《營(yíng)養(yǎng)學(xué)》第十九章--分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)專(Molecular-Nutrition)課件

1、第十九章 分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)Molecular Nutrition 一、分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)概述 (一)分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)定義 分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)(molecular nutrition)主要是研究營(yíng)養(yǎng)素與基因之間的相互作用及其對(duì)機(jī)體健康影響的規(guī)律和機(jī)制。一方面研究營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控作用、對(duì)基因結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響和對(duì)機(jī)體狀況的影響；另一方面研究遺傳因素對(duì)營(yíng)養(yǎng)素消化、吸收、分布、代謝和排泄的決定作用。在此基礎(chǔ)上，探討二者相互作用對(duì)生物體表型特征(如營(yíng)養(yǎng)充足、營(yíng)養(yǎng)缺乏、營(yíng)養(yǎng)相關(guān)疾病、先天代謝性缺陷)影響的規(guī)律，從而針對(duì)不同基因型及其變異、營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因表達(dá)的特異調(diào)節(jié)，制訂出營(yíng)養(yǎng)素需要量、供給量標(biāo)準(zhǔn) 和膳食指南，或制定特殊膳食平衡

2、計(jì)劃，為促進(jìn)健康，預(yù)防和控制營(yíng)養(yǎng)缺乏病、營(yíng)養(yǎng)相關(guān)疾病和先天代謝性缺陷提供真實(shí)、可靠的科學(xué)依據(jù)。分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)主要包括以下研究?jī)?nèi)容。 營(yíng)養(yǎng)基因組學(xué)(nutrigenomics)研究營(yíng)養(yǎng)素和植物化學(xué)物質(zhì)(phytochemicals)對(duì)人體基因的轉(zhuǎn)錄、翻譯表達(dá)以及代謝機(jī)制的科學(xué)。它主要從分子水平和人群水平研究膳食營(yíng)養(yǎng)與基因的交互作用及其對(duì)人類健康的影響。 分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)的研究?jī)?nèi)容： 1.營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控作用及調(diào)節(jié)機(jī)制，對(duì)營(yíng)養(yǎng)素的生理功能進(jìn)行更全面、更深入的認(rèn)識(shí)。 2.利用營(yíng)養(yǎng)素促進(jìn)對(duì)健康有益基因的表達(dá)和抑制對(duì)健康有害基因的表達(dá)。 3.遺傳變異或基因多態(tài)性對(duì)營(yíng)養(yǎng)素消化、吸收、分布、代謝和排泄的影響。

3、4.營(yíng)養(yǎng)素需要量存在個(gè)體差異的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。 5.營(yíng)養(yǎng)素與基因相互作用導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)缺乏病、營(yíng)養(yǎng)相關(guān)疾病和先天代謝性缺陷的機(jī)制及膳食干預(yù)研究。 (二)分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史 人們對(duì)營(yíng)養(yǎng)素與基因之間相互作用的最初認(rèn)識(shí)，應(yīng)始于對(duì)先天代謝性缺陷的研究。1908年，DrArchibald EGarrod在推測(cè)尿黑酸尿癥(alcaptonuria)的病因時(shí)，首先使用了“先天代謝性缺陷”(inborn errors of metabolism)這個(gè)名詞術(shù)語，并由此第一個(gè)提出了基因-酶的概念(理論)，即一個(gè)基因負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)一個(gè)特異酶的合成。 1948年，Gibson發(fā)現(xiàn)隱性高鐵血紅蛋白血癥(recessive methe

4、moglobinemia)是由于依賴NADH高鐵血紅蛋白還原酶缺乏所致；1952年，Cori提供證據(jù)表明葡萄糖-6-磷酸酶缺乏可導(dǎo)致馮奇爾克癥(Von Gierkes disease)；1953年，Jervis的研究表明苯丙酮酸尿癥(phenylketonuria，PKU)的發(fā)生是由于苯丙氨酸羧化酶缺乏所致。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)了300多種先天代謝性缺陷。 先天代謝性缺陷的病因是由于基因突變，導(dǎo)致某種酶缺乏從而使?fàn)I養(yǎng)素代謝和利用發(fā)生障礙；反過來講，可針對(duì)代謝缺陷的特征，利用營(yíng)養(yǎng)素來彌補(bǔ)或糾正這種缺陷。以典型的PKU為例，由于苯丙氨酸羧化酶缺乏，使苯丙氨酸不能代謝為酪氨酸，從而導(dǎo)致苯丙氨酸堆積和酪

5、氨酸減少，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。先天代謝性缺陷的治療就是營(yíng)養(yǎng)素與基因之間 相互作用的一個(gè)早期例子，雖然營(yíng)養(yǎng)素沒有對(duì)基因產(chǎn)生直接作用，但營(yíng)養(yǎng)素可彌補(bǔ)基因的缺陷。 由于在先天代謝性缺陷研究與治療方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并獲得了突出成就。從1988年開始分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究進(jìn)入了黃金時(shí)代。 人類基因組計(jì)劃完成之后相繼提出了環(huán)境基因組計(jì)劃和食物基因組計(jì)劃。食物基因組計(jì)劃主要是找出那些能對(duì)膳食成分(營(yíng)養(yǎng)素和非營(yíng)養(yǎng)素)做出應(yīng)答反應(yīng)的基因及其多態(tài)性，和那些 與營(yíng)養(yǎng)素代謝有關(guān)的突變基因。基因多態(tài)性決定了個(gè)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)素的敏感性不同，從而決定了個(gè)體之間對(duì)營(yíng)養(yǎng)素需要量存在很大差異。隨著關(guān)于特

6、異營(yíng)養(yǎng)素如何影響基因表達(dá)，及特異基因或基因型如何決定營(yíng)養(yǎng)素的需要量和營(yíng)養(yǎng)素的利用等方面知識(shí)的層出不窮，就象知道人體的血型一樣，每個(gè)人也可以知道其營(yíng)養(yǎng)素需要 類型?？稍O(shè)計(jì)出一種遺傳篩選實(shí)驗(yàn)，將根據(jù)不同基因型對(duì)營(yíng)養(yǎng)素需要和耐受程度的不同，針對(duì)每一種基因型制訂相應(yīng)的RNI。這種RNI與過去的RDA不同，不僅考慮了年齡和性別的差異，而且更主要是考慮了基因型，即個(gè)體在營(yíng)養(yǎng)素需要量上的特殊性。隨著食物基因組計(jì)劃的完成，我們最終會(huì)制訂出這樣一個(gè)RNI。 它將能促進(jìn)那些對(duì)健康有利基因的表達(dá)，而對(duì)退行性疾病和死亡有關(guān)基因的表達(dá)有抑制作用。 二、營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控 在人生命過程中，無一不是受基因表達(dá)有條不紊調(diào)

7、控的結(jié)果。而環(huán)境因素，尤其是營(yíng)養(yǎng)或營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因表達(dá)會(huì)產(chǎn)生直接或間接作用，從而對(duì)上述生命現(xiàn)象產(chǎn)生重要影響。 基因功能染色體位點(diǎn)突變頻率結(jié)果apo B乳糜微粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2p23-241/106無-脂蛋白血癥或-脂蛋白血癥LPL作用于乳糜微粒的脂酶8P221/106乳糜微粒清除缺陷apo C 乳糜微粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白191/106乳糜微粒清除缺陷HTGL作用于肝臟中IDL的脂酶減少HDL2的大小成為HDL3apo E乳糜微粒清除所需191/5000高脂蛋白血癥LDL受體結(jié)合LDL的細(xì)胞表面蛋白質(zhì)191/5000家族性高膽固醇血癥apo B-100脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白21/500-1/1000家族性apo B-

8、100缺陷LCAT從外周到肝的膽固醇翻轉(zhuǎn)運(yùn)16q22.1罕見家族性卵磷脂：膽固醇轉(zhuǎn)移酶缺陷apo A1HDL和乳糜微粒的轉(zhuǎn)運(yùn)111/106 罕見HDL的產(chǎn)生缺陷，HDL-Ch和apo A1水平降低。脂蛋白的基因突變及后果 營(yíng)養(yǎng)素在短時(shí)間內(nèi)不能改變這種遺傳學(xué)命運(yùn)，但可通過營(yíng)養(yǎng)素修飾這些基因的表達(dá)，從而改變這些遺傳學(xué)命運(yùn)出現(xiàn)的時(shí)間進(jìn)程。 (一)基因表達(dá)的概念和基因表達(dá)調(diào)控的基本理論 1.基因表達(dá)的概念：所謂基因表達(dá)，是指按基因組中特定的結(jié)構(gòu)基因上所攜帶的遺傳信息，經(jīng)轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過程，指導(dǎo)合成特定氨基酸序列的蛋白質(zhì)而發(fā)揮特定生物功能的過程。 每一種細(xì)胞中都攜帶相同的表達(dá)人體所有特征的各種基因，

9、但并不是所有這些基因在所有細(xì)胞中同時(shí)表達(dá)，而必須根據(jù)機(jī)體的不同發(fā)育階段，不同的組織細(xì)胞及不同的功能狀態(tài)，選擇性、程序性地在特定細(xì)胞中表達(dá)特定數(shù)量的特定基因。由于不同發(fā)育階段和不同組織細(xì)胞存在著基因表達(dá)的不同調(diào)控機(jī)制，才決定哪種基因表達(dá)或不表達(dá)，從而決定了不同發(fā)育階段同一組織細(xì)胞具有不同的功能，不同組織細(xì)胞具有不同的結(jié)構(gòu)和功能，即基因表達(dá)存在發(fā)育階段特異性和組織細(xì)胞特異性。由此可見基因表達(dá)調(diào)控的重要性。 2.基因表達(dá)調(diào)控的基本理論：真核基因表達(dá)的調(diào)控也是在多階段水平來實(shí)現(xiàn)的，即大致可分為轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后、翻譯和翻譯后等5個(gè)水平。 轉(zhuǎn)錄前調(diào)控：是指發(fā)生在基因組水平上基因結(jié)構(gòu)的改變。這種調(diào)控方式

10、較穩(wěn)定持久，甚至有些是不可逆的，主要由機(jī)體發(fā)育過程中的體細(xì)胞分化來決定。其調(diào)控方式主要包括：基因丟失、基因擴(kuò)增、基因重排、甲基化修飾及染色體結(jié)構(gòu)改變等。 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控：是指以DNA上的特定基因?yàn)槟０澹铣沙跫?jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物這一過程的調(diào)節(jié)。主要涉及以下三種因素的相互作用。 1)RNA聚合酶(RNA polymerase，RNA Pol)，真核生物的RNA聚合酶有三種，即RNA聚合酶、。其中聚合酶的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為mRNA。基因轉(zhuǎn)錄是由RNA聚合酶催化完成的，轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控實(shí)質(zhì)就是對(duì)RNA聚合酶活性的調(diào)節(jié)。凡是影響RNA聚合酶活性的內(nèi)外因素，均可對(duì)基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)節(jié)。 2)順式調(diào)控元件(cis-acting e

11、lement)，為與結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)的特定的DNA序列，它們對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的精確起始和活性調(diào)節(jié)起著舉足輕重的作用。順式調(diào)控元件一般含有蛋白結(jié)合位點(diǎn)。順式調(diào)控元件又包括： 啟動(dòng)子(promoter)：?jiǎn)?dòng)子是與基因啟動(dòng)有關(guān)的核酸序列，位于基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)5端，只能在近距離起作用(一般在100 bp之間)，有方向性，空間位置較恒定。啟動(dòng)子又分 為以下幾種：aGoldbergHogness盒(Hogness盒，TATA盒。b上游啟動(dòng)子元件(upstream promoter element)：主要包括CAAT盒和GC盒。c組織特異性啟動(dòng)子：每一種組織細(xì)胞都有自身獨(dú)有的啟動(dòng)子，調(diào)控細(xì)胞特異性功能蛋白的表達(dá)。d

12、誘導(dǎo)性啟動(dòng)子：如cAMP反應(yīng)元件等，介導(dǎo)對(duì)cAMP、生長(zhǎng)因子等信號(hào)的反應(yīng)。增強(qiáng)子(enhancer)： 增強(qiáng)子是一類能促進(jìn)轉(zhuǎn)錄活性的順式調(diào)控元件，其特點(diǎn)是無方向性；遠(yuǎn)距離作用，距靶基因可近可遠(yuǎn)，甚至遠(yuǎn)至幾十個(gè)Kb也同樣能發(fā)揮作用，可位于基因的上游、下游或內(nèi)部；無基因特異性，對(duì)各種基因啟動(dòng)子均有作用；具有組織特異性；有相位性，它的作用雖然與距離無關(guān)，但只有當(dāng)它位于DNA雙螺旋的某一相位時(shí)，才具有較強(qiáng)活性。 沉寂子(silencer)或衰減子：其作用是抑制基因的轉(zhuǎn)錄，作用方式與增強(qiáng)子相似；加尾信號(hào)及轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)：在加PolyA尾位點(diǎn)的上游1020 bp處，常見一保守的AATAA序列，為加尾信號(hào)；而

13、具有PolyA尾基因的終止信號(hào)是GT簇，其通式為：YGTGTTYY。 3)反式作用因子(trans-acting factor)，又稱為反式作用轉(zhuǎn)錄因子，是由位于不同染色體或同一染色體上相距較遠(yuǎn)的基因編碼的蛋白質(zhì)因子。反式作用因子一般含有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(DNA-binding domain)，該結(jié)構(gòu)域能與DNA的特定序列結(jié)合，因此習(xí)慣上反式作用因子也被稱為DNA結(jié)合蛋白(DNA-binding protein)；轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域，即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性。反式作用因子與順式調(diào)節(jié)元件相結(jié)合，從而調(diào)節(jié)基因表達(dá)。 根據(jù)其作用方式，反式作用因子可分為以下三類：普通轉(zhuǎn)錄因子，這是在多數(shù)細(xì)胞中普遍存在

14、的轉(zhuǎn)錄因子，參與基因的基礎(chǔ)表達(dá)。組織特異性轉(zhuǎn)錄因子，只在特定細(xì)胞存在，并誘導(dǎo)特定基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子。誘導(dǎo)性反式作用因子，這些反式作用因子的活性可被特異的誘導(dǎo)因子所誘導(dǎo)。這種活性的誘導(dǎo)可以是新蛋白質(zhì)的合成，也可是已存在蛋白質(zhì)的翻譯后修飾。 反式作用因子的活性調(diào)節(jié)主要包括：磷酸化-磷酸化，糖基化，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用。 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控：真核基因轉(zhuǎn)錄后，必須經(jīng)過一系列的加工過程才能成為成熟的mRNA，對(duì)此過程的調(diào)節(jié)，稱為轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控。其調(diào)控方式主要包括戴“帽”，加“尾”，拼接(splicing)等。 翻譯水平的調(diào)控：翻譯過程主要涉及mRNA、tRNA、核糖體和可溶性蛋白因子四大類物質(zhì)。其中可

15、溶性蛋白因子可分為肽鏈起始因子、肽鏈延長(zhǎng)因子和肽鏈終止因子等。 1)對(duì)mRNA從細(xì)胞核遷移到細(xì)胞質(zhì)過程的調(diào)節(jié)。 2)對(duì)mRNA穩(wěn)定性調(diào)節(jié)。許多因素可影響mRNA穩(wěn)定性，從而影響作為翻譯模板mRNA的數(shù)量，最終影響蛋白質(zhì)表達(dá)的數(shù)量。 3)對(duì)可溶性蛋白質(zhì)因子的修飾。主要是通過磷酸化作用對(duì)肽鏈起始因子、延長(zhǎng)因子和終止子進(jìn)行修飾，從而影響翻譯效率。 4)對(duì)特異tRNA結(jié)合特異氨基酸運(yùn)輸至mRNA過程的調(diào)節(jié)。 翻譯后水平的調(diào)控：蛋白質(zhì)合成后，還需經(jīng)過一系列的加工過程才能成為有活性的功能蛋白質(zhì)，包括切除信號(hào)肽、磷酸化、糖基化、乙酰化等化學(xué)修飾，以及蛋白質(zhì)切割后的連接等。 (二)營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因素達(dá)的調(diào)控機(jī)制

16、1.營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因表達(dá)的作用特點(diǎn)：幾乎所有的營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因的表達(dá)都有調(diào)節(jié)作用。其作用特點(diǎn)是：一種營(yíng)養(yǎng)素可調(diào)節(jié)多 種基因的表達(dá)；一種基因表達(dá)又受多種營(yíng)養(yǎng)素的調(diào)節(jié)；一種營(yíng)養(yǎng)素不僅可對(duì)其本身代謝途徑所涉及的基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可影響其它營(yíng)養(yǎng)素代謝途徑所涉及的基因表達(dá)；營(yíng)養(yǎng)素不僅可影響細(xì)胞增殖、分化及與機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育有關(guān)的基因表達(dá)，而且還可對(duì)致病基因的表達(dá)產(chǎn)生重要的調(diào)節(jié)作用。 2.營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控水平：營(yíng)養(yǎng)素可在基因表達(dá)的所有水平(轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后、翻譯和翻譯后共5個(gè)水平)上對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，雖然不同營(yíng)養(yǎng)素各有其重點(diǎn)或?qū)Ｒ徽{(diào)節(jié)水平，但絕大多數(shù)營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上。 3.營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因表

17、達(dá)的調(diào)控途徑：營(yíng)養(yǎng)素本身或其代謝產(chǎn)物可作為信號(hào)分子，作用于細(xì)胞表面受體或直接作用于細(xì)胞內(nèi)受體，從而激活細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，并與轉(zhuǎn)錄因子相互作用激活基因表達(dá)，或直接激活基因表達(dá)。 主要途徑有：cAMP或cGMP蛋白激酶途徑；酪氨酸激酶系統(tǒng)，以上兩個(gè)途徑主要是通過對(duì)一些轉(zhuǎn)錄因子和 或輔助因子的磷酸化和去磷酸化作用，從而影響這些因子的激活基因轉(zhuǎn)錄的活性；離子通道；和或磷酸肌苷酸介導(dǎo)的途徑；細(xì)胞內(nèi)受體途徑，細(xì)胞內(nèi)受體可以是催化反應(yīng)的酶，也可以是基因表達(dá)的調(diào)控蛋白。 (三)幾種營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控 1.碳水化合物對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控：碳水化合物對(duì)許多基因的表達(dá)有調(diào)控作用，主要表現(xiàn)在碳水化合物在胃腸道消化成葡

18、萄糖及吸收人血以后，葡萄糖能夠刺激脂肪組織、肝臟和胰島細(xì)胞中脂肪合成酶系和糖酵解酶基因的轉(zhuǎn)錄。 葡萄糖對(duì)肝細(xì)胞中L丙酮酸激酶(L-pyruvate kinase，L-PK)基因和S14基因的調(diào)控機(jī)制：L-PK基因編碼的蛋白為L(zhǎng)-丙酮酸激酶，是葡萄糖酵解途徑中的關(guān)鍵限速酶；S14基因編碼一種含硫蛋白，甲狀腺素、碳水化合物和脂肪等對(duì)其表達(dá)有明顯的調(diào)節(jié)作用，并且與脂肪合成酶基因表達(dá)有明確的相關(guān)性，因此它在脂肪代謝方面起著重要作用。 L-PK基因的啟動(dòng)子有兩個(gè)因子結(jié)合位點(diǎn)，一個(gè)位點(diǎn)與上游刺激因子(upstream stimulating factor，USF)結(jié)合，屬于c-myc家族普遍表達(dá)的成員，起

19、轉(zhuǎn)錄因子作用；另一個(gè)位點(diǎn)與肝增強(qiáng)因子(hepatic enriched factor，HNF-4)或肝核因子(hepatic nuclear factor)結(jié)合，屬于類固醇甲狀腺素受體家族的一種孤兒受體，起轉(zhuǎn)錄輔助因子作用。 USF因子結(jié)合位點(diǎn)起主要作用(主要接收葡萄糖代謝產(chǎn)生的信號(hào))，HNF-4因子結(jié)合位點(diǎn)起輔助作用。S14基因的啟動(dòng)子也含有兩個(gè)因子結(jié)合位點(diǎn)，一個(gè)是與L-PK基因相同的USF結(jié)合位點(diǎn)，另一個(gè)是輔助因子結(jié)合位點(diǎn)，但輔助因子目前還不明確。同樣二者必須聯(lián)合在一起才能使S14基因?qū)ζ咸烟菨舛茸兓龀鰬?yīng)答反應(yīng)。USF結(jié)合位點(diǎn)又被稱為葡萄糖胰島素反應(yīng)元件 (glucoseinsulin response element， GIRE)或碳水化合物反應(yīng)元件(carbohydrate response element)。 葡萄糖在葡萄糖激酶作用下形成的葡萄糖-6-磷酸，是刺激基因表達(dá)的直接信號(hào)分子。后者可能通過兩種方式激活USF。一種方式是葡萄糖-6-磷酸可與USF結(jié)合形成復(fù)合物，然后再與USF結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，從而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄；另一種方式是葡萄糖-6-磷酸激活一種蛋白激酶，使USF