Impact of vitamin D metabolism on clinical epigenetics

The bioactive vitamin D (VD) metabolite, 1,25-dihydroxyvitamin D3 regulates essential pathways of cellular metabolism and differentiation via its nuclear receptor (VDR). Molecular mechanisms which are known to play key roles in aging and cancer are mediated by complex processes involving epigenetic mechanisms contributing to efficiency of VD-activating CYP27A1 and CYP27B1 or inactivating CYP24 enzymes as well as VDR which binds to specific genomic sequences (VD response elements or VDREs). Activity of VDR can be modulated epigenetically by histone acetylation. It co-operates with other nuclear receptors which are influenced by histone acetyl transferases (HATs) as well as several types of histone deacetylases (HDACs). HDAC inhibitors (HDACi) and/or demethylating drugs may contribute to normalization of VD metabolism. Studies link VD signaling through the VDR directly to distinct molecular mechanisms of both HAT activity and the sirtuin class of HDACs (SIRT1) as well as the forkhead transcription factors thus contributing to elucidate complex epigenetic mechanisms for cancer preventive actions of VD

Vitamin D and colon cancer

The most active vitamin D metabolite, 1α,25-dihydroxyvitamin D3 (1,25(OH)2D3), is a pleiotropic hormone with wide regulatory actions. Classically, vitamin D deficiency was known to alter calcium and phosphate metabolism and bone biology. In addition, recent epidemiological and experimental studies support the association of vitamin D deficiency with a large variety of human diseases, and particularly with the high risk of colorectal cancer. By regulating the expression of many genes via several mechanisms, 1,25(OH)2D3 induces differentiation, controls the detoxification metabolism and cell phenotype, sensitises cells to apoptosis and inhibits the proliferation of cultured human colon carcinoma cells. Consistently, 1,25(OH)2D3 and several of its analogues decrease intestinal tumourigenesis in animal models. Molecular, genetic and clinical data in humans are scarce but they suggest that vitamin D is protective against colon cancer. Clearly, the available evidence warrants new, well-designed, large-scale trials to clarify the role of vitamin D in the prevention and/or therapy of this important neoplasia.The work in the authors’ laboratory is supported by Ministerio de Ciencia e Innovación of Spain (grant number SAF2010-18302), Fondo Europeo de Desarrollo Regional- Instituto de Salud Carlos III (grant number RD06/0020/0009) and Comunidad de Madrid (grant number S2011/BMD-2344, Colomics2).Peer Reviewe

Molluskenfauna der Rheinpfalz : II. Nord- und Westpfalz : ein Versuch

von Dr. Otto Gaschott, München (früher Landau

Molluskenfauna der Rheinpfalz : I. Rheinebene und Pfälzerwald : ein Versuch

von Dr. Otto Gaschott, München (früher Landau

Der Vitamin-D-Rezeptor als Konvergenzpunkt Butyrat-induzierter Zelldifferenzierung

Einleitung: Die kurzkettige Fettsäure Butyrat, die im Gastrointestinaltrakt durch bakterielle Fermentation aus nicht resorbierten Ballaststoffen und komplexen Kohlenhydraten der Nahrung gebildet wird, konnte in zahlreichen in vitro-Untersuchungen ihre chemopräventiven Eigenschaften demonstrieren. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die molekularen Mechanismen der Butyrat-induzierten Differenzierung und Wachstumshemmung von Kolonkarzinomzellen näher zu charakterisieren. Methodik: Die Versuche wurden an den kolorektalen Karzinomzelllinien Caco-2 und SW620 durchgeführt, die unter Standardbedingungen kultiviert wurden. Für einen Teil der Experimente wurden zusätzlich die Pankreaskarzinomzelllinien MiaPaca-2 und Capan-1 verwendet. Zytotoxische Effekte wurden durch Messung des Enzyms Laktatdehydrogenase im Überstand ausgeschlossen. Die Zellzahl wurde mittels Kristallviolettfärbung und die Proliferation über den Einbau von 5-Bromo-2‘-deoxyuridin (BrdU) während der DNA-Synthese bestimmt. Die Zelldifferenzierung wurde anhand der Aktivität des Enzyms alkalische Phosphatase quantifiziert. Rezeptorbindungsstudien mit [3H]1,25-Dihydroxyvitamin D3 wurden zur Ermittlung der Vitamin D Rezeptor- (VDR-) Bindungsaktivität durchgeführt, die Menge an VDR mRNA wurde über PCR quantifiziert. Die Proteine wurden mittels Western Blot und die Zellzyklusdistribution mit Hilfe eines Durchflusszytometers analysiert. Ergebnisse: Butyrat [3 mmol/L] sowie sein Prodrug Tributyrin, in 3-fach niedrigerer Konzentration eingesetzt ([1 mmol/L]), hemmten das Wachstum der Pankreaskarzinom-zelllinien MiaPaca-2 und Capan-1 ähnlich effektiv. Auch die apoptose- und differenzierungsfördernden Wirkungen von Butyrat und Tributyrin waren vergleichbar. In der Kolonkarzinomzelllinie Caco-2 erwies sich Butyrat in der Wachstumshemmung und Differenzierungsinduktion als etwas stärker wirksam. 1,25-Dihydroxyvitamin D3 (1,25-(OH)2D3) [10-6 mol/L] besaß in der Zelllinie Caco-2 ebenfalls proliferationshemmende und differenzierungsinduzierende Eigenschaften, die allerdings nur mäßig ausgeprägt waren. Die Kombination aus Butyrat und 1,25-(OH)2D3 wies in etwa eine additive antiproliferative Wirkung auf, wohingegen die Zelldifferenzierung synergistisch verstärkt wurde. Der potenzierende Effekt auf die Differenzierung ließ sich in der Pankreaskarzinomzelllinie Capan-1 bestätigen. Rezeptorbindungsstudien in Caco-2 Zellen ergaben, dass Tributyrin die spezifische Bindung von 1,25-(OH)2D3 an seinen Rezeptor erhöhte, ohne die Affinität des Liganden zu seinem Rezeptor zu beeinflussen. Auf RNA- und Proteinebene ließ sich eine zeit- und dosisabhängige Steigerung der VDR-Expression durch Tributyrin oder Butyrat in den Kolonkarzinomzelllinien Caco-2 und SW620 beobachten. Andere kurzkettige Fettsäuren ähnlicher Struktur beeinflussten hingegen die VDR-Expression in Caco-2 Zellen nur geringfügig oder gar nicht. Die Butyrat-induzierte Differenzierung von Caco-2, SW620 und Capan-1 Zellen ließ sich durch die Kombination mit dem VDR-Antagonisten ZK 191732 [10-5 mol/L] aufheben. Auch der durch die 48-stündige Butyrat-Behandlung von Caco-2 und SW620 Zellen verursachte G0/G1-Zellzyklusstop verschwand vollständig nach Koinkubation mit ZK 191732. Die genauere Untersuchung des molekularen Mechanismus, der dem Butyrat-induzierten Zellzyklusstop zugrundelag, erbrachte eine verminderte Expression der zellzyklusregulierenden Proteine Cyclin D1, E und A sowie der cyclinabhängigen Kinasen cdk2, 4 und 6 durch Butyrat. Weiterhin verstärkte Butyrat die Expression der cdk-Inhibitoren p21Waf1/Cip1 und p27Kip1. Die Butyat-induzierten Veränderungen in den Proteinmengen von p21Waf1/Cip1, cdk6 und Cyclin A ließen sich durch die Kombination mit 1,25-(OH)2D3 synergistisch verstärken und durch die Koinkubation mit ZK 191732 aufheben. Im Gegensatz hierzu wurden die durch Butyrat verursachten Änderungen in der Expression von p27Kip1, cdk2, cdk4, Cyclin D1 und Cyclin E weder durch 1,25-(OH)2D3 verstärkt noch durch den VDR-Antagonisten vermindert. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse demonstrieren, dass Butyrat, das natürlicherweise durch die Nahrung im Darmlumen präsent ist, eine Reihe zellulärer Prozesse in Kolonkarzinomzellen beeinflusst, die schließlich in einer Proliferationshemmung, Differenzierung und Apoptose der Zellen resultieren. An der Regulation dieser Prozesse durch Butyrat ist der VDR zumindest teilweise beteiligt. Dies erklärt die synergistische Wirkung der Kombination aus Butyrat und 1,25-(OH)2D3 auf die Zelldifferenzierung, den Zellzyklusstop sowie auf die Expression verschiedener zellzyklusregulatorischer Proteine in Karzinomzellen. Die vorliegenden Daten weisen darauf hin, dass Butyrat, als Prodrug in Form von Tributyrin verabreicht, von pharmakologischem Interesse hinsichtlich der Chemoprävention oder -therapie des Kolonkarzinoms sein könnte