分子营养学.doc

分子营养学概述 摘要：随着生命科学的飞速发展，尤其是人类基因组测序工作的完成，分子生物学技术几乎渗透到生命科学的每一个领域，成为研究和揭示生命本质和规律的一种重要工具。就核酸分子探针与核酸分子杂交技术、基因芯片技术、mRNA 差异显示技术等分子生物学技术在营养学研究中的应用及发展前景加以综述。 关键词：营养学；分子；进展 现代营养学起源于18 世纪，整个19 世纪到20世纪初是发现和研究各种营养素的鼎盛时期。我国约在20 世纪建立现代营养学，并于1913 年前后首次报告了我国自己的食物营养成分分析和一些人群营养状况调查报告。1927 年中国生理学杂志创刊，营养学文献的论文绝大多数在该刊发表[1]。1939 年中华医学会参照国际联盟建议提出了我国历史上第一个营养素供给量建议，但在半封建半殖民地的政治经济条件下，很少有人关心营养学的研究，其成果也很难收到社会实效。 在开展宏观营养研究的同时，营养学又逐渐向微观发展，如营养素的代谢，作用机制研究等。人类对营养素生理作用的认识经历了由整个机体水平向器官、组织、亚细胞结构及分子水平这样一个逐渐深入的过程。近20 多年来，随着分子生物学理论与实验技术在生命科学领域的各个学科的渗透及应用，产生了许多新兴学科，分子营养学就是营养学与现代分子生物学原理与技术有机结合而产生的一门新兴边缘学科。1985 年Artemis P Simpopoulos 博士在西雅图举行的“海洋食物与健康”的学术会议上，首次提出并使用分子营养学这个名词术语[1]。 一 分子营养学的概念及其研究内容 分子营养学至今还没有一个公认的权威定义，但可以理解为：应用分子生物学技术和方法从分子水平上研究营养学的一个新领域，是营养科学研究的一个层面，是营养科学的一个组成部分或分支。分子水平主要指生物大分子水平；生物大分子主要指蛋白质与核酸。一切有生命的物质均含有这两类大分子，它们是生命的标志和物质基础[2]。核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类。DNA 是基因的物质基础，从化学结构看，一个基因就是DNA 长链上的一个结构单位；是遗传信息的贮存和携带者，RNA 主要参与遗传信息表达的各过程。从分子水平上研究营养学，也就是从DNA 水平或基因乃至蛋白质水平研究营养学。研究内容遍及营养科学的各个领域。当前的研究热点主要有营养与基因表达、营养与遗传、营养与基因组的稳定性等。 分子营养学主要是研究营养素与基因之间的相互作用。一方面研究营养素对基因表达的调控作用，另一方面研究遗传因素对营养素消化、吸收、分布、代谢和排泄的决定作用[3]。在此基础上,探讨两者相互作用对生物体表型特征（如营养充足、营养缺乏、营养相关疾病、先天代谢性缺陷）影响的规律，从而针对不同基因型及变异或针对营养素对基因表达的特异调节作用，制定出营养素需要量、供给量标准和膳食指南或特殊膳食平衡计划，为促进健康、预防和控制营养缺乏病、营养相关疾病和先天代谢性缺陷提供真实、可靠的科学依据[4]。 分子营养学研究内容包括: (1) 营养素对基因表达的调控作用及调节机制，从而对营养素的生理功能进行更全面、更深入的认识。(2) 如何利用营养素促进有益健康基因的表达和抑制有害健康基因的表达。(3) 遗传变异或基因多态性对营养素消化、吸收、分布、代谢和排泄的影响。(4) 营养素需要量存在个体差异的遗传学基础。(5) 营养素-基因相互作用导致营养缺乏病、营养相关疾病和先天代谢性缺陷的机制及膳食干预研究[5]。 二 分子营养学在营养科学研究中的地位 营养科学研究乃至生命科学研究一般都是在人群、整体（主要是动物）、细胞和分子等四个层面上展开的。人群层面多采用流行病学方法，以调查研究为主；整体、细胞、分子层面多采用实验研究[6]。四个层面相辅相成，构成一个营养科学研究的系统工程。流行病学研究所观察到的现象需要通过实验研究加以证实，而实验研究所观察到的结果，需通过整体，乃至细胞、分子水平逐步认识结果的本质。因此，分子营养学作为营养科学的组成部分，它不仅可以从分子水平上证实营养现象，更重要的是从分子水平上探索营养现象的内在机制，这对营养科学的发展至关重要。 三 分子营养学在营养科学研究中的作用 分子营养学的形成和历史尚不足30 年，但在营养科学研究的诸多领域已经显示出前所未有的生命力，有力地推动营养科学的发展，仅从以下几个方面即可初见端倪。 （一）营养与基因表达研究拓宽对营养素功能的认识 长期以来，人们对营养素的生理功能概括为：提供能量、构成和修补身体组织、调节生理功能。尽管也强调调节功能，但只是认识到通过酶和激素的调节。直到上世纪80 年代，才认识到营养素可以直接和独立地调控基因表达，这不仅对慢性病的营养防治有重要意义，而且对深入认识营养素的功能及其作用机制也有重要意义。 例如，通过脂肪酸对基因表达调控的研究，发现脂肪酸不仅是供能物质和生物膜的重要组成部分，而且可通过细胞膜受体信号途径和转录因子活化途径调节基因表达等而发挥重要的生理功能[7]。如今已发现膳食脂肪酸至少通过三种不同的机制调控基因表达：（1）作为类花生酸的前体物；（2）作为核受体的配体；（3）调控核内SREBP1c 的含量。 类花生酸是花生四烯酸的氧化产物，包括前列腺素、白三烯及血栓素。花生四烯酸的代谢涉及到两种酶促途径：环氧化酶（cyclooxygenase，COX）途径和脂加氧酶 (lipoxygenase)途径。细胞膜上的磷脂在磷脂酶A2 的作用下产生花生四烯酸，后者在COX 或脂氧化酶的作用下转变为类花生酸。这些类花生酸具有十分重要的生物学作用。类花生酸如前列腺素E2（PGE2）自细胞分泌后，在局部对靶细胞的胞浆膜相关性G蛋白关联受体（G-protein linkedreceptor,GPR）发挥作用。 （二）基因多态性的研究为制订RNI 提供了新思路 遗传学研究表明，不同人群甚至同一人群不同个体的DNA 存在一定差异。DNA 结构的差异包括DNA序列差异和DNA 序列长度差异。这种差异的实质是DNA 序列的某些碱基发生了突变。当碱基突变发生在基因序列时，可产生一个基因的一种以上的不同形式（又称一个基因的不同基因型），且在人群中发生率超过1%时称为基因多态性[8]。例如，维生素D 受体（VDR）基因由于碱基突变形成bb、BB、Bb 三种基因型，又如亚甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR）由于碱基突变形成C/C、C/T、T/T 三种基因型。如果与营养有关的基因存在多态性，就会对不同个体对营养素的吸收、代谢和利用产生影响，最终导致对营养素需求和耐受产生差异。这对建立个性化的营养素需要量和膳食指导有重要意义[9]。 例如，已知亚甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR）是同型半胱氨酸代谢中的关键酶之一。1988 年，Kang等人发现MTHFR 的一种变种。这种酶的活性和热稳定性都较低。现已证实这种热不稳定性是由MTHFR基因第677 位的碱基由C→T 的突变，产生了C/C、C/T 和T/T 基因型，导致丙氨酸（ala）被缬氨酸（val）替代，并由此产生 MTHFR 的三个表型，即Ala-Ala（野生型）、Ala-Vla（杂合型）、Vla-Vla（突变纯合型）所造成的。后来许多实验室利用PCR 技术证明突变纯合型在正常人群中的出现率有5%～15%。近年来又发现MTHFR 基因的突变形式不仅仅是677C→T 型，还有1298A→C 型等其它形式[10]。MTHFR 基因的遗传变异体在叶酸水平较低时易造成中度的高半胱氨酸血症，这种遗传与营养的交互作用增加了心血管疾病和神经管缺陷的危险性。而实验和临床资料表明，大剂量叶酸补充可以增加体内5-甲基四氢叶酸生成，从而降低血浆同型半胱氨酸水平，减少心血管疾病的发病和神经管畸形儿童的出生率。由此推断，就MTHFR 基因突变的个体而言，他们对叶酸的需求要高于普通人群。 （三）通过营养与遗传相互作用的研究加深了对营养与慢性病的认识 大量证据显示，随着生活水平由贫穷到富裕，生活方式和日常饮食的改变影响了那些依靠营养环境因素表达的显性基因的遗传性。遗传和环境因素的交互作用使肥胖、高血压、高血脂、冠心病、糖尿病和癌症等慢性非传染性疾病的患病率增加。冠心病的发生与遗传和年龄有关。研究者已经找到许多与调节血脂相关的基因，如果其中有一个基因发生突变，则血脂水平可能会受影响。但是，研究发现：具有决定血脂升高遗传特征的人并不一定发生冠心病。在研究中人们注意到，与此相关的冠心病在早先的几代人中较为少见。流行病学调查证实，全世界冠心病的患病率有很大的不同。西方国家及过着西方生活方式的人群中，频率最高；在发展中国家的群体中，其频率通常很低。美国的现时发病趋势也显示了环境因素的强大效应。在20世纪中叶，冠心病的死亡率逐年增加，但通过营养教育引起人们对饮食的注意，冠心病的发病率又显著降低。当移居者从低频率国家（如日本）移居到高频率地区（如美国）后，冠心病的发病率增高。进一步研究认识到，个体遗传差异使得部分人对引起冠心病的某些环境因素（如饮食）更加易感，冠心病的发生是营养素与基因相互作用的结果。膳食对血脂相关基因表达的影响，可从基因转录到翻译后的修饰，人们对这些过程的细节还不清楚。 研究发现，肥胖的病因相当复杂，有明显的遗传性，并与饮食和运动量密切相关。目前，已发现了近20 种与肥胖有关的基因，如瘦素基因、瘦素受体基因、神经肽Y 基因、β3-肾上腺素能受体基因、解偶联蛋白基因等。肥胖基因(ob 基因)已在小鼠和人身上定位克隆，并发现该基因编码的蛋白质—瘦素(leptin)是人们一直在寻找的控制体重的激素。 综上所述，由于分子生物学技术在营养科学研究中的应用促进了营养科学的发展，但就营养科学研究本身而言，仍要宏观与微观并举，既要不断将营养科学研究提高到分子水平，又要充分发挥宏观研究的优势，不断将营养科学研究引向深入。 参考文献： [1] 孙长灏. 营养学发展的历史回顾及展望[J].中华预防医学杂志,2003.9（37）:323-325 [2] 赵法伋,郭俊生. 分子营养学概述[J]. 营养学报,2006.28 (1) :1-3 [3] 马向明,杨在宾,宋美玲.分子营养学研究进展[J]. 饲料研究,2005.9:13-17 [4] 孙长颢.分子营养学(上)[J]. 国外医学卫生学分册,2004,31(1) :1-5 [5] 张勇.分子营养学在营养科学研究中的应用[J] .中国临床营养杂志,2006.12:390-393 [6] 孙长颢.分子营养学(中)[J]. 国外医学卫生学分册, 2004,31(2) :65-72 [7] 涂勇刚,曹正辉,葛长荣. 营养素调控与基因表达[J].云南农业大学学报,2005,5:605-608 [8] 吴国豪. 分子营养学的研究及进展.[J]. 中国实用外科杂志,2004,1:13-15 [9] 孙长颢.分子营养学(下)[J]. 国外医学卫生学分册, 2004,31(3) :129-134 [10] 孟宪梅.分子生物学技术在营养学研究中的应用[J].吉林粮食高等专科学校学报,2004,19(4):1-7