分子营养学研究进展

1分子营养学研究进展[摘要]分子生物学的快速发展，使营养学的研究深入到分子水平，从而诞生了分子营养学这门新兴学科。本文综合叙述了分子营养学的发展简史以及当今研究比较多的几种营养素对基因表达的影响，同时叙述了基因多态性对部分营养物质吸收、代谢和利用的影响，最后文章展望了分子营养学的前景及面对的任务。[关键词]分子营养基因表达基因多态性1953年，Watson和Crick发现了DNA的双螺旋结构，从那时起，分子生物学技术取得了突飞猛进的发展，几乎在生命科学的每一个方面都有广泛的应用。随着分子生物学技术的发展而来的是一些新兴学科的兴起，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表达如何相互作用，导致营养相关疾病发生发展方面取得了许多重要进展。1分子营养学的定义及发展简史1.1分子营养学定义分子营养学(molecularnutrition)主要是研究营养素与基因之间的相互作用，即应用现代分子生物学技术，在基因表达调控和蛋白质组学的水平上，研究营养与基因表达间的相互关系，旨在阐明营养素或营养调控因子对动物（人）生理机能的调控机理，为有效地、经济地促进动物（人）生长发育，提高动物（人）抗病力，最大限度地实现遗传潜力提供理论依据。广义上的分子营养学也指一切进入分子领域的营养学研究。分子营养学一方面研究营养素对基因表达的调控作用，从而对营养素的生理功能进行更全面、更深入的认识；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及其变异、营养素对基因表达的特异调节制订出营养素需要量和供给量标准。1.2分子营养学发展简史传统营养学对动物（人）机体营养代谢的过程已经有了深入的了解，但是这些研究绝大部分是在机体水平上的研究。随着分子生物学技术的日渐成熟，并向整个生物领域的快速渗透，营养学自身发展需要从细胞分子水平阐明营养物质或生物活性物质调控机体营养分配与代谢的途径及机理；麻省理工学院临床营养研究中心Dr.Young教授指出：营养学家应该考虑基因组序列对他们的研究意味什么，如果不去尝试回答这个问题，营养学将面临死亡。在这种背景下，分子营养学应运而生。人类对癌症研究快速推动了营养学与基因表达的联姻，直接导致了分子营养学的诞生。1908年，GarrodAE博士在推测尿黑酸尿症（alcaptonuria）的病因时，第一个提出了基因——酶的概念，认为先天性代谢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。早期的研究主要是集中在先天性代谢缺陷方面，营养学家在这些研究中积累了丰富的经验并获得了突出的成就。1975年，美国实验生物学科学家在亚特兰大举行了“营养与遗传因素相互作用”专题讨论会，但是当时由于分子生物学发展的限制而使分子营养学的发展非常缓慢。1985年，SimopoulosAP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。从1988年开始分子营养学研究进入了黄金时代。2营养素对基因表达的调控22.1营养素对基因表达的调控机制2.1.1营养素对基因表达的作用特点几乎所有的营养素对基因的表达都有调节作用，它们直接或者作为辅助因子催化体内的反应，构成大分子的底物，还可以作为信号分子或者改变大分子的结构，所有这些作用都可以导致转录和翻译上的变化。营养素对基因表达发生作用时有以下特点：一种营养素可调节多种基因的表达；一种基因表达又受多种营养素的调节；一种营养素不仅可对其本身代谢途径所涉及的基因表达进行调节，还可影响其它营养素代谢途径所涉及的基因表达；营养素不仅可影响细胞增殖、分化及机体生长发育相关基因表达，而且还可对致病基因的表达产生重要的调节作用。2.1.2营养素对基因表达水平的调控营养素可在基因表达的所有水平(转录前、转录、转录后、翻译和翻译后共5个水平)上对其进行调节，虽然不同营养素各有其重点或专一调节水平，但绝大多数营养素对基因表达的调节发生在转录水平上。2.1.3营养素调控基因表达的途径营养素对基因表达的调控途径可以分为直接作用和间接作用两种途径。直接作用即营养素本身或其代谢产物可作为信号分子，作用于细胞表面受体或直接作用于细胞内受体，从而激活细胞信号转导系统，并与转录因子相互作用，从而改变转录速度和特定mRNA的浓度来激活基因表达或直接激活基因表达。如骨钙化醇、某些类固醇和脂肪酸可作为配基结合到特定转录因子上，改变基因转录。间接作用是通过次级调节因子对基因表达进行调节，涉及多种信号传递系统及激素和细胞因子（Cousins，1998）。大多数营养素对基因表达的调控是通过细胞内受体途径实现的。实际上，营养素对基因表达的调控过程相当复杂，但可以简化为下列步骤(见图1)。资料来自：孙长颢（2004）图1营养素对基因表达的调控过程简图2.2几种营养素对基因表达的影响2.2.1日粮碳水化合物含量对基因表达的调控碳水化合物对许多基因的表达有调控作用，主要表现在碳水化合物在胃肠道被消化成葡萄糖并吸收入血以后，葡萄糖能够刺激脂肪组织、肝脏和胰岛β细胞中脂肪合成酶系和糖酵解酶基因的转录。现就研究较多的几个方面为例说明碳水化合物对基因表达的调控。2.2.1.1日粮碳水化合物含量对PEPCK基因表达的调控磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）是肝和肾中糖元异生的关键酶，稳定的PEPCK水平是保证动物（人）体内糖异生途径顺利进行的关键，而糖异生对机体暂时性血糖过低和大脑的供糖有极其重要的作用。研究发现，当动物进食大量糖类时，肝中PEPCK基因的转录受到抑制，糖异生途径被关闭，这样可以保持血糖水平的稳定。日粮碳水化合物影响PEPCK基因表达主要是通过与其启动子上主要的调控元件CRE（-87～-74）和P3（I）（-248～-230）作用而实现的。2.2.1.2高碳水化合物日粮对断奶仔鼠脂肪合成酶基因表达的调控3动物（人）体内脂肪酸合成中有三个关键酶：脂肪酸合成酶（FAS）、乙酰CoA羧化酶（ACC）、ATP-柠檬酸裂解酶（ATP-CL）。高碳水化合物日粮可提高肝脏中FAS、ACC、ATP-CLmRNA水平，增加酶活性（Girard，1994）。给哺乳的仔鼠饲喂碳水化合物，能在几小时后诱发肝脏和白脂肪组织中FAS和ACCmRNA的出现（Coupe等，1990）；如果向断奶饲料中加入α－葡萄糖苷酶阻断剂（一种酶抑制剂），使葡萄糖产量减少，则FAS和ACC表达显著降低。当给禁食后的成年鼠饲喂高碳水化合物、低脂肪的饲料时，脂肪酸合成酶基因的表达增强，并且相应的mRNA含量的增加幅度与碳水化合物的摄入量成正比。所有这些证据表明，高碳水化合物日粮增加了脂肪酸合成酶mRNA的含量（如表1）。资料来源：Clarke等（1990）2.2.1.3葡萄糖对脂肪合成酶基因表达的调控S14基因编码一种含硫蛋白，甲状腺素、碳水化合物和脂肪等对其表达有明显的调节作用，并且与脂肪合成酶基因表达有明确的相关性，因此它在脂肪代谢方面起着重要作用。S14基因存在能对葡萄糖做出特异应答反应的元件(葡萄糖反应元件，位于启动子的1457～1428bp)。因此，葡萄糖可以通过调节S14基因的表达来对脂肪合成酶的基因表达进行调控。Foufelle等（1995）将19日龄哺乳仔鼠的脂肪组织在无血清培养基中培养6～24小时后，添加葡萄糖能提高FAS和ACCmRNA的含量，并在一定范围内与剂量成正比，葡萄糖的最佳作用剂量为20mM。葡萄糖-6-磷酸是启动FAS等基因表达的直接诱导因子（Doiron等，1996），它是葡萄糖在葡萄糖激酶作用下形成的，是刺激基因表达的直接信号分子。而葡萄糖激酶的表达受胰岛素调控，因此胰岛素通过刺激葡萄糖激酶表达，加快葡萄糖代谢，从而对基因表达间接发挥作用。但胰岛素并不是必需的，一旦葡萄糖激酶数量和活性足够，在葡萄糖刺激基因转录中则不再需要胰岛素。所以在上述Foufelle的实验中单独添加胰岛素则没有效果。2.2.2日粮蛋白质与氨基酸水平对基因表达的调控日粮中的蛋白质可以以功能蛋白的形式或者分解成氨基酸对基因表达进行调控。2.2.2.1不同蛋白质含量对基因表达的影响White等（1994）发现，低蛋白质显著提高下丘脑中NPYmRNA的含量（White等，1994），但其机制尚不清楚。Mildner（1991）研究表明，高蛋白饲粮将抑制猪脂肪组织中FAS基因的表达，脂肪组织中FAS基因的mRNA的含量会显著下降：用蛋白质含量分别喂14%、18%和24%的日粮饲喂60-110kg的育肥猪，其脂肪组织中FASmRNA的含量分别下降了8.14％、18%、24%。由此可见，日粮蛋白质将会影响脂肪组织中FAS基因的表达。但这种调控具体发生在哪个水平及其作用机理目前还不清楚。2.2.2.2亮氨酸缺乏对细胞基因表达的调控Bruhat（1997）的研究表明：IGFBP-1mRNA和蛋白质在细胞中的基础水平很低，而当培养基中亮氨酸浓度下降时，其浓度迅速上升。亮氨酸调控IGFBP-1表达不限于肝原细胞，对已分化的肝细胞也适用（Jousse，1998）。对于氨基酸调控基因表达的分子机制：所知甚少，研究比较清楚的是亮氨酸对CHOP基因的调控。另外，耗竭精氨酸、亮氨酸、胱氨酸和所有必须氨基酸均会导致IGFBP-1mRNA和蛋白的表达增加，并呈剂量依赖关系，从肝细胞培养基4中除去色氨酸，IGF-ⅠmRNA水平及IGF-Ⅰ分泌量均降低（Harp等，1990）。2.2.3日粮脂肪对基因表达的调控膳食脂肪是所有生物生长和发育的重要营养素。除了作为供能物质和构成生物膜的成分以外，膳食脂肪还可通过对基因表达的影响，对代谢、生长发育以及细胞分化发挥重要的调控作用。实际上，这种调控作用是膳食脂肪经水解变成脂肪酸而发挥作用的。尤其是n-3和n-6系列的多不饱和脂肪酸(PUFA)与基因调节之间的关系最为密切。脂肪被肝脂酶和脂蛋白酶水解以后产生的游离脂肪酸，可通过细胞膜转运载体进入细胞。在细胞内，大多数的脂肪酸与蛋白质，如脂肪酸结合蛋白（fattyacidbindingprotein，FABP），以非共价键形式结合；一部分经脂酰辅酶Ａ(FA-CoA)合成酶催化形成FA-CoA；一部分仍以游离形式存在。FA-CoA和游离脂肪酸虽然在细胞内的浓度很低(10μmol/g)，但却是调节基因表达的主要形式。2.2.3.1脂肪酸调控CPTI和HMG-CoA合成酶基因的表达体内的脂肪酸是不能够直接进入细胞进行氧化功能的，必须先转化为脂酰CoA后，在经由肉碱棕榈酰转移酶（含有CPTI和CPTⅡ两种不同形式的酶）的转运才能够进入肝脏细胞进行氧化。在脂肪酸氧化过程中，包含生成酮体的一个途径，这个途径在体内很重要，可以节约动物（人）机体葡萄糖的使用。在此途径中HMG-CoA（3-羟基-3-甲基-戊二酰CoA）合成酶是其限速酶，发挥重要的作用。长链脂肪酸可以调节肝细胞中CPTI（肉碱棕榈酰转移酶I）和HMG-CoA（3-羟基-3-甲基-戊二酰CoA）合成酶的基因表达，使其mRNA的水平提高2～4倍（Chatelain等，1996）。在各种脂肪酸中，多不饱和脂肪酸的对基因表达的控制更为明显。与棕榈酸（饱和）和油酸（单不饱和）相比，亚麻酸（多不饱和）使CPTImRNA水平提高2倍，将其半衰期延长50%。所以，动物出生后吸收大量的脂肪可使肝脏线粒体中HMG-CoA合成酶基因的转录加强。2.2.3.2脂肪酸对脂肪合成酶基因表达的调控脂肪酸，尤其是多不饱和脂肪酸（PUFA），能抑制生脂基因的转录，同时又能诱导编码脂质氧化和生热蛋白的基因进行转录。PUFA抑制的生脂基因包括脂肪酸合成酶(fattyacidsynthetase，FAS)基因、S14基因等许多参与脂质的合成的基因。Clarke等（1990）研究发现，日粮中多不饱和脂肪酸使大鼠肝脏中FASmRNA水平降低了75%～90%，