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文檔簡介
分子營養(yǎng)學(xué)研究進(jìn)展摘要:分子營養(yǎng)學(xué)應(yīng)用生物學(xué)從分子水平研究營養(yǎng)學(xué),經(jīng)歷長期的發(fā)展,從最初從疾病的研究到如今從基因方法控制營養(yǎng)和代謝,技術(shù)水平有了巨大的進(jìn)展。而且從分子水平解釋了肥胖、高血壓、冠心病等慢性疾病的基因表達(dá)途徑。今年來營養(yǎng)與基因表達(dá)、營養(yǎng)與遺傳、營養(yǎng)與基因組的穩(wěn)定性的研究也稱為分子營養(yǎng)學(xué)的熱點。利用現(xiàn)代組學(xué),如基因組學(xué),表觀基因組學(xué),轉(zhuǎn)錄組學(xué),蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等都為研究分子營養(yǎng)學(xué)提供了良好的研究方法。關(guān)鍵詞:分子營養(yǎng)學(xué)基因多態(tài)性營養(yǎng)素調(diào)控疾病現(xiàn)代組學(xué)1、分子營養(yǎng)學(xué)的概念應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)和方法從分子水平上研究營養(yǎng)學(xué)的一個新領(lǐng)域,是營養(yǎng)科學(xué)研究的一個層面,是營養(yǎng)科學(xué)的一個組成部分或分支[1]。即應(yīng)用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù),在基因表達(dá)調(diào)控和蛋白質(zhì)組學(xué)的水平上,研究營養(yǎng)與基因表達(dá)間的相互關(guān)系,旨在闡明營養(yǎng)素或營養(yǎng)調(diào)控因子對動物生理機能的調(diào)控機制,為有效地、經(jīng)濟地促進(jìn)動物生長發(fā)育,提高動物抗病力,最大限度地實現(xiàn)遺傳潛力提供理論依據(jù)[2]。分子營養(yǎng)學(xué)是分子生物學(xué)的重要發(fā)展方向,借助分子生物學(xué),將營養(yǎng)學(xué)、發(fā)育學(xué)、遺傳學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)聯(lián)系起來,發(fā)育營養(yǎng)學(xué)、遺傳營養(yǎng)學(xué)、癌癥預(yù)防營養(yǎng)學(xué)等新的交叉學(xué)科已不斷涌現(xiàn)。我們應(yīng)當(dāng)對傳統(tǒng)營養(yǎng)學(xué)的認(rèn)識進(jìn)行系統(tǒng)梳理、總結(jié)出營養(yǎng)調(diào)控的典型模型,建立營養(yǎng)素與基因表達(dá)有對應(yīng)關(guān)系的具體實例,再結(jié)合分子生物學(xué)的研究成果,篩選并認(rèn)識決定重要經(jīng)濟形狀的或具有社會效益的特定基因的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能等屬性。然后將這些知識應(yīng)用到營養(yǎng)因素如何調(diào)控人健康和發(fā)病過程中的基因組表達(dá),或者運用營養(yǎng)因素調(diào)節(jié)動物的經(jīng)濟性狀的主效基因表達(dá)[3]。營養(yǎng)學(xué)應(yīng)側(cè)重于預(yù)防疾病發(fā)展以及對治愈已經(jīng)完全固化疾病治療來說非常重要修復(fù)過程的支持[4]。當(dāng)前的研究熱點豐要有營養(yǎng)與基因表達(dá)、營養(yǎng)與遺傳、營養(yǎng)與基因組的穩(wěn)定性等[5]。2、分子營養(yǎng)學(xué)的發(fā)展簡史人們對營養(yǎng)素與基因之間相互作用的最初認(rèn)識,應(yīng)始于對先天代謝性缺陷的研究。1908年,GarrodAE博士在推測尿黑酸尿癥(alcaptonuria)的病因時,首先使用了“先天性代謝缺陷”(inbornerrorofmetabolism)這個名詞,并由此第一個提出了基因一酶的理論,即一個基因負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)一個特異酶的合成。該理論認(rèn)為,先天性代謝缺陷的發(fā)生是由于基因突變或缺失,導(dǎo)致某種酶缺乏、代謝途徑某個環(huán)節(jié)發(fā)生障礙、中間代謝產(chǎn)物發(fā)生堆積的結(jié)果。先天性代謝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,可針對代謝缺陷的特征,利用營養(yǎng)素來彌補或糾正這種缺陷[6]。從1988年開始分子營養(yǎng)學(xué)研究進(jìn)入了黃金時代。此時,該領(lǐng)域研究的論文與綜述驟然增多,文章所涉及的內(nèi)容大致可分為以下幾類:(1)分子生物學(xué)技術(shù)在營養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用;(2)分子生物學(xué)與營養(yǎng)學(xué)結(jié)合的必要性;(3)基因轉(zhuǎn)錄的代謝調(diào)節(jié);4)基因表達(dá)的營養(yǎng)(或營養(yǎng)素)調(diào)節(jié);(5)營養(yǎng)與變異;(6)基因多態(tài)性與營養(yǎng)素之間的相互作用對營養(yǎng)相關(guān)疾病的影響;(7)基因多態(tài)性對營養(yǎng)素需要量的影響。20世紀(jì)末至2l世紀(jì)初,人類基因組計劃完成之后相繼提出了環(huán)境基因組計劃和食物基因組計劃。隨著關(guān)于特異營養(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養(yǎng)素的需要量和營養(yǎng)素的利用等方面知識的層出不窮,就像知道人體的血型一樣,每個人也可以知道其營養(yǎng)素需要類型??稍O(shè)計出一種遺傳篩選實驗,根據(jù)不同基因型對營養(yǎng)素需要和耐受程度的不同,針對每一種基因型制訂相應(yīng)的推薦攝入量(RNI)。這種RNI與過去的推薦供給量(RDA)不同,不僅考慮了年齡和性別的差異,更主要是考慮了基因型,即個體在營養(yǎng)素需要量上的特殊性。隨著食物基因組計劃的完成,我們最終會制訂出這樣一個RNI,即它將能促進(jìn)那些對健康有利基因的表達(dá),而對退行性疾病和死亡有關(guān)基因的表達(dá)有抑制作用。這就是分子營養(yǎng)學(xué)研究的重要意義和最終目的。3分子營養(yǎng)學(xué)在營養(yǎng)科學(xué)研究中的作用3.1營養(yǎng)與基因表達(dá)研究拓寬對營養(yǎng)素功能的認(rèn)識營養(yǎng)素的生理功能概括為:提供能量、構(gòu)成和修補身體組織、調(diào)節(jié)生理功能。盡管也強調(diào)調(diào)節(jié)功能,但只是認(rèn)識到通過酶和激素的調(diào)節(jié)。直到上世紀(jì)80年代,才認(rèn)識到營養(yǎng)素可以直接和獨立地調(diào)控基因表達(dá)。例如,通過脂肪酸對基因表達(dá)調(diào)控的研究,發(fā)現(xiàn)脂肪酸不僅是供能物質(zhì)和生物膜的重要組成部分,而且可通過細(xì)胞膜受體信號途徑和轉(zhuǎn)錄因子活化途徑調(diào)節(jié)基因表達(dá)等而發(fā)揮重要的生理功能。如今已發(fā)現(xiàn)膳食脂肪酸至少通過三種不同的機制調(diào)控基因表達(dá):(1)作為類花生酸的前體物;(2)作為核受體的配體;(3)調(diào)控核內(nèi)SREBPlc的含量[7]。3.2基因多態(tài)性的研究為制訂RNl提供了新思路當(dāng)堿基突變發(fā)生在基因序列時,可產(chǎn)生一個基因的一種以上的不同形式(又稱一個基因的不同基因型),且在人群中發(fā)生率超過1%時稱為基因多態(tài)性。。如果與營養(yǎng)有關(guān)的基因存在多態(tài)性,就會對不同個體對營養(yǎng)素的吸收、代謝和利用產(chǎn)生影響,最終導(dǎo)致對營養(yǎng)素需求和耐受產(chǎn)生差異。例如,研究發(fā)現(xiàn)雌激素受體基因、TGFB基因、維生素D受體(VDR)基因的變異均與骨質(zhì)疏松有關(guān),其中VDR基因多態(tài)性對骨密度峰值的影響達(dá)75%。有研究發(fā)現(xiàn),攜帶BB基因型的絕經(jīng)期婦女,在攝入低鈣膳食時,其鈣的吸收量明顯低于攜帶bb基因型的絕經(jīng)期婦女[8]。3.3通過營養(yǎng)與遺傳相互作用的研究加深了對營養(yǎng)與慢性病的認(rèn)識遺傳和環(huán)境因素的交互作用使肥胖、高血壓、高血脂、冠心病、糖尿病和癌癥等慢性非傳染性疾病的患病率增加。例如,冠心病的發(fā)生與遺傳和年齡有關(guān)。研究者已經(jīng)找到許多與調(diào)節(jié)血脂相關(guān)的基因,如果其中有一個基因發(fā)生突變,則血脂水平可能會受影響。但是,研究發(fā)現(xiàn):具有決定血脂升高遺傳特征的人并不一定發(fā)生冠心病[9]。4、分子營養(yǎng)學(xué)研究的主要內(nèi)容分子營養(yǎng)學(xué)主要包括以下幾個方面內(nèi)容:(1)代謝性和營養(yǎng)性疾病的分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)。(2)利用基因表達(dá)的營養(yǎng)調(diào)控改變機體代謝。(3)核酸及蛋白質(zhì)檢測技術(shù)在臨床營養(yǎng)中的作用。(4)DNA重組技術(shù)及轉(zhuǎn)基因技術(shù)在臨床營養(yǎng)治療中的應(yīng)用[10]。4.1代謝性和營養(yǎng)性疾病的分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)代謝性及營養(yǎng)性疾病有其遺傳學(xué)基礎(chǔ),隨著分子生物學(xué)知識及技術(shù)的發(fā)展,人們對這些疾病的診斷及治療日趨成熟。4.2營養(yǎng)素調(diào)節(jié)與基因表達(dá)基因表達(dá)的調(diào)控是分子生物學(xué)研究中最活躍領(lǐng)域,基因表達(dá)是指按照基因組中特定結(jié)構(gòu)基因上所攜帶的遺傳信息,經(jīng)轉(zhuǎn)錄、翻譯等步驟,指導(dǎo)合成具有特定氨基酸順序的蛋白質(zhì)的過程。基因表達(dá)的調(diào)控包括:基因組合、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后、翻譯及翻譯后等水平上的控制[11]。營養(yǎng)素不僅在新陳代謝過程中作為底物、輔酶或輔助因子,而且還在調(diào)節(jié)各種編碼蛋白質(zhì),如酶、載體、受體和生物體的結(jié)構(gòu)成分的基因方面發(fā)揮作用。例如,脂肪合成所需的脂肪酸合成酶的基因是協(xié)同表達(dá)的,它在轉(zhuǎn)錄和翻譯這兩水平均受營養(yǎng)素的調(diào)控。4.3膳食營養(yǎng)素推薦攝入量與基因多態(tài)性傳統(tǒng)的膳食推薦營養(yǎng)模式假定了一個正常分布和均一的人群,但實際上不同人群或同一人群不同個體間的基因都存在差異,從而影響了個體或者特定人群的營養(yǎng)需要量。攜帶血色素沉著癥基因的雜合子人群,長期攝人富含鐵或強化鐵的食品,具有潛在的不良影響。由于基因多態(tài)性對營養(yǎng)素內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡的潛在影響,對于不同人群基因多態(tài)性的研究將有助于制定對營養(yǎng)缺乏或者過量易感的特定亞人群的特殊膳食指南。例如,鈣的吸收與維生素D受體等位基因存在連鎖關(guān)系。由于基因變異,不同基因型的骨質(zhì)疏松患者由于鈣的攝入量存在差異。4.4核酸及蛋白質(zhì)檢測技術(shù)在臨床營養(yǎng)中的作用。許多實驗發(fā)現(xiàn),糖皮質(zhì)激素、甲狀腺素及雌激素等能影響機體白蛋白質(zhì)基因表達(dá)。糖皮質(zhì)激素能促進(jìn)人肝細(xì)胞白蛋白mRNA的合成,其機制可能廣泛存在與受體水平、轉(zhuǎn)錄、翻譯及翻譯后水平[12]。4.5分子生物學(xué)技術(shù)在臨床營養(yǎng)治療中的應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)及基因工程的發(fā)展,正在對人類食物及臨床營養(yǎng)學(xué)發(fā)生深刻的影響,其中cDNA、DNA重組、轉(zhuǎn)染、轉(zhuǎn)基因技術(shù)及基因治療等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于臨床營養(yǎng)研究的各個領(lǐng)域,并正對臨床營養(yǎng)的實踐中起著重要作用。例如,生長抑素是首個通過重組技術(shù)合成的激素,臨床實踐證明,生長抑素在抑制消化液分泌,治療腸外瘺等方面取得了顯著效果[13]。4.6營養(yǎng)素調(diào)控細(xì)胞功能的基礎(chǔ)是基因表達(dá)的調(diào)控。糧油和食品中營養(yǎng)素對基因表達(dá)的調(diào)控研究可從以下幾個方面著手:(1)篩選和鑒定機體對營養(yǎng)素作出應(yīng)答反應(yīng)的基因;(2)明確受膳食調(diào)控基因的功能;(3)研究營養(yǎng)素對基因表達(dá)和基因組結(jié)構(gòu)的影響及其作用機制,一方面可從基因水平深入理解營養(yǎng)素發(fā)揮已知生理功能的機制,另一方面有助于發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)素新的功能。(4)利用營養(yǎng)素修飾基因表達(dá)或基因結(jié)構(gòu),以促進(jìn)有益健康基因的表達(dá),抑制有害健康基因的表達(dá)[14]。4.7個體化的疾病預(yù)測預(yù)防及臨床上對病人的飲食指導(dǎo)將來我們每個人都會有自己的基因譜圖,根據(jù)基因型的特點,就會確定哪些膳食因素是哪些疾病的危險因素,從而指導(dǎo)人們在實際生活中加以避免。具體研究內(nèi)容包括:(1)鑒定與營養(yǎng)相關(guān)疾病有關(guān)的基因,并明確在疾病發(fā)生、發(fā)展和疾病嚴(yán)重程度中的作用。(2)基因多態(tài)性對營養(yǎng)相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展和疾病嚴(yán)重程度的影響。(3)營養(yǎng)素與基因相互作用導(dǎo)致營養(yǎng)相關(guān)疾病和先天代謝性缺陷的過程及機制。(4)生命早期飲食經(jīng)歷對成年后營養(yǎng)相關(guān)疾病發(fā)生的影響及機制。5、現(xiàn)代營養(yǎng)學(xué)研究方法新的和先進(jìn)的分子生物學(xué)技術(shù)給研究營養(yǎng)科學(xué)提供很多機會。這些技術(shù)往往是基于不同的組學(xué)(基因組學(xué),表觀基因組學(xué),轉(zhuǎn)錄組學(xué),蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué))[15]。5.1營養(yǎng)流行病學(xué)流行病學(xué)是研究人群中疾病的發(fā)生和決定因素[16]。5.2基因組學(xué)基因組學(xué)是指所研究個體的所有基因(基因組),包括這些基因的相互之間以及與個體的環(huán)境之間的相互作用[17]。營養(yǎng)的生理效應(yīng)取決于多個進(jìn)程如消化和吸收在胃腸道,傳輸在血液中,吸收和代謝的各種細(xì)胞,并通過腎臟和胃腸道排泄。每一個過程涉及到多個基因產(chǎn)物具有多態(tài)性,這可能會改變宿主的生理反應(yīng)的飲食。5.2.1微量元素對基因表達(dá)的調(diào)控鋅對基因表達(dá)的調(diào)控。鋅作為動物體的、一種必需微量元素,具有增強機體免疫功能、促進(jìn)細(xì)胞增值分化、參與核酸蛋白質(zhì)代謝、維持細(xì)胞周期正常進(jìn)行等生物學(xué)功能。上述作用以前曾被認(rèn)為主要是由于含鋅酶活性的改變以及對細(xì)胞信號傳導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)牛影響的結(jié)果,但近年來的研究表明。事實并不如此,鋅主要是通過對基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)的影響而產(chǎn)生一系列的生物學(xué)效應(yīng)。研究認(rèn)為,鋅離子足l’2聚合酶的一個重要組成成分.鋅對于維持l’2聚合酶的活性具有相當(dāng)?shù)闹匾裕毫硗怃\通過影響1’2聚合酶活性及轉(zhuǎn)錄因子的作用,能夠?qū)е禄蜣D(zhuǎn)錄異常,從而使蛋白質(zhì)表達(dá)也發(fā)生變化;還有飼料中鋅的含量,可以通過影響金屬調(diào)節(jié)蛋白的轉(zhuǎn)錄活性而影響金屬硫蛋白基因的表達(dá)[18]。5.2.2抗菌肽基因工程抗菌肽作用于細(xì)菌的細(xì)胞膜,破壞膜的完整性,造成離子通道,最終導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)含物的泄漏,,由于抗菌肽具有廣譜殺菌作用、相對分子量較小、熱穩(wěn)定、水溶性好等優(yōu)點,更為重要的是抗菌肽對真核細(xì)胞幾乎沒有作用,僅僅作用于原核細(xì)胞和發(fā)生病變的真核細(xì)胞,在目前不少病原菌對原有抗生素逐步產(chǎn)生耐藥性,尤其是肉用動物長期使用抗生素受到嚴(yán)格檢查和批評時,對畜禽體內(nèi)自然產(chǎn)生的抗菌肽功能的了解以及設(shè)計一種方法來調(diào)節(jié)動物體內(nèi)自然抗菌肽的功能便顯得極為重要。其中通過抗菌肽基因的克隆與表達(dá)而大量生產(chǎn)抗菌肽是一種較為直接而有效的方法[19]。5.2.3現(xiàn)代“組學(xué)”技術(shù)也可應(yīng)用在園藝產(chǎn)品營養(yǎng)學(xué)研究中基因組學(xué)時代,現(xiàn)代代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)已被用于果蔬產(chǎn)品營養(yǎng)學(xué)的研究。代謝組學(xué)(metabolomics)是繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科,它以生物系統(tǒng)中的代謝產(chǎn)物為研究對象,所提供的信息更能夠揭示生物體系生理和生化功能狀態(tài)[20]。5.3表觀基因組學(xué)基因和飲食交互作用一個經(jīng)典的例子是飲食治療苯丙酮尿癥(PKU)。PKU是在編碼肝酶丙氨酸羥化酶基因突變而引起的遺傳性疾病。從苯丙氨酸代謝到酪氨必須要有這種酶酸。在PKU的酶不存在,過多的苯丙氨酸在體內(nèi)蓄積會引起智力低下。然而,當(dāng)新生兒被診斷出患有苯丙酮尿癥,他們可以得到一個苯丙氨酸飲食,防止苯丙氨酸的血液中高濃度的神經(jīng)毒性作用[21]。5.4轉(zhuǎn)錄組學(xué)轉(zhuǎn)錄組學(xué)是指在給定的時間內(nèi)完整地收集細(xì)胞或組織中基因的轉(zhuǎn)錄,并研究對于飲食變化的關(guān)系[22][23]。人類飲食干預(yù)研究成功地用轉(zhuǎn)錄組學(xué)表明飲食可以改變基因的表達(dá)[24]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)(transcriptomics)是一門在整體水平上研究某一階段特定組織或細(xì)胞中全部轉(zhuǎn)錄本的種類、結(jié)構(gòu)和功能,以及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律的科學(xué)。它是功能基因組學(xué)的重要組成部分,可用來比較不同組織或生理狀況下基因表達(dá)水平差異,發(fā)現(xiàn)與特定生理功能相關(guān)的基因,推測未知基因[25]。5.5蛋白質(zhì)組學(xué)飲食可誘導(dǎo)蛋白的翻譯后修飾。例如,Henze和他的同事研究表明,蛋白質(zhì)-能量的營養(yǎng)不良會導(dǎo)致血液中轉(zhuǎn)甲狀腺素濃度的變化和翻譯后的蛋白質(zhì)的修飾[26]。5.6代謝組學(xué)代謝組學(xué)可以用來確定特殊營養(yǎng)素的生物標(biāo)記。例如,最新研究顯示,從果蔬中提取的類胡蘿卜素用于生物標(biāo)記,可以用于分析攝取后血液中類胡蘿卜素的濃度。比起飲食調(diào)查問卷更能說明類胡蘿卜素具有抗乳腺癌的功效[27]。然而,營養(yǎng)基因組學(xué)要求的深刻理解營養(yǎng)學(xué),遺傳學(xué),生物信息學(xué),人體生理學(xué)和病理學(xué)和生物化學(xué),以及組學(xué)技術(shù)的發(fā)展。因此,即使是專業(yè)人士,他也往往很難將所有的跨學(xué)科的信息聯(lián)系在一起去優(yōu)化健康,延緩疾病發(fā)作,并減少疾病的嚴(yán)重程度的預(yù)防辦法[28]。6結(jié)語我國營養(yǎng)學(xué)發(fā)展存在的主要問題1、教育體系缺陷導(dǎo)致營養(yǎng)學(xué)專業(yè)人才匱乏。2、民眾對營養(yǎng)學(xué)重要性的認(rèn)識不足。3、營養(yǎng)信息標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化建設(shè)滯后[29]。營養(yǎng)學(xué)的發(fā)展日新月異,不僅為普通人的生活謀利,更為國家和民族的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。未來營養(yǎng)學(xué)的發(fā)展將個體營養(yǎng)與整體營養(yǎng)結(jié)合,并由此派生出一系列的分子生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)研究,這將大大提高我國國民的身體素質(zhì)和健康基礎(chǔ)水平。綜上所述,由于分子生物學(xué)技術(shù)在營養(yǎng)科學(xué)研究中的應(yīng)用促進(jìn)了營養(yǎng)科學(xué)的發(fā)展,但就營養(yǎng)科學(xué)研究本身而言,仍要宏觀與微觀并舉,既要不斷將營養(yǎng)科學(xué)研究提高到分子水平,又要充分發(fā)揮宏觀研究的優(yōu)勢,不斷將營養(yǎng)科學(xué)研究引向深入。參考文獻(xiàn)[1][5][7][8][9]趙法伋,郭俊生.分子營養(yǎng)學(xué)概述,營養(yǎng)學(xué)報.2006,28(1):1-3.[2][29]馬向明,楊在賓,宋美玲.分子營養(yǎng)學(xué)研究進(jìn)展,飼料研究.2005,5[3]蔡東聯(lián),林寧.營養(yǎng)學(xué)新進(jìn)展,解放軍醫(yī)學(xué)雜志.2010,35(4):360-363.[4]VanOmmen,B.;Bouwman,J.;Dragsted,L.O.;Drevon,C.A.;Elliott,R.;deGroot,P.;Kaput,J.;Mathers,J.C.;Muller,M.;Pepping,F.;etal.Challengesofmolecularnutritionresearch6:Thenutritionalphenotypedatabasetostore,shareandevaluatenutritionalsystemsbiologystudies.GenesNutr.2010,5,189–203.[6][11][12][13]吳國豪.分子營養(yǎng)學(xué)的研究及進(jìn)展,中國實用外科雜志.2004,24(1):13-15.[14]王長文,張嵐,馬洪波.分子營養(yǎn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