This article summarizes the new 2011 report on dietary requirements for calcium and vitamin D from the Institute of Medicine (IOM). An IOM Committee charged with determining the population needs for these nutrients in North America conducted a comprehensive review of the evidence for both skeletal and extraskeletal outcomes. The Committee concluded that available scientific evidence supports a key role of calcium and vitamin D in skeletal health, consistent with a cause-and-effect relationship and providing a sound basis for determination of intake requirements. For extraskeletal outcomes, including cancer, cardiovascular disease, diabetes, and autoimmune disorders, the evidence was inconsistent, inconclusive as to causality, and insufficient to inform nutritional requirements. Randomized clinical trial evidence for extraskeletal outcomes was limited and generally uninformative. Based on bone health, Recommended Dietary Allowances (RDAs; covering requirements of ≥97.5% of the population) for calcium range from 700 to 1300 mg/d for life-stage groups at least 1 yr of age. For vitamin D, RDAs of 600 IU/d for ages 1-70 yr and 800 IU/d for ages 71 yr and older, corresponding to a serum 25-hydroxyvitamin D level of at least 20 ng/ml (50 nmol/liter), meet the requirements of at least 97.5% of the population. RDAs for vitamin D were derived based on conditions of minimal sun exposure due to wide variability in vitamin D synthesis from ultraviolet light and the risks of skin cancer. Higher values were not consistently associated with greater benefit, and for some outcomes U-shaped associations were observed, with risks at both low and high levels. The Committee concluded that the prevalence of vitamin D inadequacy in North America has been overestimated. Urgent research and clinical priorities were identified, including reassessment of laboratory ranges for 25-hydroxyvitamin D, to avoid problems of both undertreatment and overtreatment.

Vitamin D supplementation for the prevention of rickets is one of the oldest and most effective prophylactic measures in medicine, having virtually eradicated rickets in North America. Given the potentially toxic effects of vitamin D, the recommendations for the optimal dose are still debated, in part owing to the increased incidence of idiopathic infantile hypercalcemia in Britain in the 1950s during a period of high vitamin D supplementation in fortified milk products. We investigated the molecular basis of idiopathic infantile hypercalcemia, which is characterized by severe hypercalcemia, failure to thrive, vomiting, dehydration, and nephrocalcinosis.

In early 2011, a committee convened by the Institute of Medicine issued a report on the Dietary Reference Intakes for calcium and vitamin D. The Endocrine Society Task Force in July 2011 published a guideline for the evaluation, treatment, and prevention of vitamin D deficiency. Although these reports are intended for different purposes, the disagreements concerning the nature of the available data and the resulting conclusions have caused confusion for clinicians, researchers, and the public. In this commentary, members of the Institute of Medicine committee respond to aspects of The Endocrine Society guideline that are not well supported and in need of reconsideration. These concerns focus on target serum 25-hydroxyvitamin D levels, the definition of vitamin D deficiency, and the question of who constitutes a population at risk vs. the general population.

The Institute of Medicine Committee to Review Dietary Reference Intakes for Calcium and Vitamin D comprehensively reviewed the evidence for both skeletal and nonskeletal health outcomes and concluded that a causal role of calcium and vitamin D in skeletal health provided the necessary basis for the 2011 Estimated Average Requirement (EAR) and Recommended Dietary Allowance (RDA) for ages older than 1 year. For nonskeletal outcomes, including cancer, cardiovascular disease, diabetes, infections, and autoimmune disorders, randomized clinical trials were sparse, and evidence was inconsistent, inconclusive as to causality, and insufficient for Dietary Reference Intake (DRI) development. The EAR and RDA for calcium range from 500 to 1,100 and 700 to 1,300 mg daily, respectively, for ages 1 year and older. For vitamin D (assuming minimal sun exposure), the EAR is 400 IU/day for ages older than 1 year and the RDA is 600 IU/day for ages 1 to 70 years and 800 IU/day for 71 years and older, corresponding to serum 25-hydroxyvitamin D (25OHD) levels of 16 ng/mL (40 nmol/L) for EARs and 20 ng/mL (50 nmol/L) or more for RDAs. Prevalence of vitamin D inadequacy in North America has been overestimated based on serum 25OHD levels corresponding to the EAR and RDA. Higher serum 25OHD levels were not consistently associated with greater benefit, and for some outcomes U-shaped associations with risks at both low and high levels were observed. The Tolerable Upper Intake Level for calcium ranges from 1,000 to 3,000 mg daily, based on calcium excretion or kidney stone formation, and from 1,000 to 4,000 IU daily for vitamin D, based on hypercalcemia adjusted for uncertainty resulting from emerging risk relationships. Urgently needed are evidence-based guidelines to interpret serum 25OHD levels relative to vitamin D status and intervention.

Significance Although the vitamin D endocrine system has been well defined and the enzyme responsible for converting 25-hydroxyvitamin D to the final hormone, 1α,25-dihydroxyvitamin D 3 , is well understood, the enzyme responsible for the conversion of vitamin D to the blood form, 25-hydroxyvitamin D, has not been clearly identified. A case has been made for vitamin D 25-hydroxylase CYP2R1 as the responsible enzyme, but proof is lacking. We have produced a null mutant mouse lacking CYP2R1. With this model, we have shown that CYP2R1 is the major but not exclusive 25-hydroxylase and that there remains another significant enzyme responsible for this step in vitamin D activation that has yet to be identified.

Idiopathic infantile hypercalcemia (IIH) is characterized by severe hypercalcemia with failure to thrive, vomiting, dehydration, and nephrocalcinosis. Recently, mutations in the vitamin D catabolizing enzyme 25-hydroxyvitamin D3-24-hydroxylase (CYP24A1) were described that lead to increased sensitivity to vitamin D due to accumulation of the active metabolite 1,25-(OH)2D3. In a subgroup of patients who presented in early infancy with renal phosphate wasting and symptomatic hypercalcemia, mutations in CYP24A1 were excluded. Four patients from families with parental consanguinity were subjected to homozygosity mapping that identified a second IIH gene locus on chromosome 5q35 with a maximum logarithm of odds (LOD) score of 6.79. The sequence analysis of the most promising candidate gene, SLC34A1 encoding renal sodium-phosphate cotransporter 2A (NaPi-IIa), revealed autosomal-recessive mutations in the four index cases and in 12 patients with sporadic IIH. Functional studies of mutant NaPi-IIa in Xenopus oocytes and opossum kidney (OK) cells demonstrated disturbed trafficking to the plasma membrane and loss of phosphate transport activity. Analysis of calcium and phosphate metabolism in Slc34a1-knockout mice highlighted the effect of phosphate depletion and fibroblast growth factor-23 suppression on the development of the IIH phenotype. The human and mice data together demonstrate that primary renal phosphate wasting caused by defective NaPi-IIa function induces inappropriate production of 1,25-(OH)2D3 with subsequent symptomatic hypercalcemia. Clinical and laboratory findings persist despite cessation of vitamin D prophylaxis but rapidly respond to phosphate supplementation. Therefore, early differentiation between SLC34A1 (NaPi-IIa) and CYP24A1 (24-hydroxylase) defects appears critical for targeted therapy in patients with IIH.

The discovery of hypercalcemic diseases due to loss-of-function mutations in 25-hydroxyvitamin D-24-hydroxylase has placed a new demand for sensitive and precise assays for 24,25-dihydroxyvitamin D [24,25-(OH)2D].We describe a novel liquid chromatography and tandem mass spectrometry-based method involving derivatization with DMEQ-TAD {4-[2-(6,7-dimethoxy-4-methyl-3,4-dihydroquinoxalinyl)ethyl]-1,2,4-triazoline-3,5-dione} to simultaneously assay multiple vitamin D metabolites including 25-hydroxyvitamin D (25-OH-D) and 24,25-(OH)2D using 100 μL of serum with a 5-minute run time.The assay uses a newly synthesized internal standard d6-24,25-(OH)2D3 enabling the quantitation of 24,25-(OH)2D3 as well as the determination of the ratio of 25-OH-D3 to 24,25-(OH)2D3, a physiologically useful parameter.We report data on more than 1000 normal and disease samples involving vitamin D deficiency or hypercalcemia in addition to studies involving knockout mouse models.The assay showed good correlation with samples from quality assurance schemes for 25-OH-D (25-OH-D2 and 25-OH-D3) determination (-2% to -5% bias) and exhibited low inter- and intraassay coefficients of variation (4%-7%) and lower limits of quantitation of 0.25-0.45 nmol/L. In clinical studies, we found a strong correlation between serum levels of 25-OH-D3 and 24,25-(OH)2D3 (r(2) = 0.80) in subjects over a broad range of 25-OH-D3 values and a marked lack of production of 24,25-(OH)2D3 below 25 nmol/L of 25-OH-D. The ratio of 25-OH-D3 to 24,25-(OH)2D3, which remained less than 25 in vitamin D-sufficient subjects (serum 25-OH-D < 50 nmol/L) but was greatly elevated (80-100) in patients with idiopathic infantile hypercalcemia.The new method showed good utility in clinical settings involving vitamin D deficiency; supplementation with vitamin D and idiopathic infantile hypercalcemia, as well as in animal models with ablation of selected cytochrome P450-containing enzymes involved in vitamin D metabolism.

CYP24A1 is a multifunctional, P450 mitochondrial 24-hydroxylase enzyme that is responsible for catabolism of the most active vitamin D hormone (calcitriol, 1,25(OH)2D3), its precursor (calcifediol, 25(OH)D3), and numerous other vitamin D metabolites at the 23- and 24-carbon positions. In the kidney, Cyp24a1 is induced by 1,25(OH)2D3, induced by FGF23, and potently suppressed by PTH to tightly control the circulating blood levels of 1,25(OH)2D3. This gene is believed to be under the control of a pair of classic promoter proximal (PRO) vitamin D response elements (VDREs) that are aided by distal, downstream (DS) containing enhancers that we identified more recently. The DS1 enhancer cluster was found to respond to PTH and FGF23 actions in a kidney-specific manner. The DS2 enhancer cluster was found to assist in the response of 1,25(OH)2D3 in kidney, as well as other target tissues. Despite this knowledge, the in vivo contribution of the PRO VDREs to gene expression, what drives Cyp24a1 basal expression in the kidney, how FGF23 activates Cyp24a1, and importantly, how PTH suppresses Cyp24a1, all remain unknown. Here in this study, we utilize homology directed CRISPR to mutate one or both VDREs in the PRO region of the Cyp24a1 gene in vivo in the mouse to address these questions. We found that the VDRE (VDRE1) more proximal to the to the transcriptional start site (TSS) is the dominant VDRE of the pair and mutation of both VDREs leads to a dramatic loss of VDR, a reduction of Cyp24a1 gene expression in the kidney, and a near elimination of 1,25(OH)2D3 induction in the intestine. FGF23 induction of Cyp24a1 was reduced with mutation of the PRO VDREs, however, co-treatment of 1,25(OH)2D3 and FGF23 synergistically increased Cyp24a1 expression even with the loss of the PRO VDREs. PTH suppression of Cyp24a1 gene expression was unchanged with PRO VDRE mutations, despite a minor reduction in total pCREB occupancy. Finally, VDR occupancy was dramatically reduced across the DS enhancers in the Cyp24a1 locus after the PRO VDREs mutation. Taken together, our data suggest a cooperative relationship between the DS and PRO enhancers in the regulation of Cyp24a1 by 1,25(OH)2D3 and FGF23, and despite the overall reduction of CREB on the genome it appeared that suppression either does not rely on CREB or that the PRO VDREs are unconnected to PTH suppression altogether. These studies point to the DS1 region as a basal switch for Cyp24a1 expression and help further define the interconnected genomic control of these hormones on vitamin D catabolism.