《animal》：Review: Genetic and physiological regulators of parathyroid hormone and the vitamin D system in pigs
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本综述系统阐述了猪体内钙(Ca)和磷(P)稳态的调控机制，重点聚焦于甲状旁腺激素(PTH)和维生素D代谢物（如骨化三醇[1,25(OH)2D3]）的核心作用。文章整合了生理与遗传层面的最新发现，揭示了PTH在甲状旁腺(PTG)内的复杂调控网络、维生素D系统的组织特异性活化及其对骨骼健康、免疫功能和磷资源可持续利用的重要意义，为单胃动物的矿物生物学研究提供了深入见解。
引言
钙(Ca)和磷(P)是哺乳动物（包括猪）骨骼矿化和代谢所必需的矿物质。内源性调控过程确保了矿物质吸收、利用、保留和排泄的平衡。矿物质稳态的维持依赖于一个由激素和应答位点组成的复杂网络，这些成分在系统性和组织特异性水平上通过直接效应和反馈调节进行相互作用。其中，甲状旁腺激素(PTH)、维生素D代谢物以及成纤维生长因子23(FGF23)等重要内分泌因子的调控在猪体内同样至关重要。本综述旨在总结猪矿物质稳态的生理和遗传学研究进展，通过梳理当前知识状态和功能靶点，促进对单胃动物矿物生物学的全面理解。
矿物质稳态的内分泌控制
矿物质稳态的维持依赖于维生素D代谢物、PTH、FGF23、它们的受体以及细胞类型或组织特异性下游信号级联的复杂相互作用。位于甲状旁腺(PTG)和肾脏的钙敏感受体(CaSR)感知细胞外Ca水平，从而调控PTG释放PTH。当血钙低于生理限度时，PTH会刺激（i）骨骼释放矿物质，（ii）骨骼中FGF23基因表达，（iii）通过抑制肾脏P重吸收促进肾脏P排泄，（iv）肾脏Ca重吸收，以及（v）通过激活肾脏中的1α-羟化酶(CYP27B1)生成具有生物活性的维生素D代谢物——骨化三醇[1,25(OH)2D3]。
反过来，骨化三醇介导（i）肠道Ca和P吸收，（ii）增加肾脏Ca和P重吸收，（iii）刺激骨骼矿化，（iv）发挥免疫调节作用，（v）抑制PTG中的PTH表达，以及（vi）诱导骨骼释放FGF23。FGF23是另一个活跃的矿物质稳态调节因子，它促进肾脏P排泄并抑制骨化三醇的产生。在猪的组织分析中，骨骼是FGF23的主要表达部位，肝脏中有低水平表达，而肾脏或肠道部分则未检测到表达。
此外，降钙素作为次要的反向调节激素，由甲状腺C细胞响应高血钙而分泌，它能阻止破骨细胞介导的骨吸收并促进肾脏排泄Ca和P，从而在短期钙稳态中发挥作用，但在长期P调节中作用不显著。这些复杂的激素反馈环路相互作用可能导致矿物质失衡的权衡，并引发组织或细胞类型的潜在病理生理表现。
维持矿物质稳态的甲状旁腺激素的多层面调控
甲状旁腺(PTG)及其分泌的PTH作为猪体内维生素D3-钙-磷轴的核心介质，日益受到重视。营养性或遗传性因素导致该轴心紊乱，会引起继发性甲状旁腺功能亢进和骨骼疾病，这在家畜、实验动物和人类中均有证实。猪通常有2个直径约3-6毫米的PTG，位于颅侧胸腺区域，与人类拥有4个PTG且含有嗜酸性细胞不同，猪的PTG缺乏后者。
猪的PTH生成主细胞表达多种与矿物质稳态介质相关的受体，如CaSR、维生素D受体(VDR)、甲状旁腺激素2受体(PTH2R)、Klotho(KL)和成纤维细胞生长因子23受体1(FGFR1)。基于人类和模式动物的数据，已揭示出控制PTH表达、稳定性和分泌的分子级联反应。猪PTG的RNA测序分析证实，在响应不同膳食P供应时，这些描述的分子通路在生理范围内被招募用以调控PTH。
具体而言，低磷日粮导致血钙升高，会触发信号级联减少PTH分泌，这主要由CaSR介导。相反，体外实验表明高磷环境会刺激PTH释放，且血磷可能直接与CaSR相互作用，强调了血液和日粮中钙磷比例的重要性。此外，系统性内分泌调节因子FGF23对PTG活性有负面影响，其共受体α-Klotho也被证明能直接抑制PTH合成。PTH的表达还受多种转录因子调控，并部分呈现昼夜节律性，其mRNA稳定性也受到microRNAs的转录后修饰调控。
值得注意的是，主细胞之间的旁分泌相互作用以及由细胞外基质(ECM)（特别是胶原蛋白）介导的三维结构被认为对PTG功能至关重要。RNA测序分析表明，低磷日粮能显著增加猪PTG中15种胶原的丰度，组织学复查也在蛋白质水平证实了细胞外I型和III型胶原的增加。ECM的这种改变可能是可逆的，反映了主细胞活性和增殖动态波动所依赖的细胞外胶原转换，这为PTH调控和矿物质稳态提供了结构和分子层面的证据。
猪维生素D代谢物的系统性与位点特异性调控特点
维生素D3及其代谢物属于脂溶性甾类化合物，其合成和生物活化需要皮肤、肝脏和肾脏等多个器官的参与。内源性合成的起点是肝脏来源的胆固醇，它被转化为7-脱氢胆固醇（即维生素D3原）。皮肤暴露于波长290-315 nm的UV-B辐射，可诱导表皮角质形成细胞中的7-脱氢胆固醇发生光化学转化生成维生素D3原，后者自发异构化为胆钙化醇（维生素D3）。胆钙化醇在肝脏中代谢生成骨化二醇[25(OH)D3]作为主要储存形式，在肾脏中进一步羟化生成具有生物活性的骨化三醇。灭活则通过C24位的羟化实现。
在常规室内养猪系统中，通过日粮配方获得的胆钙化醇是体内维生素D池的主要来源。维生素D代谢物在血液中的半衰期和生理范围是诊断和评估个体动物维生素D状态的关键。胆钙化醇是脂溶性的，储存在脂肪组织中，其生物半衰期相对较长。在猪中，脂肪组织中的胆钙化醇水平估计约为2 ng/g。骨化二醇和骨化三醇的半衰期估计分别为15天和15小时。
猪维生素D代谢的系统性与位点特异性羟化酶
猪体内催化骨化二醇、骨化三醇和1,24,25-三羟胆钙化醇生成步骤所需的酶由CYP2D25（25-羟化酶）、CYP2R1（25-羟化酶）、CYP27A1（25-羟化酶）、CYP27B1（1-羟化酶）和CYP24A1（24-羟化酶）编码。猪的CYP2D25基因与人类CYP2D6有高度序列相似性，但其25-羟化酶活性可能是猪特有的。此外，猪的CYP27A1主要作为25-羟化酶发挥作用，而在人类和啮齿类动物中，它还具有其他代谢功能（如胆固醇稳态）。CYP2R1被认为是人类主要的25-羟化酶，在猪的肾脏、肺、肝脏和肠道中均有较高表达。
肾脏是系统活性骨化三醇的主要来源，用于调节矿物质稳态。然而，在人类中，多种非肾组织和细胞(NRTC)，如免疫细胞、甲状旁腺细胞和肠细胞，也能产生骨化三醇。猪的研究表明，CYP27B1在肾脏以及肝脏、骨骼、肺、主动脉和胃肠道等多个NRTC中均有表达，强烈提示猪体内也存在位点特异性生理需求驱动的骨化三醇肾外合成。
重要的是，肾脏中的CYP27B1受骨化三醇负反馈调控，但在其他组织中，其调控则由局部因子（如细胞因子）驱动，独立于系统性骨化三醇反馈。这种区别对于理解维生素D代谢在不同组织中的内分泌作用与旁分泌/自分泌作用至关重要。肾外骨化三醇的产生被认为介导了维生素D3的其他效应，如对细胞增殖、分化和免疫系统的影响。
研究表明，长期高磷饲喂会增加猪骨骼中CYP27B1的mRNA丰度，这可能是为了局部平衡血液中降低的系统性骨化三醇水平。FGF23可能抑制非肾组织和细胞中的CYP27B1表达，从而在高磷摄入情况下可能削弱免疫系统。此外，FGF23通过促进骨化三醇向无活性形式的分解代谢来降低其血中水平。组织特异性需求在局部调控机制中起作用，例如猪肠道中CYP24A1的表达受日粮磷水平显著影响。
维生素D的运输、细胞摄取与基因调控机制
高达90%的维生素D代谢物在血液中由维生素D结合蛋白（由GC基因编码）运输，其对不同代谢物的结合亲和力为骨化二醇 > 骨化三醇 > 胆钙化醇。在猪体内，肝脏是GC表达的主要部位，肾脏和近端胃肠道也有相关表达。
骨化三醇的脂溶性使其能够自由穿过靶组织和细胞的细胞膜，进入细胞后与VDR结合启动下游信号传导。VDR在猪的多种组织中广泛表达。VDR-骨化三醇复合物转运至细胞核，与位于应答基因启动子区的维生素D应答元件结合，从而增强或抑制基因表达。例如，骨化三醇促进CaSR表达，并抑制PTG中的PTH表达。因此，骨化三醇通过VDR通路对基因表达产生广泛且组织特异性的影响，调控数百个基因，涉及细胞分化、增殖和免疫系统功能等。
猪矿物质稳态与维生素D状态的分子水平图谱
利用血液指标可以有效地映射矿物质稳态的表型变异，因为它们反映了复杂内分泌控制机制的结果。骨化二醇是评估人和猪维生素D状态的公认诊断参数。猪维生素D缺乏的年龄和饲养方式依赖性参考范围仍在建立中。研究表明，部分猪群存在维生素D不足的情况，这提示需要更个体化和频繁的诊断。在解读血液维生素D代谢物值时，必须考虑并平衡所应用的日粮矿物质水平以及UV-B辐射暴露情况。
除了传统的ELISA方法，基于质谱的技术因其更高的灵敏度和特异性，并能评估组织特异性维生素D生产而显示出优势。监测骨骼形成和吸收动态的有前景的血液指标包括I型胶原C端前肽(CICP)和I型胶原C端交联末端肽(β-CTX-1)。FGF23的分析则因其复杂的翻译后修饰而充满挑战。
转录组谱的诊断价值在于能够识别响应饮食、激素和病理生理变化的基因表达改变，为理解维持矿物质稳态的机制提供了分子基础。多项猪的饲喂试验结果表明，猪能够在生理范围内响应以调整血清矿物质水平，同时作用于应答组织的基因表达，证实了维生素D系统和PTH调控的重要性。
维生素D系统遗传结构的全基因组洞察
迄今为止，对维生素D系统的全基因组分析主要依赖于人类数据。人类血液骨化二醇水平的遗传力估计值变异很大。在猪中的研究发现，遗传因素在血液钙磷水平的变异中起着重要作用，其基因组遗传力估计值表明，血钙变异的27%和血磷变异的42%可由遗传因素解释。此外，猪血清骨化二醇和骨化三醇也显示出中等的基因组遗传力。这些发现与在其他物种（包括人类）中观察到的结果一致。
全基因组关联研究(GWAS)已鉴定出一些与血清维生素D代谢物水平相关的有前景的遗传标记。在猪中，GC和ALB等基因被确定为与血清骨化二醇水平相关的顶级功能候选基因，它们编码的蛋白质是维生素D代谢物的主要运输载体。此外，在人类和猪中，与磷稳态相关的关键因子（如SLC34A1、CaSR、FGF23）的核苷酸多态性也被发现与血清磷水平相关。这些发现表明，除了维生素D代谢通路内的基因外，该通路外的基因也对维生素D代谢物的个体差异有贡献。
展望
当前研究结果为新的假说提供了基础，特别是关于甲状旁腺(PTG)响应低磷供应的结构适应性。PTG中胶原作为细胞外基质(ECM)的沉积在高磷供应下是否可逆尚不清楚。基于转录组学和组织学数据提出的ECM介导的PTH调控也需要功能验证。未来的研究应（i）阐明影响矿物质稳态维持的维生素D系统的动物特异性变异，（ii）在遗传分析中纳入直接反映骨矿化水平变异的表型，以及（iii）表征与矿物质利用性状相关的品种特异性差异。
鉴于猪在矿物质利用方面表现出显著的表型变异和恢复力，利用这种变异潜力有助于猪养殖中钙磷的可持续利用。猪模型因其能有效控制日粮矿物质摄入、维生素补充、血统等因素，为维生素D研究提供了优势平台。激活维生素D系统所带来的减少矿物质磷向土壤和水生生态系统流失的机遇值得评估和利用。
