分子营养学(精)

营养相关疾病的分子营养学基础人类对生命现象与本质的认识，经历了由整个机体水平向器官、组织、细胞、亚细胞结构及分子水平这样一个逐渐深入的过程。近几十年，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和技术有机结合而产生的一门新兴边缘学科，它在阐述营养素与基因如何相互作用，导致营养相关疾病发生发展方面取得了许多重要进展。目前该学科刚具雏形，正处于不断完善和发展阶段，相信不久的将来，它必将成为一门在理论和实践方面均具有重要意义的学科。一、分子营养学(molecularnutrition)的定义及发展简史(一)分子营养学定义目前关于分子营养学尚无公认的定义。我们暂且定义为：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。在此基础上，探讨二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或变异或针对营养素对基因表达的特异调节作用，制订出营养素需要量、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疾病提供真实、可靠的科学依据。分子营养学研究内容主要包括：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完全，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理及膳食干预研究。(二)分子营养学的发展简史人们对营养素与基因之间相互作用的最初认识，应该始于先天代谢性缺陷。1908年，Dr.ArchibaldE.Garrod在推测尿黑酸尿症(alcaptonuria)的病因时，首先使用了“先天代谢性缺陷”(inbornerrorsofmetabolism)这个名词术语，并由此第一个提出了基因—酶的概念(理论)，即一个基因负责调节一个特异酶的合成。该理论认为，先天代谢性缺陷的发生是由于基因突变或缺失，导致某种酶缺乏、代谢途径某个环节发生障碍、中间代谢产物发生堆积的结果。1948年，Gibson发现隐性高铁血红蛋白血症(recessivemethemoglobinemia)是由于依赖NADH高铁血红蛋白还原酶缺乏所致；1952年，Cori提供证据表明葡萄糖-6-磷酸酶缺乏可导致冯奇尔克症(VonGierke‘sdisease)；1953年，Jervis的研究表明苯丙酮酸尿症(phenylketonuria,PKU)的发生是由于苯丙氨酸羧化酶缺乏所致。到目前为止，已发现了300多个先天代谢性缺陷。先天代谢性缺陷的病因是由于基因突变，导致某种酶缺乏，从而使营养素代谢和利用发生障碍；反过来讲，可针对代谢缺陷的特征，利用营养素来弥补或纠正这种缺陷。如典型的PKU，由于苯丙氨酸羧化酶缺乏，使苯丙氨酸不能代谢为酪氨酸，从而导致苯丙氨酸堆积和酪氨酸减少，因此可在膳食配方中限制苯丙氨酸的含量，增加酪氨酸的含量。先天代谢性缺陷的治疗就是营养素与基因之间相互作用的一个早期例子，虽然营养素没有对基因产生直接作用，但营养素可弥补基因的缺陷。由于在先天代谢性疾病研究与治疗方面积累了丰富的经验，并获得了突出成就，1975年春天，美国实验生物学科学家联合会第59届年会在亚特兰大举行了“营养与遗传因素相互作用”专题讨论会。美国国立卫生研究所(NIH)营养协调委员会主席ArtemisPSimopoulos博士认为，这是营养学历史上具有里程碑意义的一次盛会。然而，由于当时受分子生物学发展的限制，分子营养学的发展还是非常缓慢的。尽管上个世纪50年代Waltson和Crick提出了DNA双螺旋模板学说；60年代Monod和Jacob提出了基因调节控制的操纵子学说；以及70年代初期DNA限制性内切酶的发现和一整套DNA重组技术的发展，推动了分子生物学在广度和深度两个方面以空前的高速度发展，但在一段时间还没有广泛应用于营养学研究。1985年，还是ArtemisPSimopoulos博士在西雅图举行的“海洋食物与健康”的会议上，首次使用了分子营养学这个名词术语，并在1988年指出，由于分子生物学、分子遗传学、生理学、内分泌学、遗传流行病学等所取得快速发展及向营养学研究领域的渗透，从1988年开始，营养学研究进入了黄金时代。从文献检索的情况看，1988年以前的有关营养素与基因之间相互作用的文章寥寥无几，而从1988年以后，该领域研究的论文与综述骤然增多，并逐年呈几何增加的趋势。发表文章所涉及的内容大致可分为以下几类：(1)分子生物学技术在营养学研究中的应用；(2)分子生物学与营养学结合的必要性；(3)基因转录的代谢调节；(4)基因表达的营养(或营养素)调节；(5)营养与变异；(6)基因多态性与营养素之间的相互作用对营养相关疾病的影响；(7)基因多态性对营养素需要量的影响。二、营养素对基因表达的调控机体从受孕、细胞分裂、分化到生长发育，从健康状态、疾病状态到死亡等一切生命现象，无一不是基因表达的有条不紊调控的结果。而环境因素，尤其是营养或营养素对基因表达会产生直接或间接作用，从而对上述生命现象产生重要影响。从精子与卵细胞结合的一刹那，就决定了一个个体的遗传学命运(即决定一个个体所携带的遗传物质，该物质决定了个体的生命特征和含有哪些致病基因及大致什么时间出现疾病、寿命的长短等)。营养素虽然在短时间内不能改变这种遗传学命运，但可通过营养素修饰这些基因的表达，从而改变这些遗传学命运出现的时间进程。过去在相当长的一段时间内对营养素功能的认识一直停留在生物化学、酶学、内分泌学、生理学和细胞学水平上。虽然已认识到营养素可调控细胞的功能，但一直认为是主要通过调节激素的分泌和激素信号的传递而实现的。只有在上个世纪80年代，才认识到营养素可直接和独立地调节基因表达，从而对营养素功能的认识深入到了基因水平。因此深入研究营养素对基因表达的调控不仅对预防疾病，促进健康和长寿有十分重要意义，而且将重新、全面深入地认识营养素的功能。(一)基因表达的概念和基因表达调控的基本理论1．基因表达的概念所谓基因表达，是指按基因组中特定的结构基因上所携带的遗传信息，经转录、翻译等一系列过程，指导合成特定氨基酸序列的蛋白质而发挥特定生物功能的过程。人体细胞中大约含有10万个基因，而且对某一个体而言，每一种细胞中都携带相同的表达人体所有特征的各种基因，但并不是所有这些基因在所有细胞中同时表达，而必须根据机体的不同发育阶段，不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地在特定细胞中表达特定数量的特定基因。一般认为同时表达的基因仅占基因总数的10%～15%，这表明存在着控制基因表达的机制。正是由于不同发育阶段和不同组织细胞存在着基因表达的不同调控机制，才决定哪种基因表达或不表达，从而决定了不同发育阶段同一组织细胞具有不同的功能，不同组织细胞具有不同的结构和功能，即基因表达存在发育阶段特异性和组织细胞特异性。由此可见基因表达调控的重要性。2．基因表达调控的基本理论如上所述，真核基因的表达是一个多阶段过程，因此，真核基因表达的调控也是在多阶段水平来实现的，即大致可分为转录前，转录、转录后、翻译和翻译后等5个水平。(1)转录前调控：是指发生在基因组水平上基因结构的改变。这种调控方式较稳定持久，甚至有些是不可逆的，主要见于机体发育过程中的体细胞分化的决定。其调控方式主要包括：基因丢失、基因扩增、基因重排、甲基化修饰及染色体结构改变等。(2)转录水平调控：是指对以DNA上的特定基因为模板，合成初级转录产物这一过程的调节。转录水平的调控是真核基因表达中最重要的环节，主要涉及以下三种因素的相互作用。1)RNA聚合酶(RNApolymerase,RNAPol)真核生物的RNA聚合酶有三种，即RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。其中聚合酶Ⅱ的转录产物为mRNA。基因转录是由RNA聚合酶催化完成的，转录水平的调控实质就是对RNA聚合酶活性的调节。因此凡是可影响RNA聚合酶活性的内外因素，均可对基因转录进行调节。2)顺式调控元件(cis-actingelement)为与结构基因串联的特定的DNA序列，它们对基因转录的精确起始和活性调节起着举足轻重的作用。顺式调控元件一般含有蛋白结合位点。顺式调控元件又包括：①启动子(Promoter)：启动子是与基因起动有关的核酸序列，位于基因转录起始位点5ˊ端，只能在近距离起作用(一般在100bp之间)，有方向性，空间位置较恒定。启动子又分为以下几种：a.Goldberg-Hogness盒(Hogness盒，TATA盒)：其核心序列为TATAATAAT，位于转录起始位点上游-30bp附近区域。TATA盒决定了基因转录的精确起始。b.上游启动子元件(Upstreampromoterelement,UPS)：主要包括CAAT盒和GC盒。CAAT盒位于转录起始位点上游-70～-80bp区域，其核心序列为GGTCCAATCT。GC盒核心序列为CCGCCC，位置不固定。CAAT盒和GC盒与TATA一样，都是普通启动子元件，它们的协同作用决定了基因的基础转录效率。c.组织特异性启动子：每一种组织细胞都有自身独有的启动子，调控细胞特异性功能蛋白的表达。如肝细胞特异性启动子元件HP1，它们位于白蛋白、抗胰蛋白酶和AFP等肝细胞特异性基因的调控区，与这些基因在肝细胞的特异性表达有关。d.诱导性启动子：如cAMP反应元件等，介导对cAMP、生长因子等信号的反应。②增强子(enhancer)：增强子是一类能促进转录活性的顺式调控元件，其特点是，无方向性；远距离作用，距靶基因可近可远，甚至远至几十个Kb也同样能发挥作用，可位于基因的上游、下游或内部；无基因特异性，对各种基因启动子均有作用；具有组织特异性；有相位性，它的作用虽然与距离无关，但只有当它位于DNA双螺旋的某一相位时，才具有较强活性。③沉寂子(Silencer)或衰减子(dehencer)：其作用是抑制基因的转录，作用方式与增强子相似。④加尾信号及转录终止信号：在加PolyA尾位点的上游10～20bp处，常见一保守的AATAA序列，为加尾信号；而具有PolyA尾基因的终止信号是G/T簇，其通式为：YGTGTTYY。3)反式作用因子(trans-actingfactor)又称为反式作用转录因子，是由位于不同染色体或同一染色体上相距较远的基因编码的蛋白质因子。反式作用因子一般含有两个结构域：DNA结合结构域(DNA-bindingdomain)，该结构域能与DNA的特定序列结合，因此习惯上反式作用因子也被称为DNA结合蛋白(DNA-bindingprotein)；转录活化结构域，即调节转录活性。反式作用因子与顺式调节元件相结合，从而调节基因表达根据其作用方式，反式作用因子可分为以下三类：①普通转录因子：这是在多数细胞中普遍存在的转录因子，参与基因的基础表达。②组织特异性转录因子：只在特定细胞存在，并诱导特定基因表达的转录因子。基因表达的组织特异性在很大程度上取决于组织特异性转录因子的存在。③诱导性反式作用因子：这些反式作用因子的活性可被特异的诱导因子所诱导。这种活性的诱导可以是新蛋白质的合成，也可是已存在蛋白质的翻译后修饰。反式作用因子的活性调节主要包括：磷酸化-去磷酸化，糖基化，蛋白质-蛋白质相互作用。(3)转录后水平的调控：真核基因转录后，必须经过一系列的加工过程才能成为成熟的mRNA，对此过程的调节，称为转录后水平的调控。其调控方式主要包括戴“帽”，加“尾”，拼接(splicing)等。(4)翻译水平的调控：翻译过程主要涉及mRNA，tRNA，核糖体和可溶性蛋白因子四大类物质。其中可溶性蛋白因子可分为肽链起始因子、肽链延长因子和肽链终止因子等。翻译水平的调控主要涉