντελεστή μεταγραφής [124].

Η πρόσληψη αυτών των μεγάλων ρυθμιστικών συγκροτημάτων χρωματίνης συντονίζεται συχνά από παράγοντες όπως η οικογένεια P160 SRC-1, SRC-2 και SRC-3, η HATs CBP και p300, και οι βασικοί καταπιεστές-αναστολείς SMRT ή NCoR, καθώς και οποιοδήποτε από τα πολλά HDACs, αλληλοεπιδρούν άμεσα με παράγοντες μεταγραφής, όπως ο VDR [118].

Είναι σημαντικό ότι, η ενεργοποίηση του VDR με την σύνδεσή του στην 1,25(OH)2D3 οδηγεί στη δημιουργία ενός δεσμευτικού σημείου στην πρωτεΐνη VDR και το οποίο αποτελεί το σημείο σύνδεσης μεταξύ του υποδοχέα VDR και όλων αυτών των συν-ρυθμιστικών συμπλεγμάτων [125-127].

Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι η ικανότητα του VDR να προσλάβει αρκετούς από αυτούς τους συρρυθμιστικούς παράγοντες έχει ως αποτέλεσμα εντυπωσιακές αλλαγές στα επιγενετικά σήματα ιστόνης που διευκολύνουν την τροποποιημένη έκφραση και συνάμα την παραγωγή πρωτεϊνών από αυτά τα γονίδια  [128-130].

Έτσι, είναι σαφές ότι, όπως και σε όλες τις άλλες πρωτεΐνες δέσμευσης του DNA, η λειτουργία του VDR λαμβάνει χώρα με δυναμικό τρόπο και απλά επικεντρώνεται στην πρόσληψη των ενεργών συγκροτημάτων που είναι απαραίτητα για την ενεργοποίηση της μεταγραφικής δραστηριότητας του DNA των κυττάρων  σε όλα τα γονίδια-στόχους και είναι αναπόσπαστο μέρος της απόκρισης του κυτταρικού DNA στην βιταμίνη- ορμόνη D.

Σημαντικές κρυσταλλογραφικές πληροφορίες έχουν πλέον συγκεντρωθεί και υποστηρίζουν ξεκάθαρα, όχι μόνο τη δομική οργάνωση του ετεροδιμερούς VDR/RXR, αλλά και για την τη σύνδεσή του με το DNA και την πρόσληψη των βασικών συμπλεγμάτων για την έλεγχο, την εκκίνηση και την λειτουργία της μεταγραφής του DNA [116].

3.5 Γενικές αρχές της αλληλεπίδρασης VDR στο γονιδίωμα των κυττάρων-στόχων

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, μελέτες που χρησιμοποιούν παραδοσιακές μεθόδους σε συνδυασμό με την άμεση ανάλυση ChIP, εντόπισε τις ρυθμιστικές περιοχές ενός αριθμού γονιδίων-στόχων της βιταμίνης D στους προαγωγείς τους (promoter), συμπεριλαμβανομένων των γονιδίων bglap, Spp1, Cyp24a1 και άλλων [13-143].

Σε μεταγενέστερες μελέτες, χρησιμοποιήθηκε η μεθοδολογία ChIP-chip και στη συνέχεια τις αναλύσεις ChIP-seq όχι μόνο για να επιβεβαιωθούν αυτά τα ευρήματα αλλά και για να αποκτηθεί μια ευρύτερη γενική, και για όλο το ανθρώπινο γονιδίωμα προοπτική των δεσμευτικών τοποθεσιών του VDR στα ανθρώπινα κύτταρα (βλέπε πλαίσιο 1).

Εστιάζοντας σε οστεοβλάστες, ανακαλύφθηκαν χρησιμοποιώντας την ανάλυση ChIP-chip, περίπου 1000 σημεία δέσμευσης στους προαγωγείς γονιδίων για τον VDR ελλείψει της 1,25(OH)2D3, τα οποία αυξήθηκαν μετά από την ορμονική θεραπεία με D3 σε περίπου 7000-8000 γονίδια [144].

Η συλλογή αυτή από τις δεσμευτικές τοποθεσίες όπως αυτές, έχουν ονομαστεί κυτταρικό cistrome. Αυτή η παρατήρηση υποστηρίζει την ιδέα ότι η δέσμευση του DNA-VDR είναι σε μεγάλο βαθμό ορμόνη-εξαρτώμενη [145].

Είναι σημαντικό ότι, μια παρόμοια ανάλυση των δεσμευτικών χώρων για τον RXR αποκάλυψε μια πιο εκτεταμένη συλλογή των θέσεων δέσμευσης, κάτι που μέτρια αυξήθηκε μέσω 1,25 (OH)2D3 ενεργοποίησης, ενώ επίσης έγινε πλέον εμφανές ότι,  ο RXR είναι ένας εταίρος ετεροδιμερών όχι μόνο για το VDR, αλλά και για αρκετούς άλλους πυρηνικούς υποδοχείς [112].

Τα ευρήματα αυτά έχουν επιβεβαιωθεί σε παρόμοιες μελέτες σε διάφορα κύτταρα όπως σε MSCs, οστεοβλάστες, και λιποκύτταρα. Η έρευνα σε αυτό το σημείο αποκάλυψε ότι, ενώ η επικάλυψη ήταν παρούσα, οι δεσμευτικές θέσεις για το VDR στα γονίδια που περιγράφονται παραπάνω, διαφέρουν σημαντικά μεταξύ του γονιδιώματος και ανάλογα με τον τύπο κυττάρων που εξετάστηκε [145-147].

Μεταγενέστερες μελέτες των σημείων δέσμευσης του VDR σε ανθρώπινα κύτταρα Β, πρωτογενή β κύτταρα και μονοκύτταρα [148], και THP-1 μονοκύτταρα [149] επιβεβαίωσε κάθε ένα από αυτά τα ευρήματα.

Οι παρατηρήσεις αυτές τονίζουν τα προβλήματα που είναι εγγενή στις παραδοσιακές μεροληπτικές προσεγγίσεις, όπως οι μέθοδοι διαμόλυσης που βασίζονται στο πλασμίδιο και τη δυνατότητα αυτής της προσέγγισης να αποφέρει συχνά ψευδώς θετικά αποτελέσματα.

Στην περίπτωση των σημείων δέσμευσης, οι αναλύσεις εύρεσης μοτίβου de novo των πιο κοινών στοιχείων ακολουθίας DNA που βρέθηκαν σε αυτές τις ποικίλες συλλογές σημείων δέσμευσης του VDR σε όλο το γονιδίωμα, επιβεβαίωσαν ότι ένα υψηλό ποσοστό περιέχει το αρχικά προσλαμβανόμενο μοτίβο VDRE που αποτελείται από AGGTCA xxg AGGTCA [145, 150].

Είναι ενδιαφέρον ότι η αμερόληπτη φύση της ανάλυσης ChIP-seq έχει επίσης παράσχει μια σειρά από εκπληκτικές και ίσως και απροσδόκητες γνώσεις μείζονος σημασίας [151] (βλέπε Πίνακας 1).

Ίσως το πιο σημαντικό, αν και παραδοσιακές μελέτες της δράσης της 1,25(OH)2D3 προσδιόρισαν περιοχές αμέσως upstream των θέσεων εκκίνησης της μεταγραφής (TSS) των γονιδίων, οι αμερόληπτες αναλύσεις ChIP-seq έχουν αποκαλύψει ότι οι ρυθμιστικές περιοχές για την ορμόνη-βιταμίνη D και τον υποδοχέα της, βρίσκονται πιο συχνά σε συστάδες εντός εσωνίων (introns) ή σε διαγονιδιακές περιοχές 10, ή ακόμα και 100kilobases (χιλιάδων βάσεων) upstream ή downstream των ρυθμιζόμενων γονιδίων [145, 146, 150].

Παραδείγματα τέτοιων περιφερικών στοιχείων για τοn VDR αφθονούν, αλλά μπορούν να βρεθούν σε πολλά από τα γονίδια-στόχους.

Πίνακας 1 Overarching Principles of Vitamin D Action in Target Cells

VDR Binding Sites (The Cistrome): 2000–8000 1,25(OH)2D3-sensitive binding sites/genome whose number and location are determined as a function of cell-type   Active Transcription Unit for Induction: The VDR/RXR heterodimer   Distal Binding Site Locations: Dispersed in cis-regulatory modules (CRMs or enhancers) across the genome; located in a cell-type specific manner near promoters, but predominantly within introns and distal intergenic regions; frequently located in clusters of elements   VDR/RXR Binding Site Sequence (VDRE): Induction mediated by classic hexameric half-sites (AGGTCA) separated by 3 base pairs; Repression mediated by divergent sites   Mode of DNA Binding: Predominantly, but not exclusively, 1,25(OH)2D3-dependent   Modular Features: CRMs contain binding sites for multiple transcription factors that facilitate either independent or synergistic interaction   Epigenetic CRM Signatures: Defined by the dynamically regulated post-translational histone H3 and H4 modifications   VDR Cistromes are highly dynamic: Cistromes change during cell differentiation, maturation, and disease activation and thus have consequential effects on gene expression

Τέτοια γονίδια στόχους περιλαμβάνουν το γονίδιο Tnfsf11 (RANKL) του ποντικού σε οστικά κύτταρα όπου βρίσκονται τουλάχιστον πέντε διαγενετικές ρυθμιστικές περιοχές για τον VDR (62), το γονίδιο Cyp24a1 σε πολλούς τύπους κυττάρων όπου εκτός από το γνωστό εγγύς στοιχείο του υποκινητή που συζητήθηκε παραπάνω, ένα σύνθετο downstream σύμπλεγμα ρυθμιστικών στοιχείων υπάρχει τόσο στο ποντίκι όσο και στα ανθρώπινα γονίδια [44], το γονίδιο Vdr στα οστικά κύτταρα όπου υπάρχουν τόσο upstream ρυθμιστικές περιοχές όσο και αρκετά intronic στοιχεία [128, 152] , το γονίδιο TRPV6 στα εντερικά κύτταρα που περιέχει πολλαπλά upstream στοιχεία [57, 153], το γονίδιο S100g στο έντερο που περιέχει επίσης πολλαπλά upstream στοιχεία [57], και τα πολλά γονίδια-στόχους όπως το c-FOS και το c-MYC στα ανθρώπινα καρκινικά κύτταρα του παχέος εντέρου επίσης [150].

Πράγματι, οι ενισχυτές για άλλους παράγοντες μεταγραφής έχουν προσδιοριστεί περισσότερο από ένα megabase μακριά και εντός της αλληλουχίας του εκκινητή – προαγωγέα των γονιδίων που ρυθμίζουν, ενώ για παράδειγμα η πιο περιφερική VDR δεσμευτική περιοχή που έχει μέχρι τώρα ανακαλυφθεί και πλήρως περιγραφεί είναι για τον προαγωγέα του  ανθρώπινου c-MYC που βρίσκεται 335kb upstream του σημείου εκκίνησης της μεταγραφής.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί, ωστόσο, ότι η γραμμική/ περιφερική φύση των ρυθμιστικών στοιχείων για τα γονίδια είναι ψευδαίσθηση, καθώς αυτές οι αποστάσεις δεν λαμβάνουν υπόψη το βρόχο του DNA που φέρνει τα βασικά ρυθμιστικά τμήματα στην εγγύτητα της περιοχής επαγωγής ενός γονιδίου (153-157).

Πρόσφατες εκτιμήσεις του ENCODE δείχνουν ότι τα γονίδια ρυθμίζονται κατά μέσο όρο από 10 ξεχωριστούς ενισχυτές [136].

Το Spp1 και το Cyp24a1 αντιπροσωπεύουν κλασσικά παραδείγματα χρησιμοποιώντας αυτές τις αμερόληπτες δοκιμασίες, όπου έχουν καθοριστεί πρόσθετα στοιχεία που βρίσκονται upstream του γονιδίου και downstream και στο ποντίκι και στα ανθρώπινα γονίδια [44, 144]. Δυστυχώς, η παρουσία πολλαπλών ενισχυτών που βρίσκονται σε περιφερικές τοποθεσίες περιπλέκει σημαντικά τις μελέτες της ρύθμισης των γονιδίων.

Ένα πρόσθετο ρυθμιστικό χαρακτηριστικό των γονιδίων που έχει εντοπιστεί είναι αυτό της αρθρώτητας. Πολλά παραδείγματα αφθονούν, αλλά είναι ενδιαφέρον ότι πάνω από το 42% των τόπων σύνδεσης του VDR στα κύτταρα οστών βρίσκονται σε ενισχυτές που περιέχουν προ-συνδεδεμένο τον παράγοντα μεταγραφής C/EBPβ και τον κύριο ρυθμιστή RUNX2 [145, 159].

Πράγματι, αυτοί οι παράγοντες συγκεντρώνονται με ένα εξαιρετικά οργανωμένο τρόπο σε σχέση με τον όποιον άλλο παράγοντα μεταγραφής, την δομή της νουκλεοπρωτεΐνης κάτι που έχει ονομαστεί Σύμπλεγμα Enhancer Osteoblast. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι τόσο το RUNX2 όσο και το C/EBPβ σε αυτή τη διαμόρφωση μπορούν να επηρεάσουν θετικά και ίσως αρνητικά τη συνολική ρυθμιστική δραστηριότητα της 1,25(OH)2D3 και του υποδοχέα του με πολύ μοναδικούς τρόπους με μηχανισμούς που είτε στην κατεύθυνση είτε στην άλλη μένουν να αποσαφηνισθούν.

Μια εναλλακτική διάταξη έχει επίσης εντοπιστεί στα κύτταρα των οστών, όπως βρέθηκε στο γονίδιο Mmp13, όπου οι θέσεις δέσμευσης για τον VDR, C/EBPβ και RUNX2 διασκορπίζονται σε τρεις ξεχωριστούς upstream ενισχυτές [160, 161].

Ωστόσο, οι δραστηριότητες αυτών των τριών περιοχών δεν είναι ανεξάρτητες, αλλά μπορούν να επηρεάσουν η μία την δραστηριότητα της άλλης μέσω του βρόχου με συνολικό ιεραρχικό τρόπο για τη διαμόρφωση της έκφρασης του Mmp13.

Είναι πιθανό ότι πολλά άλλα γονίδια περιέχουν αυτό ή παρόμοιες με αυτές ρυθμίσεις. Στο πίνακα 1 παρέχεται συλλογική περίληψη πολλών από τα νεοαποκτηθέντα χαρακτηριστικά της ρύθμισης των γονιδίων με τη μεσολάβηση της βιταμίνης D, η οποία λαμβάνεται μέσω αναλύσεων σε όλο το γονιδίωμα.

3.6 Genome-wide coregulatory recruitment γονιδίωνμέσωτου VDR

Η λειτουργία του VDR είναι να προσλαμβάνει σύμπλοκα συγκροτήματα παραγόντων μεταγραφής που διευκολύνουν τη διαμόρφωση της χρωματίνης στην ενεργή της μορφή για την έναρξη της μεταγραφής των γονιδίων-στόχων.

Πολυάριθμες μελέτες σε μονογονιδιακό επίπεδο υποστηρίζουν την ικανότητα του VDR να προσλαμβάνει αυτά τα συγκροτήματα, και οι πρόσφατες αναλύσεις ChIP-seq υποστηρίζουν την παρουσία αυτών των συγκροτημάτων σε όλη την κλίμακα γονιδιώματος επίσης.

Έτσι, για παράδειγμα, το VDR βρέθηκε να προσλαμβάνει σύμπλοκα συμπλέγματα παραγόντων μεταγραφής όπως, src1, CBP, και MED1, καθώς και τα βασικά NCoR και SMRT σε κύτταρα του παχέος εντέρου LS180 [162].

Αυτή η πρόσληψη συσχετίστηκε με την 1,25(OH)2D3 και με τις VDR δεσμευτικές τοποθεσίες που συνδέονται με τα γονίδια. Το αποτέλεσμα στην λειτουργία της μεταφραστικής μηχανικής είναι πολύπλοκο και μπορεί να έχει είτε διεγερτικές είτε/και ανασταλτικές κατευθύνσεις, σε  σχέση πάντα είτε με το γονίδιο και την υπόλοιπη μεταφραστική δραστηριότητα του κυττάρου είτε με το είδος  των συμπλόκων είτε με το συνδυασμό όλων των ανωτέρων.

Ένα παράδειγμα της πολύπλοκης διαδικασίας που ακόμα βρίσκεται σε πρώιμα στάδια, είναι το C/EBP και το BRG1. Και οι δύο αυτοί παράγοντες μεταγραφής είναι συστατικά του ίδιου συγκροτήματος και προσλαμβάνονται από τνν 1,25(OH)2D3 και τον VDR στο σημείο C/EBP του γονιδίου CYP24A1.

Η PRMT5, μια πρωτεΐνη τύπου ΙΙ αργινίνη-μεθυλτρανσφεράση που αλληλοεπιδρά με τον BRG1, καταπιέζει την μεταγραφή που προκαλείται από την 1,25(OH)2D3 στο CYP24A1 μέσω της μεθυλίωσης του H3r8 και H4R3. Έτσι, το συγκρότημα SWI/SNF μπορεί να διαδραματίσει σε αυτή την περίπτωση ρόλο στη καταστολή αλλά και στην ενεργοποίηση της μεταγραφής με τη μεσολάβηση VDR και τον όποιο ανταγωνισμό στις θέσεις σύνδεσης από τους διάφορους παράγοντες μεταγραφής (σε αυτή την περίπτωση μέσω αλλαγής της τεταρτοταγής δομής και αδυναμία αλληλοεπίδρασης με το PRMT5) [163, 164].

3.7 Προσδιορισμός των βαθύτερων μηχανιστικών αποτελεσμάτων ως απάντηση στη δέσμευση VDR/RXR

Η ικανότητα του VDR να προσλαμβάνει επιγενετικά ενεργά συμπλέγματα όπως η ακετυλοτρανσφεράσες της ιστόνης (HATs), οι ιστονικές δεακετυλακτρανσφεράσες (HDACs) και μια ποικιλία μεθυλτρανσφερασών της ιστόνης που ρυθμίζουν τη δομή της χρωματίνης, υποδηλώνει ότι η 1,25(OH)2D3 μπορεί να επηρεάσει τα επίπεδα διακριτών επιγενετικών σημάτων που επιβάλλονται από αυτούς τους τροποποιητές χρωματίνης ως μέσο ρύθμισης της μεταγραφικής δραστηριότητας και της παραγωγής γονιδίων.

Είναι σημαντικό ότι πολλά τέτοια επιγενετικά σημάδια στις ιστόνες H3 και H4 βρίσκονται σε πληθώρα σε περιοχές εντός των γονιδιακών loci που είναι μοναδικά ενεργές [132, 133, 165, 166].

Ίσως οι πιο σημαντικές είναι οι αλλαγές στα επίπεδα της ακετυλολοποίησης της H4K5 (H4K5ac), H3K9 (H3K9ac), και H3K27 (H3K27ac) που αντανακλούν αλλαγές στη μεταγραφική δραστηριότητα των γονιδίων με τα οποία συνδέονται.

Αυτές οι τροποποιήσεις εμφανίζονται γενικά μέσα στους ενισχυτές που ρυθμίζουν αυτά τα γονίδια, αν και μπορούν επίσης να εμφανιστούν σε θέσεις εσωτερικά των γονιδίων επίσης. Οι ρυθμιστικές περιοχές που χαρακτηρίζονται τόσο από γενετικές όσο και με επιγενετικές πληροφορίες σε γονιδιακές τόπους ονομάζονται συχνά μεταβλητοί διαμορφωτές χρωματίνης [167].

Μια αύξηση σε πολλά από αυτά τα σημεία ακετυλίωσης συμβαίνει σε συγκεκριμένες τοποθεσίες της δέσμευσης του VDR σε γονίδια όπως το Spp1 και το Cyp24a11, Lrp5, Tnfsf11, και ο VDR μετά από την 1,25(OH)2D3 διεγείρει [10, 166, 168] και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό των τόπων δράσης της ορμόνης 1,25(OH)2D3, ακόμη και ελλείψει αποδεικτικών στοιχείων για την πληρότητα του VDR.

Αυτά και άλλα ευρήματα ενθάρρυναν μια πρόσφατη αξιολόγηση της συνέπειας της δέσμευσης VDR μετά από θεραπεία 1,25(OH)2D3 στην  γενικευμένη ακετυλολίωση της H3 και της H4 σε όλη την κλίμακα του γονιδιώματος στα ορθοκολικά κύτταρα και επίσης σε συγκεκριμένες τοποθεσίες ιστόνης σε οστεοβλάστες και οστεοκύτταρα. Όλες αυτές οι μελέτες έχουν αποκαλύψει μια εντυπωσιακή αύξηση του επιπέδου της ακετυλίωσης H3 και H4 ως απάντηση στην1,25(OH)2D3.

Αν και η 1,25(OH)2D3 μπορεί επίσης να προκαλέσει εμπλουτισμό των σημείων μεθυλίωσης στον ενισχυτή, αυτές οι αλλαγές είναι γενικά ειδικές για τα γονίδια-στόχους, γεγονός που υποδηλώνει ότι ο VDR μπορεί να διατηρήσει αμείωτες και τις επιλεκτικές λειτουργίες του γονιδίου-στόχου.

Συνολικά, οι αναλύσεις τροποποίησης ιστονών δείχνουν ότι η 1,25(OH)2D3 προωθεί τη σύνδεση του ετεροδιμερούς VDR/RXR σε τοποθεσίες στο κυτταρικά γονιδιώμα που χαρακτηρίζονται από ακετυλιωμένα H3K9, H3K27 και H4K5, και αυτές οι αλληλεπιδράσεις συχνά οδηγούν σε αύξηση της ρύθμισης της ακετυλικής διαδικασίας, πράγμα που έχει ως  αποτέλεσμα να διευκολύνει και να ενισχύει τα επίπεδα έκφρασης των γονιδίων-στόχων.

Οι μελέτες αυτές παρέχουν μια συνολική προοπτική για τις δράσεις της βιταμίνης D σε διάφορους τύπους κυττάρων, υποδεικνύοντας ότι ο πρωταρχικός ρόλος του VDR είναι να διευκολύνει την πρόσληψη τροποποιητών χρωματίνης, όπως ακετυλοτρανσφεράσες και αποκετυλοτρανσφεράσες που λειτουργούν για να επιβάλουν επιγενετικές αλλαγές ιστονών εντός των ενισχυτών όλων των ευαίσθητων σε βιταμίνη D γονιδίων-στόχων.

3.8 Ο δυναμικός αντίκτυπος της κυτταρικής διαφοροποίησης και της ασθένειας των cicstromes VDR και τα αποτελέσματα της μεταγραφής

Ίσως η πιο σημαντική παρατήρηση που έγινε σε κλίμακα γονιδιώματος ήταν η ανακάλυψη ότι, η κυτταρική διαφοροποίηση ασκεί μια δραματική ποσοτική και ποιοτική επίδραση στη γονιδιωματική δέσμευση του VDR, μια επίδραση που συσχετίζεται άμεσα με την ικανότητα της ορμόνης Dνα ρυθμίζει την συνολική κυτταρική μεταγραφική δραστηριότητα διαφοροποίησης του κυττάρου, που το ονομάζουμε το transcriptome, με έναν ιδιαίτερα δυναμικό τρόπο [145, 147].

Αυτή η διαδικασία είναι υπεύθυνη για την εξειδικευμένη και  σύμφωνα με την φύση και τον τύπο των κυττάρων δέσμευση του VDR που έχει ως αποτέλεσμα την μεταγραφή διαφορετικών κάθε φορά πολλαπλών γονιδίων στόχων σε διαφορετικούς ιστούς.

Μια γενική αλλαγή στο κυτταρικό RNA προφίλ σε απάντηση στην 1,25(OH)2D3 δεν αποτελεί πλέον έκπληξη, δεδομένου του γεγονότος ότι οι συνολικές επιδράσεις της 1,25(OH)2D3 στα κύτταρα οστεοβλαστών είναι γνωστό ότι διαφέρουν σημαντικά ανάλογα με την κατάσταση της διαφοροποίησης των κυττάρων των οστών.

Αυτή η έννοια της διαφοροποίησης που προκαλείται από τις αλλαγές στη δέσμευση του VDR στη μεταγραφή δραστηριότητα απεικονίζεται εύστοχα μέσω μιας λεπτομερούς εξέτασης της διαφορικής έκφρασης πολλών γονιδίων, όπως έχει απόλυτα τεκμηριωθεί στους οστεοβλάστες [160].

Οι Evans και οι συνεργάτες του έχουν αποδείξει πρόσφατα ότι οι διαδικασίες μιας νόσου μπορεί να επηρεάσει VDR cistromes επίσης [163]. Η ενεργοποίηση των ηπατικών στελλικών κυττάρων μέσω της αναρύθμισης του TGFβ στο ήπαρ προκαλεί την έκφραση ενός προγράμματος κολλαγόνου που προκαλεί ηπατική ίνωση και μπορεί να προκαλέσει κίρρωση του ήπατος.

Αυτή η εξέλιξη της νόσου μπορεί να βελτιωθεί με ταυτόχρονη θεραπεία in vivo με ανάλογο της βιταμίνης D και πιθανώς με 1,25(OH)2D3, αν και αυτό δεν δοκιμάστηκε. Οι συγγραφείς δείχνουν ότι το VDR cistrome που λειτουργεί κανονικά για να καταστείλει το πρόγραμμα της έκφρασης του κολλαγόνου μεταβάλλεται ως αποτέλεσμα της δράσης TGFβ, ανακατευθύνοντας την VDR δέσμευση σε εναλλακτικές περιοχές δράσης μακριά από τα γονίδια του κολλαγόνου, αμβλύνοντας έτσι αντίθετες περιοχές της βιταμίνης D δράσης.

Είναι ενδιαφέρον, ενώ τα ευρήματα αυτά προσδιορίζουν μια σημαντική δράση του VDR για την πρόληψη της ηπατικής ίνωσης, τονίζουν επίσης και το ρόλο του VDR στην ασθένεια-ενίσχυση της ενεργοποίησης των στελλικών κυττάρων, σε μια διαδικασία που θα μπορούσε να θεωρηθεί ανάλογη με εκείνη της διαφοροποίησης.

Περαιτέρω μελέτες αυτού του συστήματος προσδιορίζουν το ρόλο του ρυθμιστή χρωματίνης BRD4 σε αυτή τη δραστηριότητα, και δείχνουν ότι η άμεση αναστολή αυτού του downstream παράγοντα από ένα μικρό μοριακό ρυθμιστή μπορεί να παρακάμψει τις θετικές επιδράσεις ενός ανάλογου της βιταμίνης D [169].

4. Η ορμόνη-βιταμίνη D και η ανθρώπινη γενετική προσαρμογή

Στην μελέτη ανασκόπησης της διεθνούς βιβλιογραφίας από τον Carsten Carlberg [170], με τίτλο: «Nutrigenomics της βιταμίνης D», αναλύοντας τις μελέτες των McMollum E.V. και συνεργατών … Neme A. και συνεργατών [171-246], ο συντάκτης της ανασκόπησης αυτής περιγράφει: «Στο παρελθόν, η κύρια ιατρική εστίαση στη διατροφή ήταν να αποφευχθούν ασθένειες ανεπάρκειας θρεπτικών συστατικών, όπως το σκορβούτο και η ραχίτιδα, όπου οι ασθενείς στερούνται τις βιταμίνες C και D, αντίστοιχα.

Αυτό φαίνεται από τη χρήση του ηλιακού φωτός και της έκθεσης στην υπεριώδη ακτινοβολία (UV) ως αποτελεσματική θεραπεία της ραχίτιδας, η οποία είναι μια παιδική ασθένεια της δυσπλασίας των οστών, καθώς και της φυματίωσης, η οποία είναι μια μολυσματική ασθένεια που προκαλείται από το ενδοκυτταρικό βακτήριο Mycobacterium tuberculosis.

Παράλληλα, πριν από περίπου 100 χρόνια, εντοπίστηκε και ονομάστηκε «βιταμίνη D» το συστατικό της θεραπείας της ραχίτιδας από το μουρουνέλαιο και ονομάστηκε «βιταμίνη D», επειδή ήταν η ουσία που βρέθηκε στο μουρουνέλαιο τέταρτη στη σειρά [171].

Αυτές οι παρατηρήσεις συνδυάστηκαν, όταν πολλά χρόνια αργότερα διαπιστώθηκε ότι οι άνθρωποι μπορούν να συνθέσουν την βιταμίνη D3 με την επίδραση της UV-B (290-315nm) στο εκτεθειμένο δέρμα τους [172].

Η ενέργεια της υπεριώδους ακτινοβολίας χρησιμοποιείται σε μια μη ενζυμική αντίδραση για να διαρρήξει το δαχτυλίδι Β της πρόδρομου ένωσης χοληστερόλης 7-δευδροχολεστερόλη, δημιουργώντας το θερμοδυναμικά ασταθές μόριο προ-βιταμίνη D3, το οποίο στη συνέχεια ισομερείται περαιτέρω στην βιταμίνη D3 (Εικόνα 5Α).

Η ικανότητα του ανθρώπου να συνθέτει ενδογενώς την βιταμίνη D3 σημαίνει ότι ο όρος «βιταμίνη» δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σωστά.

Ωστόσο, δεδομένου ότι σήμερα οι άνθρωποι τείνουν να παραμένουν κατά προτίμηση σε εσωτερικούς χώρους και να καλύπτουν το δέρμα τους με προϊόντα από την κλωστοϋφαντουργία σε εξωτερικούς χώρους [173], η ανεπαρκής έκθεση UV-B οδηγεί σε χαμηλή ενδογενή παραγωγή βιταμίνης D3, έτσι ώστε για ένα τεράστιο ποσοστό του ανθρώπινου πληθυσμού, το μόριο να έχει πλέον γίνει και να είναι ένα απαραίτητο μικροθρεπτικό.

Δεδομένου ότι η μέση ανθρώπινη διατροφή δεν περιέχει πολλή βιταμίνη D, παγκοσμίως, ένας εκτιμώμενος αριθμός περισσότερων από ένα δισεκατομμύριο ατόμων βρίσκεται σε ανεπάρκεια βιταμίνης D [174].

Τα λιπαρά ψάρια, όπως ο τόνος, οι σαρδέλες, ο σολομός και το σκουμπρί, είναι οι καλύτερες διαιτητικές πηγές βιταμίνης D που ακολουθούνται από το συκώτι, το τυρί, τους κρόκους αυγών και τα μανιτάρια.

Επιπλέον, σε ορισμένες χώρες, τα τρόφιμα, όπως το γάλα και άλλα γαλακτοκομικά προϊόντα, ο χυμός πορτοκαλιού, τα δημητριακά και οι μαργαρίνες, είναι εμπλουτισμένα με βιταμίνη D. Επιπλέον, η άμεση χορήγηση συμπληρωμάτων βιταμίνης D είτε μέσω χαπιών ή λιπαρών σταγόνων συνιστάται σε πολλές χώρες [175].

Περίπου 100.000 χρόνια πριν, ανατομικά οι σύγχρονοι άνθρωποι (Homo sapiens sapiens) ζούσαν μόνο στην Αφρική και το δέρμα τους ήταν σκούρο, επειδή αυτό προστατεύει καλύτερα από τα ηλιακά εγκαύματα και τον καρκίνο του δέρματος.

Το σκούρο δέρμα εμποδίζει επίσης τη φωτοαποικοδόμηση του κυκλοφορούντος φυλλικού οξέος, το οποίο είναι ένας σημαντικός δότης της μεθυλο-ομάδας που είναι σημαντικός, π.χ., για τη μεθυλίωση του DNA κατά τη διάρκεια της εμβρυογένεσης.

Η τελευταία πτυχή μπορεί να ήταν ο κύριος λόγος για τον οποίο, περίπου ένα εκατομμύριο έτη πριν, το ανθρώπινο δέρμα έγινε ιδιαίτερα χρωματισμένο, όταν οι πρόγονοι των σύγχρονων ανθρώπων έχασαν τα περισσότερα από τα μαλλιά στο σώμα τους, προκειμένου να ιδρώνουν καλύτερα κατά τη διάρκεια της σωματικής δραστηριότητας αντοχής, όπως το κυνήγι [176].

Είναι ενδιαφέρον ότι όταν οι σύγχρονοι άνθρωποι έφτασαν στην Ευρώπη πριν από περίπου 40.000 χρόνια, συνέβη η αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή, το δέρμα τους έγινε λευκό και πάλι (Εικόνα 5Β).

Έτσι, η βιταμίνη D επηρεάζει το ανθρώπινο γονιδίωμα όχι μόνο μέσω της ρύθμισης γονιδίων με τη μεσολάβηση του VDR, αλλά ενήργησε και ως εξελικτικός οδηγός της προσαρμογής του γονιδιώματος από την άποψη της λεύκανσης του δέρματος. Έχοντας σκούρο δέρμα ζώντας μόνιμα στα βόρεια γεωγραφικά πλάτη, αυτό θα είχε προκαλέσει ανεπάρκεια βιταμίνης D3, με αποτέλεσμα τη μειωμένη αντοχή των οστών και ένα ελαττωματικό ανοσοποιητικό σύστημα.

Εικόνα 5 Vitamin D and human skin

Vitamin D and human skin. Vitamin D3 is synthesized endogenously in UV-B exposed human skin (A). During the past 10–30,000 years this essential need to synthesize vitamin D3 was an evolutionary driver for skin lightening of modern humans migrating from Africa towards Europe and Asia (B).

Ο κύριος εξελικτικός παράγοντας αυτής της μειωμένης χρώσης του δέρματος ήταν η ανάγκη για επαρκή ενδογενή παραγωγή βιταμίνης D3 στην λιγότερο ηλιόλουστη Ευρώπη. Το ανοικτόχρωμο δέρμα βρίσκεται στις σκανδιναβικές χώρες, που αντιπροσωπεύει μια γεωγραφική περιοχή όπου οι άνθρωποι ζουν πιο μακριά από τον ισημερινό.

Για παράδειγμα, σήμερα, το ποσοστό φυματίωσης των ατόμων με σκούρο δέρμα που ζουν μακριά από τον ισημερινό είναι σημαντικά υψηλότερο από αυτό των ατόμων με ανοικτό δέρμα [177].

Περισσότερα από 30 γονίδια είναι γνωστό ότι επηρεάζουν τη χρώση των μελανοκυττάρων, αλλά οι απλοί πολυμορφισμοί νουκλεοτιδίων (SNPs) που επηρεάζουν τα γονίδια KITLG (κωδικοποίηση για ένα ligand των υποδοχέων της ΚΙΤ τυροσινικής κινάσης), TYRP1 (ένα ένζυμο μετατροπής τυροσίνης), SLC24A5, και SLC45A2 (και οι δύο είναι μεταφορείς ιόντων) είχαν τον κύριο αντίκτυπο στην εξελικτική διαδικασία ανοικτού χρώματος του δέρματος κατά τα τελευταία 10-30.000 χρόνια [178, 179].

Είναι ενδιαφέρον ότι οι Νεάντερταλ και οι σύγχρονοι Ευρωπαίοι και Ασιάτες ανέπτυξαν ανοικτό δέρμα ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο.

Συνολικά, η ανοικτή χρώση του δέρματος λόγω της ανάγκης για σύνθεση βιταμίνης D3 σε γεωγραφικές περιοχές με χαμηλότερα επίπεδα ακτινοβολίας UV-B είναι ένα βασικό παράδειγμα στα nutrigenomics που δείχνει, πώς η ανάγκη για ένα γονίδιο που ρυθμίζει τα μικροθρεπτικά συστατικά και έχει κατευθύνει την ανθρώπινη εξέλιξη.

5. Η βιταμίνη D και ο υποδοχέας της στο μεταβολισμό και στην ανοσία

Στο ήπαρ, το βιολογικά αδρανές μόριο της βιταμίνη D3 μετατρέπεται σε 25-υδροξυβιταμίνη D3 (25(OH)D3, Εικόνα 6A), η οποία είναι η πιο σταθερή και άφθονη μεταβολίτης βιταμίνης D στον ανθρώπινο ορό, και χρησιμοποιείται παραδοσιακά ως βιοδείκτης για την κατάσταση της βιταμίνης D των ατόμων [180].

Περαιτέρω υδροξυλίωση στον άνθρακα 1 δημιουργεί 1α,25-διυδροξυβιταμίνη D3 (1,25(OH)2D3, Σχήμα 6A), η οποία δρα ως ενδοκρινική ορμόνη, λειτουργώντας ως υψηλής συγγένειας ligand (kD 0,1nM) στον παράγοντα μεταγραφής και υποδοχέα της βιταμίνης D (VDR, Σχήμα 6B) [181].

Εικόνα 6 Ρύθμιση των γονιδίων από την βιταμίνη D και οι φυσιολογικές επιπτώσεις της

Εικόνα 6 Ρύθμιση των γονιδίων από την βιταμίνη D και οι φυσιολογικές επιπτώσεις της. Η βιταμίνη D3, που παράγεται ενδογενώς στο δέρμα ή λαμβάνεται με δίαιτα ή από συμπληρώματα, μετατρέπεται στο ήπαρ σε 25(OH)D3 και στη συνέχεια στα νεφρά από τον υποδοχέα βιταμίνης D υψηλής συγγένειας (VDR) ligand σε 1,25(OH)2D3 (A). Ο VDR ενεργοποιείται με ligand (RXR) συνδέεται σε όλο το γονιδίωμα σε περίπου 5-20.000 τοποθεσίες εντός της χρωματίνης (B). Μερικά από αυτά τα επιγονιδώματα σε όλη την επίδραση μεταφράζονται στις αλλαγές του transcriptome, δηλαδή, η ενεργοποίηση (ή καταστολή) των γονιδίων-στόχων βιταμίνης D. Οι κύριες φυσιολογικές διεργασίες που ρυθμίζονται από αυτά τα γονίδια είναι ο κυτταρικός μεταβολισμός, όπως η ομοιόσταση ασβεστίου που είναι σημαντική για το σχηματισμό των οστών, και η ρύθμιση της έμφυτης και προσαρμοστικής ανοσίας, όπως η βελτίωση της απόκρισης σε μολυσματικά μικρόβια, η μείωση της χρόνιας φλεγμονής και η πρόληψη της αυτοάνοσης νόσου (C).

Η κύρια πηγή της ενδοκρινικής παραγωγής του 1,25(OH)2D3 είναι τα εγγύς σωληναρίων των νεφρών, αλλά σε μια παρακρινική ή αυτοκρινική διάσταση, τα μονοκύτταρα, τα μακροφάγα και τα δενδριτικά κύτταρα του έμφυτου ανοσοποιητικού συστήματος, οι οστεοβλάστες μέσα στα οστά, και κερατινοκύτταρα του δέρματος είναι επίσης σε θέση να παράγουν την ορμόνη [182].

Ο γνωστός φυσιολογικός ρόλος της βιταμίνης D είναι η υποστήριξη της οστικής ανοργανοποίησης μέσω του ελέγχου της ομοιόστασης ασβεστίου (Σχήμα 6C) [183, 184].

Συγκρίσιμα μέλη της υπεροικογένειας είναι υποδοχέας ρετινοϊκού οξέος (RAR) α/β/γ που ενεργοποιούνται από το παράγωγο ρετινοϊκό οξύ της βιταμίνης Α, τον υποδοχέα που ενεργοποιείται από τον υπεροξειδωικό πολλαπλασιαστή (PPAR) α/δ/γ δεσμευτικά λιπαρά οξέα και υποδοχέα ηπατικών Χ (LXR) α/β που αναγνωρίζει τις οξυστερόλες [185].

Ο VDR, RAR, PPAR και LXR δρουν ως αισθητήρες των αντίστοιχων μικρο- και μακροθρεπτικών συστατικών, προκειμένου να προσαρμόσουν τα προφίλ έκφρασης γονιδίων στα μεταβολικά όργανα καθώς και στα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος (Σχήμα 2C).

Δεδομένου ότι τα περισσότερα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος έχουν ένα γρήγορο κύκλο εργασιών, αυτό τα καταστεί να είναι σε θέση να δείξουν μια μέγιστη προσαρμοστική απάντηση στις περιβαλλοντικές αλλαγές.

Τα μακροφάγα και τα δενδριτικά κύτταρα, καθώς και πρόδρομες μορφές τους, τα μονοκύτταρα, συντονίζουν τις μεταβολικές, φλεγμονώδεις, και γενικές οδούς στρες-και απόκρισης μέσω αλλαγών του προφίλ της συνολικής μεταγραφικής δοδιακής δραστηριότητας του λεγόμενου transcriptome τους και των αντίστοιχων προδιαγραφών των γενετικών  υποτύπων [186].

Έτσι, η ανίχνευση και η σηματοδότηση μέσω βασικών πυρηνικών υποδοχέων έχει σημαντικό ρόλο στη διαφοροποίηση και στον επιγενετικό προγραμματισμό των κυττάρων του ανοσοποιητικού συστήματος, υποδεικνύοντας ότι ο μεταβολισμός και η ανοσία συνδέονται στενότερα από ό,τι αρχικά υποτεθεί.

Μέσω του VDR, η βιταμίνη D διαμορφώνει τη δραστηριότητα τόσο του έμφυτου όσο και του προσαρμοζόμενου ανοσοποιητικού συστήματος [187].

Για παράδειγμα, στα μονοκύτταρα, η βιταμίνη D διεγείρει την αποτελεσματική αναγνώριση των βακτηριακών παθογόνων παραγόντων μέσω των υποδοχέων TLRs (toll-like receptors) [188] και στα μακροφάγα, αναστέλλει τον πολλαπλασιασμό της Μ. tuberculosis [189].

Συγκεκριμένα, η φυματίωση είναι η πιο καταστροφική μολυσματική ασθένεια που έχει συμβεί ποτέ στον άνθρωπο, με εκτιμώμενο αριθμό θανάτων άνω του ενός δισεκατομμυρίου τα τελευταία 60.000 χρόνια [190].

TLR-προκλητή έκφραση της βιταμίνης D στα γονίδια-στόχους και η κωδικοποίηση των αντιμικροβιακών πεπτιδίων cathelicidin και defensin βήτα 4A, επιτρέπει την θανάτωση ενδοκυτταρικά του M. φυματίωση [191]. Για το λόγο αυτό, το φως του ήλιου ή τεχνητή έκθεση στην UV-B είναι αποτελεσματικές θεραπείες της φυματίωσης. Αντίθετα, η ανεπάρκεια βιταμίνης D σχετίζεται με αυξημένο κίνδυνο εμφάνισης κλινικής φυματίωσης.

Επιπλέον, η βιταμίνη D έχει αποδειχθεί ότι προλαμβάνει και άλλους τύπους μικροβιακών λοιμώξεων, όπως αυτές του αναπνευστικού ή ουροποιητικού συστήματος [192, 193].

Ο VDR είναι ένας βασικός παράγοντας μεταγραφής στη διαδικασία διαφοροποίησης των μυελοειδών προγονικών κυττάρων σε μονοκύτταρα και κοκκιοκύτταρα [194]. Επιπλέον, το VDR και τα ligands του ανταγωνίζεται τους προ-φλεγμονώδεις παράγοντες μεταγραφής, όπως τον NF-AT, AP-1, και τον NF-κB, στα κύτταρα Τ, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα τη μειωμένη έκφραση των κυτοκινών, όπως Il2 και IL12 [195].

Επιπλέον, η βιταμίνη D αναστέλλει τη διαφοροποίηση, την ωρίμανση και την ανοσοδιεγερτική ικανότητα των δενδριτικών κυττάρων μέσω της καταστολής της κωδικοποίησης γονιδίων για τις διάφορες παραλλαγές του μείζονος συμπλέγματος ιστοσυμβατότητας και των συν-επαγωγικών μορίων του, των CD40, CD80 και CD86 [196].

Η προκύπτουσα ανοσολογική ανοχή-πρόκληση του φαινότυπου των δενδριτικών κυττάρων οδηγεί στην επαγωγή των ρυθμιστικών κυττάρων Τ και την μείωση της έκφρασης και της δραστηριότητας στα άλλα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος. Αυτός είναι ο κεντρικός μηχανισμός για το πώς η βιταμίνη D αμβλύνει τη χρόνια φλεγμονή και την αυτοάνοση κατάσταση σε ασθένειες όπως η φλεγμονώδης νόσος του εντέρου [197] και η σκλήρυνση κατά πλάκας [198].

Είναι ενδιαφέρον ότι η αποτύπωση των δενδριτικών κυττάρων με τις τολερογόνες ιδιότητες περιλαμβάνει τον επαναπρογραμματισμό του μεταβολισμού της γλυκόζης μέσω της up-ρύθμισης του γονιδίου στόχου της βιταμίνης D, της 6-φωσφοφρούκτο-2-κινάση/φρουκτόζη-2,6-biphosphatase 4 (PFKFB4), το οποίο κωδικοποιεί για ένα βασικό γλυκολυτικό ένζυμο [199].

Ένα άλλο γλυκολυτικό ένζυμο, η φρουκτόζη-διφωσφατάση 1 (FBP1), κωδικοποιείται από ένα από τα πιο αποκριτικά πρωτογενή γονίδια-στόχους βιταμίνης D της κυτταρικής σειράςTHP-1 [200].

Αυτό υποδηλώνει ότι, στη σηματοδότηση της βιταμίνης D, οι ανοσορυθμιστικές και μεταβολικές λειτουργίες συνδέονται στενότερα από ό, τι αρχικά υποτίθεται και πιθανώς εξελίχθηκαν παράλληλα.

Κατά συνέπεια, η έννοια του ανοσομεταβολισμού υποδηλώνει ότι ο μεταβολισμός είναι η βασική διαδικασία προσδιορισμού του φαινότυπου και της λειτουργίας εντός των υποσυνόλων των ανοσοκυττάρων [201].

6. Η διατροφική επιγονιδιωματική

Το τρισδιάστατο σύμπλεγμα του γονιδιωματικού DNA και των πρωτεϊνών των ιστονών που σχηματίζουν το νουκλεοσώμα ονομάζεται χρωματίνη [202].

Κατηγοριοποιείται σε λιγότερο πυκνά συσκευασμένη ευχρωματίνη, η οποία είναι εύκολα προσβάσιμη σε παράγοντες μεταγραφής και άλλες πυρηνικές πρωτεΐνες, και συμπαγής ετεροχρωματίνη, η οποία είναι μια λειτουργικά καταπιεσμένη κατάσταση [203] (Εικόνα 7Α).

Οι μετά-μεταφραστικές τροποποιήσεις των ιστονών και η μεθυλίωση του DNA καθώς επίσης και οι αλλαγές της τρισδιάστατης δομής αντιπροσωπεύουν τα λειτουργικά στάδια χρωματίνης [204].

Η ευχρωματίνη βρίσκεται προς το κέντρο του πυρήνα και σε αυτή την ανοικτή μορφή χρωματίνης, οι πρωτεΐνες ιστόνης είναι ως επί το πλείστον ακετυλιωμένες και το γονιδιωματικό DNA δεν είναι μεθυλιωμένο.

Αντίθετα, η ετεροχρωματίνη βρίσκεται πιο κοντά στην πυρηνική μεμβράνη και σε αυτή την κλειστή μορφή χρωματίνης, τόσο τα νουκλεοσώματα όσο και το γονιδιωματικό DNA είναι μεθυλιωμένα [205].

Στις επιγονιδιωματικές μελέτες οι αλλοιώσεις της χρωματίνης δεν συνεπάγονται και αλλαγές στο γονιδίωμα [206]. Οι αλλαγές επιγονιδιώματος, που αναφέρονται επίσης ως επιγονιδιωματική προγραμματισμού, είναι πολύ προεξέχοντες κατά τη διάρκεια της εμβρυογένεσης, όπου τα δυναμικά βλαστοκύτταρα γεννούν διάφορες πολυδύναμες κυτταρικές σειρές του εμβρύου, οι οποίες με τη σειρά τους δρουν ως πρόδρομες μορφές των τελικά διαφοροποιημένων κυττάρων [207].

Αυτή η διαδικασία διαφοροποίησης της χρωματίνης περιορίζει την πρόσβαση σε έναν αυξανόμενο αριθμό γονιδιωματικών περιοχών και γονιδίων που ελέγχουν, έτσι ώστε τα τελικά διαφοροποιημένα κύτταρα να είναι σε θέση να επικεντρωθούν στις εξειδικευμένες λειτουργίες τους. Έτσι, η προσβασιμότητα χρωματίνης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της έκφρασης των γονιδίων.

Υπάρχει δυναμικός ανταγωνισμός μεταξύ νουκλεοσσωμάτων και παραγόντων μεταγραφής για κρίσιμες περιοχές σύνδεσης εντός του γονιδιωματικού DNA, όπως ενισχυτές και παράγοντες προώθησης.

Η δυναμική της χρωματίνης επηρεάζεται από ένα μεγάλο σύνολο ενζύμων τροποποίησης και αναδιαμόρφωσης της χρωματίνης, τα οποία ερμηνεύουν («ανάγνωση»), προσθέτουν («γράφουν»), ή αφαιρούν («διαγραφή») τις μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις ιστονών ή την μεθυλίωση του DNA [208].

Εικόνα 7 Η βιταμίνη D και το επιγονιδίωμα

Εικ. 7 Η βιταμίνη D και το επιγονιδίωμα. Η χρωματίνη χωρίζεται σε μη προσιτή ετεροχρωματίνη και την ευχρωματίνη, όπου ο VDR μπορεί να βρει τις γονιδιωματικές του συνδετικές θέσεις (A). Η βιταμίνη D μπορεί να επηρεάσει το επιγονιδίωμα με πολλαπλούς τρόπους (Β), όπως με την  αύξηση της γονιδιωματικής δέσμευσης του VDR (I), επηρεάζοντας τη δέσμευση του κυρίαρχου παράγοντα μεταγραφής (II), επηρεάζοντας τη δέσμευση του συντελεστή δέσμευσης CCCTC (CTCF) και το σχηματισμό τοπολογικά συνδεδεμένων τομέων (TADs) (III) και την αλλαγή των τροποποιήσεων του χρωματίνης και της προσβασιμότητας στη χρωματίνη (IV).

Είναι ενδιαφέρον ότι, η δραστηριότητα πολλών από αυτούς τους τροποποιητές της χρωματίνης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα ενδοκυτταρικά επίπεδα των βασικών ενδιάμεσων μεταβολιτών, όπως το NAD+, το ακετυλο-CoA και το α-κετογλουταρικό οξύ (όλα υποπροϊόντα του κύκλου του Krebs) [209].

Με τον τρόπο αυτό, οι περιβαλλοντικές εισροές, όπως η διαθεσιμότητα ενεργειακών υποστρωμάτων, έχουν άμεσες επιπτώσεις στο επιγονιδίωμα και, από αυτό και μέσω αυτού, στην έκφραση των γονιδίων. Αυτό σημαίνει ότι οι τροποποιητές χρωματίνης δρουν ως αισθητήρες μεταβολικών πληροφοριών, όπως τα κύτταρα που είναι σε κατάσταση νηστείας ή σίτισης.

Ο τομέας της διατροφικής επιγονιδιωματικής περιγράφει πολλές συνδέσεις μεταξύ των μεταβολιτών που προέρχονται από τη διατροφή και το επιγονιδίωμα. Για παράδειγμα, ένας αριθμός δευτερογενών μεταβολιτών από φρούτα, λαχανικά, μπαχαρικά, τσάγια και φαρμακευτικά βότανα, όπως η ρεσβερατρόλη, η γενιτίνη, η κουρκουμίνη και οι πολυφαινόλες, επηρεάζουν τη δραστηριότητα των τροποποιητών χρωματίνης και των παραγόντων μεταγραφής [210].

Η βιταμίνη D και άλλα μικρο- και μακροθρεπτικά συστατικά επηρεάζουν μέσω των αισθητήρων των πυρηνικών υποδοχέων τους για την προσβασιμότητα στη χρωματίνη, δηλαδή ανήκουν στον τομέα της διατροφικής επιγονιδιωματικής [211].

Είναι σημαντικό, σε αντίθεση με την προγραμματισμένη κυτταρική επιγονιδιωματική είναι σε μεγάλο βαθμό αμετάκλητη τόσο για τις αποφάσεις και την τύχη των κυττάρων κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαφοροποίησης, οι επιγονιδιωματικές αλλαγές που προκαλούνται από την διατροφή είναι δυναμικές, δηλαδή, είναι συχνά παροδικές και αναστρέψιμες.

7. Η επιγονιδιωματική της βιταμίνης D

Το καθιερωμένο μοντέλο σηματοδότησης της βιταμίνης D [55] υποδηλώνει ότι ο VDR, όπως οι RAR, PPAR, LXR, και άλλοι πυρηνικοί υποδοχείς [56], σχηματίζει ένα ετεροδιμερές με τον υποδοχέα ρετινοειδούς Χ και συνδέεται κατά προτίμηση με μια ακολουθία DNA που σχηματίζεται από μια άμεση επανάληψη δύο εξαμερών μοτίβων κατανεμημένων με τρία νουκλεοτίδια, τα λεγόμενα στοιχεία απόκρισης τύπου DR3 [212].

Το VDR cistrome [213], όπως λαμβάνεται σε διάφορες ανθρώπινες σειρές κυττάρων, επιβεβαίωσε, ότι οι ακολουθίες DR3-τύπων είναι τα πιο προεξέχοντα δεσμευτικά μοτίβα VDR.

Τα δεδομένα chIP-seq από τα β λεμφοκύτταρα [214], τα μονοκύτταρα [198, 215], τα καρκινικά κύτταρα του παχέος εντέρου [216], τα ηπατικά στελλώδη κύτταρα [217] και τα μακροφάγα κύτταρα [218] υποδεικνύουν ότι ελλείψει ligand, ο VDR συνδέεται μόνο με περίπου 200-2000 τοποθεσίες ανά τύπο κυττάρων.

Μετά από διέγερση με την 1,25(OH)2D3, ο αριθμός των σημείων VDR αυξάνεται κατά μέσο όρο κατά ένα συντελεστή 2,5 [218], που είναι η πρώτη άμεση επίδραση της βιταμίνης D [209] σε επίπεδο επιγενετικής [209] (σχήμα 7Β, I).

Ο VDR είναι ένας τύπος παράγοντα μεταγραφής, που συνδέεται με μια γονιδιωματική περιοχή μόνο όταν βρίσκει τα προτιμώμενα μοτίβα ακολουθίας του μέσα σε προσιτή χρωματίνη. Αντίθετα, οι «κυρίαρχοι παράγοντες» [219] χρησιμοποιούν ακολουθίες αναγνώρισης DNA, οι οποίες είναι αρκετά σύντομες ώστε να μπορούν να τις προσεγγιστούν ακόμη και με την παρουσία νουκλεοσωμάτων.

Για παράδειγμα, ο VDR και οι κυρίαρχοι παράγοντες μεταγραφής  PU.1 και CCAAT / CEBPA συνεργάζονται στενά σε διαφοροποίηση των αιματοποιητικών κυττάρων σε μονοκύτταρα και κοκκιοκύτταρα [203].

Οι κυρίαρχοι παράγοντες μεταγραφής PU.1 και CEBPA καθώς επίσης και GA δεσμευτική πρωτεϊνική υπομονάδα του παράγοντα μεταγραφής άλφα (GABPA) βοηθούν τον VDR για να βρει τις περιοχές ενισχυτών κοντά στα γονίδια στόχων της βιταμίνης D [220, 221, 222].

Σε κύτταρα THP-1, η 1,25(OH)2D3 διαμορφώνει τη σύνδεση περίπου 5-10% των PU.1, CEBPA, και GABPA δεσμευτικών θέσεων, δηλαδή, τα υποσύνολα των cistromes του αντίστοιχου κυρίαρχου παράγοντα που είναι ευαίσθητα στα επίπεδα των μικροθρεπτικών συστατικών. Αυτό αντιπροσωπεύει το δεύτερο επίπεδο επιγονιδιωματικής επιδράσεις της βιταμίνης D (Σχήμα 7Β, II).

Σε περίπου 1300 γονιδιωματικές τοποθεσίες, το δεσμευτικό προφίλ του συντελεστή δέσμευσης CCCTC του συντελεστή μεταγραφής CTCF, επηρεάζεται επίσης από το σημείο δέσμευσης της 1,25(OH)2D3 [223]. Το CTCF είναι η βασική πρωτεΐνη στην οργάνωση του ανθρώπινου γονιδιώματος σε βρόχους, που αναφέρονται ως τοπολογικά συνδεδεμένοι τομείς (topologically associated domains TADs)  [224].

Τα ΤΑΜ είναι μονωμένα μεταξύ τους όσον αφορά τα ρυθμιστικά αποτελέσματα των γονιδίων, δηλαδή, ένας παράγοντας μεταγραφής που δεσμεύει έναν ενισχυτή θα διαμορφώσει την έκφραση μόνο εκείνων των γονιδίων που έχουν τις περιοχές έναρξης μεταγραφής τους (TSS) μέσα στον ίδιο βρόχο.

Στα κύτταρα THP-1, η ευαισθησία στην βιταμίνη D του CTCF καθιστά περίπου 500 TADs εξαρτημένα από αγωνιστές του VDR, δηλαδή, η διαμόρφωση της τρισδιάστατης οργάνωσης της χρωματίνης είναι το τρίτο επίπεδο των επιγονιδιώματος και τις ευρείς επιδράσεις της βιταμίνης D (Σχήμα 7Β, ΙΙΙ).

Η υψηλή σύνδεση συγγένειας της 1,25(OH)2D3 στην περιοχή δέσμευσης ligand μέσα στον τομέα σύνδεσης του VDR προκαλεί μια αλλαγή της τεταρτοταγούς δομής στην πρωτεΐνη του υποδοχέα [225]. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια της επαφής του VDR με τις πρωτεΐνες του πυρήνα, όπως το πυρηνικό corepressor 1 (NCOR1) [226], οι οποίες, ελλείψει ligand, συνδέουν τον υποδοχέα με τους τροποποιητές χρωματίνης της οικογένειας της αποκετυλάσης της ιστόνης.

Αντ ‘αυτού, παρουσία του ligand, ο VDR αλληλοεπιδρά με τις πρωτεΐνες-συν-ενεργοποιητές, όπως εκείνες της οικογένειας του πυρηνικού συν-ενεργοποιητή NCOA [227], οι οποίες είτε ενεργούν ως ακετυλοτρανσφεράσες της ιστόνη ή σχηματίζουν ένα συγκρότημα με τα μέλη της αντίστοιχης οικογένειας τροποποιητών της χρωματίνης. Επιπλέον, ο VDR επικοινωνεί με τρόπο εξαρτώμενο από το ligand με τροποποιητές χρωματίνης της οικογένειας της δισίνης, όπως η δεμεθυλάση της λυσίνης 6B (KDM6B), ή με αναμορφωτές χρωματίνης όπως η βρωμοδομαΐνη 7 (BRD7).

Αυτές οι πρωτεΐνες είτε σχηματίζουν συγκροτήματα με τον VDR [228, 229, 230, 231] είτε τα γονίδιά τους είναι πρωταρχικοί στόχοι της βιταμίνης D [232]. Η εξαρτώμενη από το ligand παρεμβολή του VDR με τους τροποποιητές της χρωματίνης εξηγεί πώς η βιταμίνη D μπορεί να επηρεάσει τους δείκτες της ιστόνης για ενεργά ΚΎΤΤΑΡΑ TSS, H3K4me3 και ενεργή χρωματίνη, H3K27ac, όπως παρατηρείται από το ChIP-seq για αυτούς τους δείκτες στα κύτταρα που διεγείρονται από την 1,25(OH)2D3 [223, 233].

Μια αλλαγή στην τροποποίηση της ιστόνης έχει συνέπειες στην προσβασιμότητα της χρωματίνης, όπως καθορίζεται από το FAIRE-seq [234], και αντιπροσωπεύει το τέταρτο επίπεδο επιγονιδιωματικής επιδράσεις της βιταμίνης D (σχήμα 7Β, IV).

Τα αποτελέσματα του ChIP-seq και του FAIRE-seq που ελήφθησαν σε κύτταρα THP-1 που προκαλούνται από 1,25(OH)2D3 είναι, μέχρι σήμερα, το πιο ολοκληρωμένο σύνολο δεδομένων σχετικά με τις επιδράσεις της βιταμίνης D και της συνεπαγόμενης σηματοδότησης της βιταμίνης D σε επίπεδο επιγονιδώματος και είχαν τη μεγαλύτερη επιρροή στη διαμόρφωση του μοντέλου της χρωματίνης [235]

Αυτό το μοντέλο αμφισβητείται επί του παρόντος σε άλλα κυτταρικά συστήματα, όπως στα μονοπυρηνικά κύτταρα περιφερικού αίματος (PBMC), τα οποία ελήφθησαν από άτομα που συμπληρώθηκαν με βιταμίνη D3 bolus [236].

8. Η εξατομικευμένη απάντηση στην βιταμίνη D

Το 1000 Genomes Project (www.internationalgenome.org) έδειξε ότι τα άτομα διαφέρουν μεταξύ τους κατά μέσο όρο κατά 4-5 εκατομμύρια SNPs, περίπου 0,5 εκατομμύρια σύντομες εισαγωγές ή διαγραφές (indels), και μέχρι χίλιες μεγαλύτερες παραλλαγές του αριθμού των αντιγράφων [237].

Αν και η πλειοψηφία αυτών των παραλλαγών είναι λειτουργικά ουδέτερες, υπάρχουν πολλές χιλιάδες περιοχές σε όλο το γονιδίωμα που αυξάνουν τον κίνδυνο για κοινές ασθένειες ή μεσολαβούν στην ανταπόκριση στα φάρμακα.

Είναι γνωστό ότι, η φαρμακογονιδιωματική για παράδειγμα του τελευταίου αντιπηκτικού φαρμάκου η βαρφαρίνη, η ανταπόκριση του ατόμου εξαρτάται από τα SNPs των γονιδίων κωδικοποίησης των ενζύμων: της βιταμίνη Κ, την εποξειδική αναγωγάση σύνθετη υπομονάδα 1 (VKORC1) και κυτοχρώμιο P450 της οικογένειας 2C9 (CYP2C9) [238].

Κατά συνέπεια, υπάρχουν υψηλές, μεσαίες, και χαμηλές ανταποκρίσεις στην βαρφαρίνη και με βάση τον γονότυπο τους, τα άτομα θα πρέπει να συνταγογραφούνται με διαφορετικές δόσεις του φαρμάκου.

Πρόσφατα, μια ανάλογη έννοια προέκυψε και για την βιταμίνη D [239]. Με βάση τις μελέτες συμπληρωμάτων βιταμίνης D3 VitDmet (NCT01479933, ClinicalTrials.gov) [240, 241, 242, 243] και VitDbol (NCT02063334) [244, 245 87,88], τα άτομα παρουσιάζουν εξατομικευμένη ανταπόκριση στη βιταμίνη D3 και μπορούν να διαχωριστούν σε υψηλή, μέση και χαμηλή ανταπόκριση.

Σε αντίθεση με τα πειράματα in vitro κυτταροκαλλιέργειας, οι μελέτες συμπληρωμάτων έχουν το πλεονέκτημα ότι αξιολογούν τη δραστηριότητα της βιταμίνης D υπό συνθήκες in vivo. Έτσι, και οι δύο τύποι μελετών παρέμβασης αντιπροσωπεύουν in vivo ανθρώπινα nutrigenomom πειράματα.

Το VitDmet ήταν μια μακροχρόνια μελέτη παρέμβασης χρησιμοποιώντας καθημερινά συμπληρώματα βιταμίνης D3 (0-80 μg) προ-διαβητικών ηλικιωμένων ατόμων ενός φινλανδικού χειμώνα άνω των 5 μηνών, ενώ το VitDbol αξιολόγησε τις επιδράσεις ενός μόνο bolus βιταμίνης D3 (2000 μg) σε νεαρούς υγιείς ενήλικες ήδη μετά από την πρώτη ημέρα. Και στις δύο μελέτες, τα PBMC απομονώθηκαν πριν και μετά τη συμπλήρωση και το RNA και η χρωματίνη προετοιμάστηκαν χωρίς περαιτέρω in vitro καλλιέργεια των κυττάρων.

Ο δείκτης καθορίστηκε αρχικά με βάση την ανταπόκριση 24 πρωτοπαθών γονιδίων-στόχων της βιταμίνης D και 12 ευαίσθητων σε βιταμίνη D βιοχημικών παραμέτρων, όπως τα επίπεδα ορού της παραθυρεοειδικής ορμόνης [243] καθώς και την εξαρτώμενη από τη βιταμίνη D αλλαγή της προσβασιμότητας μερικών περιοχών της χρωματίνης [245], αλλά με μεγαλύτερη ακρίβεια, αξιολογήθηκε από την απόκριση 702 γονιδίων-στόχων της βιταμίνης D (Εικόνα 8, πάνω δεξιά) [246].

Εικόνα 8 Κλινικά οφέλη της βελτιστοποιημένης δράσης για τη βιταμίνη D

Εικόνα 8 Κλινικά οφέλη της βελτιστοποιημένης δράσης για τη βιταμίνη D. Ο δείκτης ανταπόκρισης στην βιταμίνη D διαχωρίζει τα άτομα σε υψηλά, μεσαία και χαμηλά στην βιταμίνη D ανταποκρινόμενους και επιτρέπει μια πιο ακριβή παρακολούθηση των επιπτώσεων της βιταμίνης D σε κλινικές ρυθμίσεις, όπως η πρόληψη της οστεοπόρωσης, την σαρκοπενία, τα αυτοάνοσα νοσήματα, και ενδεχομένως ακόμη και τον καρκίνο. Ο δείκτης βασίζεται στη γενετική και επιγενετική κατάσταση του ατόμου, αλλά δεν εξαρτάται από την κατάσταση της βιταμίνης D. Καθορίζεται κυρίως μέσω αλλαγών του transcriptome (δηλαδή, mRNA μεταγραφή των γονιδίων-στόχων βιταμίνης D),  της βιταμίνης D που ανταποκρίνονται ιστούς, όπως PBMC. FC, αλλαγή φορές.

Σε σχέση με τις αλλαγές σε φορές στα επίπεδα ορού της 25(OH)D3, τα άτομα ταξινομήθηκαν στις τρεις ομάδες ανταπόκρισης της βιταμίνης D. Και οι δύο μελέτες, VitDmet και VitDbol, έδειξαν ότι περίπου το 25% των συμμετεχόντων είναι χαμηλά ανταποκρινόμενοι, δηλαδή εμφανίζουν χαμηλό δείκτη ανταπόκρισης σε βιταμίνη D [185].

Οι χαμηλά στην βιταμίνη D ανταποκρινόμενοι είναι πιο ευάλωτοι κατά της ανεπάρκειας βιταμίνης D. Προκειμένου να διατηρηθεί η ενδοκρινολογία της βιταμίνης D στη βέλτιστη δραστηριότητά της, οι χαμηλοί ανταποκρινόμενοι στην βιταμίνη D πρέπει να λαμβάνουν πολύ υψηλότερες ημερήσιες δόσεις βιταμίνης D3 από τους υψηλά ανταποκριθέντες.

Ο δείκτης ανταπόκρισης σε βιταμίνη D διαπιστώθηκε ότι είναι ανεξάρτητος από τα επίπεδα ορού 25(OH)D3, δηλαδή από την κατάσταση της βιταμίνης D των συμμετεχόντων στη μελέτη. Σε αναλογία με την ανταπόκριση βαρφαρίνης, θεωρείται ότι ο δείκτης απόκρισης σε βιταμίνη D είναι μια εγγενής ιδιότητα του κάθε ατόμου και δεν αλλάζει κατά τη διάρκεια της ζωής [239].

Ωστόσο, δεν είναι ακόμη γνωστό ποιες γονιδιωματικές και επιγονιδιωματικές παραλλαγές καθορίζουν τον δείκτη. Η nutrigenomom αξιολόγηση της in vivo ανταπόκρισης της βιταμίνης D, δηλαδή, ο προσδιορισμός του δείκτη ανταπόκρισης σε βιταμίνη D, υπονοεί ότι θα πρέπει να υπάρχει μια εξατομικευμένη συμβουλή για την χορήγηση των συμπληρωμάτων της βιταμίνη D3, και όχι μια γενικήσύσταση, με βάση τον πληθυσμό.

Κατά συνέπεια, οι φυσιολογικές αντιδράσεις στη βιταμίνη D στο επίπεδο της υγείας των οστών και των μυών, καθώς και για την πρόληψη των αυτοάνοσων ασθενειών και, ενδεχομένως, διαφορετικών τύπων καρκίνου (μαστού, προστάτη και παχέος εντέρου) αναμένεται να είναι μέγιστη (Εικόνα 8, κάτω).

Οι μοριακές γνώσεις για τα συστήματα ανίχνευσης θρεπτικών συστατικών επιτρέπουν μια πιο ολοκληρωμένη άποψη της αντίδρασης του ανθρώπινου σώματος στα διαιτητικά μόρια. Η βιταμίνη D και οι μεταβολίτες της ανήκουν σε ένα μικρό σύνολο διαιτητικών ενώσεων που έχουν άμεσες επιπτώσεις στη ρύθμιση των γονιδίων.

Η ανάλυση της σηματοδότησης της βιταμίνης D μέσω τεχνολογιών αλληλουχίας επόμενης γενιάς σε in vitro μοντέλα κυτταρικής καλλιέργειας, καθώς και σε πρωτογενή κύτταρα, όπως τα PBMC, έχει δημιουργήσει μεγάλες ποσότητες δεδομένων σχετικά με ότι προκαλείται από τη βιταμίνη D στο επιγονιδίωμα και το transcriptome στα αντίστοιχα κυτταρικά συστήματα.

Δεδομένου ότι η περιεκτικότητα και τα μικροθρεπτικά συστατικά συνδέουν τον κυτταρικό μεταβολισμό με την ανοσία [170], η δράση nutrigenomics της βιταμίνης D έχει πλειοτροπική φυσιολογική και κλινική επίδραση.

Η εξατομικευμένη διατροφή, όπως και τα προσαρμοσμένα συμπληρώματα βιταμίνης D, θα συμβάλουν στη διατήρηση της ευεξίας και στην πρόληψη ασθενειών που σχετίζονται με την ηλικία και τον τρόπο ζωής, ιδίως εκείνων που σχετίζονται με τη χρόνια φλεγμονή.

9. Βιβλιογραφία

  1. J. Wesley Pike and Sylvia Christakos, Biology and Mechanisms of Action of the Vitamin D Hormone, Endocrinol Metab Clin North Am. 2017 Dec; 46(4): 815–843. doi: 10.1016/j.ecl.2017.07.001
  2. Melanby E. An experimental investigation on rickets. Lancet. 1919;1:407–412.
  3. McCollum E, Simmonds N, Becker J, Shipley P. An experimental demonstration of the existence of a vitamin which promotes calcium deposition. J Biol Chem. 1922;1922:293–298.
  4. HSHB Fat soluble vitamins. XVII. The induction of growth promoting and calcifying properties in a ration by exposure to ultraviolet light. J Biol Chem. 1924;61:405–422.
  5. Windaus A, Schenck F, von Werden F. Uber das antirachitisch wirksame bestrahlungs-produkt aus 7-dehydrocholesterin. Hoppe-Seyler’s Z Physiol Chem. 1936;241:100–103.
  6. DeLuca HF. Overview of general physiologic features and functions of vitamin D. Am J Clin Nutr. 2004;80(6 Suppl):1689S–1696S.
  7. Brumbaugh P, Haussler M. 1 Alpha,25-dihydroxycholecalciferol receptors in intestine. I. Association of 1 alpha,25-dihydroxycholecalciferol with intestinal mucosa chromatin. J Biol Chem. 1974;249(4):1251–1257.
  8. Brumbaugh PF, Haussler MR. 1a,25-dihydroxycholecalciferol receptors in intestine. II. Temperature-dependent transfer of the hormone to chromatin via a specific cytosol receptor. J Biol Chem. 1974;249(4):1258–1262.
  9. Pike JW, Haussler MR. Purification of chicken intestinal receptor for 1,25-dihydroxyvitamin D. Proc Natl Acad Sci U S A. 1979;76(11):5485–5489.
  10. Pike JW, Meyer MB, Benkusky NA, Lee SM, St John H, Carlson A, Onal M, Shamsuzzaman S. Genomic Determinants of Vitamin D-Regulated Gene Expression. Vitam Horm. 2016;100:21–44.
  11. McDonnell DP, Mangelsdorf DJ, Pike JW, Haussler MR, O’Malley BW. Molecular cloning of complementary DNA encoding the avian receptor for vitamin D. Science. 1987;235(4793):1214–1217.
  12. Baker AR, McDonnell DP, Hughes M, Crisp TM, Mangelsdorf DJ, Haussler MR, Pike JW, Shine J, O’Malley BW. Cloning and expression of full-length cDNA encoding human vitamin D receptor. Proc Natl Acad Sci U S A. 1988;85(10):3294–3298.
  13. Evans RM. The steroid and thyroid hormone receptor superfamily. Science. 1988;240(4854):889–895.
  14. Plum LA, DeLuca HF. Vitamin D, disease and therapeutic opportunities. Nat Rev Drug Discov. 2010;9(12):941–955.
  15. Feldman D, Krishnan AV, Swami S, Giovannucci E, Feldman BJ. The role of vitamin D in reducing cancer risk and progression. Nat Rev Cancer. 2014;14(5):342–357.
  16. DeLuca HF. The vitamin D story: a collaborative effort of basic science and clinical medicine. Faseb J. 1988;2(3):224–236.
  17. Cheng JB, Motola DL, Mangelsdorf DJ, Russell DW. De-orphanization of cytochrome P450 2R1: a microsomal vitamin D 25-hydroxilase. J Biol Chem. 2003;278(39):38084–38093.
  18. Cheng JB, Levine MA, Bell NH, Mangelsdorf DJ, Russell DW. Genetic evidence that the human CYP2R1 enzyme is a key vitamin D 25-hydroxylase. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004;101(20):7711–7715.
  19. Al Mutair AN, Nasrat GH, Russell DW. Mutation of the CYP2R1 vitamin D 25-hydroxylase in a Saudi Arabian family with severe vitamin D deficiency. J Clin Endocrinol Metab. 2012;97(10):E2022–2025.
  20. Zhu JG, Ochalek JT, Kaufmann M, Jones G, Deluca HF. CYP2R1 is a major, but not exclusive, contributor to 25-hydroxyvitamin D production in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013;110(39):15650–15655.
  21. Holick MF, Schnoes HK, DeLuca HF. Identification of 1,25-dihydroxycholecalciferol, a form of vitamin D3 metabolically active in the intestine. Proc Natl Acad Sci U S A. 1971;68(4):803–804.
  22. Fu GK, Lin D, Zhang MY, Bikle DD, Shackleton CH, Miller WL, Portale AA. Cloning of human 25-hydroxyvitamin D-1 alpha-hydroxylase and mutations causing vitamin D-dependent rickets type 1. Mol Endocrinol. 1997;11(13):1961–1970.
  23. Fraser D, Kooh SW, Kind HP, Holick MF, Tanaka Y, DeLuca HF. Pathogenesis of hereditary vitamin-D-dependent rickets. An inborn error of vitamin D metabolism involving defective conversion of 25-hydroxyvitamin D to 1 alpha,25-dihydroxyvitamin D. N Engl J Med. 1973;289(16):817–822.
  24. Dardenne O, Prud’homme J, Arabian A, Glorieux F, St-Arnaud R. Targeted inactivation of the 25-hydroxyvitamin D(3)-1(alpha)-hydroxylase gene (CYP27B1) creates an animal model of pseudovitamin D-deficiency rickets. Endocrinology. 2001;142(7):3135–3141.
  25. Garabedian M, Holick MF, Deluca HF, Boyle IT. Control of 25-hydroxycholecalciferol metabolism by parathyroid glands. Proc Natl Acad Sci U S A. 1972;69(7):1673–1676.
  26. Quarles LD. Skeletal secretion of FGF-23 regulates phosphate and vitamin D metabolism. Nat Rev Endocrinol. 2012;8(5):276–286.
  27. Hu MC, Shiizaki K, Kuro-o M, Moe OW. Fibroblast growth factor 23 and Klotho: physiology and pathophysiology of an endocrine network of mineral metabolism. Annu Rev Physiol. 2013;75:503–533.
  28. Jones G, Prosser DE, Kaufmann M. Cytochrome P450-mediated metabolism of vitamin D. J Lipid Res. 2014;55(1):13–31.
  29. Shimada T, Hasegawa H, Yamazaki Y, Muto T, Hino R, Takeuchi Y, Fujita T, Nakahara K, Fukumoto S, Yamashita T. FGF-23 is a potent regulator of vitamin D metabolism and phosphate homeostasis. J Bone Miner Res. 2004;19(3):429–435.
  30. Clinkenbeard EL, White KE. Systemic Control of Bone Homeostasis by FGF23 Signaling. Curr Mol Biol Rep. 2016;2(1):62–71.
  31. Ajibade D, Dhawan P, Fechner A, Meyer M, Pike J, Christakos S. Evidence for a role of prolactin in calcium homeostasis: regulation of intestinal transient receptor potential vanilloid type 6, intestinal calcium absorption, and the 25-hydroxyvitamin D(3) 1alpha hydroxylase gene by prolactin. Endocrinology. 2010;151(7):2974–2984.
  32. Hewison M, Burke F, Evans KN, Lammas DA, Sansom DM, Liu P, Modlin RL, Adams JS. Extra-renal 25-hydroxyvitamin D3-1alpha-hydroxylase in human health and disease. J Steroid Biochem Mol Biol. 2007;103(3–5):316–321.
  33. Bikle DD, Pillai S. Vitamin D, calcium, and epidermal differentiation. Endocr Rev. 1993;14(1):3–19.
  34. Bikle DD. Vitamin D and the skin. J Bone Miner Metab. 2010;28(2):117–130.
  35. Omdahl JL, Morris HA, May BK. Hydroxylase enzymes of the vitamin D pathway: expression, function, and regulation. Annu Rev Nutr. 2002;22:139–166.
  36. Veldurthy V, Wei R, Campbell M, Lupicki K, Dhawan P, Christakos S. 25-Hydroxyvitamin D2 24-Hydroxylase: A Key Regulator of 1,25(OH)2 D3 Catabolism and Calcium Homeostasis. Vitam Horm. 2016;100:137–150.
  37. Christakos S, Dhawan P, Verstuyf A, Verlinden L, Carmeliet G. Vitamin D: Metabolism, Molecular Mechanism of Action, and Pleiotropic Effects. Physiol Rev. 2016;96(1):365–408.
  38. St-Arnaud R. Targeted inactivation of vitamin D hydroxylases in mice. Bone. 1999;25(1):127–129.
  39. St-Arnaud R, Glorieux FH. 24,25-Dihydroxyvitamin D–active metabolite or inactive catabolite? Endocrinology. 1998;139(8):3371–3374.
  40. Schlingmann KP, Kaufmann M, Weber S, Irwin A, Goos C, John U, Misselwitz J, Klaus G, Kuwertz-Bröking E, Fehrenbach H, Wingen AM, Güran T, Hoenderop JG, Bindels RJ, Prosser DE, Jones G, Konrad M. Mutations in CYP24A1 and idiopathic infantile hypercalcemia. N Engl J Med. 2011;365(5):410–421.
  41. Tebben PJ, Milliner DS, Horst RL, Harris PC, Singh RJ, Wu Y, Foreman JW, Chelminski PR, Kumar R. Hypercalcemia, hypercalciuria, and elevated calcitriol concentrations with autosomal dominant transmission due to CYP24A1 mutations: effects of ketoconazole therapy. J Clin Endocrinol Metab. 2012;97(3):E423–427.
  42. Streeten EA, Zarbalian K, Damcott CM. CYP24A1 mutations in idiopathic infantile hypercalcemia. N Engl J Med. 2011;365(18):1741–1742. author reply 1742–1743.
  43. Dinour D, Beckerman P, Ganon L, Tordjman K, Eisenstein Z, Holtzman EJ. Loss-of-function mutations of CYP24A1, the vitamin D 24-hydroxylase gene, cause longstanding hypercalciuric nephrolithiasis and nephrocalcinosis. J Urol. 2013;190(2):552–557.
  44. Meyer MB, Goetsch PD, Pike JW. A downstream intergenic cluster of regulatory enhancers contributes to the induction of CYP24A1 expression by 1alpha,25-dihydroxyvitamin D3. J Biol Chem. 2010;285(20):15599–15610.
  45. Gheldof N, Smith E, Tabuchi T, Koch C, Dunham I, Stamatoyannopoulos J, Dekker J. Cell-type-specific long-range looping interactions identify distant regulatory elements of the CFTR gene. Nucleic Acids Res. 2010;38(13):4325–4336.
  46. Omdahl JL. Interaction of the parathyroid and 1,25-dihydroxyvitamin D3 in the control of renal 25-hydroxyvitamin D3 metabolism. J Biol Chem. 1978;253(23):8474–8478.
  47. Martin A, David V, Quarles LD. Regulation and function of the FGF23/klotho endocrine pathways. Physiol Rev. 2012;92(1):131–155.
  48. DeLuca HF, Krisinger J, Darwish H. The vitamin D system: 1990. Kidney Int Suppl. 1990;29:S2–8.
  49. Hoenderop JGJ, Nilius B, Bindels RJM. Calcium Absorption Across Epithelia. Physiol Rev. 2005;85(1):373–422.
  50. Amling M, Priemel M, Holzmann T, Chapin K, Rueger JM, Baron R, Demay MB. Rescue of the skeletal phenotype of vitamin D receptor-ablated mice in the setting of normal mineral ion homeostasis: formal histomorphometric and biomechanical analyses. Endocrinology. 1999;140(11):4982–4987.
  51. Masuyama R, Nakaya Y, Katsumata S, Kajita Y, Uehara M, Tanaka S, Sakai A, Kato S, Nakamura T, Suzuki K. Dietary calcium and phosphorus ratio regulates bone mineralization and turnover in vitamin D receptor knockout mice by affecting intestinal calcium and phosphorus absorption. J Bone Miner Res. 2003;18(7):1217–1226.
  52. Hochberg Z, Tiosano D, Even L. Calcium therapy for calcitriol-resistant rickets. J Pediatr. 1992;121(5 Pt 1):803–808.
  53. Benn BS, Ajibade D, Porta A, Dhawan P, Hediger M, Peng JB, Jiang Y, Oh GT, Jeung EB, Lieben L, Bouillon R, Carmeliet G, Christakos S. Active intestinal calcium transport in the absence of transient receptor potential vanilloid type 6 and calbindin-D9k. Endocrinology. 2008;149(6):3196–3205.
  54. Kutuzova GD, Akhter S, Christakos S, Vanhooke J, Kimmel-Jehan C, Deluca HF. Calbindin D(9k) knockout mice are indistinguishable from wild-type mice in phenotype and serum calcium level. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006;103(33):12377–12381.
  55. Kutuzova GD, Sundersingh F, Vaughan J, Tadi BP, Ansay SE, Christakos S, Deluca HF. TRPV6 is not required for 1alpha,25-dihydroxyvitamin D3-induced intestinal calcium absorption in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105(50):19655–19659.
  56. Cui M, Li Q, Johnson R, Fleet JC. Villin promoter-mediated transgenic expression of transient receptor potential cation channel, subfamily V, member 6 (TRPV6) increases intestinal calcium absorption in wild-type and vitamin D receptor knockout mice. J Bone Miner Res. 2012;27(10):2097–2107.
  57. Lee SM, Riley EM, Meyer MB, Benkusky NA, Plum LA, DeLuca HF, Pike JW. 1,25-Dihydroxyvitamin D3 Controls a Cohort of Vitamin D Receptor Target Genes in the Proximal Intestine That Is Enriched for Calcium-regulating Components. J Biol Chem. 2015;290(29):18199–18215.
  58. Wasserman RH. Vitamin D and the dual processes of intestinal calcium absorption. J Nutr. 2004;134(11):3137–3139.
  59. Reyes-Fernandez PC, Fleet JC. Compensatory Changes in Calcium Metabolism Accompany the Loss of Vitamin D Receptor (VDR) From the Distal Intestine and Kidney of Mice. J Bone Miner Res. 2016;31(1):143–151.
  60. Christakos S, Seth T, Hirsch J, Porta A, Moulas A, Dhawan P. Vitamin D biology revealed through the study of knockout and transgenic mouse models. Annu Rev Nutr. 2013;33:71–85.
  61. Yasuda H, Shima N, Nakagawa N, Mochizuki SI, Yano K, Fujise N, Sato Y, Goto M, Yamaguchi K, Kuriyama M, Kanno T, Murakami A, Tsuda E, Morinaga T, Higashio K. Identity of osteoclastogenesis inhibitory factor (OCIF) and osteoprotegerin (OPG): a mechanism by which OPG/OCIF inhibits osteoclastogenesis in vitro. Endocrinology. 1998;139(3):1329–1337.
  62. 6Xiong J, Onal M, Jilka RL, Weinstein RS, Manolagas SC, O’Brien CA. Matrix-embedded cells control osteoclast formation. Nat Med. 2011;17(10):1235–1241.
  63. Kim S, Yamazaki M, Zella L, Shevde N, Pike J. Activation of receptor activator of NF-kappaB ligand gene expression by 1,25-dihydroxyvitamin D3 is mediated through multiple long-range enhancers. Mol Cell Biol. 2006;26(17):6469–6486.
  64. Lieben L, Masuyama R, Torrekens S, Van Looveren R, Schrooten J, Baatsen P, Lafage-Proust MH, Dresselaers T, Feng JQ, Bonewald LF, Meyer MB, Pike JW, Bouillon R, Carmeliet G. Normocalcemia is maintained in mice under conditions of calcium malabsorption by vitamin D-induced inhibition of bone mineralization. J Clin Invest. 2012;122(5):1803–1815.
  65. Bonewald LF. Osteocytes as dynamic multifunctional cells. Ann N Y Acad Sci. 2007;1116:281–290.
  66. Bonewald LF, Johnson ML. Osteocytes, mechanosensing and Wnt signaling. Bone. 2008;42(4):606–615.
  67. Qing H, Ardeshirpour L, Pajevic PD, Dusevich V, Jähn K, Kato S, Wysolmerski J, Bonewald LF. Demonstration of osteocytic perilacunar/canalicular remodeling in mice during lactation. J Bone Miner Res. 2012;27(5):1018–1029.
  68. Murali SK, Andrukhova O, Clinkenbeard EL, White KE, Erben RG. Excessive Osteocytic Fgf23 Secretion Contributes to Pyrophosphate Accumulation and Mineralization Defect in Hyp Mice. PLoS Biol. 2016;14(4):e1002427.
  69. Shimada T, Mizutani S, Muto T, Yoneya T, Hino R, Takeda S, Takeuchi Y, Fujita T, Fukumoto S, Yamashita T. Cloning and characterization of FGF23 as a causative factor of tumor-induced osteomalacia. Proc Natl Acad Sci U S A. 2001;98(11): 6500–6505.
  70. Yu X, Sabbagh Y, Davis SI, Demay MB, White KE. Genetic dissection of phosphate- and vitamin D-mediated regulation of circulating Fgf23 concentrations. Bone. 2005;36(6):971–977.
  71. Yu X, White KE. FGF23 and disorders of phosphate homeostasis. Cytokine Growth Factor Rev. 2005;16(2):221–232.
  72. Zinser GM, Sundberg JP, Welsh J. Vitamin D(3) receptor ablation sensitizes skin to chemically induced tumorigenesis. Carcinogenesis. 2002;23(12):2103–2109.
  73. Zinser G, Welsh J. Effect of Vitamin D3 receptor ablation on murine mammary gland development and tumorigenesis. J Steroid Biochem Mol Biol. 2004;89–90(1–5):433–436.
  74. Xiang W, Kong J, Chen S, Cao LP, Qiao G, Zheng W, Liu W, Li X, Gardner DG, Li YC. Cardiac hypertrophy in vitamin D receptor knockout mice: role of the systemic and cardiac renin-angiotensin systems. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2005;288(1):E125–132.
  75. Froicu M, Weaver V, Wynn TA, McDowell MA, Welsh JE, Cantorna MT. A crucial role for the vitamin D receptor in experimental inflammatory bowel diseases. Mol Endocrinol. 2003;17(12):2386–2392.
  76. Cantorna MT. Mechanisms underlying the effect of vitamin D on the immune system. Proc Nutr Soc. 2010;69(3):286–289.
  77. Haussler MR, Myrtle JF, Norman AW. The association of a metabolite of vitamin D3 with intestinal mucosa chromatin in vivo. J Biol Chem. 1968;243(15):4055–4064.
  78. Burmester JK, Maeda N, DeLuca HF. Isolation and expression of rat 1,25-dihydroxyvitamin D3 receptor cDNA. Proc Natl Acad Sci U S A. 1988;85(4):1005–1009.
  79. Jin CH, Kerner SA, Hong MH, Pike JW. Transcriptional activation and dimerization functions in the human vitamin D receptor. Mol Endocrinol. 1996;10(8):945–957.
  80. McDonnell D, Scott R, Kerner S, O’Malley B, Pike J. Functional domains of the human vitamin D3 receptor regulate osteocalcin gene expression. Mol Endocrinol. 1989;3(4):635–644.
  81. Hughes MR, Malloy PJ, Kieback DG, Kesterson RA, Pike JW, Feldman D, O’Malley BW. Point mutations in the human vitamin D receptor gene associated with hypocalcemic rickets. Science. 1988;242(4886):1702–1705.
  82. Miyamoto K, Kesterson R, Yamamoto H, Taketani Y, Nishiwaki E, Tatsumi S, Inoue Y, Morita K, Takeda E, Pike J. Structural organization of the human vitamin D receptor chromosomal gene and its promoter. Mol Endocrinol. 1997;11(8):1165–1179.
  83. Hughes M, Malloy P, O’Malley B, Pike J, Feldman D. Genetic defects of the 1,25-dihydroxyvitamin D3 receptor. J Recept Res. 1991;11(1–4):699–716.
  84. Malloy P, Hochberg Z, Tiosano D, Pike J, Hughes M, Feldman D. The molecular basis of hereditary 1,25-dihydroxyvitamin D3 resistant rickets in seven related families. J Clin Invest. 1990;86(6):2071–2079.
  85. Ritchie H, Hughes M, Thompson E, Malloy P, Hochberg Z, Feldman D, Pike J, O’Malley B. An ochre mutation in the vitamin D receptor gene causes hereditary 1,25-dihydroxyvitamin D3-resistant rickets in three families. Proc Natl Acad Sci U S A. 1989;86(24):9783–9787.
  86. Sone T, Scott R, Hughes M, Malloy P, Feldman D, O’Malley B, Pike J. Mutant vitamin D receptors which confer hereditary resistance to 1,25-dihydroxyvitamin D3 in humans are transcriptionally inactive in vitro. J Biol Chem. 1989;264(34):20230–20234.
  87. Brooks MH, Bell NH, Love L, Stern PH, Orfei E, Queener SF, Hamstra AJ, DeLuca HF. Vitamin-D-dependent rickets type II. Resistance of target organs to 1,25-dihydroxyvitamin D. N Engl J Med. 1978;298(18):996–999.
  88. Eil C, Liberman UA, Rosen JF, Marx SJ. A cellular defect in hereditary vitamin-D-dependent rickets type II: defective nuclear uptake of 1,25-dihydroxyvitamin D in cultured skin fibroblasts. N Engl J Med. 1981;304(26):1588–1591.
  89. Pike J, Dokoh S, Haussler M, Liberman U, Marx S, Eil C. Vitamin D3–resistant fibroblasts have immunoassayable 1,25-dihydroxyvitamin D3 receptors. Science. 1984;224(4651):879–881.
  90. Sone T, Marx S, Liberman U, Pike J. A unique point mutation in the human vitamin D receptor chromosomal gene confers hereditary resistance to 1,25-dihydroxyvitamin D3. Mol Endocrinol. 1990;4(4):623–631.
  91. Lin N, Malloy P, Sakati N, al-Ashwal A, Feldman D. A novel mutation in the deoxyribonucleic acid-binding domain of the vitamin D receptor causes hereditary 1,25-dihydroxyvitamin D-resistant rickets. J Clin Endocrinol Metab. 1996;81(7):2564–2569.
  92. Malloy PJ, Tasic V, Taha D, Tütüncüler F, Ying GS, Yin LK, Wang J, Feldman D. Vitamin D receptor mutations in patients with hereditary 1,25-dihydroxyvitamin D-resistant rickets. Mol Genet Metab. 2014;111(1):33–40.
  93. Christakos S, Gabrielides C, Rhoten WB. Vitamin D-dependent calcium binding proteins: chemistry, distribution, functional considerations, and molecular biology. Endocr Rev. 1989;10(1):3–26.
  94. Gill RK, Christakos S. Identification of sequence elements in mouse calbindin-D28k gene that confer 1,25-dihydroxyvitamin D3- and butyrate-inducible responses. Proc Natl Acad Sci U S A. 1993;90(7):2984–2988.
  95. Price PA, Baukol SA. 1,25-Dihydroxyvitamin D3 increases synthesis of the vitamin K-dependent bone protein by osteosarcoma cells. J Biol Chem. 1980;255(24):11660–11663.
  96. Lian JB, Stein GS, Stewart C, Puchacz E, Mackowiak S, Aronow M, Von Deck M, Shalhoub V. Osteocalcin: characterization and regulated expression of the rat gene. Connect Tissue Res. 1989;21(1–4):61–68. discussion 69.
  97. Prince CW, Butler WT. 1,25-Dihydroxyvitamin D3 regulates the biosynthesis of osteopontin, a bone-derived cell attachment protein, in clonal osteoblast-like osteosarcoma cells. Coll Relat Res. 1987;7(4):305–313.
  98. Haussler MR, Chandler JS, Pike JW, Brumbaugh PF, Speer DP, Pitt MJ. Physiological importance of vitamin D metabolism. Prog Biochem Pharmacol. 1980;17:134–142.
  99. Kerner SA, Scott RA, Pike JW. Sequence elements in the human osteocalcin gene confer basal activation and inducible response to hormonal vitamin D3. Proc Natl Acad Sci U S A. 1989;86(12):4455–4459.
  100. Ozono K, Liao J, Kerner SA, Scott RA, Pike JW. The vitamin D-responsive element in the human osteocalcin gene. Association with a nuclear proto-oncogene enhancer. J Biol Chem. 1990;265(35):21881–21888.
  101. Noda M, Vogel RL, Craig AM, Prahl J, DeLuca HF, Denhardt DT. Identification of a DNA sequence responsible for binding of the 1,25-dihydroxyvitamin D3 receptor and 1,25-dihydroxyvitamin D3 enhancement of mouse secreted phosphoprotein 1 (SPP-1 or osteopontin) gene expression. Proc Natl Acad Sci U S A. 1990;87(24):9995–9999.
  102. Ohyama Y, Ozono K, Uchida M, Shinki T, Kato S, Suda T, Yamamoto O, Noshiro M, Kato Y. Identification of a vitamin D-responsive element in the 5′-flanking region of the rat 25-hydroxyvitamin D3 24-hydroxylase gene. J Biol Chem. 1994;269(14):10545–10550.
  103. Ohyama Y, Ozono K, Uchida M, Yoshimura M, Shinki T, Suda T, Yamamoto O. Functional Assessment of Two Vitamin D-responsive Elements in the Rat 25-Hydroxyvitamin D3 24-Hydroxylase Gene. J Biol Chem. 1996;271(48):30381–30385.
  104. Zierold C, Darwish HM, DeLuca HF. Identification of a vitamin D-response element in the rat calcidiol (25-hydroxyvitamin D3) 24-hydroxylase gene. Proc Natl Acad Sci U S A. 1994;91(3):900–902.
  105. Zierold C, Darwish H, DeLuca H. Two vitamin D response elements function in the rat 1,25-dihydroxyvitamin D 24-hydroxylase promoter. J Biol Chem. 1995;270(4):1675–1678.
  106. Carlberg C. Molecular basis of the selective activity of vitamin D analogues. J Cell Biochem. 2003;88(2):274–281.
  107. Joshi S, Pantalena LC, Liu XK, Gaffen SL, Liu H, Rohowsky-Kochan C, Ichiyama K, Yoshimura A, Steinman L, Christakos S, Youssef S. 1,25-dihydroxyvitamin D(3) ameliorates Th17 autoimmunity via transcriptional modulation of interleukin-17A. Mol Cell Biol. 2011;31(17):3653–3669.
  108. Demay MB, Kiernan MS, DeLuca HF, Kronenberg HM. Sequences in the human parathyroid hormone gene that bind the 1,25-dihydroxyvitamin D3 receptor and mediate transcriptional repression in response to 1,25-dihydroxyvitamin D3. Proc Natl Acad Sci U S A. 1992;89(17):8097–8101.
  109. Liao J, Ozono K, Sone T, McDonnell D, Pike J. Vitamin D receptor interaction with specific DNA requires a nuclear protein and 1,25-dihydroxyvitamin D3. Proc Natl Acad Sci U S A. 1990;87(24):9751–9755.
  110. Sone T, Ozono K, Pike JW. A 55-kilodalton accessory factor facilitates vitamin D receptor DNA binding. Mol Endocrinol. 1991;5(11):1578–1586.
  111. Sone T, Kerner S, Pike JW. Vitamin D receptor interaction with specific DNA. Association as a 1,25-dihydroxyvitamin D3-modulated heterodimer. J Biol Chem. 1991;266(34):23296–23305.
  112. Mangelsdorf DJ, Evans RM. The RXR heterodimers and orphan receptors. Cell. 1995;83(6):841–850.
  113. Kliewer SA, Umesono K, Mangelsdorf DJ, Evans RM. Retinoid X receptor interacts with nuclear receptors in retinoic acid, thyroid hormone and vitamin D3 signalling. Nature. 1992;355(6359):446–449.
  114. Thompson PD, Remus LS, Hsieh JC, Jurutka PW, Whitfield GK, Galligan MA, Encinas Dominguez C, Haussler CA, Haussler MR. Distinct retinoid X receptor activation function-2 residues mediate transactivation in homodimeric and vitamin D receptor heterodimeric contexts. J Mol Endocrinol. 2001;27(2):211–227.
  115. Pathrose P, Barmina O, Chang CY, McDonnell DP, Shevde NK, Pike JW. Inhibition of 1,25-dihydroxyvitamin D3-dependent transcription by synthetic LXXLL peptide antagonists that target the activation domains of the vitamin D and retinoid X receptors. J Bone Miner Res. 2002;17(12):2196–2205.
  116. Orlov I, Rochel N, Moras D, Klaholz BP. Structure of the full human RXR/VDR nuclear receptor heterodimer complex with its DR3 target DNA. EMBO J. 2012;31(2):291–300.
  117. Carlson M, Laurent BC. The SNF/SWI family of global transcriptional activators. Curr Opin Cell Biol. 1994;6(3):396–402.
  118. Smith CL, O’Malley BW. Coregulator function: a key to understanding tissue specificity of selective receptor modulators. Endocr Rev. 2004;25(1):45–71.
  119. Rachez C, Freedman LP. Mechanisms of gene regulation by vitamin D(3) receptor: a network of coactivator interactions. Gene. 2000;246(1–2):9–21.
  120. Lewis BA, Reinberg D. The mediator coactivator complex: functional and physical roles in transcriptional regulation. J Cell Sci. 2003;116(Pt 18):3667–3675.
  121. Arrowsmith CH, Bountra C, Fish PV, Lee K, Schapira M. Epigenetic protein families: a new frontier for drug discovery. Nat Rev Drug Discov. 2012;11(5):384–400.
  122. Xie W, Schultz MD, Lister R, Hou Z, Rajagopal N, Ray P, Whitaker JW, Tian S, Hawkins RD, Leung D, Yang H, Wang T, Lee AY, Swanson SA, Zhang J, Zhu Y, Kim A, Nery JR, Urich MA, Kuan S, Yen CA, Klugman S, Yu P, Suknuntha K, Propson NE, Chen H, Edsall LE, Wagner U, Li Y, Ye Z, Kulkarni A, Xuan Z, Chung WY, Chi NC, Antosiewicz-Bourget JE, Slukvin I, Stewart R, Zhang MQ, Wang W, Thomson JA, Ecker JR, Ren B. Epigenomic analysis of multilineage differentiation of human embryonic stem cells. Cell. 2013;153(5):1134–1148.
  123. Gifford CA, Ziller MJ, Gu H, Trapnell C, Donaghey J, Tsankov A, Shalek AK, Kelley DR, Shishkin AA, Issner R, Zhang X, Coyne M, Fostel JL, Holmes L, Meldrim J, Guttman M, Epstein C, Park H, Kohlbacher O, Rinn J, Gnirke A, Lander ES, Bernstein BE, Meissner A. Transcriptional and Epigenetic Dynamics during Specification of Human Embryonic Stem Cells. Cell. 2013;153(5):1149–1163.
  124. Ho L, Crabtree GR. Chromatin remodelling during development. Nature. 2010;463(7280):474–484.
  125. McInerney EM, Rose DW, Flynn SE, Westin S, Mullen TM, Krones A, Inostroza J, Torchia J, Nolte RT, Assa-Munt N, Milburn MV, Glass CK, Rosenfeld MG. Determinants of coactivator LXXLL motif specificity in nuclear receptor transcriptional activation. Genes Dev. 1998;12(21):3357–3368.
  126. Perissi V, Staszewski LM, McInerney EM, Kurokawa R, Krones A, Rose DW, Lambert MH, Milburn MV, Glass CK, Rosenfeld MG. Molecular determinants of nuclear receptor-corepressor interaction. Genes Dev. 1999;13(24):3198–3208.
  127. Westin S, Kurokawa R, Nolte RT, Wisely GB, McInerney EM, Rose DW, Milburn MV, Rosenfeld MG, Glass CK. Interactions controlling the assembly of nuclear-receptor heterodimers and co-activators. Nature. 1998;395(6698):199–202.
  128. Zella LA, Meyer MB, Nerenz RD, Lee SM, Martowicz ML, Pike JW. Multifunctional enhancers regulate mouse and human vitamin D receptor gene transcription. Mol Endocrinol. 2010;24(1):128–147.
  129. Meyer MB, Zella LA, Nerenz RD, Pike JW. Characterizing early events associated with the activation of target genes by 1,25-dihydroxyvitamin D3 in mouse kidney and intestine in vivo. J Biol Chem. 2007;282(31):22344–22352.
  130. Martowicz ML, Meyer MB, Pike JW. The mouse RANKL gene locus is defined by a broad pattern of histone H4 acetylation and regulated through distinct distal enhancers. J Cell Biochem. 2011;112(8):2030–2045.
  131. Hoffman MM, Ernst J, Wilder SP, Kundaje A, Harris RS, Libbrecht M, Giardine B, Ellenbogen PM, Bilmes JA, Birney E, Hardison RC, Dunham I, Kellis M, Noble WS. Integrative annotation of chromatin elements from ENCODE data. Nucleic Acids Res. 2013;41(2):827–841.
  132. Ernst J, Kellis M. Discovery and characterization of chromatin states for systematic annotation of the human genome. Nat Biotechnol. 2010;28(8):817–825.
  133. Ernst J, Kheradpour P, Mikkelsen TS, Shoresh N, Ward LD, Epstein CB, Zhang X, Wang L, Issner R, Coyne M, Ku M, Durham T, Kellis M, Bernstein BE. Mapping and analysis of chromatin state dynamics in nine human cell types. Nature. 2011;473(7345):43–49.
  134. Thurman RE, Rynes E, Humbert R, Vierstra J, Maurano MT, Haugen E, Sheffield NC, Stergachis AB, Wang H, Vernot B, Garg K, John S, Sandstrom R, Bates D, Boatman L, Canfield TK, Diegel M, Dunn D, Ebersol AK, Frum T, Giste E, Johnson AK, Johnson EM, Kutyavin T, Lajoie B, Lee BK, Lee K, London D, Lotakis D, Neph S, Neri F, Nguyen ED, Qu H, Reynolds AP, Roach V, Safi A, Sanchez ME, Sanyal A, Shafer A, Simon JM, Song L, Vong S, Weaver M, Yan Y, Zhang Z, Lenhard B, Tewari M, Dorschner MO, Hansen RS, Navas PA, Stamatoyannopoulos G, Iyer VR, Lieb JD, Sunyaev SR, Akey JM, Sabo PJ, Kaul R, Furey TS, Dekker J, Crawford GE, Stamatoyannopoulos JA. The accessible chromatin landscape of the human genome. Nature. 2012;489(7414):75–82.
  135. Bernstein BE, Stamatoyannopoulos JA, Costello JF, Ren B, Milosavljevic A, Meissner A, Kellis M, Marra MA, Beaudet AL, Ecker JR, Farnham PJ, Hirst M, Lander ES, Mikkelsen TS, Thomson JA. The NIH Roadmap Epigenomics Mapping Consortium. Nat Biotechnol. 2010;28(10):1045–1048.
  136. Kellis M, Wold B, Snyder MP, Bernstein BE, Kundaje A, Marinov GK, Ward LD, Birney E, Crawford GE, Dekker J, Dunham I, Elnitski LL, Farnham PJ, Feingold EA, Gerstein M, Giddings MC, Gilbert DM, Gingeras TR, Green ED, Guigo R, Hubbard T, Kent J, Lieb JD, Myers RM, Pazin MJ, Ren B, Stamatoyannopoulos JA, Weng Z, White KP, Hardison RC. Defining functional DNA elements in the human genome. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111(17):6131–6138.
  137. Stamatoyannopoulos JA. What does our genome encode? Genome Res. 2012;22(9):1602–1611.
  138. Maurano MT, Wang H, John S, Shafer A, Canfield T, Lee K, Stamatoyannopoulos JA. Role of DNA Methylation in Modulating Transcription Factor Occupancy. Cell Rep. 2015;12(7):1184–1195.
  139. Wang Z, Gerstein M, Snyder M. RNA-Seq: a revolutionary tool for transcriptomics. Nat Rev Genet. 2009;10(1):57–63.
  140. Cong L, Ran FA, Cox D, Lin S, Barretto R, Habib N, Hsu PD, Wu X, Jiang W, Marraffini LA, Zhang F. Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems. Science. 2013;339(6121):819–823. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  141. Hille F, Charpentier E. CRISPR-Cas: biology, mechanisms and relevance. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2016;371(1707).
  142. Singh A, Chakraborty D, Maiti S. CRISPR/Cas9: a historical and chemical biology perspective of targeted genome engineering. Chem Soc Rev. 2016
  143. Kim S, Shevde N, Pike J. 1,25-Dihydroxyvitamin D3 stimulates cyclic vitamin D receptor/retinoid X receptor DNA-binding, co-activator recruitment, and histone acetylation in intact osteoblasts. J Bone Miner Res. 2005;20(2):305–317.
  144. Meyer MB, Goetsch PD, Pike JW. Genome-wide analysis of the VDR/RXR cistrome in osteoblast cells provides new mechanistic insight into the actions of the vitamin D hormone. J Steroid Biochem Mol Biol. 2010;121(1–2):136–141.
  145. Meyer MB, Benkusky NA, Lee CH, Pike JW. Genomic determinants of gene regulation by 1,25-dihydroxyvitamin D3 during osteoblast-lineage cell differentiation. J Biol Chem. 2014;289(28):19539–19554.
  146. Meyer MB, Benkusky NA, Sen B, Rubin J, Pike JW. Epigenetic Plasticity Drives Adipogenic and Osteogenic Differentiation of Marrow-derived Mesenchymal Stem Cells. J Biol Chem. 2016;291(34):17829–17847.
  147. St John HC, Bishop KA, Meyer MB, Benkusky NA, Leng N, Kendziorski C, Bonewald LF, Pike JW. The osteoblast to osteocyte transition: epigenetic changes and response to the vitamin D3 hormone. Mol Endocrinol. 2014;28(7):1150–1165.
  148. Ramagopalan SV, Heger A, Berlanga AJ, Maugeri NJ, Lincoln MR, Burrell A, Handunnetthi L, Handel AE, Disanto G, Orton SM, Watson CT, Morahan JM, Giovannoni G, Ponting CP, Ebers GC, Knight JC. A ChIP-seq defined genome-wide map of vitamin D receptor binding: associations with disease and evolution. Genome Res. 2010;20(10):1352–1360.
  149. Heikkinen S, Väisänen S, Pehkonen P, Seuter S, Benes V, Carlberg C. Nuclear hormone 1α,25-dihydroxyvitamin D3 elicits a genome-wide shift in the locations of VDR chromatin occupancy. Nucleic Acids Res. 2011;39(21):9181–9193.
  150. Meyer MB, Goetsch PD, Pike JW. VDR/RXR and TCF4/β-catenin cistromes in colonic cells of colorectal tumor origin: impact on c-FOS and c-MYC gene expression. Mol Endocrinol. 2012;26(1):37–51.
  151. Ong CT, Corces VG. Enhancer function: new insights into the regulation of tissue-specific gene expression. Nat Rev Genet. 2011;12(4):283–293.
  152. Lee SM, Meyer MB, Benkusky NA, O’Brien CA, Pike JW. Mechanisms of Enhancer-mediated Hormonal Control of Vitamin D Receptor Gene Expression in Target Cells. J Biol Chem. 2015;290(51):30573–30586.
  153. Meyer MB, Watanuki M, Kim S, Shevde NK, Pike JW. The human transient receptor potential vanilloid type 6 distal promoter contains multiple vitamin D receptor binding sites that mediate activation by 1,25-dihydroxyvitamin D3 in intestinal cells. Mol Endocrinol. 2006;20(6):1447–1461.
  154. Deng W, Blobel GA. Do chromatin loops provide epigenetic gene expression states? Curr Opin Genet Dev. 2010;20(5):548–554.
  155. Deng W, Lee J, Wang H, Miller J, Reik A, Gregory PD, Dean A, Blobel GA. Controlling long-range genomic interactions at a native locus by targeted tethering of a looping factor. Cell. 2012;149(6):1233–1244.
  156. Deng W, Blobel GA. Manipulating nuclear architecture. Curr Opin Genet Dev. 2014;25:1–7.
  157. Deng W, Blobel GA. Detecting Long-Range Enhancer-Promoter Interactions by Quantitative Chromosome Conformation Capture. Methods Mol Biol. 2017;1468:51–62.
  158. Whalen S, Truty RM, Pollard KS. Enhancer-promoter interactions are encoded by complex genomic signatures on looping chromatin. Nat Genet. 2016;48(5):488–496.
  159. Meyer MB, Benkusky NA, Pike JW. The RUNX2 cistrome in osteoblasts: characterization, down-regulation following differentiation, and relationship to gene expression. J Biol Chem. 2014;289(23):16016–16031.
  160. Meyer MB, Benkusky NA, Pike JW. Selective Distal Enhancer Control of the Mmp13 Gene Identified through Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat (CRISPR) Genomic Deletions. J Biol Chem. 2015;290(17):11093–11107.
  161. Meyer MB, Benkusky NA, Onal M, Pike JW. Selective regulation of Mmp13 by 1,25(OH)2D3, PTH, and Osterix through distal enhancers. J Steroid Biochem Mol Biol. 2015 doi: 10.1016/j.jsbmb.2015.1009.1001.
  162. Meyer MB, Pike JW. Corepressors (NCoR and SMRT) as well as coactivators are recruited to positively regulated 1α,25-dihydroxyvitamin D3-responsive genes. J Steroid Biochem Mol Biol. 2013;136:120–124.
  163. Ding N, Yu RT, Subramaniam N, Sherman MH, Wilson C, Rao R, Leblanc M, Coulter S, He M, Scott C, Lau SL, Atkins AR, Barish GD, Gunton JE, Liddle C, Downes M, Evans RM. A vitamin D receptor/SMAD genomic circuit gates hepatic fibrotic response. Cell. 2013;153(3):601–613.
  164. Seth-Vollenweider T, Joshi S, Dhawan P, Sif S, Christakos S. Novel mechanism of negative regulation of 1,25-dihydroxyvitamin D3-induced 25-hydroxyvitamin D3 24-hydroxylase (Cyp24a1) Transcription: epigenetic modification involving cross-talk between protein-arginine methyltransferase 5 and the SWI/SNF complex. J Biol Chem. 2014;289(49):33958–33970.
  165. Meyer MB, Benkusky NA, Pike JW. Profiling histone modifications by chromatin immunoprecipitation coupled to deep sequencing in skeletal cells. Methods Mol Biol. 2015;1226:61–70.
  166. Pike JW, Meyer MB, St John HC, Benkusky NA. Epigenetic histone modifications and master regulators as determinants of context dependent nuclear receptor activity in bone cells. Bone. 2015
  167. Deplancke B, Alpern D, Gardeux V. The Genetics of Transcription Factor DNA Binding Variation. Cell. 2016;166(3):538–554.
  168. Pike JW, Lee SM, Meyer MB. Regulation of gene expression by 1,25-dihydroxyvitamin D3 in bone cells: exploiting new approaches and defining new mechanisms. Bonekey Rep. 2014;3:482.
  169. Ding N, Hah N, Yu RT, Sherman MH, Benner C, Leblanc M, He M, Liddle C, Downes M, Evans RM. BRD4 is a novel therapeutic target for liver fibrosis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015;112(51):15713–15718.
  170. Carsten Carlberg, Nutrigenomics of Vitamin D, Nutrients . 2019 Mar 21;11(3):676. doi: 10.3390/nu11030676.
  171. McMollum E.V., Simmonds N., Becker J.E., Shipley P.G. Studies on experimental rickets: An experimental demonstration of the existence of a vitamin which promotes calcium deposition. J. Biol. Chem. 1922;52:293–298.
  172. Holick M.F. The cutaneous photosynthesis of previtamin D3: A unique photoendocrine system. J. Investig. Dermatol. 1981;77:51–58. doi: 10.1111/1523-1747.ep12479237.
  173. Carlberg C. Molecular approaches for optimizing vitamin D supplementation. Vitam. Horm. 2016;100:255–271.
  174. Holick M.F. Vitamin D deficiency. N. Engl. J. Med. 2007;357:266–281. doi: 10.1056/NEJMra070553.
  175. Bendik I., Friedel A., Roos F.F., Weber P., Eggersdorfer M. Vitamin D: A critical and essential micronutrient for human health. Front. Physiol. 2014;5:248. doi: 10.3389/fphys.2014.00248.
  176. Jablonski N.G., Chaplin G. The roles of vitamin D and cutaneous vitamin D production in human evolution and health. Int. J. Paleopathol. 2018;23:54–59. doi: 10.1016/j.ijpp.2018.01.005.
  177. Pilarski A., Penn N., Ratnakumar S., Barker R.D., Milburn H.J. Variation in vitamin D deficiency among tuberculosis patients by ethnic group and geographical region of birth: Evidence from a diverse south London population. Eur. Respir. J. 2016;48:1507–1510. doi: 10.1183/13993003.00057-2016.
  178. Quillen E.E., Norton H.L., Parra E.J., Lona-Durazo F., Ang K.C., Illiescu F.M., Pearson L.N., Shriver M.D., Lasisi T., Gokcumen O., et al. Shades of complexity: New perspectives on the evolution and genetic architecture of human skin. Am. J. Phys. Anthropol. 2019;168(Suppl. 67):4–26. doi: 10.1002/ajpa.23737.
  179. Deng L., Xu S. Adaptation of human skin color in various populations. Hereditas. 2018;155:1. doi: 10.1186/s41065-017-0036-2.
  180. Hollis B.W. Circulating 25-hydroxyvitamin D levels indicative of vitamin D sufficiency: Implications for establishing a new effective dietary intake recommendation for vitamin D. J. Nutr. 2005;135:317–322. doi: 10.1093/jn/135. 2.317.
  181. Mangelsdorf D.J., Thummel C., Beato M., Herrlich P., Schütz G., Umesono K., Blumberg B., Kastner P., Mark M., Chambon P., et al. The nuclear receptor superfamily: The second decade. Cell. 1995;83:835–839. doi: 10.1016/0092-8674(95)90199-X.
  182. Hewison M., Burke F., Evans K.N., Lammas D.A., Sansom D.M., Liu P., Modlin R.L., Adams J.S. Extra-renal 25-hydroxyvitamin D3-1α-hydroxylase in human health and disease. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2007;103:316–321. doi: 10.1016/j.jsbmb.2006.12.078.
  183. Bouillon R., Suda T. Vitamin D: Calcium and bone homeostasis during evolution. BoneKEy Rep. 2014;3:480. doi: 10.1038/bonekey.2013.214.
  184. Sonoda J., Pei L., Evans R.M. Nuclear receptors: Decoding metabolic disease. FEBS Lett. 2008;582:2–9. doi: 10.1016/j.febslet.2007.11.016.
  185. Evans R.M. The nuclear receptor superfamily: A rosetta stone for physiology. Mol. Endocrinol. 2005;19:1429–1438. doi: 10.1210/me.2005-0046.
  186. Hoeksema M.A., de Winther M.P. Epigenetic regulation of monocyte and macrophage function. Antioxid. Redox Signal. 2016;25:758–774. doi: 10.1089/ars.2016.6695.
  187. Prietl B., Treiber G., Pieber T.R., Amrein K. Vitamin D and immune function. Nutrients. 2013;5:2502–2521. doi: 10.3390/nu5072502.
  188. Liu P.T., Stenger S., Li H., Wenzel L., Tan B.H., Krutzik S.R., Ochoa M.T., Schauber J., Wu K., Meinken C., et al. Toll-like receptor triggering of a vitamin D-mediated human antimicrobial response. Science. 2006;311:1770–1773. doi: 10.1126/science.1123933.
  189. Rook G.A., Steele J., Fraher L., Barker S., Karmali R., O’Riordan J., Stanford J. Vitamin D3, gamma interferon, and control of proliferation of Mycobacterium tuberculosis by human monocytes. Immunology. 1986;57:159–163.
  190. Paulson T. Epidemiology: A mortal foe. Nature. 2013;502:S2–S3. doi: 10.1038/502S2a.
  191. Gombart A.F., Borregaard N., Koeffler H.P. Human cathelicidin antimicrobial peptide (CAMP) gene is a direct target of the vitamin D receptor and is strongly up-regulated in myeloid cells by 1,25-dihydroxyvitamin D3. FASEB J. 2005;19:1067–1077. doi: 10.1096/fj.04-3284com.
  192. Jorde R., Sollid S.T., Svartberg J., Joakimsen R.M., Grimnes G., Hutchinson M.Y. Prevention of urinary tract infections with vitamin D supplementation 20,000 IU per week for five years. Results from an RCT including 511 subjects. Infect. Dis. (Lond.) 2016;48:823–828.
  193. Kearns M.D., Alvarez J.A., Seidel N., Tangpricha V. Impact of vitamin D on infectious disease. Am. J. Med. Sci. 2015;349:245–262. doi: 10.1097/MAJ.0000000 000000360.
  194. Novershtern N., Subramanian A., Lawton L.N., Mak R.H., Haining W.N., McConkey M.E., Habib N., Yosef N., Chang C.Y., Shay T., et al. Densely interconnected transcriptional circuits control cell states in human hematopoiesis. Cell. 2011;144:296–309. doi: 10.1016/j.cell.2011.01.004.
  195. Zeitelhofer M., Adzemovic M.Z., Gomez-Cabrero D., Bergman P., Hochmeister S., N’Diaye M., Paulson A., Ruhrmann S., Almgren M., Tegner J.N., et al. Functional genomics analysis of vitamin D effects on CD4+ T cells in vivo in experimental autoimmune encephalomyelitis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2017;114:E1678–E1687. doi: 10.1073/pnas.1615783114.
  196. Barragan M., Good M., Kolls J.K. Regulation of dendritic cell function by vitamin D. Nutrients. 2015;7:8127–8151. doi: 10.3390/nu7095383.
  197. Limketkai B.N., Mullin G.E., Limsui D., Parian A.M. Role of vitamin D in inflammatory bowel disease. Nutr. Clin. Pract. 2017;32:337–345. doi: 10.1177/0884533616674492.
  198. Munger K.L., Levin L.I., Hollis B.W., Howard N.S., Ascherio A. Serum 25-hydroxyvitamin D levels and risk of multiple sclerosis. JAMA. 2006;296:2832–2838. doi: 10.1001/jama.296.23.2832.
  199. Vanherwegen A.S., Eelen G., Ferreira G.B., Ghesquiere B., Cook D.P., Nikolic T., Roep B., Carmeliet P., Telang S., Mathieu C., et al. Vitamin D controls the capacity of human dendritic cells to induce functional regulatory T cells by regulation of glucose metabolism. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2019;187:134–145. doi: 10.1016/j.jsbmb.2018.11.011.
  200. Heikkinen S., Väisänen S., Pehkonen P., Seuter S., Benes V., Carlberg C. Nuclear hormone 1α,25-dihydroxyvitamin D3 elicits a genome-wide shift in the locations of VDR chromatin occupancy. Nucleic Acids Res. 2011;39:9181–9193. doi: 10.1093/nar/gkr654.
  201. Vanherwegen A.S., Gysemans C., Mathieu C. Vitamin D endocrinology on the cross-road between immunity and metabolism. Mol. Cell Endocrinol. 2017;453:52–67. doi: 10.1016/j.mce.2017.04.018.
  202. Carlberg C., Molnár F. The Impact of Chromatin. Mechanisms of Gene Regulation. 2nd ed. Springer Textbook; Berlin, Germany: 2016. pp. 17–34.
  203. Beisel C., Paro R. Silencing chromatin: Comparing modes and mechanisms. Nat. Rev. Genet. 2011;12:123–135. doi: 10.1038/nrg2932.
  204. Rivera C.M. Ren, B. Mapping Human Epigenomes. Cell. 2013;155:39–55.
  205. Hathaway N.A., Bell O., Hodges C., Miller E.L., Neel D.S., Crabtree G.R. Dynamics and memory of heterochromatin in living cells. Cell. 2012;149:1447–1460. doi: 10.1016/j.cell.2012.03.052.
  206. Carlberg C., Molnár F. The epigenome. Mechanisms of Gene Regulation. 2nd ed. Springer Textbook; Berlin, Germany: 2016. pp. 159–172.
  207. Perino M., Veenstra G.J. Chromatin control of developmental dynamics and plasticity. Dev. Cell. 2016;38:610–620. doi: 10.1016/j.devcel.2016.08.004.
  208. Carlberg C., Molnár F. Chromatin Modifiers. Mechanisms of Gene Regulation. 2nd ed. Springer Textbook; Berlin, Germany: 2016. pp. 129–145.
  209. Gut P., Verdin E. The nexus of chromatin regulation and intermediary metabolism. Nature. 2013;502:489–498. doi: 10.1038/nature12752.
  210. Vanden Berghe W. Epigenetic impact of dietary polyphenols in cancer chemoprevention: Lifelong remodeling of our epigenomes. Pharmacol. Res. 2012;65:565–576. doi: 10.1016/j.phrs.2012.03.007.
  211. Carlberg C. Molecular endocrinology of vitamin D on the epigenome level. Mol. Cell. Endocrinol. 2017;453:14–21. doi: 10.1016/j.mce.2017.03.016.
  212. Pike J.W., Meyer M.B., Watanuki M., Kim S., Zella L.A., Fretz J.A., Yamazaki M., Shevde N.K. Perspectives on mechanisms of gene regulation by 1,25-dihydroxyvitamin D3 and its receptor. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2007;103:389–395. doi: 10.1016/j.jsbmb.2006.12.050.
  213. Mangelsdorf D.J., Evans R.M. The RXR heterodimers and orphan receptors. Cell. 1995;83:841–850. doi: 10.1016/0092-8674(95)90200-7.
  214. Carlberg C., Bendik I., Wyss A., Meier E., Sturzenbecker L.J., Grippo J.F., Hunziker W. Two nuclear signalling pathways for vitamin D. Nature. 1993;361:657–660. doi: 10.1038/361657a0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  215. 58. Carlberg C. Genome-wide (over)view on the actions of vitamin D. Front. Physiol. 2014;5:167. doi: 10.3389/fphys.2014.00167.
  216. Ramagopalan S.V., Heger A., Berlanga A.J., Maugeri N.J., Lincoln M.R., Burrell A., Handunnetthi L., Handel A.E., Disanto G., Orton S.M., et al. A ChIP-seq defined genome-wide map of vitamin D receptor binding: Associations with disease and evolution. Genome Res. 2010;20:1352–1360. doi: 10.1101/gr.107920.110.
  217. Neme A., Seuter S., Carlberg C. Selective regulation of biological processes by vitamin D based on the spatio-temporal cistrome of its receptor. Biochim. Biophys. Acta. 2017;1860:952–961. doi: 10.1016/j.bbagrm.2017.07.002.
  218. Meyer M.B., Goetsch P.D., Pike J.W. VDR/RXR and TCF4/beta-catenin cistromes in colonic cells of colorectal tumor origin: Impact on c-FOS and c-MYC gene expression. Mol. Endocrinol. 2012;26:37–51. doi: 10.1210/me.2011-1109.
  219. Ding N., Yu R.T., Subramaniam N., Sherman M.H., Wilson C., Rao R., Leblanc M., Coulter S., He M., Scott C., et al. A vitamin D receptor/SMAD genomic circuit gates hepatic fibrotic response. Cell. 2013;153:601–613. doi: 10.1016/j.cell.2013.03.028.
  220. Tuoresmäki P., Väisänen S., Neme A., Heikkinen S., Carlberg C. Patterns of genome-wide VDR locations. PLoS ONE. 2014;9:e96105. doi: 10.1371/journal.pone.0096105.
  221. Zaret K.S., Carroll J.S. Pioneer transcription factors: Establishing competence for gene expression. Gen. Dev. 2011;25:2227–2241. doi: 10.1101/gad.176826.111.
  222. Seuter S., Neme A., Carlberg C. Epigenomic PU.1-VDR crosstalk modulates vitamin D signaling. Biochim. Biophys. Acta. 2017;1860:405–415.
  223. Nurminen V., Neme A., Seuter S., Carlberg C. Modulation of vitamin D signaling by the pioneer factor CEBPA. Biochim. Biophys. Acta. 2019;1862:96–106. doi: 10.1016/j.bbagrm.2018.12.004.
  224. Seuter S., Neme A., Carlberg C. ETS transcription factor family member GABPA contributes to vitamin D receptor target gene regulation. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2018;177:46–52. doi: 10.1016/j.jsbmb.2017.08.006.
  225. Neme A., Seuter S., Carlberg C. Vitamin D-dependent chromatin association of CTCF in human monocytes. Biochim. Biophys. Acta. 2016;1859:1380–1388. doi: 10.1016/j.bbagrm.2016.08.008.
  226. Dixon J.R., Selvaraj S., Yue F., Kim A., Li Y., Shen Y., Hu M., Liu J.S., Ren B. Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions. Nature. 2012;485:376–380. doi: 10.1038/nature11082.
  227. Molnár F., Peräkylä M., Carlberg C. Vitamin D receptor agonists specifically modulate the volume of the ligand-binding pocket. J. Biol. Chem. 2006;281:10516–10526. doi: 10.1074/jbc.M513609200.
  228. Polly P., Herdick M., Moehren U., Baniahmad A., Heinzel T., Carlberg C. VDR-Alien: A novel, DNA-selective vitamin D3 receptor-corepressor partnership. Faseb J. 2000;14:1455–1463. doi: 10.1096/fasebj.14.10.1455.
  229. Herdick M., Carlberg C. Agonist-triggered modulation of the activated and silent state of the vitamin D3 receptor by interaction with co-repressors and co-activators. J. Mol. Biol. 2000;304:793–801. doi: 10.1006/jmbi.2000.4267.
  230. Molnár F. Structural considerations of vitamin D signaling. Front. Physiol. 2014;5:191. doi: 10.3389/fphys.2014.00191.
  231. Wei Z., Yoshihara E., He N., Hah N., Fan W., Pinto A.F.M., Huddy T., Wang Y., Ross B., Estepa G., et al. Vitamin D switches BAF complexes to protect beta cells. Cell. 2018;173:1135–1149 e15. doi: 10.1016/j.cell.2018.04.013.
  232. Pereira F., Barbachano A., Silva J., Bonilla F., Campbell M.J., Munoz A., Larriba M.J. KDM6B/JMJD3 histone demethylase is induced by vitamin D and modulates its effects in colon cancer cells. Hum. Mol. Genet. 2011;20:4655–4665. doi: 10.1093/hmg/ddr399.
  233. Nurminen V., Neme A., Seuter S., Carlberg C. The impact of the vitamin D-modulated epigenome on VDR target gene regulation. Biochim. Biophys. Acta. 2018;1861:697–705. doi: 10.1016/j.bbagrm.2018.05.006.
  234. Seuter S., Neme A., Carlberg C. Epigenome-wide effects of vitamin D and their impact on the transcriptome of human monocytes involve CTCF. Nucleic Acids Res. 2016;44:4090–4104. doi: 10.1093/nar/gkv1519.
  235. Carlberg C., Neme A. Machine learning approaches infer vitamin D signaling: Critical impact of vitamin D receptor binding within topologically associated domains. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2019;185:103–109. doi: 10.1016/j.jsbmb.2018.07.015.
  236. Carlberg C., Seuter S., Nurmi T., Tuomainen T.P., Virtanen J.K., Neme A. In vivo response of the human epigenome to vitamin D: A proof-of-principle study. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2018;180:142–148. doi: 10.1016/j.jsbmb.2018.01.002.
  237. Genomes Project C., Abecasis G.R., Auton A., Brooks L.D., DePristo M.A., Durbin R.M., Handsaker R.E., Kang H.M., Marth G.T., McVean G.A. An integrated map of genetic variation from 1,092 human genomes. Nature. 2012;491:56–65.
  238. Rieder M.J., Reiner A.P., Gage B.F., Nickerson D.A., Eby C.S., McLeod H.L., Blough D.K., Thummel K.E., Veenstra D.L., Rettie A.E. Effect of VKORC1 haplotypes on transcriptional regulation and warfarin dose. N. Engl. J. Med. 2005;352:2285–2293. doi: 10.1056/NEJMoa044503.
  239. Carlberg C., Haq A. The concept of the personal vitamin D response index. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2018;175:12–17. doi: 10.1016/j.jsbmb.2016.12.011.
  240. Carlberg C., Seuter S., de Mello V.D., Schwab U., Voutilainen S., Pulkki K., Nurmi T., Virtanen J., Tuomainen T.P., Uusitupa M. Primary vitamin D target genes allow a categorization of possible benefits of vitamin D3 supplementation. PLoS ONE. 2013;8:e71042. doi: 10.1371/journal.pone.0071042.
  241. Wilfinger J., Seuter S., Tuomainen T.-P., Virtanen J.K., Voutilainen S., Nurmi T., de Mello V.D.F., Uusitupa M., Carlberg C. Primary vitamin D receptor target genes as biomarkers for the vitamin D3 status in the hematopoietic system. J. Nutr. Biochem. 2014;25:875–884. doi: 10.1016/j.jnutbio.2014.04.002.
  242. Ryynänen J., Neme A., Tuomainen T.P., Virtanen J.K., Voutilainen S., Nurmi T., de Mello V.D., Uusitupa M., Carlberg C. Changes in vitamin D target gene expression in adipose tissue monitor the vitamin D response of human individuals. Mol. Nutr. Food Res. 2014;58:2036–2045. doi: 10.1002/mnfr.201400291.
  243. Saksa N., Neme A., Ryynänen J., Uusitupa M., de Mello V.D., Voutilainen S., Nurmi T., Virtanen J.K., Tuomainen T.P., Carlberg C. Dissecting high from low responders in a vitamin D3 intervention study. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2015;148:275–282. doi: 10.1016/j.jsbmb.2014.11.012.
  244. Vukic M., Neme A., Seuter S., Saksa N., de Mello V.D., Nurmi T., Uusitupa M., Tuomainen T.P., Virtanen J.K., Carlberg C. Relevance of vitamin D receptor target genes for monitoring the vitamin D responsiveness of primary human cells. PLoS ONE. 2015;10:e0124339. doi: 10.1371/journal.pone.0124339.
  245. Seuter S., Virtanen J.K., Nurmi T., Pihlajamäki J., Mursu J., Voutilainen S., Tuomainen T.P., Neme A., Carlberg C. Molecular evaluation of vitamin D responsiveness of healthy young adults. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2017;174:314–321. doi: 10.1016/j.jsbmb.2016.06.003.
  246. Neme A., Seuter S., Malinen M., Nurmi T., Tuomainen T.P., Virtanen J.K., Carlberg C. In vivo transcriptome changes of human white blood cells in response to vitamin D. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2019;188:71–76. doi: 10.1016/j.jsbmb.2018.11.019.

FGA Center

Το Κέντρο Εφαρμοσμένης Λειτουργικής Γονιδιωματικής διερευνά και προτείνει εξειδικευμένες εξετάσεις της κυτταρικής λειτουργίας.

Επικοινωνία

Online ραντεβού

Για προγραμματισμό τηλεσυνάντησης καλέστε +(30) 210 33 90 340