维生素D信号在胸腺发育与长寿中的作用

《Frontiers in Nutrition》：Vitamin D signaling in thymic development and longevity

　　

维生素D具有多效性生理作用，包括免疫系统调节。值得注意的是，维生素D缺乏与自身免疫风险之间存在关联。激素形式的维生素D与维生素D受体（vitamin D receptor, VDR）结合以发挥其基因组效应。在免疫细胞中，这些效应包括调节活化、炎症反应和细胞因子产生。然而，维生素D补充对治疗已存在的自身免疫疾病并无疗效。相反，儿童期摄入维生素D与降低患自身免疫性1型糖尿病的风险相关。这支持了维生素D在早期发育阶段（即T细胞在胸腺中成熟的时期）具有预防性作用；重要的是，高度自身反应性的胸腺细胞因与专业化抗原提呈细胞的相互作用而发生凋亡。该过程的核心是转录因子自身免疫调节因子（autoimmune regulator, AIRE），其诱导髓质胸腺上皮细胞中组织限制性抗原的异位表达。AIRE功能受损可导致小鼠和人类的多器官自身免疫。维生素D信号在小鼠中调节Aire的表达和功能，并且重要的是，通过延缓衰老相关的胸腺退化来支持长期胸腺健康。在人类中，胸腺衰老与初始T细胞输出减少、对感染和癌症的应答受损以及自身免疫风险增加相关。总的来说，现有数据表明，整个生命周期中维持充足的维生素D可能通过其对AIRE的影响以及在衰老过程中通过延缓衰老相关的胸腺退化，对产生自身耐受的T细胞库具有重要意义。然而，关于人类胸腺长寿与维生素D状态之间联系的了解甚少，这构成了一个重大的知识空白。

**研究背景与问题**

维生素D是一种脂溶性维生素，可通过饮食或皮肤在紫外线B照射下由7-脱氢胆固醇转化获得。除了经典的骨骼调节作用外，维生素D还具有广泛的免疫调节功能。流行病学证据表明，维生素D缺乏与自身免疫性疾病风险增加相关，尤其是1型糖尿病（type 1 diabetes, T1D）。一项芬兰出生队列研究发现，婴儿期补充维生素D可使T1D发病风险显著降低（定期补充与不补充的相对风险为0.12）。这提示维生素D可能在胸腺发育的关键窗口期发挥预防性作用。胸腺是T细胞成熟和建立中枢免疫耐受的核心器官，其中自身免疫调节因子（autoimmune regulator, AIRE）在髓质胸腺上皮细胞（medullary thymic epithelial cells, mTECs）中诱导组织限制性抗原（tissue-restricted antigens, TRAs）异位表达，从而介导自身反应性T细胞的阴性选择。AIRE功能缺失可导致多器官自身免疫。然而，维生素D信号在胸腺发育和衰老中的具体作用机制尚不清楚，尤其是在人类中的研究极为匮乏。本研究旨在梳理维生素D信号在胸腺发育和长寿中的作用，并指出现有知识空白。

**研究内容与主要结论**

研究人员首先回顾了维生素D的代谢和免疫功能，指出CYP27B1在免疫细胞中表达并局部产生1,25-二羟维生素D₃（1,25D）。在胸腺中，T细胞经历了阳性选择和阴性选择，高亲和力自身反应性T细胞被清除。AIRE在此过程中至关重要。研究人员发现，在小鼠中，维生素D信号通过VDR与AIRE的相互作用调节Aire表达和mTEC分化，从而影响TRA产生和中枢耐受。此外，缺乏维生素D信号的小鼠表现出胸腺过早衰老，包括胸腺萎缩、皮质-髓质边界模糊、长寿因子表达下降以及T细胞输出减少。在人类中，初步数据显示胎儿和婴儿胸腺中存在维生素D信号通路组件，但尚无关于成人维生素D状态与胸腺健康/长寿关联的机制研究。

**主要技术方法**

研究人员利用多种技术开展研究，包括：小鼠遗传模型（Cyp27b1基因敲除和Vdr基因敲除小鼠）用于分析维生素D信号缺失的效应；胸腺组织切片和分离的胸腺上皮细胞（TECs）进行离体1,25D处理，检测靶基因Cyp24a1和Aire表达；染色质免疫沉淀（ChIP）检测VDR与AIRE在靶基因上的招募；单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析野生型与Cyp27b1缺陷小鼠TECs的转录差异；以及公开的人类胸腺单细胞测序数据挖掘和免疫荧光显微镜检测VDR和CYP27B1蛋白表达。

**研究结果**

**维生素D与免疫系统**

维生素D缺乏普遍存在，且与感染和自身免疫风险相关。维生素D需经两步羟化才能成为活性形式1,25D。CYP27B1在多种免疫细胞中表达，其调控独立于钙稳态。

**胸腺**

T细胞在胸腺中经历复杂的成熟过程。TCR产生是半随机过程，产生大量不同受体。阳性选择发生在皮质，识别自我pMHC的细胞存活；阴性选择发生在髓质，高亲和力自身反应性T细胞被清除。AIRE在mTECs中诱导TRA表达，对中枢耐受至关重要。胸腺在青春期后迅速衰老，导致初始T细胞输出减少。

**胸腺中的维生素D信号**

小鼠胸腺细胞表达低水平Vdr，维生素D缺乏对常规T细胞发育影响轻微，但可能改变TCR库的自身反应性。研究发现，Cyp27b1缺陷小鼠胸腺细胞阴性选择标志物表达降低，凋亡细胞减少，并出现自身抗体和胰岛炎。VDR和CYP27B1在胸腺DC、B细胞和TECs中表达，尤其在Aire⁺ mTECs高表达。1,25D处理可增加Aire转录和Aire⁺细胞数量，并诱导多种TRA基因表达。Vdr或Cyp27b1缺陷小鼠的Aire⁺细胞数量显著减少，单细胞测序显示mTEC分化偏向Aire^-状态。

**Aire与VDR**

Aire包含CARD、SAND和两个PHD结构域，并含有4个LXXLL基序，可与激动剂结合的核受体相互作用。研究发现，VDR和AIRE以1,25D依赖性方式相互作用，ChIP实验显示1,25D依赖的AIRE招募到VDR靶基因，AIRE作为VDR的共激活因子。这提示维生素D信号驱动VDR-AIRE相互作用，促进TRA表达。

**维生素D缺乏小鼠的胸腺过早衰老**

4周龄时野生型和突变小鼠胸腺大小相似，但8-10周龄时Vdr和Cyp27b1缺陷胸腺显著减小，细胞数减少。单细胞测序数据显示，Cyp27b1缺陷胸腺的转录谱与感染或衰老胸腺相似。26周龄时Cyp27b1缺陷胸腺细胞数比4周龄减少90%，而野生型仅减少18%。TECs中长寿因子（Igf1、Fgf7、Fgf21）和增殖标志物Ki67表达降低。这表明维生素D信号在延缓胸腺退化中发挥重要作用。

**人类胸腺健康与长寿中的维生素D信号：一个知识空白**

人类预期寿命延长但健康寿命差距扩大。衰老相关慢性炎症（炎症老化）是多种疾病的风险因素。胸腺萎缩导致T细胞输出减少、TCR多样性下降，与感染、癌症和自身免疫风险增加相关。胸腺切除术患者显示全因死亡率增加。CT影像深度学习评估胸腺健康评分与疾病风险相关。尽管动物实验提示维生素D信号对胸腺健康重要，但人类中尚无分子机制研究。初步数据显示人类婴儿胸腺中存在VDR和CYP27B1，但成人维生素D状态与胸腺长寿的关联缺乏数据。

**讨论总结与研究结论**

本文总结了维生素D信号在胸腺发育和长寿中的多层面作用。在小鼠中，维生素D通过VDR-AIRE相互作用调节中枢耐受，并通过维持TEC功能和增殖延缓胸腺退化。这些发现对理解维生素D缺乏与自身免疫和年龄相关疾病风险增加之间的联系具有重要启示。然而，人类研究仍处于起步阶段，需要进一步探索维生素D在人类胸腺中的分子机制，以及维生素D状态是否影响成人胸腺健康和长寿。这是一个重要的知识空白，值得通过临床研究加以解决。