肝细胞核因子-1β对肾脏特异性Ksp-钙粘素基因启动子具有调节作用

肝细胞核因子-1β对肾脏特异性Ksp-钙粘素基因启动子具有调节作用

9月24日 肾脏特异性钙粘素（Ksp-cadherin）是钙粘素家族中的组织特异性成员，它特异性地表达于肾脏和发育中的泌尿生殖道。

美国德克萨斯大学西南医学中心内科学肾脏科的Bai Y及其同事最近研究发现，Ksp-cadherin基因启动子中近位250bp足以驱动组织特异性基因在体内外表达。该启动子中近位120bp在小鼠和人类之间高度保守，均含有DNase I高敏位点，这是肾脏细胞所特有的。

在-55位点上，启动子含有一个肝细胞核因子-1（HNF-1）识别共位点。HNF-1共位点和下游GC-盒的突变可抑制转染细胞启动子的活性。HNF-1α和HNF-1β特异性地结合在-55位点上，这两种蛋白直接作用于启动子。

在HNF-1α缺陷的小鼠肾脏中，Ksp-cadherin的表达并不改变。但是，在转染细胞中，获能HNF-1β突变体的表达可刺激Ksp-cadherin启动子的活性，而显性负性突变体的表达则抑制Ksp-cadherin启动子的活性。

这些研究确定，Ksp-cadherin作为第一个肾脏特异性启动子，其活性受到HNF-1β的调节。正如发生在人类遗传性肾囊肿和糖尿病中的那样，HNF-1β突变可引起Ksp-cadherin启动子活性的调节异常。

炎症在异种移植中重要作用的证据

越来越多的证据表明猪到非人灵长类动物(NHP)异种移植后存在持续的全身性炎症状态(在异种移植受体中称为全身性炎症[SIXR])。炎症标志物的增加，例如C反应蛋白，组蛋白，血清淀粉样蛋白A，D-二聚体，细胞因子，趋化因子，以及游离三碘甲状腺原氨酸的减少，已经在受体NHPs中被证实。炎症，凝血和免疫反应之间的复杂相互作用是公认的，但炎症在异种移植受体中的作用尚不完全清楚。有证据表明炎症可以促进凝血的激活和适应性免疫反应，但确切的机制尚不清楚。如果要实现延长的异种移植存活时间，可能需要采取抗炎策略(例如，使用抗炎剂，和/或产生保护免受炎症影响的基因工程器官来源猪)，以防止、控制或否定异种移植受体中发展的全身性炎症的影响。这可能允许降低外源性免疫抑制治疗的强度。如果要获得异种移植物的免疫耐受，那么炎症的控制可能是必不可少的。

器官移植是过去70年来医学上的成功故事之一，但是来自已故人类捐赠者的器官仍然不足以治疗所有可能受益的患者。例如，在美国，目前大约有12万名患者在等待一种或那种的器官，然而今年只有大约1万名已故的人类捐献者，平均每个捐赠者提供三到四个器官[1]。

如果有合适的动物器官来源，人体器官的缺乏是可以避免的。由于一些逻辑和其他原因，猪已被确定为临床移植器官的潜在来源[2]。因此，在过去的35年中，异种移植(跨物种移植)领域得到了广泛的研究[3]。虽然移植到人类或非人灵长类动物(NHP)中的野生型(即基因未修饰)猪的器官在几分钟内被排斥[4]，我们对猪进行基因工程以保护其器官免受灵长类动物免疫反应的能力已导致维持生命的肾脏或心脏移植物在NHP中存活数月甚至一年以上[5-9]。必须克服的障碍之一，但仍然是个问题，是对猪器官存在的炎症反应。

炎症是身体组织对有害刺激的复杂生物反应的一部分，在各种疾病中均可观察到，如炎症性疾病[10]，感染[11]，动脉粥样硬化[12]。适当的促炎细胞因子和趋化因子的释放对于保护性免疫是必要的，但是这些因子的过度产生会导致各种病理状态[13]。器官移植后缺血再灌注损伤后出现炎症反应[14]。这可能在启动异基因免疫应答[15]和同种移植物血管病的发展[16]中发挥重要作用。

有越来越多的证据表明猪异种移植存在全身炎症反应(“异种移植受体的全身性炎症”[SIXR])[17-19]。炎症促进凝血[17-21]和异种移植后发展的免疫反应[17，18]的激活[22，23]。在器官异种移植的受者中，C-反应蛋白(C-RP)在消耗性凝血疾病或T细胞反应发展之前就会升高[17，18]。浸润的先天免疫细胞表达组织因子，组织因子在启动凝血中起作用[24]。炎症抑制了T细胞耐受的发展[22，25]。

我们在这里回顾异种移植的长期全身炎症反应的证据，并考虑可以采取什么步骤来预防或减少它。我们主要利用了我们自己的观察结果，但通过对文献的回顾补充了这些观察结果。

C-反应蛋白(C-RP)是一种急性时相蛋白，主要由肝细胞对促炎细胞因子，特别是白细胞介素-6(IL-6)合成[31]。C-RP为侵袭性病原体提供了第一道防线，并可促进补体激活、细菌包膜肿胀和吞噬[32]。它是早期感染的标志，并提供了一个简单的客观参数[33]。此外，当存在肾移植急性排斥反应时，C-RP mRNA表达增加[34]。C-RP既能防御宿主感染，又能增强炎性组织损伤。

在猪到狒狒器官移植后，C-RP在几个月内增加，表明存在持续的炎症状态 13，19，26 ，并沉积在移植的猪肾 18 。这是否是初始抗体结合的次要因素仍然不确定。

血清淀粉样蛋白A(SAA)是结核病、类风湿性关节炎、克罗恩病和各种癌症的主要急性时相蛋白和炎症相关标志物[35，36]。SAA也是急性同种异体排斥反应的敏感标记物[37]。肝细胞是SAA的主要来源[38]。SAA升高的原因是循环血清白细胞介素-6(IL-6)和肿瘤坏死因子α(TNF-α)增加[39]。由内皮细胞(ECs)、淋巴细胞、特别激活的单核细胞和巨噬细胞产生的炎症相关细胞因子刺激淀粉样蛋白A的合成[35，40]。反过来，SAA可能诱导一些促炎细胞因子的释放，如肿瘤坏死因子-α，IL-1β和趋化因子IL-8[41，42]。然而，SAA也可以诱导趋化因子的分泌，这些趋化因子可能在局部抑制炎症[43]，并动员磷脂和胆固醇进行细胞修复[44]。

在猪到狒狒器官异种移植后，在抗体介导的排斥期间(图2)或当消耗性凝血疾病或感染发展时，观察到SAA显著增加[26，27]。淀粉样蛋白A沉积在移植的猪肾中[28]。虽然目前测量SAA的方法不是完全定量的，但它是炎症状态的简单和快速的指示器，允许早期检查，例如排斥，感染或其他并发症。

细胞外组蛋白在炎症中起关键作用[45]。在体内，它们导致EC功能障碍(例如，中性粒细胞边集，出血，血栓形成)，而在体外，它们对EC具有细胞毒性[45]。已鉴定出五种类型的组蛋白[46，47]。组蛋白的释放可由脓毒症、创伤、化学毒性、移植损伤和缺血再灌注触发[48]。它们与各种细胞的Toll样受体(TLRs)结合，例如血小板、红细胞[49]，进而诱导NETosis(细胞死亡，颗粒内容物释放到细胞外，这反过来又增加了组蛋白的释放并放大了炎症[50-57]。

组蛋白-DNA复合物的直接血栓前活性增加了炎性细胞因子的形成，并通过激活TLR 2、4和9来促进血栓反应[48]。此外，炎性细胞因子下调血栓调节蛋白，诱导组织因子，并上调纤溶酶原激活物抑制剂[48]。组蛋白也可以引起直接的血小板活化[53，58]。当存在炎症和凝血功能障碍的证据时，异种移植受体的水平会增加[26]。在没有IL-6受体阻断(用tocilizumab)的情况下，猪器官移植后的平均血清组蛋白水平显著升高 26 。中性粒细胞数量的减少可能会减少细胞外组蛋白的释放[59，60]。在体外研究中，核因子κB(NF-κB)抑制剂parthenolide(图3B)显著减少组蛋白诱导的猪EC凋亡/死亡[26]。EC凋亡在许多炎症和免疫疾病中被观察到[61]。

D-二聚体是交联纤维蛋白降解的蛋白质产物。在血管内凝血和血栓性疾病中观察到血液中D二聚体浓度升高[62]。D-二聚体可能通过激活中性粒细胞和单核细胞，诱导炎性细胞因子(如IL-6)的分泌而促进炎性级联反应[62-65]。

D-二聚体也可能是炎症的标志[19，64，66，67]，并且当异种移植失败时可能上升(图4)[19]。

促炎细胞因子/趋化因子有助于抵抗感染，但可能诱发全身性炎症[68，69]。在体外研究中，猪IL-6，IL-1β和α激活人脐静脉内皮细胞(HUVEC)[70]。猪主动脉内皮细胞(PAECs)可被人IL-6、IL-17、IL-1β和α显著激活[70]。例如，(I)人IL-17、IL-1β和TNF-α增加粘附分子基因(例如E-选择素、VCAM-1和ICAM-1)的表达，(Ii)人IL-6、IL-17、IL-1β和TNF-α诱导的趋化因子(例如，IL-8和MCP-1)和组织因子表达增加，以及(Iii)人IL-1β和肿瘤坏死因子-α诱导猪白细胞抗原I类的表达[70]。上述所有的细胞因子/趋化因子都有可能促进异种移植物的炎症和凝血反应。

在缺乏免疫抑制治疗的情况下，在异种移植后可以看到某些细胞因子水平的增加，但在实施免疫抑制治疗时不会增加 18 。

炎症在血小板活化和聚集中起着关键作用[71]，这反过来又在异种移植后凝血功能失调中发挥重要作用[72]。细胞外组蛋白与血小板上的TLR，特别是TLR2和TLR4结合，导致血小板聚集[51，53]。在人类中，细胞因子IL-17可以通过ERK2和p53信号通路促进血小板活化和聚集[73，74]，尽管确切的机制尚不清楚[75]。受体血小板也可以通过直接与猪ECs结合来激活[76]。在没有人血清或抗体的情况下，人血小板在与pAECs接触后可以上调组织因子的表达，这可以通过凝血酶的产生导致凝血[77]。

低血浆游离三碘甲状腺原氨酸(Ft3)与炎症[78-82]之间存在关系。血浆ft3在脑死亡[83，84]和主要外科手术，特别是体外循环心脏手术后下降[85-89]。

在接受猪心脏、肾脏、肝脏和动脉补片异种移植的受体狒狒中，ft3迅速下降，需要几天时间才能恢复到移植前的水平 26 。已有报道血清IL-6和肿瘤坏死因子-α与甲状腺激素浓度呈负相关[80]。持续的低水平几乎肯定与异种移植物的炎症反应有关[26]。

直到最近，在NHPs中成功的猪器官移植的一个主要障碍是凝血酶产生过多引起的凝血功能失调[90-93]。凝血酶受体的激活放大成熟树突状细胞产生趋化因子CCL18和肺激活调节趋化因子[94]。凝血酶在体外可上调ICAM-1mRNA并诱导单核细胞表达ICAM-1[95]，并通过激活NF-κB[96]。

众所周知，炎症有助于激活凝血功能障碍[17，18，70，97，98]。组织因子不仅是凝血酶的启动子，也是炎症的标记物[99，100]。肿瘤坏死因子-α[101]，IL-6[102]和C-RP[103]增加天然免疫细胞上组织因子的表达，从而促进凝血[100，103]的激活。在凝血和炎症之间存在一个放大电路，导致炎症介质以及促凝因子的激活[20]。因此，炎症的治疗预防可能是猪异种器官移植后最大限度地减少凝血失调的主要因素。

最近进行的一项重要观察表明，当仅表达天然猪血栓调节蛋白(也具有抗炎作用)的猪血管内皮细胞被肿瘤坏死因子-α激活时，血栓调节蛋白的表达明显下调(图7A)[98]。这表明，当猪器官暴露于炎症(猪器官移植到NHP后是普遍存在的)时，血栓性微血管病可能会发展。缺乏人类血栓调节蛋白的抗炎作用可能导致消耗性凝血疾病的早期发展[6]。相反，人血栓调节蛋白的转基因表达没有下调，因此维持了它的抗凝和抗炎作用(图7b)[98]。

异种移植后某些细胞因子/趋化因子的显著增加可能是由于先天免疫细胞活性的结果，并且很可能是异种移植损伤的致病因素[17，18]。炎症和先天免疫反应增强适应性免疫反应【70，98】。
全身炎症标志物的上调与T细胞依赖的适应性免疫反应的无效阻断有关[105]。

在一项体外研究中，当猪干扰素-γ激活pAECs时，人外周血单个核细胞(PBMC)的增殖反应显著增加，支持炎症增强异种移植物的免疫反应的概念 106 。移植后T细胞耐受的诱导被炎症抑制[25]。通过影响免疫反应，细胞因子和趋化因子分泌影响同种异体移植的结果[107，108]。IL-7，IL-8和干扰素-γ诱导的蛋白10，趋化因子配体9，趋化因子配体2和5的增加与早期同种异体移植物功能障碍相关[109-111]。

炎症，凝血和免疫反应有着复杂的相互关系[23，50]。例如，凝血酶在体外激活人细胞对猪细胞的反应，并诱导与干扰素-γ激活程度相同的T细胞增殖反应(图8B)[97]。

几种旨在防止或减少异种移植后过度炎症的策略已经过测试，其中一些策略已得到临床批准。

皮质类固醇

皮质类固醇激活几个基因，包括具有抗炎作用的NF-κB抑制剂[120]。给猪心脏异种移植受体用药后，IL-6、IL-8和MCP-1水平降低[13]。然而，D-二聚体仍然增加，与皮质类固醇和/或抗炎治疗无关，表明炎症反应持续[13]。

Anti-complement agents

虽然眼镜蛇毒液因子(CVF)主要用于消耗补体[121]，但MCP-1、IL-8和IL-6在给药后减少[13]。用猪动脉补片移植的狒狒给予眼镜蛇蛇毒因子后，IL-6，IL-8和MCP-1仍然低于移植前水平，或与移植前水平相当[13]。Eculizumab是一种抗C5人源化单克隆抗体，通过阻止C5转换酶的切割来抑制末端补体效应途径[122]。它通过增加干扰素-γ和IL-17，降低IL-4来改变细胞因子的分布。[123-125]。Cp40是一种由14个氨基酸组成的环肽，它是一种补体抑制剂，通过抑制C3的激活来抑制促炎效应物(如肿瘤坏死因子-α，IL-1β和IL-17)的产生[126，127]。C1抑制剂是唯一已知的经典补体途径丝氨酸蛋白酶C1s和C1r的血浆蛋白抑制剂。它减少一些促炎细胞因子(肿瘤坏死因子-α，IL-18)和增加保护性细胞因子(IL-10)[128，129]。

IL-6受体阻断和IL-6抑制剂

用IL-6受体阻断剂tocilizumab治疗猪异种移植物的NHP受体，导致C-RP(图1A)[19]和血清组蛋白(图3A)[26]水平大大降低。然而，D-二聚体仍然升高(图4)[13，19]。阻断IL-6受体也与异种移植后看到的ft3水平下降的更快恢复相关(图6)[26]。

tocilizumab对移植物的免疫反应有其他几种有益的影响。它减少了存储器B细胞[130，131]和血浆细胞[132]的数量，但增加了调节性B细胞[133]和调节性T细胞[134]的比率。它还减少单核细胞和骨髓树突状细胞[135]。接受tocilizumab治疗的同种异体肾移植受者遭受较少的抗体介导的排斥[136]，并且降低了供者特异性抗体水平[137]。

然而，最近的证据表明，tocilizumab虽然与灵长类IL-6受体结合，但不与猪移植物上的IL-6受体结合[70]，因此可能对移植物没有保护作用。IL-6抑制剂siltuximab通过中和IL-6的产生对Castleman病和某些炎症性疾病具有治疗作用[138]。用Siltuximab中和IL-6导致Castleman病的持续C-RP抑制[112]，但在异种移植中并不完全有效[Zhang G，等，手稿制备]。

抗组蛋白抗体

细胞外组蛋白和TLR通路是治疗各种炎症条件的主要靶点。抗组蛋白治疗具有预防异种移植中组蛋白诱导的炎症的潜力[26]。使用抗组蛋白抗体(例如，抗组蛋白H4单克隆抗体)可抑制细胞因子的产生，并对各种炎症损伤具有保护作用[45，56，139-147]。rTBM对组蛋白毒性的保护作用是通过激活蛋白C依赖性和非依赖性途径介导的[148]。抗组蛋白抗体尚未在异种移植的体内模型中进行测试。

肿瘤坏死因子-α抑制剂

EC激活被肿瘤坏死因子-α抑制剂减少[113]。在体内异种灌注模型中，TNF-受体融合蛋白(TNF-RFP)具有减少炎症的作用，尽管其作用机制尚不清楚[113]。

NF-κB抑制剂

NF-κB在增强细胞对炎症的反应中起着至关重要的作用。凝血酶不仅激活NF-κB，而且上调NF-κB依赖的基因[87]。由于细胞外组蛋白潜在地通过NF-κB途径诱导内皮细胞上组织因子的表达，这放大了凝血酶的产生[149]。NF-κB抑制剂parthenolide在体外减少猪EC凋亡/死亡 26 。据报道，在免疫性肾小球肾炎中，小茴香内酯还可以减少内毒素休克和预防炎症[150]。它被用作偏头痛的预防性治疗，并且据报道在临床试验中有益的效果[151]。

阿尔法1-心红素(AAT)

AAT是一种原型丝氨酸蛋白酶抑制剂，在人类血液中含量丰富。虽然主要由肝细胞[152]产生，但也由其他细胞产生(例如，上皮细胞[153]，单核细胞[154]，巨噬细胞和中性粒细胞[155，156]，肠上皮细胞[157]，人胰岛的α和δ细胞[158]，和癌细胞[159])。血浆AAT水平在炎症和感染期间升高[160]。

AAT具有抗炎，抗白细胞迁移，抗凋亡和抗血栓形成的作用[161-166]。AAT治疗显著降低促炎细胞因子(IL-8，IL-1β，α)水平[115]。在同种异体胰岛移植的猴子中，AAT防止了炎症反应[167]，但当狒狒接受来自基因工程猪的动脉补片移植时，AAT治疗对IL-8和C-RP水平没有影响[13]。

血小板抑制剂

阿司匹林被广泛用作预防血管疾病的药物，并与心肌梗死和中风的减少有关[168]。此外，有证据表明阿司匹林下调某些促炎细胞因子(例如IL-6)[116]和前炎症信号通路，包括NF-κB[16 9-171]。

三碘甲状腺原氨酸(T3)

在猪异种移植物存在的情况下，尚不确定T3是否可以抑制炎症状态[79]，但T3治疗减少了炎性细胞因子(如肿瘤坏死因子-α，IL-6)，改善了糖尿病大鼠的血糖控制[119]。然而，由于猪器官移植后所有狒狒的ft3水平都有所下降[30]，我们发现管理t3有助于提高ft3水平。

血红素氧合酶-1(HO-1)的表达

HO-1已知具有抗炎作用和减少细胞凋亡[14，172-178]。它是一种抗氧化酶，受红系2相关因子2(Nrf2)途径调节[194]。HO-1的激活可以通过上调NRF2/HO-1信号通路来防止肿瘤坏死因子-α诱导的炎症和氧化损伤[195]。猪细胞上HHO-1的表达阻止肿瘤坏死因子α-和环己酰亚胺介导的凋亡(图9)[图9]，并导致粘附分子的下调，例如E-选择素，ICAM-1和VCAM-1[175]。表达HHO-1的器官对大鼠异种心脏移植存活时间的延长至关重要[173，177]，猪胰岛中表达HHO-1延长了小鼠的存活时间，并减少了免疫细胞浸润和胰岛细胞凋亡[178]。

A20的表达

A20，一种肿瘤坏死因子-α诱导的蛋白，已被证明具有抗炎和抗凋亡作用[179-181]。A20是炎症信号转导的重要调节因子，可拮抗NF-κB的激活。几个报告表明，A20在抑制NF-κB信号转导中起着至关重要的作用，以响应α和微生物产物[180，181]。与野生型pAECs相比，来自hA20转基因猪的pAECs凋亡明显减少[179]。hA20转基因猪心脏对缺血/再灌注损伤有部分保护作用[179]。

凝血调节蛋白的表达

几种凝血调节蛋白具有抗炎特性，例如血栓调节蛋白[182-187]，内皮蛋白C受体(EPCR)[188]，胞外核苷三磷酸二磷酸水解酶-1(CD39)[189-191]和组织因子途径抑制物(TFPI)[192，193]。据报道血栓调节蛋白的N-末端凝集素样结构域具有直接的抗炎活性和抑制补体激活[182]。血栓调节蛋白还通过促进活化蛋白C[183-186]的产生而具有抗炎作用，活化蛋白C[183-186]具有抗凝活性，并具有直接的细胞保护作用[196]。内皮蛋白C受体也引起激活的蛋白C依赖和独立的抗炎作用[188]。CD39是一种主要的血管核苷二磷酸水解酶，可将三磷酸腺苷(ATP)和二磷酸腺苷(ADP)转化为腺苷。CD39被证明通过抗炎腺苷受体信号通路保护移植肾免受缺血再灌注损伤[189]，并保护胰岛免受即时血液介导的炎症反应(IBMIR)[190]。TFPI是一种基本的抗凝蛋白，它通过阻止凝血蛋白酶，因子VII至VIIa(FVIIa)和因子X至Xa(FXa)的激活起作用[197]。在小鼠肺炎球菌肺炎中，重组人TFPI可降低IL-6、TNF-α、MCP-1、IFN-γ、角质形成细胞源性细胞因子和巨噬细胞炎症蛋白-2，并增加抗炎细胞因子IL-10[192]。

全身炎症可能通过激活凝血级联和免疫反应在猪器官异种移植中发挥重要作用。使用抗炎剂或通过引入人类炎症调节转基因对器官来源猪进行基因修饰，可能有助于预防或控制炎症。控制炎症可能会降低外源性免疫抑制治疗的强度。如果要获得异种移植物的免疫耐受，那么炎症的控制可能是必不可少的。

干细胞的作用

干细胞治疗的原理是将人体具有增殖和分化潜能、具有自我更新复制的能力的干细胞，通过体外培养产生高度分化的功能细胞，再回输人体体内，达到治疗目的。
国内在干细胞治疗方面严格管控，在技术方面有所欠缺，现在干细胞治疗效比较好的是日本，这里提到多睦健康，日本在干细胞治疗方面有着很多成功的案例。

营养素对基因表达的调控多发生在什么水平?

基因多态性对营养素的影响
DNA结构在不同生物体内有很大差异，正是这种差异导致生物物种多样性和不同生物间形态学特征和生物学特征的差异。同种生物不同个体间，DNA结构虽有很大同源性，但仍存在差异，也正是差异导致同种生物不同个体在形态学和生物学特征也存在一定差异。DNA结构差异包括DNA序列和长度差异，这种差异多数发生在不编码蛋白质区域及无重要调节功能区域，少数发生在蛋白质编码区及调节基因表达区域。DNA结构差异实质是DNA序列某些碱基发生突变。在1%~50%人群中，平均每200~300核苷酸就有1个碱基发生突变，可见个体间DNA结构存在很大差异。但因突变多发生在非基因序列，有些多数突变得不到表达，不会产生任何后果；而发生在基因序列的突变，有些是正常突变，有些有益，有些有害，甚至是致死的，有些条件有害。当某些碱基突变在人群发生率不足1%时，称为罕见遗传差异；当某些碱基突变（产生2种或2种以上变异现象），人群发生率超过1%~2%时，就称为基因多态性（gene polymorphism）或遗传多态性。当碱基突变发生在基因序列时，可产生1个基因的1种以上不同形式，又称1个基因不同基因型，在人群发生率超过1%，此时称为基因多态性。人体约存在30%基因多态性，也就是说有30%基因发生突变，约70%基因可能没有发生突变，这就是人类个体间在许多方面很相似但又有差别的原因。因此，基因多态性决定个体间差异。如基因多态性存在于与营养有关基因中，就会导致不同个体对营养素吸收、代谢和利用存在很大差异，并最终导致个体对营养素需要量的不同。
（一）维生素D受体基因多态性对钙吸收及骨密度的影响
影响骨质疏松症发生因素很多，包括年龄，性别；不同生理状态，如妇女绝经前后；机体营养状况，特别是钙摄入水平；生活方式，如饮酒、吸烟、运动等。但这些环境因素无法解释同一国家内和不同国家间骨质疏松症发生广泛存在的原因；此外，家族遗传性、双胞胎配对及不同种族之间的比较研究，均说明骨质疏松症存在遗传因素影响。其中因VDR基因多态性对钙吸收及骨密度均有影响。因此，有可能成为骨质疏松症发生的遗传因素之一。
VDR基因因碱基突变，形成3种基因型，即bb因型、BB基因型核Bb基因型。研究发现，携带BB基因型绝经期妇女，摄入低钙饮食时，其钙吸收量要比携带有bb基因型绝经期妇女明显减少；另一项研究发现，当每天钙摄入量在300mg（低）至1500mg（高）变化时，bb基因型是钙吸收率低基因型，这种基因型不能适应低钙饮食摄入情况。目前钙推荐摄入量为800~1200mg/d，当800mg/d时，BB基因型人群，有相当部分个体不能摄入足够钙量并出现钙缺乏。因此，BB基因型人群钙RNI要适量高某些。
对72位老年人18个月研究发现，所有BB基因型老年人骨密度均发生丢失，所有26个bb基因型老人骨密度均未丢失，上述情况均与钙摄入量无关。另外37人基因型为Bb，骨密度变化随钙摄入量不同而有改变。因此，bb基因型是高骨密度基因型，BB基因型是低骨密度基因型，这2种基因型骨密度对钙摄入量变化反应不大，甚至与钙摄入量无关；而携带有Bb基因型者骨密度与钙摄入量呈剂量-反应关系。
VDR 3种不同基因型在不同的国家、甚至同一国家不同种族间基因频率分布不同。如日本人bb基因型约占75%，而BB基因型所占比例较低；高加索人群中bb基因型约占33%，而Bb基因型约占50%。VDR基因型在不同种族人群中不同分布，可说明不同种族人群中也有不同的分布，这可说明个体间在钙吸收、骨密度及骨质疏松症发生存在差异的原因。因此，针对不同国家、不同种族及不同个体，在制订钙推荐摄入量时应考虑不同基因型影响。如可能应针对不同基因型制订不同饮食供给量标准。另外，在进行补钙饮食干预时也应考虑不同基因型影响，以便确定哪种基因型人群在补钙时会获得最大益处，而哪些基因型人群获益不大，甚至一点效果没有，以便针对性补钙；而对补钙效果不明显基因型人群，则应采取其他食物或药物干预，不要盲目补钙。
（二）营养素对基因表达的调控机制
1．营养素对基因表达作用特点几乎所有营养素对基因表达都有调节作用。其作用特点是一种营养素可调节多种基因的表达；一种基因表达又受多种营养素调节。一种营养素不仅可对其本身代谢途径所涉及的基因表达进行调节，还可影响其他营养素代谢途径所涉的基因表达。营养素不仅可影响细胞增殖、分化及机体生长发育有关的基因表达，而且还可对致病基因表达产生重要调节作用。
2．营养素对基因表达调控水平营养素可在基因表达所有水平，包括转录前、转录、转录后、翻译和翻译5个水平上对其进行调节，虽不同营养素各有其重点或专一调节水平，但绝大多数营养素对基因表达调节在转录水平。
3．营养素对基因表达调控途径营养素本身及其代谢产物可作为信号分子，作用于细胞表面受体或直接作用于细胞内受体，激活细胞信号转导系统，并与转录因子相互作用激活基因表达，或直接激活基因表达。
主要途径：1cAMP蛋白激酶途径；2酪氨酸激酶系统，以上2个途径主要是通过对某些转录因子和/或辅助因子磷酸化和去磷酸化作用，影响这些因子激活基因转录的活性；3离子通道；4和/或磷酸肌苷酸介导的途径；5细胞内受体途径，细胞内受体可以是催化反应酶，也可以是基因表达调控蛋白。大多数营养素对基因表达调控通过细胞内受体途径实现。实际上，营养素对基因表达调控过程相当复杂，可简化为下列步骤：
辅助激活因子（可有可无）
营养素→细胞内受体→配体受体结合——————————————→DNA特异反应元件→基因表达
∣↓磷酸化或去磷酸化 ↑↑
∣调节活性蛋白—————————————————— ∣
↓增强或降低表达 ∣
转录因子基因—————————————————————————————转录因子

（三）营养素对基因表达调控
1．碳水化合物对基因表达调控对许多基因表达有调控作用，主要在碳水化合物在胃肠消化成葡萄糖及吸收入血后，葡萄糖刺激脂肪组织、肝、胰岛β细胞中脂肪酶合成体系和糖酵解酶基因转录。以葡萄糖对肝细胞L-丙酮酸酶（L-pyru-vate kinase ，L-PK）基因和S14 基因表达调控为例，介绍碳水化合物对基因表达调控机制及实际意义。
（1）葡萄糖对L-PK基因和S14基因调控机制：L-PK基因编码的蛋白为L-丙酮酸激酶，是葡萄糖酵解的关键限速酶；S14基因编码含硫蛋白，甲状腺素、碳水化合物和脂肪等对其表达有明显调节作用，并与脂肪合成酶基因表达有明确相关性，对脂肪代谢起重要作用。L-PK基因和S14基因都不存在对葡萄糖做出特异应答反应的元件（葡萄糖反应元件）。L-PK基因葡萄糖反应元件位于启动子的-172~124bp，而S14基因葡萄糖反应元件位于启动子的-1457~-1428bp，二者10个碱基对有9个始相同，均具有共同序列5’-CACGTG-3’，这表明2种基因表达都受共同调节因子调控，L-PK基因启动子有2个因子结合位点，一个位点与上游刺激因子（upstream stimulating factor，USF）结合，属于c-myc 家族普遍表达成员，起转录因子作用；另一个位点与肝增强因子（hepatic enriched factor，HNF-4）或肝核因子（hepatic nuclear factor）结合，属于类固醇/甲状腺素受体家族的孤儿受体，起转录辅助因子作用。USF因子结合位点和HNF-4因子结合位点二者须同时存在，才能对葡萄糖作出应答反应，从而调节基因转录。但USF因子结合位点起主要作用，主要接收葡萄糖代谢产生的信号，HNF-4因子结合位点起辅助作用。S14基因启动子也含2个因子结合位点，一是与L-PK基因相同的USF因子结合位点，二是辅助因子结合位点，但辅助因子目前还不明确。同样二者必须联合在才能使S14基因对葡萄糖浓度变化作出应答反应。因L-PK基因和S14基因都含有共同的USF结合位点，并能对葡萄糖和胰岛素做出应答反应。因此，USF结合位点又称为葡萄糖/胰岛素反应元件（glucose/insulin response element ，GIRE）或碳水化合物反应元件（carbohydrate response element）。
葡萄糖在葡萄糖激酶作用下形成葡萄糖-6-磷酸，是刺激基因表达的直接信号分子。葡萄糖激酶表达受体胰岛素调控。因此，胰岛素对通过刺激葡萄糖激酶表达，加快葡萄糖代谢，对基因表达间接发挥作用。但胰岛素并非是必需的，如果葡萄糖激酶数量和活性足够，在葡萄糖刺激基因转录中不再需要胰岛素参与。
葡萄糖-6-磷酸，可能通过2种方式激活USF。一是葡萄糖-6-磷酸可与USF结合形成复合物，然后再与USF结合定位结合，从而调节基因转录；二是葡萄糖-6-磷酸激活一种蛋白激酶，使USF发生磷酸化或去磷酸化，从而影响USF与DNA特异序列结合。
（2）实际意义：肝糖酵解产生丙酮酸，进入三羧酸循环后不是进行进一步氧化、产生能量，而是作为合成脂肪底物。
长期摄入高碳水化合物饮食，可导致肝细胞脂肪堆积并致肥胖。为防止高碳水化合物饮食的危害，可降低碳水化合物的摄入，还可通过对葡萄糖刺激L-PK基因表达途径干预，如利用葡萄糖激酶刺激抑制剂、USF和HNF-4转录因子抑制剂等抑制L-PK基因表达，降低脂肪合成。相反，如L-PK活性过低，影响脂肪的正常合成，可对上述途径应用激活剂L-PK基因的表达。
2．胆固醇对基因表达的调控所有哺乳动物都需要胆固醇进行生物膜和某些激素生物合成。因此，应适量摄入胆固醇，维持正常生理功能；而过量摄入可导致动脉粥样硬化，引起冠心病和脑卒中。人体内的胆固醇，来源于食物摄入和体内合成。机体可以通过负反馈机制调节胆固醇摄入和代谢的几个关键基因，调节胆固醇的来源。LDL受体在细胞摄取胆固醇时起关键作用；HMG-CoA还原酶和HMG-CoA合成酶是胆固醇的从开始生物合成的关键控制点。当细胞内胆固醇水平低时，参与胆固醇生物合成和摄取这些基因被激活；反之，当细胞内胆固醇充足时，这些基因表达被抑制。胆固醇对上述3个基因表达调控水平包括转录和转录后2个水平。以下以转录水平调控为例，介绍胆固醇对基因表达调控。
（1）胆固醇对LDL受体基因、HMG-CoA合成酶基因调控机制：LDL受体基因、HMG-CoA还原酶基因和HMG-CoA合成酶基因在启动子区均有相同固醇调节序列，即（5’）CACC（C/G）CAC，该序列称为固醇调节或反应元件-1（sterol regulatory element-1, SRE-1）。转录因子可与SRE-1结合并调节基因转录活性；而转录因子又受固醇类化合物修饰、调节。
与SRE-1结合并调节基因转录的2个转录因子，分别称为固醇调节元件结合蛋白-1（sterol regulatory element-binding protein-1，SREBP-1）和胆固醇调节元件结合蛋白-2（SREBP-2）。SREBPs结合在内质网膜上，有4个结构域组成，包括2个跨膜区域和1个N端结构域、1个羧基端结构域（这2个结构域均在细胞质中）。N-端结构域约有480个氨基酸，含有1个螺旋-环-螺旋亮氨酸拉链，该结构域具有结合DNA特异调节序列并激活转录功能；羧基端可与该复合物形成有利于固醇对SREBP活性调节。因此，羧基末端又被称为羧基调节区。SREBPs属于C-myc转录因子家族。
刚合成的SREBPs是以其前体形式（分子量为125KDa）结合在内质网膜上，并与SCAP结合成复合物。当细胞内固醇水平降低时，STEBP前体-SCAP复合物就会向高尔基复合体移动，在那里有Site-1和Site-2蛋白酶。SREBP前体经连续2次水解后，释放出氨基末端部分，即SREBP（分子量为68KDa），接着SREBP进入细胞核，形成同源二聚体后可结合到SRE上，从而激活基因转录。当细胞内胆固醇浓度增高时，SCAP会回到内质网上并结合SREBP前体，从而停止转录。因此，认为SCAP是感受细胞内固醇水平的感受器，是调节基因转录的“开关”。
胆固醇调控基因表达途径实际上复杂得多。如SRE-1并不能单独刺激LDL受体的基因转录，要求在SRE-1附近必须有SP1结合点。因此，SREBP-1和SP1发挥协同作用，激活LDL受体启动子，以便开始转录。同样HMG-CoA合成酶，在其SRE-1附近也要求有其他辅助因子结合位点，共同调节基因转录。
（2）实际意义：体内胆固醇来源，一是从食物中摄取，二是体内生物合成。体外摄取胆固醇关键控制点是LDL受体；受体生物合成关键控制点是HMG-CoA还原酶和HMG-CoA合成酶。胆固醇对上述3个蛋白基因表达调节途径已基本清楚。因此，其实际意义在于为控制体内胆固醇水平，不仅可对LDL受体进行阻断、抑制HMG-CoA还原酶核HMG-CoA合成酶的活性，而且可在基因表达调控中间环节进行控制。如使用SCAP、Site-1核Site-2蛋白酶、SREBP、SP1抑制剂，同样降低胆固醇水平，增加了对高胆固醇血症防治的手段。
3．脂肪酸对基因表达调节饮食脂肪是所有生物生长和发育重要营养素。除作为功能物质和构成生物膜成分外，饮食脂肪还可通过对基因表达影响，对代谢、生长发育及细胞分化发挥重要调控作用。实际上，这种调控作用是脂肪水解变成脂肪酸后发挥作用。尤其是n-3核n-6系列多不饱和脂肪酸（PUFA）与基因调节关系最为密切。
脂肪被肝脂酶和脂蛋白酶水解后产生游离脂肪酸，通过细胞膜转运载体，如与脂肪酸结合蛋白（fatty acid-binding protein ,FABP）、脂肪酸转位酶，56-KD肾脂肪酸结合蛋白、脂肪酸转运蛋白等结合后进入细胞。细胞内大多数脂肪酸与蛋白质，如FABP以非共价键形式结合；部分经脂酰辅酶A（FA-CoA）合成酶催化成FA-CoA，部分仍是游离形式。FA-CoA和游离脂肪酸在细胞内浓度虽很低，通常<10μΜ/g，但却是发挥调节基因表达的主要形式。
30多年前就发现n-6系列十八碳二烯酸可抑制肝内脂肪合成，但在相当长时间内，一直认为脂肪酸对基因表达调节是通过改变细胞膜脂中脂肪酸构成，从而影响细胞膜激素受体信号传导发挥作用。后来研究发现PUFA在数分钟内就能调节基因转录，发挥作用时间如此短，不能只用膜成分改变和改变激素释放或信号传导来解释。1990年克隆了过氧化物酶体增殖剂激活受体（peroxisome proliferators activated receptor ,PPAR）1992年发现脂肪酸可活化PPAR，而PPAR作为核受体又是调节基因转录的转录因子。随后发现脂肪酸可活化其他某些转录因子，如肝核因子4a、核因子κB（nuclear factor κB ，NFκB和SREBPLc。因此，脂肪酸可与细胞膜受体发生作用，还可通过与细胞内转录因子相互作用，而调节基因表达。
（1）脂肪酸调节基因表达机制：摄入脂肪酸类型、数量和持续时间决定不同的生理作用。如大鼠摄入含>45%总能量的饱和脂肪饲料，几周后能增加血甘油三酯并致胰岛素抵抗肥胖和高血压，将饱和脂肪酸换成长链n-3 PUFA饮食,将能改善上述代谢紊乱和症状。鉴于n-3和n-6 PUTA 对人体有益,在此重点介绍PUFA对基因表达调节。
PUFA能抑制生脂基因包括脂肪酸合成酶(fatty acid synthetase ,FAS)、肝葡萄糖转移酶、丙酮酸脱氢酶、乙酰CoA羧激酶、硬脂酰辅酶A去饱和酶、S14蛋白，这些基因参与脂酶、微粒体酰基CoA氧化酶、脂肪酸结合蛋白、脂肪酸转运蛋白、脂酰基CoA合成酶及解偶联蛋白-3（uncouplingprotein-3 ,UCP-3）等，这些基因编码蛋白参与脂质氧化和能量生成反应。脂肪酸调节基因表达机制包括：
1）G蛋白关联细胞表面受体途径：脂肪酸在线粒体和微粒体发生多步骤氧化反应，产生花生四稀酸、前列腺素、血栓素和白三稀等，这些生物活性物质可通过自分泌和旁分泌作用于细胞表面G蛋白关联受体，活化G蛋白使细胞内cAMP和钙离子浓度发生改变，作为第二信使活化信号机制，使转录因子功能上调。
2）PPAR途径：存在不同亚型，分别为PPARα、PPARδ及PPARγ1和PPARγ2。有3种独立的基因编码3种不同的PPAR（α、δ、γ）。PPARγ1和PPARγ2来自同一基因，因PPARγ基因有2个启动子，按照上游转录其始点不同，又通过不同剪接，产生PPARγ1和PPARγ2。这些不同亚型又统称为PPARs。PPARs的结构与类固醇-甲状腺超级基因核受体家族成员相似，能被过氧化物酶体增殖剂如氯贝酸、萘酚平、WY14643等激活，故被称为过氧化物酶体增殖剂激活受体（PPARs）。PPARs不同亚型在组织中分布不同，且受不同配体激活，因此，有不同生理功能。如PPARα在肝、心肌、肾近端小管和肠细胞表达；PPARδ比PPARa表达范围广；PPARγ在脂肪、脾、肾、造血细胞，结肠、前列腺和乳腺上皮细胞表达，可诱导细胞分化。
据PPARs开放阅框推测出氨基酸序列表明，其结构有激素受体特征，即1个配体结合区和1个锌指DNA结合区。配体结合区是与脂肪酸等配体结合部分，配体结合区是与脂肪酸等配体结合部分，配体与受体这种结合可活化受体（即PPARs）；DNA结合区是与脂肪酸等配体结合部分，配体与受体这种特异性结合，调节基因转录。已发现编码许多酶，如微粒体酰基辅酶A氧化酶、肉碱软脂酰转移酶、脂酰CoA合成酶、线粒体HMG-CoA合成酶、脂蛋白脂肪酶和脂肪酸结合蛋白的基因上都存在PPARs反应元件（PPAR-REs）。PPAR-REs特征是5’端侧翼区有1个直接重复序列1（direct receptor ,RXR）形成异源二聚体，共同作用于PPAR-REs。当PPARs与RXR形成异源二聚体时，可增加PPARs与PPAR-REs结合能力。另外，PPARs与PPAR-REs结合，还需要类固醇受体辅助激活剂-1（steroid receptor co-activator-1,SRC-1）和PPAR-结合蛋白（PPAR-binding protein ,PBP）等辅助激活因子共同参与。
3）其他转录因子途径：脂肪酸还可通过调节HNF4a、NFκB和SREBP1c等转录因子活性调节基因表达。
（2）实际意义：研究脂肪酸对基因表达调节，拓宽对脂肪酸生理功能认识。从最初认识脂肪酸是供能物质和生物膜重要组成部分，到发现脂肪酸可通过细胞膜受体信号途径和转录因子活化途径，具有调节基因表达的功能。通过对脂肪酸特异调节转录因子的不断发现，进一步认识脂肪酸其他重要功能，如不饱和脂肪酸有抑制脂类物质合成、降低血甘油三酯和胆固醇、增加葡萄糖利用、增强胰岛素敏感性及改善胰岛素抵抗的作用。不饱和脂肪酸还有诱导细胞增殖和分化作用，如抑制早幼粒细胞、白血病HL60细胞增殖；还可启动培养细胞分化为单核细胞和粒细胞，也可以诱导细胞坏死和凋亡。n-3和n-6PUFA均能增加T淋巴细胞系某些抗原表达，而增强免疫功能。PUFA对乳腺癌、结肠癌和前列腺癌有一定抑制作用。但也有相反的报道。因此，尚需进一步研究探讨。
可模拟PPARS配体-脂肪酸的结构，合成某些PPARS配体。一大类以脂肪酸结构为基础进行结构变化的化合物，如降脂药（WY14643，吉非诺齐，氟贝丁酯），增塑剂（2-2乙基己基邻苯二甲酸），类固醇、曲格列酮和匹格列酮（Thiazolidinediones，TZD）等均能活化PPARS，而其活化作用比脂肪酸强，可将这些化合物开发为调节血脂和血糖的药物。因此，继续寻找强有力的激活PPARS的天然和人工合成的化合物，将有助于开发防治高血压、糖尿病、动脉粥样硬化、肥胖和癌症的药物。以细胞受体转录因子为靶目标来治疗某种疾病，已成为现代医药工业发展的方向。
4．维生素D对基因表达调控维生素D的主要生物活性形式是1，25-（OH）2-D3，后者有维持钙磷动态平衡、调节骨代谢和促进多种组织细胞生长、分化等多种功能。这些作用大部分是通过活化细胞核内受体，即维生素D受体（vitamin Dreceptor，VDR），进而调节维生素D靶基因转录水平来实现。
（1）VDR对基因表达调控机制：VDR是配体激活转录因子，与甲状腺素受体、视黄酸受体、过氧化物酶体增殖剂激活受体等一样，均属于Ⅱ型核受体。VDR可自身形成同源二聚体，也可与类维生素A受体（RXR）形成异源二聚体（VDR-RXR），较短A/B序列中不含AF1；C结构域由2段高度保守“锌指结构”构成，且该结构域还含细胞核定向信号；D结构域即铰合部分主要是调节受体的柔韧性，以改变受体空间构象；E/F结构域是多功能区，包含有配体结合结构域、二聚体表面及C末端（螺旋12）配体依赖活化功能区（AF2）。此外，VDR还有2个磷酸化位点，通过酪蛋白激酶进行正向调节，或蛋白激酶A或C，对其自身功能进行负向调节。
当VDR与其配体1，25-（OH）2-D3结合后，致VDR构象改变，并与未结合配体RXR形成异源二聚体（VDR-RXR）。后者再作用与维生素D靶基因启动子区上维生素D反应元件（VDREs），并解释辅助抑制因子复合物，同时募集某些辅助激活因子及普通转录因子，共同形成活性转录复合体。推测在上述时1，25-（OH）2-D3可能是诱导VDREs在其螺旋结构12位置上发生分子内折叠等微小变化，如关闭配体结合“口袋”，同时暴露VDRAF2位点，才能使VDR与辅助激活因子相互作用；同样RXRAF2位点也必须暴露，以便与辅助激活因子相互作用。这些辅助激活因子可称为“搭桥”因子，即将VDR-RXR（已与VDRE结合）与转录起始复合物前体连接起来，并稳定转录起始复合物前体。这些辅助激活因子属类固醇受体辅助激活因子家族，且有或兼有组蛋白-以酰基转移酶活性，可使组蛋白在维生素D靶基因附近就与DNA分离，有利于其进入转录过程。除上述间接作用外，VDR还可通过转录因子ⅡB直接作用于转录起始复合前体，以便进入转录过程。
辅助抑制因子可募集组蛋白-脱乙酰基酶，并与类固醇受体结合，使该受体处于失活状态，同时使染色质处于转录抑制状态。视黄酸和甲状腺素受体抑制介质可与VDR-RXR相互作用，从而抑制转录。SUG1是26S的蛋白水解酶，其亚单位可与辅助激伙因子共同竞争结合RXRAF2位点而抑制转录。另外，SUG1可直接降解VDR。其他还有某些因子如Calreticulin（为多功能钙结合蛋白）和翻译调节因子L7，均可与VDR相互作用，阻止其与DNA结合。
在核受体蛋白信号调节途径中，辅助激活因子和辅助抑制因子复合物平衡，决定DNA转录是开始还是关闭。
（2）实际意义：通过维生素D调节基因表达研究，除了解维生素D传统功能作用机制外，还发现维生素D调节许多基因表达，并有许多新功能。
1）传统功能中1，25-（OH）2-D3在小肠主要是促进钙磷吸收；在肾促进钙磷酸化及钙重吸收；在骨组织参与骨代谢。现发现上述功能主要是钙结合蛋白（小肠）、钙结合蛋白D28K（肾脏）、骨钙蛋白和骨桥蛋白（骨）等基因有维生素D反应元件，维生素D可对上述基因表达进行调控，从而发挥上述功能。
2）在传统靶组织中发现某些新维生素D调节基因，如锁骨-颅骨发育障碍基因的新转录因子Osf2/cbfal，主要调节间质细胞分化为成骨细胞，而1，25-（OH）2-D3可在mRNA水平上明显抑制该过程。对破骨细胞形成研究发现2个新的维生素D调节基因，一是破骨细胞分化因子/骨蛋白整合素配体基因，其表达蛋白属于肿瘤坏死因子家族膜相关成员；二是破骨细胞形成抑制因子/骨蛋白整合素

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