后基因组时代营养代谢与支持研究

　 后基因组时代营养代谢与支持研究

   中华医学杂志,2005,85（36）:2544-2549

随着20世纪90年代人类基因组测序草图的完成,生命科学进入了后基因组时代。现代生物技术对生命科学的发展产生了深远的影响,营养代谢与支持作为生命科学的重要组成部分与现代生物技术的结合更为密切,所取得的进展已影响到人类的疾病治疗模式与健康。现就后基因组时代营养代谢与支持的发展现状及发展方向谈一下我们的观点和体会。南京军区总医院普通外科李幼生

1. 营养代谢与支持研究方法的更新:传统的营养代谢与支持的研究方法主要是分子生物学和流行病学,人类基因组“工作框架图”完成标志着生命科学进入了后基因组时代,其研究的重心已从揭示生命的所有遗传信息转移到在分子整体水平对功能的研究上。新近问世的各种“组学”(OM ICS)技术与营养研究关系密切的有基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等,把这些应用在生命本质不同层次研究的现代生物技术方法和生物信息组学结合发展成完整的生命组学体系( bio2omics system) [ 1 ] 。

    自1986年基因组学这一概念首次提出以来,基因组学已被广泛应用至生命科学的各个领域。随后根据研究的需要又分别产生了功能基因组学、结构基因组学、药理基因组学、化学基因组学、毒理基因组学等。基因组学的发展对于提示人类基因构成、基因的作用起到举足轻重的作用。但基因组学不能回答诸如:蛋白质的表达水平和表达时间,翻译后修饰以及蛋白质与蛋白质或与其他生物分子的相互作用等问题。后基因组时代生命科学的中心任务就是阐明基因组所表达的真正执行生命活动的全部蛋白质的表达规律和生物功能, 由此产生了一门新兴学科?蛋白质组学。转录组学是研究机体内特定条件和时间内RNA的合成,包括蛋白编码、非蛋白编码等。代谢组学(metabolomics)作为一门新发展的技术, 在限定条件下定性和定量分析分离出的细胞系或细胞复合体的所有代谢组分,它所关注的是相对分子质量为1000以下的小分子。另一个少用的“代谢组学”(metabonomics) ,主要研究生物体系的代谢。

代谢组学主要采用稳定性同位素方法与质谱联用仪。各种组学技术在营养研究中的应用,产生营养基因组学、营养蛋白质组学和营养代谢组学的概念[ 2 ] ,早期营养蛋白质组学的概念是针对营养与疾病预防,如2001年美国癌症研究院提出的研究课题其中之一是“人类疾病预防中的营养基因组学和营养蛋白质组学( nutrigenomics and nutrip roteomics inhuman disease p revention)及美国医学科学研究院投资3500万美元采用代谢组学的研究方法对脂类进行研究( lip id metabolism and pathway strategy) 。这些研究内容促进了生命组学体系在营养代谢研究中的应用,亦促进了营养代谢与支持研究的迅速发展。

2. 营养代谢与支持研究范围与内容的扩大及深化:营养基因组学、蛋白质组学和代谢组学使营养代谢与支持的研究不再局限于临床危重病人的救治,而是扩大至营养与健康的广泛领域[ 3 ] 。营养代谢的过程取决于细胞或器官mRNA 分子表达和众多

密码蛋白的相互作用。营养成分,如氨基酸、脂肪酸和糖等,均会影响基因表达,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) ,导致mRNA 水平和/或蛋白质水平甚至其功能的改变,仅依赖生物学方法不能明确如此复杂的营养素和基因之间的关系,需要基因组学、蛋白质组学和代谢组学等研究方法共同担负揭示营养素作用机理的任务。

    营养基因组学研究的内容包括:营养素直接或间接改变基因表达或结构对人类基因组的作用;对于特定的环境和特定的人群来讲,营养素对机体的危险;某些营养素通过基因调节在慢性病发作、罹患率、进展及严重度所起的关健作用;营养素对不不同个体健康与疾病影响的程度的差异与个体基因型差异的相关性;基于营养需求、营养状况和基因型营养物质来预防、减轻或治疗慢性病[ 4 ] 。

   营养蛋白质组学有助于确定一个细胞或器官的蛋白表达,测定转录后的变异或蛋白表达方式的变异。功能基因组学和蛋白质组学也能够研究参与营养物质代谢的酶类,这种从基因组至表现型多途径伴有确定基因功能[ 5 ] 。

营养代谢组学研究内容包括营养与代谢之间复杂的关系及营养素组成在健康与疾病中的作用;研究营养素过量与缺乏对代谢平衡内稳态平衡的破坏作用;采用代谢组学的方法研究内源性代谢物,特别是脂类与人类健康的关系;小分子代谢物的毒副作用筛选与研究[ 1 ] 。

3. 临床营养代谢与支持研究的进展:无论是动物实验还是临床营养支持,为了明确营养支持的效果,监测的主要内容之一是分析蛋白合成,传统的方法是自血浆或组织中分离出蛋白质,通过分析蛋白质中放射性或稳定性同位素标记氨基酸判定营养制剂中生物效价,此方法得到的是总体蛋白合成与分解,仍不清楚每种蛋白质的合成速率。而蛋白质组学的发展可轻而易举地解决此问题。简言之,即采用双向凝胶电泳分离蛋白质,再应用质谱技术鉴定,测定已被标记的蛋白质中稳定性同位素标记的多肽即知蛋白合成率,因此,蛋白质组学可以用于评估氨基酸是否足量、安全性及血浆蛋白转录后的变型[ 6 ] 。

    营养素对基因表达的作用已成为当前营养支持研究领域的重点。氨基酸作为蛋白合成的前体物质不仅影响蛋白代谢,而且氨基酸还参与机体的内稳态平衡。营养状况和应激状态影响血液氨基酸浓度,相反,哺育细胞亦可通过调节不同基因的表达而改变氨基酸的获取,继而调节氨基酸众多生理功能。对于Ⅱ型糖尿病的发病机理我们以前更多的注意胰岛素分泌异常和机体对糖利用的降低,但近来的研究发现出生前或出生后早期营养状态对胰岛分泌发育中起重要作用[ 7 ] ,因此,严重呕吐反应的孕妇及早产儿的营养支持,不仅影响新生儿的发育,亦对其一生中某些慢性疾病的发生起到重要的调控作用。动物实验研究证实了参与上述变化的基因,断奶后大鼠分别饲以含有17% 或6%蛋白的鼠饲料8周,除了血浆氨基酸谱改变外,通过cDNA阵列分析胰岛表明, 1176 个基因中涉及代谢、神经传递素受体、蛋白质运输与导向和激素的2 /3基因出现变化,采用半定量RT2PCR进一步验证低蛋白质饲养的大鼠中分泌颗粒素、葡萄糖转运蛋白22和集合素mRNA浓度分别是正常大鼠的32% , 53%和31%[ 8 ] ,上述基因参与糖尿病的发生。

   脂肪是营养支持中另一重要的供能物质,脂肪酸通过β氧化途径代谢在细胞内产生能量,改变细胞内能量平衡可以通过改变细胞内NAD动态平衡而间接影响基因表达[ 1 ] 。过氧化质体增殖物激活的受体( PPAR)属于激素受体超家族,能够被降脂药物、苯氧乙酸脂和一些脂肪酸等物质激活。肥胖和胰岛素阻抗小鼠(ob /ob)给予抗PPAR2α特异性拮抗剂,结果表明治疗后一周血浆甘油三酯、高血糖和高胰岛素明显降低,经过对双向凝胶电泳技术分析肝脏蛋白质组,发现至少有16个蛋白位点表达上

调,采用质谱技术对蛋白进行签定, 14种蛋白为过氧化物酶体脂肪酸代谢蛋白[ 9 ] 。T细胞膜脂肪微区域( lip id rafts) 是特殊的细胞膜微区域,富含一定的蛋白质、胆固醇、糖脂、鞘磷脂,许多重要受体和细胞信号转导蛋白积聚于膜脂肪微区域中,膜脂肪微区域成为细胞进行有效和特异的信号转导的功能性平台。近来我们的研究证实多不饱和二十二碳六烯酸通过调节IL2Rα在膜脂肪微区域的分布, 使部分IL22Rα从功能性微区域移位到非功能性可溶膜区域,而产生免疫抑制作用,证实脂肪酸对基因表达的影响[ 10 ] 。

   临床营养支持中我们有时很难确定适量的营养物质和热量,过去认为过多的营养支持会加重机体代谢负担,但现在看来后果更为严重。如营养支持时氨基酸过多会产生过量的尿素,继而产生过多的膜通透性较强的氨及氨离子,消化道中释放的氨干扰代谢途径、改变肠黏膜结构,抑制动物生长、影响脑功能及促进肿瘤生长。肠内容物的变化能够改变肠黏膜上皮细胞的分子表达,因而直接影响到肠黏膜免疫功能, 从而改变肠道免疫保护功能。如Crohn病患者可以通过肠内营养改变肠内稳态而影响自肠上皮向肠黏膜免疫系统的信号。

    后基因组学时代,生物信息组学技术的应用,为临床营养代谢与支持研究建立了新的知识基础,提供了新研究工具和带来了新的科学观念,同时也对临床营养支持人才的培养提出了更高的要求[ 11 ] 。今后营养代谢与支持的发展主要集中在以下方面:(1)机体代谢的最佳营养素摄入量,特别是三大营养物质; (2)不同个体最佳摄入量的多少,常见营养素对基因表达的影响; (3)营养素对机体长期稳定代谢的影响; ( 4)采用生命组学体系技术正确评估机体(包括健康或疾病时)不同阶段对营养素需求的变化; (5)正确评估和利用生命组学体系所提供的营养信息,特别是社会伦理学方面的研究。

    随着生物信息组学的发展,可能改变现有的治疗模式,需要将临床营养支持和细胞生物学、代谢生物化学的知识结合起来,为临床患者和人类的健康带来福音。

参考文献(略)