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分子营养学研究进展
摘要：随着分子生物学技术的不断发展，越来越多与代谢有关的动物基因被克隆和鉴定，人们对营养与基因调控的关系越来越感兴趣。营养与动物基因表达调控的研究已成为当今动物营养学研究的一个热点领域。营养与基因表达的关系是营养素摄入影响DNA复制和改变染色体结构，二者又共同调控基因表达，即调控基因转录、翻译，决定基因产物，从而维持细胞分化、适应与生长。研究表明，主要的营养物质如糖、脂肪酸、氨基酸以及一些微量元素对动物体内许多基因的表达都有影响。

关键词：基因 营养素 调控 分子生物学

1.分子营养学的概念
分子营养学主要是研究营养素与基因之间的相互作用，是在分子水平上研究营养学的一门学科。一方面研究营养素对基因表达的调控作用；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，为促进健康，预防和控制营养缺乏病、营养相关疾病和先天代谢性缺陷提供真实、可靠的科学依据。

2.分子营养学的研究内容
①营养素对基因表达的调控作用及调节机制，从而对营养素的生理功能进行更全面、更深入的认识；利用基因表达的营养调控改变机体代谢，从而利用营养素促进对健康有益基因的表达，抑制对健康有害基因的表达；②遗传多态性对营养素消化、吸收、分布、代谢和排泄的影响，导致营养素需要量存在个体差异的遗传学基础；③代谢性和营养性疾病的分子遗传学基础，营养素与基因相互作用导致营养缺乏病、营养相关疾病和先天代谢性缺陷的机制及饲料营养干预研究；④现代分子生物学技术在营养学中的应用。
2.1营养素对基因表达的调控作用及调节机制：绝大多数营养素对基因表达的调节发生在转录水平上。基因转录是由RNA聚合酶催化完成的,转录水平的调控实质就是对RNA聚合酶活性的调节。因此凡是可影响RNA聚合酶活性的内外因素,均可对基因转录进行调节。
2.1.1氨基酸与蛋白质对基因表达的调控
氨基酸对基因表达的调控作用可能是蛋白质调控作用的一种实现方式。Bruhat等(2001)发现相关的基因组中有氨基酸反应元件;此外,体内尿素的生成量也与蛋白质的摄入量有关。在高蛋白质食物被生物体吸收后,可使尿素循环中鸟氨酸甲酰移酶、氨甲酰磷酸合成酶、胱氨酸及精氨酸酶等的mRNA水平提高、活性增强从而增加尿素合成。

2.1.2脂类对基因表达的调控
脂类是生物体中膜结构的主要成分。近年来的许多研究表明,膳食中的脂肪酸尤其是多不饱和脂肪酸(PUFA)不仅是生物膜的主要组成成分,还参与能量代谢与信号传导,与一些酶和蛋白质的表达有关。PUFA是一种重要的基因调控表达因子,如对于编码脂肪合成酶基因和脂肪酸氧化酶的基因表达分别起抑制和诱导作用,此外,还有许多PUFA对编码糖酵解酶、L2丙酮酸激酶和白细胞介素等的基因表达也有抑制作用。
迄今为止,人们发现了许多脂肪组织和肝脏的表达受PUFA的调控。Donald B Jump等(1999)研究发现,PUFA通过过氧化物酶体增生物激活受体(PPAR)依赖途径和1个类前列腺素途径可对肝脏基因转录起到调控作用。William(1990)研究了含大量PUFA的鱼油和饱和脂肪酸对大鼠肝脏中的脂肪酸合成酶(FAS)基因表达的影响,结果表明,与鱼油相比,软脂酸甘油脂显降低了FAS基因的表达。
2.1.3碳水化合物对基因表达的调控
传统动物营养学的观点认为,碳水化合物是动物体内主要的能源物质,向机体提供维持生命活动所需的能量。最新的研究表明,碳水化合物不仅只是能源的提供者,还对基因的表达有调控作用。据Guan James Wu等(2006)研究,在干扰素γ存在的条件下,壳寡糖可与巨噬细胞表面的CD14、TLR4、CR13受体结合,开启细胞内的信号通路,最终诱导NO合成酶基因的表达,促使巨噬细胞大量合成NO,能杀死肿瘤细胞和入侵机体的病原体。
磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)是糖代谢过程中一种十分重要的酶,也是肝和肾中糖元异生的关键酶。碳水化合物对于该酶的调节主要通过启动子来实现。Short等(1992)通过对大鼠PEPCK基因的分析,表明该基因启动子位于-460～+73之间的片断内,包含了大多数组织特异性和基因转录激素调控所必需的元件。当动物进食含大量糖类的日粮时,肝中PEPCK水平大幅下降,反之,则可使其水平提高。
Swanson等(2000)试验发现,饲喂高能量、高淀粉日粮的羔羊产生更多、更具活性的胰腺α-淀粉酶。
2.1.4维生素对基因表达的调控
维生素是动物体必需的营养物质,其进入动物体内可通过多种途径对动物的基因表达进行调控,影响动物的代谢、免疫、生长发育。VD是重要的骨代谢调节激素之一,其作用在于调节骨钙的内环境稳定。1,25(OH)2D3即骨化三醇是VD的活性形式,通过作用于靶细胞核内高度特异性的VD受体蛋白而调节血钙和骨钙化。VD受体蛋白为类固醇激素受体超家族的成员,是已知调节骨钙素(OC)的基因。1,25(OH)2D3介导的骨钙素转化和表达是通过VD受体蛋白上的DNA结合区和靶基因启动子附近的反应元件,即VD反应元件(VDRE)相互作用,从而改变局部的超螺旋状态而调节基因的表达实现的。
2.1.5矿物元素对基因表达的调控
矿物元素参与哺乳动物基因表达的调控,或通过第二信使发挥调控作用。如锌作为动物体的一种必需微量元素,其生物学作用已得到广泛研究,是构成许多金属酶的元素,参与体内众多代谢过程。但最新研究表明,缺锌主要是影响染色质结构和基因表达。锌对染色质结构的影响主要表现在以下几点:(1)改变组蛋白的结构特性,使染色质脱去H1,而组蛋白H1的磷酸化与基因活化和DNA合成有关;锌缺乏引起DNA的过氧化损伤(Oteizal,1995);(2)防止发生细胞凋亡(Obeid,1993)。总之,锌可稳定染色质结构,保护细胞染色质不受其他有害因子损伤,从而保护基因表达顺利进行。

2.2遗传变异或基因多态性对营养素消化、吸收、分布、代谢和排泄的影响
基因多态性决定了个体之间的差异。如果基因多态性存在于与营养有关的基因之中,就会导致不同个体对营养素吸收、代谢和利用存在很大差异,并最终导致个体对营养素需要量的不同。下面就以维生素D受体基因多态性对钙吸收的影响这个例子来说明上述观点。
VDR基因由于碱基突变,形成了3种基因型,即bb基因型、BB基因型和Bb基因型。一项研究发现,携带有BB基因型的绝经期妇女,在摄入低钙膳食时,其钙吸收量要比携带有bb基因型的绝经期妇女明显减少;另一项研究发现,当每日钙摄入量在300mg(低)至1500mg(高)之间变化时,bb基因型个体始终比BB基因型个体的钙吸收率高。因此认为bb基因型是钙吸收率高基因型,而BB基因型是钙吸收率低基因型,这种基因型不能适应低钙膳食摄入的情况。目前钙的推荐供给量(RDA)为800~1200mg/d,当RDA为800mg/d时,BB基因型人群将有相当部分的个体不能摄入足够的钙并将出现钙缺乏现象。因此针对BB基因型人群,钙的RDA要适当高一些。
2.3代谢性和营养性疾病的分子遗传学基础
虽然许多疾病,主要包括先天代谢性缺陷和慢性疾病,其发生是由营养素(当然还包括其它环境因素)与基因相互作用的结果,但二者相互作用的方式不同,在疾病发生中所起的作用亦不相同。有人将营养素、基因和疾病三者的关系用5种模型进行了描述:①模型A描述的情况是基因型决定了某种营养素是危险因素,然后该种营养素才导致疾病;②在模型B中营养素可直接导致疾病,基因型不直接导致疾病,但可在营养素导致疾病过程中起促进或加重作用;③在模型C中基因型可直接导致疾病,营养素不直接导致疾病,但可在基因型导致疾病过程中起促进或加重作用;④在模型D中营养素与基因型相互作用,共同导致疾病,而且二者均是导致疾病危险性升高所必需的;⑤在模型E中,营养素和基因型均可单独影响疾病的危险性,若二者同时存在,可明显增加疾病危险性(与单一因素存在相比)。
例如苯丙酮尿症是符合模型A的典型例子。患有该病的个体,体内编码苯丙氨酸羟化酶的基因突变,导致该酶缺乏,不能将苯丙氨酸代谢为酪氨酸而造成苯丙氨酸在体内堆积,进而引起疾病。因此该酶的基因突变决定了苯丙氨酸是危险因素,苯丙氨酸可直接导致疾病。符合模型D的例子是葡萄糖-6-磷酸-1脱氢酶缺乏所导致的疾病。该酶缺乏时,如果不吃蚕豆不会发生溶血性贫血;该酶不缺乏时,即使吃了蚕豆也不会发生溶血性贫血;只有该酶缺乏而且还吃了蚕豆的个体才会发生严重的溶血性贫血。
2.4现代分子生物学技术在营养学研究中的应用
2.4.1mRNA差异显示技术的应用
mRNA差显技术近年来应用较为广泛,是1992年由Liang和Pardee以研究与癌症发生有关的基因为目的创立的、一种鉴定与克隆哺乳动物正常生理状态与异常状态细胞之间差异表达的基因的方法。众所周知,缺乏任何一种营养素生物体都无法正常完成其生命活动。当某一种营养物质摄入过少时,动物会表现出一定的缺乏病症,如碘摄入量不足引发人的“大脖子”病;微量元素缺乏引起的发育不良等,在分子水平上就表现为某个或某些基因表达的开启、关闭或表达量的变化。营养素缺乏引起的疾病往往遍布许多器官或组织,利用mRNA差显技术,可通过对营养缺乏型动物与正常动物的mRNA进行比对,对相互之间表达有差异的cDNA进行序列测定,并与基因序列数据库中的序列作同源比较,若所获得的差异片段为新的基因片段,可申请登记入库,然后可对这些基因进行深入研究,揭示某种营养素缺乏引起疾病的分子机制。
Wang(1996)利用mRNA差显技术对缺铜6周的雄性Sprague 2 Dauley大鼠肝脏mRNA与正常大鼠肝脏mRNA进行了比较,发现有10个cDNA片段差异表达,其中1个在铜缺乏大鼠肝脏组织中的表达量是对照组的112倍,对该片段进行克隆测序,发现该基因是一新的未知基因。
2.4.2转基因技术的应用
随着分子生物学技术,特别是基因重组技术的发展,人们可按自己的意愿实现目的基因在体外的克隆、重组或人工合成。将人工分离和修饰过的基因导入生物体基因组中,由于导入基因的表达,引起生物体性状的可遗传修饰,这一技术称之为转基因技术。人们常说的“遗传工程”、“基因工程”、“遗传转化”均为转基因的同义词。经转基因技术修饰的生物体常被称为“遗传修饰过的生物体”。利用转基因技术所培育的整合有目的基因并能稳定遗传和表达的动物,就是转基因动物。通过生长素基因、多产基因、促卵素基因、高泌乳量基因、瘦肉型基因、角蛋白基因、抗寄生虫基因、抗病毒基因等基因转移,可能育成生长周期短,产仔、生蛋多和泌乳量高,生产的肉类、皮毛品质与加工性能好,并具抗病性的动物,并已在牛、羊、猪、鸡、鱼等动物中取得一定成果。
2.4.3动物生物反应器的应用
利用转基因动物生产某些具有生物活性的蛋白质,即建立动物生物反应器是转基因动物研究的热点。转基因生物反应器(bioreactor)具有投资少、成本低、产量大等优势,如以转基因小鼠生产凝血因子IX、组织型血纤维溶酶原激活因子(t-PA)、白细胞介素2、α1-抗胰蛋白酶,以转基因绵羊生产人的α1-抗胰蛋白酶,以转基因山羊、奶牛生产LAt-PA,以转基因猪生产人血红蛋白等。这些基因产品高效、优质、廉价,与相应的人体蛋白具有同样的生物活性,多随乳汁分泌,便于分离纯化,而由于外源蛋白基因仅在乳腺中表达且产物分泌到体外,因此,不会影响转基因动物的健康。

3.展望
综上所述,以基因工程为核心的分子生物学技术应用于动物营养学研究领域,具有很大的潜力,它不仅为动物营养学研究提供了一套全新的技术和方法,而且可以在基因水平上解决许多营养学问题.而且可在基因水平上解决许多动物机体生理病理变化、营养素的代谢调节机制及其与机体的相互关系等问题.基因工程抗菌肽可以减少甚至替代抗生素的使用,随着转基因技术的日益完善,各种生物性能优越的动物新品种将层出不穷,用转基因动物来大量生产各种生理活性物质,也将成为现实.无可置疑,以基因工程为主导的分子生物学技术将为畜牧业的发展开辟广阔的前景.
总之,分子生物学技术的发展和应用,将对整个人类的生产、生活产生深刻的影响.动物机体的生理病理变化,如生长发育、新陈代谢、遗传变异、免疫与疾病等,从本质来说,都是基因的表达、调控发生改变的结果.许多生命现象最终需要在分子水平上解释阐明.所以,动物营养学的研究应用与分子生物学技术,尤其是与基因工程技术相结合,从分子水平上解释营养素对机体的作用机制、动物机体的生理病理变化等问题,这是动物营养学今后的发展趋势之一.因此,及时全面地了解分子生物学理论和技术的发展对指导动物营养学的研究有特别重要的意义。

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