营养基因组学

中文名

营养基因组学

外文名

nutrigenomics 或nutritional genomics

类    别

生物学科

学科简介

研究营养素和植物化学物质

学科介绍

营养基因组学是研究营养素和植物化学物质对机体基因的转录、翻译表达及代谢机理的科

学。它以分子生物学技术为基础，应用DNA芯片、蛋白质组学等技术来阐明营养素与基因的相互作用。目前主要是研究营养素和食物化学物质在人体中的分子生物学过程以及产生的效应, 对人体基因的转录、翻译表达以及代谢机制, 其可能的应用范围包括营养素作用的分子机制、营养素的人体需要量、个体食谱的制定以及食品安全等, 它强调对个体的作用。是继药物之后源于人类基因组计划的个体化治疗的第二次浪潮。营养基因组学所涉及的学科有营养学、分子生物学、基因组学、生物化学、生物信息学等, 从这个层面上看, 营养基因组学是基于多学科的边缘学科。

重要影响

目前认为，营养基因组学研究有可能在以下3个方面产生重要影响：

1、揭示营养素的作用机制或毒性作用。通过基因表达的变化可以研究能量限制、微量营养素缺乏、糖代谢等问题；应用分子生物学技术，能够测定单一营养素对某种细胞或组织基因表达谱的影响；采用基因组学技术，可以检测营养素对整个细胞、组织或系统及作用通路上所有已知和未知分子的影响。因此，这种高通量、大规模的检测无疑将使学者能够真正了解营养素的作用机制。此外，基因组学技术也将为饲料安全性评价、病原菌检测、掺杂及使伪甄别提供强有力的手段。

2、阐明动物营养需要量的分子生物标记。应用含有某种动物全部基因的cDNA芯片研究在营养素缺乏、适宜和过剩条件下的基因表达图谱，将发现更多的、能用来评价营养状况的分子标记物。现有的营养需要量均非根据基因表达确定，仅有极少数是依据生化指标。今后，借助于功能基因组学技术，未来可通过从DNA、RNA到蛋白质等不同层次的研究来寻找、发现适宜的分子标记物，作为评价营养素状况的新指标，进而更准确、更合理地确定动物对营养素的需要量,从而彻底改变传统的剂量－功能反应的营养素需要量研究模式。

3、使个性营养成为可能。目前的营养需要量均系针对群体而言，而未能考虑个体之间的基因差异。如人的基因上约有140～200万个单核苷酸多态性（SNPs），其中6万多个存在于外显子中，这可能是人体对营养素需求及产生反应差异的重要分子基础。因此，未来将有可能应用基因组学技术阐明与营养有关的SNPs，并用来研究动物对营养素需求的个体差异，通过基因组成以及代谢型的鉴定，确定个体的营养需要量，使个体营养成为可能，即根据动物的遗传潜力进行个体饲养，这就是“基因饲养”。此外，应用基因组技术也将有助于开发出针对一些针对性强、功效明显的动物源性功能食品。

前沿领域

膳食是影响人体健康最重要的环境因素之一。膳食因素与常见疾病的关系一直是营养学研究的主要内容。然而，人们对膳食因素与基因因素的相互作用及其对机体健康的影响知之甚少。随着人们对人类及其它生物体基因组的了解不断深入，这种状况正在开始改变。近年来，基因组技术在营养学研究中应用的例子在迅速增加，基因多态性（polymorphisms）对膳食因素与疾病关系的影响也受到愈来愈多的营养学家所关注。可以说，把浩瀚的基因组信息应用于营养学中正成为这门学科的一个巨大的挑战和新的增长点。

发展过程

最近，一个代表着营养学和基因组学相结合的新学科名词“营养基因组学”开始为人所知。2002年初，第一届国际营养基因组学会议在荷兰召开，突出地显示了基因因素目前已经成为营养学研究中不可忽略的一个重要组成部分。

最近在基因组学（genomics）、生物信息学（bioinformatics）及生物技术等领域的巨大进展使得在营养学领域对膳食与基因交互作用的研究创造了良好的条件。营养基因组学也应运而生。尽管一些营养学家已经对这门新学科可能涉及的研究、应用、以及对人类健康的潜在影响进行了论述和预测；但是，目前国际上对营养基因组学还没有一个明确的定义。有些专家认为营养基因组学不应被视为营养学的一个分支，是一种边缘学科。这个词涵盖着营养学的全部，是增添了新的内涵的未来的营养学。营养基因组学将触及营养学研究的各个领域，其与传统意义上的营养学的区别在于，其研究将充分结合和利用日益扩增的基因学领域的知识和技术。营养基因组学的一个显著特征是一系列能够监测极大数目的分子表达、基因变异等的基因组技术和生物信息学在营养学研究中的广泛应用。可以说，没有这些功能强大的“全局性（global）”的生物检测技术以及结合了最先进的计算机技术的生物统计、大规模的数据处理等信息学方法的支持，营养基因组学就不能在真正意义上成为一门学科。营养基因组学研究将关注整个机体、整个系统或整个生物功能分子水平上的通路的轮廓（profile）变化，而非单个或几个孤立生物学标志物的改变。简单地讲，营养基因组学将主要研究在分子水平上及人群水平上膳食营养与基因的交互作用及其对人类健康的影响；并将致力于建立基于个体基因组结构特征上的膳食干预方法和营养保健手段，提出更具个性化的营养政策，从而使得营养学研究的成果能够更有效的应用于疾病的预防，达到促进人类健康的目的。

在近年得以迅猛发展的基因组生物技术中，一类可以监测细胞分子水平的轮廓（profile）的技术最为引人瞩目。其中包括用以检测RNA表达的DNA微簇列（microarray）等为代表的转录组学（transcriptomics）技术、以及检测蛋白分子的二维聚烯凝胶电泳和质谱分析为代表的蛋白组学（proteomics）技术等等。为了进一步了解硒对肿瘤发生的抑制作用的可能机制，Rao等人采用代表了6347个鼠类基因的Affymetrix高密度寡核苷酸array对喂饲了低硒膳食的C57BI/6J小鼠的小肠的基因表达水平进行了检测。相对于高硒膳食对照组，在所有被检测的基因中，84个基因的表达增高了超过两倍而48个基因的表达降低了四分之三。其中表达增高的包括DNA损伤/氧化诱导的基因如GADD34和GADD45，以及细胞增殖基因；而表达降低的则包括一些硒蛋白基因及解毒酶，如谷胱甘肽过氧化物酶（GPX1）、P4503A1、2B9等。研究结果表明硒的营养状态可能影响与肿瘤发生有关的多个途径。

营养基因组学的一个重要的应用领域是促进保健食品的开发应用。首先，基因组学的发展将提高运用基因工程方法，如DNA重组技术对食品尤其是植物性食品的改造能力。某些具有预防疾病作用的生物活性组分在天然食物中的含量很低。经基因修饰的食物往往可以大幅度提高这些组分的含量。例如，西红柿的番茄红素（lycopene）是一种较强的抗氧化剂，可以抑制活性氧引起的脂质过氧化、DNA损伤及肝坏死。因此，番茄红素可能具有预防肿瘤的作用，特别可能预防前列腺癌。但是，仅仅从膳食中摄入的番茄红素的量可能不足以产生这种预防肿瘤的作用。一个有效的办法是利用基因工程的方法提高西红柿中番茄红素的含量。无疑，对基因组知识的迅速增加将大大提高我们对食物的改造能力。此外，基因组技术的应用将促进食物中具有保健作用的生物活性成份的筛选。目前已有多个利用功能性基因组学技术对食物中活性组分进行筛选，从而应用于疾病预防的项目在不同的国家启动。其中的一个例子是欧共体资助的筛选针对结直肠肿瘤的功能性食品项目。在这项研究中，采用了多种功能性基因组技术用于检测与结直肠肿瘤发生有关的基因，例如可以测定几乎所有蛋白质表达的蛋白组技术。高效的基因组技术使研究者能有效地发现那些既能受食物中生物活性组分调控的，又在疾病病理过程扮演重要角色的新的生物学标志物。这些分子水平的生物学标志物比传统上使用的生化学标志物具有更灵敏、更特异的优点。这一特点对于保健食品的研究尤为重要。因为保健食品不同于药物，食物中生物活性物质对机体的影响往往较微弱。因而采用传统的生化指标可能不能反映出这种微弱的改变。

重要地位

营养学是研究人体营养规律及其改善措施的科学。人们在很早以前就开始了营养学的研究, 如我国的医学古籍《黄帝内经·素问》中就提出了“五谷为养、五果为助、五畜为益、五菜为充”等朴素的合理营养概念。而西方的医学始祖希波克拉底在公元前400年前也提出了食品中的特殊成分对于维持生命是必不可少的。但真正意义上的营养学诞生却是在发现了构成人体重要物质的18世纪后期, 从1900年至今, 营养学研究不断深入, 已经历了3个阶段。二战后, 营养学进入了基于实验科学技术的鼎盛时期。20世纪后半叶, 人类进入了细胞时代, 主要研究营养素在体内代谢、生理功能及其对组织细胞的影响。而分子生物学划时代的到来, 为营养学向微观世界发展、探索生命奥秘提供了理论基础。特别是人类及模式生物的基因组草图、基因组序列图相继绘制完成, 为人类阐明基因组及所有基因的结构与功能, 揭开生命奥秘奠定了基础。营养科学也由营养素对单个基因表达及其作用的分析, 开始朝着基因组及其表达产物在代谢调节中的作用方向发展。在此背景下, 营养基因组学(Nutritional genomics, 有时也称为Nutrigenomics)应运而生, 并迅速成为营养学研究的新前沿。2002年2月和2003年11月, 在荷兰先后召开了第一届和第二届国际营养基因组会议, 凸现了营养基因组学研究的重要性。

发展概念

1953年, Watson和Crick发现了被称为“生命奥秘”的DNA结构, DNA结构解释了遗传物质是如何复制和传递信息的。DNA这种优雅神秘的双螺旋结构的发现, 引发的革命震动了生物学界和医学界, 标志着分子生物学的开始。1961年, DNA中碱基对序列转录基因密码的破译成功, 标志着基因时代的到来。以人类基因组 “工作框架图”完成为标志, 生命科学已进入了后基因组时代。 美国科学家Thomas Roderick(1986)提出了基因组学(Genomics), 主要内容包括以全基因组测序为目标的结构基因组学(Structural genomics)和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学(Functional genomics) 。

随着基因组学研究的发展以及人类基因组计划的实施和完成, 科学界普遍认为, 这种让人困惑的现象很可能都是由个体间的基因差异造成的。借助各种不断发展的先进研究手段, 已有不少科学家开始从理论和实践两方面更深入地认识基因与饮食间的相互影响, 营养学研究也由此迈入了一个崭新的时代——“基因时代”, 一门以专门研究人的饮食与其自身基因之间交互作用为目标的营养学研究领域内的新兴学科——营养基因组学也逐渐引起人们的兴趣。营养基因组(Nutrigenomics)是2000年提出的一种新的营养学理论, 是继药物之后源于人类基因组计划的个体化治疗的第二次浪潮。营养基因组学所涉及的学科有营养学、分子生物学、基因组学、生物化学、生物信息学等, 从这个层面上看, 营养基因组学是基于多学科的边缘学科。

营养基因组学是高通量基因组技术在日粮营养素与基因组相互作用及其与健康关系研究中的应 用。营养基因组学是研究营养素和食物化学物质在人体中的分子生物学过程以及产生的效应, 对人体基因的转录、翻译表达以及代谢机制, 其可能的应用范围包括营养素作用的分子机制、营养素的人体需要量、个体食谱的制定以及食品安全等, 它强调对个体的作用。营养基因组学研究首先要解决的两个问题是：建立一个具有很高预测价值的膳食推荐量用以预防疾病、降低不可估计后果的风险; 设计有效的膳食用以控制慢性疾病。

基因组学技术可以帮助确认一些与疾病发生有关的基因, 从而建立个性化食谱, 使人们的健康状况通过调整饮食来达到最佳。它不仅可以了解食品活性成分对人体代谢途径及体内平衡影响外, 还可以了解食品功能成分对不同人体基因多态性敏感的差异, 并由此来调节饮食, 制定最合适的个性化膳食, 并可有效地防止人体内与疾病相关基因的表达。其主要研究内容包括以下方面：了解食物活性成分如何直接或间接地影响人体内基因组结构的变化; 探讨膳食因子可营养素对人体基因组产生的影响; 探讨哪些慢性或遗传性疾病容易受到膳食因子的影响; 依据人体基因多态性的差异, 探讨健康人体和疾病患者对不同膳食因子敏感性的差异; 根据不同人对营养需求、状态及其自身基因多态性的差异来设计个性化膳食, 藉此达到预防慢性疾病的发生。

许多营养素通过转录系统选择性的改变基因表达, 调节不同组织、不同环境条件下特定基因组的活性。营养成分如氨基酸、脂肪酸和糖等, 都会影响基因的表达, 其作用方式可以是通过控制基因构型或通过代谢产物或代谢状态(如激素状况、细胞氧化还原状况等等), 继而导致mRNA水平和(或)蛋白质水平甚至其功能的改变。因此, 在营养研究中, 基因组学和蛋白质组学利用细胞培养、动物和人类寻找和鉴定对某些营养素、药物或食物有良好反应的特殊标志物。

同时, Jim和Rodriguez认为, 在进行营养基因组学研究时, 应注意以下5个方面：产生适当的代谢反应需要多少营养素, 特别是需要多少宏量营养素; 对于遗传背景不同的人, 在复杂的膳食成分下如何获得适量的营养素; 如何将膳食成分同机体代谢的精细和长期调控联系起来; 在现有的分子和基因组技术条件下, 如何获得不同人自出生到死亡期间的营养需要的变化量; 如何确保以一种对社会负责的态度正确利用基因组学信息, 特别是当它与健康状况不同的人群, 如不同种族、贫富不一和未投保的人。

研究方法

方法综述

目前应用于营养基因组学研究的方法与功能基因组学的研究相类似, 主要有DNA芯片技术、生物标志物、蛋白质组学技术等。

生物学标记

(biomarker)

生物标志物(biomarker)通常是与疾病发生相关的蛋白质, 在疾病的诊断、分级、预后及治疗监测过程中常被作为诊断指标进行定量测定。基因组、蛋白质组技术因为能在特定的条件下规模化地研究基因和蛋白质的表达情况, 所以为生物标志物的发现、鉴定和评价提供了有力的技术平台。营养学家通过人体干扰试验进行膳食营养研究, 在预防或促进这一概念上许多慢性衰老疾病和失调都与营养有关, 营养素参与疾病发生的初期预防, 相关的人体干扰研究都用生物标记来确定营养素干扰的作用。研究营养素对健康人体的后期作用需要采用新的生物标记, 但目前还没有能够准确、专一、足够灵敏的生物标记来确定其在疾病发作前的病理学变化。将基因组学技术用于营养研究, 将许多小变化组合成新的生物标记使生物标记变得非常灵敏, 可以做到对病变的早期诊断。

DNA芯片技术

DNA芯片, 又称基因芯片或微阵列(microarrays)。其技术原理是基于DNA碱基的配对和互补, 把DNA或RNA分解为一系列碱基数固定交错且重叠的寡核苷酸并进行测序, 然后进行序列拼接。主要流程包括待测基因的酶切成不同长度的片段, 荧光定位标记, 然后与DNA芯片杂交, 应用激光共聚焦荧光显微镜扫描芯片, 由于生物标记受激光激发后发出荧光, 并且其强度与杂交程度有关, 可以获得杂交的程度和分布。根据探针的位置和序列就可确定靶序列相应基因的序列或表达及突变情况。该技术可以检测营养素对整个细胞、组织甚至整个系统及作用方式上的差异。研究表明, 采用高密度寡聚核酸微阵列通过比较成年小鼠和老年小鼠gastocnemius muscle基因表达的总体变化, 从而发现与衰老相关的基因, 并进一步研究了能量限饲对衰老的影响。Rao等人采用微阵列芯片对低硒日粮的C57BL6小鼠小肠的基因表达进行检测, 与高硒日粮组相比有84个基因的表达量增加两倍, 而48个基因表达减少了75%, 其中高表达的主要与DNA损伤, 氧化诱导、细胞增殖等基因有关; 表达减少的主要有谷胱甘肽过氧化物酶、P4503AI、2B9等, 结果表明硒含量可能调节与肿瘤形成有关的多个途 径。Lyakhovieh等检测了经1, 25-维生素D 处理过的乳腺癌细胞的FGF-7表达, 首次揭示了维生素D可能过通调节FGF-7的表达调节细胞的生长分化。

蛋白质组学技术

其基本原理是第一向基于蛋白质等电点的不同用等电聚焦分离, 第二向基于分子量的不同进行SDS-PAGE分离, 使蛋白质在二维平面上分开。翻译后修饰和加工对蛋白质正常生理功能是必需的, 它们的变化往往与疾病有关。双向凝胶电泳中发现的蛋白拖曳现象很可能使蛋白的不同翻译后修饰产物所造成的拖曳图像的变化对营养素的研究提供了帮助。人们在对大肠杆菌的研究中发现碳氮磷及硫等元素缺乏会导致的细胞内蛋白质图谱变化, 而当磷不足时, 发现有137个蛋白质的合成速率下降, 其中大部分表现为诱导合成, 其他则被抑制。

质谱已成为连接蛋白质与基因的重要技术, 是大规模自动化鉴定蛋白质的重要方法, 因为蛋白质的酶解是有规律可寻的, 每种蛋白酶针对特定蛋白的酶解的片断质量和数量都较恒定。质谱分析能精确地检测某种蛋白质经特定酶解后的质量和数量, 与已建立好的蛋白数据库对照从而确定该蛋白的种属。其优点是对待测检验物纯度要求不高, 可直接对酶解液进行分析, 具有灵敏度高速度快等特点。用来分析蛋白质或多肽的质谱有两个主要部分：①样品的离子源; ②测量分子量的装置。一种是基质辅助激光解吸附电离飞行时间质谱(MALDI-TOF)为一脉冲式的离子化技术, 它从固相标本中产生离子, 并在飞行管中测其分子量。另一种是电喷雾质谱(ESI-MS), 是一连续离子化的方法, 从液相中产生离子, 联合四极质谱或在飞行时间检测器中测其分子量。近年来, 质谱的装置和技术有了长足的进展, 在MALDI-TOF中, 最重要的改进是离子反射器的延迟提取, 可达相当精确的分子量。在ESI-MS中, 纳米级电雾源的出现使微升级的样品在30~40 min内分析成为现实。

应用领域

营养基因组学的另一项重要的应用是建立营养素需要量。传统的用来估测营养素需要量的方法，如平衡实验或因子分析并非适用于所有营养素，尤其是那些具有较强稳态作用，涉及到复杂分子调控的营养素。而对于营养学家来讲，寻找合适的用于反映营养状态的指标一直是此类研究的难题。在1998-2001年美国发布的新的膳食参考摄入量（dietary reference intakes, DRIs）中，只有四个营养素需要量的测定全部或部分依赖于生化指标，而没有一个营养素需求量的测定涉及到基因表达水平的分析。基因组技术将有助于发现大批分子水平上可特异地反映营养素水平的指标，从而大大推动这方面的工作；而且可使营养需要量的建立基于更科学的分子机制基础之上。此外，在将来的工作中，基于个体基因组特征的营养素需要的概念将被广泛地接受。因为个体基因组差异对营养素吸收、代谢、储存等的影响已逐渐为人们所认识。

应用实例

基因组营养学涵盖了一个广泛的领域, 它研究营养素和基因表达的相互影响。基因组营养学的关键作用之一在于探讨特殊基因多态性和营养素个体化反应之间的联系。随着对人类单核苷酸多态性认识的不断深入, 其目标就是基于患者个体的基因型特征, 预测其对营养素的反应, 以提供个性化膳食营养建议, 而非基于群体做出一般建议, 最终达到基因治疗的目的。营养基因组学的目的不是改变用于消费的各种食品以提高它们的营养成分, 而是在于食用那些食品, 如何让基因更好地适应, 如何改变基因的作用和结构。同时, 如何根据每个人自己的基因特点制定食谱, 补充特定的营养成分, 以弥补由于基因变异造成对健康的影响。有的还可以防止某些基因突变或改变基因的活动情况, 从而达到预防疾病、延缓衰老、促进健康的目的。

应用基因组学技术将阐明与营养相关的单核苷酸多态性(SNPs), 并用来研究人体对某些疾病易感性以及对营养素(食物)需求的个体间差异。营养素的推荐膳食供给量或膳食参考摄入量都是对群体而言的, 然而人与人的基因是有差异的。人的基因组中约有140万~200万个SNPs, 其中6万多个存在于外显子中, 这可能是人体对营养素需求及响应差异的重要分子基础。因此, 将来的营养学研究将逐渐趋向个体化, 通过对基因构成以及代谢型的鉴定, 给出每个人的最佳食谱。

南加利福尼亚大学凯克医学院和洛杉矶加利福尼亚大学、格劳医学院的研究表明：基因突变与动脉硬化有关。研究指出：体内有5-脂肪氧合酶(5-lipoxygenase, ALOX5)突变体的人患动脉硬化的风险较高。动脉硬化是指胆固醇在动脉壁上积聚而导致心脏病。洛杉矶加利福尼亚大学动脉硬化研究的参与者中有5%体内出现这种ALOX5变体。这种基因突变体会因摄入ω-6多不饱和脂肪酸而增强, 但摄入含ω-3多不饱和脂肪酸则可使其受到阻碍。因此, 对携带ALOX5突变体的人应少食含有ω-6多不饱和脂肪酸的肉类和植物油, 多食用富含ω-3不饱和脂肪酸的鱼类如鲑鱼, 还应适当补充含二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid, EPA)和二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid, DHA)的深海鱼油制剂和维生素E。

叶酸代谢是近年来医学、遗传学和营养学研究的热点之一, 主要是因为人们发现叶酸与神经管畸形、肿瘤和心血管疾病有关。已知MTHFR是同型半胱氨酸代谢中的关键酶之一, 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基因等677位的碱基由C→T、1298A→C型等的突变所造成的。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, 增加了心血管疾病的神经管缺陷的危险性。而实验和临床资料表明, 大剂量补充叶酸可以增加体内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。

另一个SNP是如何改变基因表达的突出例子就是乳糖耐受性例子。成年人一般都是乳糖不耐受的。而产生这种现象的是9 000年前的北欧人的乳糖分解酶-根皮苷水解酶(lactase-phlorizin hydrolase, LCH)基因发生的一个突变。尽管在这个基因中有11个SNP, 而这些SNP又可以分成4种(A, B, C和U)常见的单倍体型, 在位于LCH上游14 kb处C13910T的SNP则与乳糖的而受性显著关联。通常认为这个多突变可以改变蛋白质-DNA间的相互作用, 从而对基因的表达进行调控。被认为乳糖耐受性的A单倍体型在北欧人群中的分布频率为86%, 而在南欧人群中的频率却只有36%。在群体中的这种优势基因型对于营养水平的提高, 预防脱水和改善钙的吸收具有重要的作用。在其他启动子中的调控型SNPs (rSNPs)似乎对于基因的表达调控具有重要的作用。

学科展望

目前, 营养基因组学的研究正在不断的发展, 科学家们越来越不倾向于从性质或营养作用方面找答案, 而是倾向于研究以营养基因组学为基础的系统生物学的相互影响以促进健康。我们相信, 随着有关各种族基因特点的巨大资料库的建立和记录人类基因组信息的人类基因组芯片的出现, 不仅为科学家和医生们进行疾病研究而且也为促进人类健康的基因营养提供依据,并将为营养基因学开拓更加广阔的应用前景。

有专家预测, 营养基因组学将会是继药物基因组学之后让世人瞩目的新的焦点学科。它不仅有助于人们更好地理解个体由于基因差异而对各种食物成分以及饮食方式所产生的不同反应, 而且相关的营养基因组数据也会为特定人群研制有效的食疗方案打下扎实的基础。营养基因组学的未来发展有望像药物基因组学打造“个性化药物”那样, 为人们量身定做出能满足个体需求的“个性化食品”。在揭示人类遗传密码顺序的人类基因组图谱绘制成功之后, 一项以基因组为基础的营养学研究将给疾病治疗带来一场革命。那时, 人们可以根据各自的基因图谱制定一份个性化的饮食方案, 以此防病治病。