分子营养学在营养科学研究中.3

分子营养学在营养科学研究中的地位和作用赵法伋郭俊生第二军医大学上海20043311/10/04-北京分子营养学在营养科学研究中的地位和作用主要参考文献谢良民赵法伋营养与基因表达中国营养科学全书基础分卷2004李敏赵法伋营养与遗传中国营养科学全书基础分卷2004郑怡文印木泉营养与基因组稳定性中国营养科学全书基础分卷2004孙长颢营养相关疾病的分子营养学基础营养与食品卫生学第5版北京：人民卫生出版社2004FrankB.HuM.D.,Ph.D.NutritionalandMolecularEpidemiologyofType2DiabetesandCHD2004分子营养学在营养科学研究中的地位和作用20世纪50年代Watson和Crick关于DNA双螺旋模板学说的提出；60年代Monad和Jacob关于基因调控操纵子学说的出现；70年代DNA限制性内切酶的发现和基因工程技术的发展；使生命科学的研究上升到一个崭新的阶段。分子营养学在营养科学研究中的地位和作用分子微生物学、分子免疫学、分子生理学、分子病理学、分子药理学、分子心脏病学、分子神经病学、分子流行病学以及分子营养学等边缘学科应运而生。分子营养学日益引起人们的关注，并取得长足进步。分子营养学在营养科学研究中的地位和作用分子营养学的概念分子营养学在营养科学研究中的地位分子营养学在营养科学研究中作用分子营养学的概念分子营养学的概念（1）是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兴的边缘学科；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。分子营养学的概念（2）分子生物学技术：基本技术：分光光度技术、电泳技术、放射性同位素技术、色谱技术等；核酸操作技术：核酸的提取和纯化、DNA合成、DNA重组、核酸杂交、DNA序列测定等技术；实用蛋白质技术：蛋白质提取和纯化分子水平：指生物大分子水平，即核酸（DNARNA）与蛋白质水平分子营养学在营养科学研究中的地位分子营养学在营养科学研究中的地位（1）营养科学研究四个层面：人群、整体、器官和细胞、分子，分子营养学是从分子层面上研究营养问题，是营养科学组成部分；四个层面相辅相成构成营养科学研究的一个系统工程，不可偏废；分子营养学在营养科学研究中的地位（2）人群流行病研究所观察到的营养现象需要通过实验研究从整体、细胞、分子水平等实验研究加以证实，而实验研究的结果还需回到人群验证；分子营养学是在实验研究不断发展中形成的，它主要用于探索营养现象的内在机制。分子营养学在营养科学研究中的作用分子营养学在营养科学研究中的作用通过营养与基因表达的研究拓宽了对营养素功能的认识通过基因多态性与营养需求的研究为制订营养需要量和营养干预提供了新的思路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分子营养学在营养科学研究中的作用（一）通过营养与基因表达的研究拓宽了对营养素功能的认识营养与基因表达基因表达：按基因组结构基因上所携带的遗传信息，经转录、翻译等步骤，指导蛋白质生物合成的过程转录翻译DNAmRNA蛋白质营养与基因表达基因表达调控：调节控制基因表达的现象；基因组中结构基因上所携带的遗传信息能否指导合成特定蛋白质，取决与细胞内外环境因素的调节和控制靶基因转录因子微量营养素维生素A维生素D宏量营养素胆固醇碳水化合物脂肪蛋白质核基因mRNA蛋白质生物学作用代谢细胞生长分化营养素调控基因表达概况脂肪酸对基因表达的调控途径①作为类花生酸前体②作为PPAR核受体的配体③调控核内SREBP1c的含量类花生酸磷脂↓磷脂酶A2花生四烯酸环氧化酶↓脂加氧酶类花生酸（前列腺素E2血栓素白三烯）∣∣∣诱发炎症促进血小板聚集过敏反应物质血管扩张血管收缩环氧化酶20:4,n-6GPRPGE2内皮细胞或巨嗜细胞c-Fos,c-JunNFxB,cMyc核cAMPCa2+蛋白质生物学作用代谢细胞因子粘附分子PPARsPPAR（peroxisomeproliferatoractixedreceptor，过氧化物酶体增殖因子激活受体）类固醇激素受体超家族成员有三种异构体：468个氨基酸残基组成，肝脏高表达，促进脂肪分解，预防心血管疾病：44个氨基酸残基，功能不明：479个氨基酸残基，脂肪组织高表达对心血管疾病有不同报道脂肪酸对基因表达的调控---PPAR途径脂肪酸或代谢产物↓PPARsRXR（视黄酸X受体）↓PPARs-RXR异源二聚体SRC-1↓PBP（类固醇受体辅助激活剂）PPAR结合蛋白）PPAR-PPREs↓基因表达脂肪酸对基因表达的调控SREBP1c途径SREBP1c（固醇调控元件结合蛋白）PUFA-mRNA↓SREBP1c↓脂肪合成酶基因表达↓脂肪合成↓SREBPSREBP基因SRE核mRNA蛋白质生物学作用低胆固醇高胆固醇摄取合成胆固醇胆固醇蛋白酶高尔基小体内质网胆固醇对基因表达的调控维生素A对基因表达的调控（1）维生素A的许多生理功能是通过细胞核内特异性受体－视黄酸受体实现的；视黄酸受体包括：RARs(RetinoicAcidReceptors)RXRs(RetinoidXReceptors)各有α、β、γ三个亚型；维生素A对基因表达的调控（2）RARs+RXRs↓RARs-RXRs（异源二聚体）↓RAREs（RARElements）↓调控靶细胞基因（调节免疫功能）维生素A对基因表达的调控（3）RXRs+RXRs↓RXRs-RXRs（同源二聚体）↓RAREs（RARElements）↓调控靶细胞基因（调节免疫功能）维生素D对基因表达的调控（1）维生素D的主要生物活性形式：1,25-(OH)2-D3许多生理功能是通过细胞核内特异性受体－维生素D受体（VDR）实现的；维生素D对基因表达的调控（2）VDRRXR↓VDR-RXR↓VDREs（VD反应元件）↓调控钙结合蛋白、骨钙蛋白、骨桥蛋白等靶基因维生素D对基因表达的调控（3）1,25-(OH)2-D3可抑制IL-2、IL-8、IL12转录；VDR可直接抑制粒细胞-巨噬细胞克隆刺激因子转录，抑制免疫功能，故可用于防治自身免疫性疾病；1,25-(OH)2-D3可启动细胞周期依赖激酶抑制因子P21WAF1、P27KIP1，使细胞阻滞在G1期，抑制肿瘤细胞增殖。矿物质与基因表达分子营养学在营养科学研究中的作用（二）通过基因多态性与营养需求的研究为制订营养需要量和营养干预提供了新的思路基因多态性与营养需求（1）基因多态性：遗传学研究表明，不同人群乃至同一人群不同个体的DNA存在一定差异；DNA结构差异包括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；基因多态性与营养需求（2）当碱基突变发生在基因序列时，可产生一个以上的不同形式（即一个基因的不同基因型）当在人群中发生率超过1%时称为基因多态性；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。基因多态性与营养需求（3）亚甲基四氢叶酸还原酶基因多态性对叶酸需求的影响维生素D受体基因多态性对钙需求的影响亚甲基四氢叶酸还原酶基因多态性对叶酸需求的影响（1）5，10-亚甲基四氢叶酸↓（MTHFR）5-甲基四氢叶酸↓-CH3同型半胱氨酸胱氨酸亚甲基四氢叶酸还原酶基因多态性对叶酸需求的影响（2）MTHFR基因突变（C→T）↓C/CC/TT/T↓↓↓Ala-AlaAla-ValVal-Val（野生型）（杂合型）（突变纯合型）血FA水平最高较高最低血Hcy水平最低较高最高VDR多态性对钙需求的影响（1）骨质疏松现已成为世界关注的健康问题；研究发现雌激素受体基因、TNF-基因、VDR基因的变异均与骨质疏松有关，其中VDR基因多态性对骨密度峰值的影响达75%；VDR多态性对钙需求的影响（2）VDR基因型及其对钙吸收利用的影响VDR基因型：bb、BB、Bb日本bb75%，BB较少高加索bb33%，Bb50%研究1：BB基因型绝经期妇女，摄入低钙膳食，钙吸收量明显低于bb基因型绝经期妇女；VDR多态性对钙需求的影响（3）VDR基因型及其对钙吸收利用的影响研究2：72名老人18个月研究发现：-BB（9）：骨质丢失，低骨密度基因型-bb（26）：骨质未丢失，高骨密度基因型两者骨密度与钙摄入量无关-Bb（37）：骨密度与钙摄入量呈剂量反应肥胖基因多态性与体重对荷兰17500名成年男女，6.8年随访，并对20-40岁的286名体重增加者和296名体重维持不变者检测了：LEPR-基因(Lys109Arg,Gln223Arg,Lys656Asn),UCP1基因(在-38265'处发生A-G突变),UCP2基因(Ala55Val,45bpIns/Del),PPARG2基因(Pro12Ala)ADRB2基因(Gly16ArgGln27Glu)结果发现：ADRB2基因Gly16Arg的多态性和LEPR基因Lys109Arg多态性与增重有关。ApoE基因多态性对血脂的影（1）研究发现载脂蛋白E（ApoE）结构编码基因的遗传变异与高胆固醇血症的发生有密切联系，而且会影响到膳食治疗的效果。ApoE：三种等位基因：E2、E3、E4六种基因型：E2/2、E3/3、E4/4、E2/3、E2/4、E3/4E3：78%，E4：14%，E2：7%ApoE基因多态性对血脂的影响（2）ApoE4等位基因芬兰人对膳食胆固醇反应比ApoE2等位基因芬兰人明显；低胆固醇膳食可明显降低ApoE4基因型的美国人的血清胆固醇，其中男性降低的趋势更明显（几乎是女性的2倍）；提示携带ApoE4基因者低脂膳食干预效果好。分子营养学在营养科学研究中的作用（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早在远古时期人们就认识到是遗传因素和环境因素相互作用影响了人类疾病的发生和发展；已有大量证据显示，遗传因素进化落后于营养因素变化的矛盾导致代谢综合症的日益增加，于是产生了“节约/节俭型基因”假说；“节约/俭型基因”假说的基本点：原始社会由于生产力落后，为了适应当时的营养条件，人类的遗传因素形成了“节约/节俭型基因”；该基因在食物或能量供给充足的情况下能最大限度地贮存能量，以便食物短缺时使用；“节约型基因”假说的基本点：随着人类社会的进步，食物日益丰富，该基因发生变异或“关闭”，不再起作用；部分人群，“节约型基因”未能发生适应性变化，仍在起作用，当暴露在食物充足的情况下仍在大量贮存能量，于是引发代谢性疾病。糖尿病是一种具有明显遗传倾向的多基因疾病，其发病机制十分复杂；大量资料显示，是环境因素和遗传因素的交互作用，共同促成了糖尿病的发生；有多个调查结果显示，2-DM的发病率随出生时身长、和胎盘重量的降低而升高；人体实验和动物实验也证实，低出生体重者比正常出生体重者有更高的胰岛素抵抗；有证据显示早期生长发育的关键时期，营养不良可能会使“节俭”基因得以充分表达，并恒久保持；而成年后，“节俭”基因的这些“节俭”表现不能充分适应营养充足引起的体重增加，导致了糖耐量异常，甚至2-DM的发生；通过数十年的研究，已有充分的证据使人们相信，在许多情况下异常基因本身并不一定都会导致疾病；起码，在暴露于有害环境之前，大多数异常基因对人体健康的影响很小；而人们所选择的生活方式和饮食习惯，可以改变基因表达；一些遗传因子的削弱或过分表达就引发了我们称之为“疾病”的异常表现。可以说，是长期不良的饮食习惯使得个体的遗传需要得不到满足，基因的不恰当表达导致了心血管疾病、糖尿病、肿瘤等慢性病的发生。结束语（1）分子营养学是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兴的边缘学科；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；结束语（2）分子营养学在营养科学研究中已经显示出无可争议的作用，它对营养需要量的研究，营养与慢性病以及营养干预的研究等提供了新的思路，它必将有力地推动营养科学向纵深发展；结束语（3）营养科学研究仍需宏观与微观相结合，既要充分应用分子生物学的技