營養基因組學

         

營養基因組學

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營養基因組學 nutrigenomics 或nutritional genomics，是研究營養素和植物化學物質對機體基因的轉錄、翻譯表達及代謝機理的科學。

目錄

學科介紹

營養基因組學是研究營養素和植物化學物質對機體基因的轉錄、翻譯表達及代謝機理的科

學。它以分子生物學技術為基礎，應用DNA芯片、蛋白質組學等技術來闡明營養素與基因的相互作用。目前主要是研究營養素和食物化學物質在人體中的分子生物學過程以及產生的效應, 對人體基因的轉錄、翻譯表達以及代謝機制, 其可能的應用範圍包括營養素作用的分子機制、營養素的人體需要量、個體食譜的制定以及食品安全等, 它強調對個體的作用。是繼藥物之後源於人類基因組計劃的個體化治療的第二次浪潮。營養基因組學所涉及的學科有營養學、分子生物學、基因組學、生物化學、生物信息學等, 從這個層面上看, 營養基因組學是基於多學科的邊緣學科。

重要影響

目前認為，營養基因組學研究有可能在以下3個方面產生重要影響：

1、揭示營養素的作用機制或毒性作用。通過基因表達的變化可以研究能量限制、微量營養素缺乏、糖代謝等問題；應用分子生物學技術，能夠測定單一營養素對某種細胞或組織基因表達譜的影響；採用基因組學技術，可以檢測營養素對整個細胞、組織或系統及作用通路上所有已知和未知分子的影響。因此，這種高通量、大規模的檢測無疑將使學者能夠真正了解營養素的作用機制。此外，基因組學技術也將為飼料安全性評價、病原菌檢測、摻雜及使偽甄別提供強有力的手段。

2、闡明動物營養需要量的分子生物標記。應用含有某種動物全部基因的cDNA芯片研究在營養素缺乏、適宜和過剩條件下的基因表達圖譜，將發現更多的、能用來評價營養狀況的分子標記物。現有的營養需要量均非根據基因表達確定，僅有極少數是依據生化指標。今後，藉助於功能基因組學技術，未來可通過從DNA、RNA到蛋白質等不同層次的研究來尋找、發現適宜的分子標記物，作為評價營養素狀況的新指標，進而更準確、更合理地確定動物對營養素的需要量,從而徹底改變傳統的劑量－功能反應的營養素需要量研究模式。

3、使個性營養成為可能。目前的營養需要量均系針對群體而言，而未能考慮個體之間的基因差異。如人的基因上約有140～200萬個單核苷酸多態性（SNPs），其中6萬多個存在於外顯子中，這可能是人體對營養素需求及產生反應差異的重要分子基礎。因此，未來將有可能應用基因組學技術闡明與營養有關的SNPs，並用來研究動物對營養素需求的個體差異，通過基因組成以及代謝型的鑑定，確定個體的營養需要量，使個體營養成為可能，即根據動物的遺傳潛力進行個體飼養，這就是「基因飼養」。此外，應用基因組技術也將有助於開發出針對一些針對性強、功效明顯的動物源性功能食品。

前沿領域

膳食是影響人體健康最重要的環境因素之一。膳食因素與常見疾病的關係一直是營養學研究的主要內容。然而，人們對膳食因素與基因因素的相互作用及其對機體健康的影響知之甚少。隨着人們對人類及其它生物體基因組的了解不斷深入，這種狀況正在開始改變。近年來，基因組技術在營養學研究中應用的例子在迅速增加，基因多態性（polymorphisms）對膳食因素與疾病關係的影響也受到愈來愈多的營養學家所關注。可以說，把浩瀚的基因組信息應用於營養學中正成為這門學科的一個巨大的挑戰和新的增長點。

發展過程

最近，一個代表着營養學和基因組學相結合的新學科名詞「營養基因組學」開始為人所知。2002年初，第一屆國際營養基因組學會議在荷蘭召開，突出地顯示了基因因素目前已經成為營養學研究中不可忽略的一個重要組成部分。

最近在基因組學（genomics）、生物信息學（bioinformatics）及生物技術等領域的巨大進展使得在營養學領域對膳食與基因交互作用的研究創造了良好的條件。營養基因組學也應運而生。儘管一些營養學家已經對這門新學科可能涉及的研究、應用、以及對人類健康的潛在影響進行了論述和預測；但是，目前國際上對營養基因組學還沒有一個明確的定義。有些專家認為營養基因組學不應被視為營養學的一個分支，是一種邊緣學科。這個詞涵蓋着營養學的全部，是增添了新的內涵的未來的營養學。營養基因組學將觸及營養學研究的各個領域，其與傳統意義上的營養學的區別在於，其研究將充分結合和利用日益擴增的基因學領域的知識和技術。營養基因組學的一個顯著特徵是一系列能夠監測極大數目的分子表達、基因變異等的基因組技術和生物信息學在營養學研究中的廣泛應用。

可以說，沒有這些功能強大的「全局性（global）」的生物檢測技術以及結合了最先進的計算機技術的生物統計、大規模的數據處理等信息學方法的支持，營養基因組學就不能在真正意義上成為一門學科。營養基因組學研究將關注整個機體、整個系統或整個生物功能分子水平上的通路的輪廓（profile）變化，而非單個或幾個孤立生物學標誌物的改變。簡單地講，營養基因組學將主要研究在分子水平上及人群水平上膳食營養與基因的交互作用及其對人類健康的影響；並將致力於建立基於個體基因組結構特徵上的膳食干預方法和營養保健手段，提出更具個性化的營養政策，從而使得營養學研究的成果能夠更有效的應用於疾病的預防，達到促進人類健康的目的。

在近年得以迅猛發展的基因組生物技術中，一類可以監測細胞分子水平的輪廓（profile）的技術最為引人矚目。其中包括用以檢測RNA表達的DNA微簇列（microarray）等為代表的轉錄組學（transcriptomics）技術、以及檢測蛋白分子的二維聚烯凝膠電泳和質譜分析為代表的蛋白組學（proteomics）技術等等。為了進一步了解硒對腫瘤發生的抑制作用的可能機制，Rao等人採用代表了6347個鼠類基因的Affymetrix高密度寡核苷酸array對餵飼了低硒膳食的C57BI/6J小鼠的小腸的基因表達水平進行了檢測。相對於高硒膳食對照組，在所有被檢測的基因中，84個基因的表達增高了超過兩倍而48個基因的表達降低了四分之三。其中表達增高的包括DNA損傷/氧化誘導的基因如GADD34和GADD45，以及細胞增殖基因；而表達降低的則包括一些硒蛋白基因及解毒酶，如穀胱甘肽過氧化物酶（GPX1）、P4503A1、2B9等。研究結果表明硒的營養狀態可能影響與腫瘤發生有關的多個途徑。

營養基因組學的一個重要的應用領域是促進保健食品的開發應用。首先，基因組學的發展將提高運用基因工程方法，如DNA重組技術對食品尤其是植物性食品的改造能力。某些具有預防疾病作用的生物活性組分在天然食物中的含量很低。經基因修飾的食物往往可以大幅度提高這些組分的含量。例如，西紅柿的番茄紅素（lycopene）是一種較強的抗氧化劑，可以抑制活性氧引起的脂質過氧化、DNA損傷及肝壞死。因此，番茄紅素可能具有預防腫瘤的作用，特別可能預防前列腺癌。但是，僅僅從膳食中攝入的番茄紅素的量可能不足以產生這種預防腫瘤的作用。一個有效的辦法是利用基因工程的方法提高西紅柿中番茄紅素的含量。無疑，對基因組知識的迅速增加將大大提高我們對食物的改造能力。

此外，基因組技術的應用將促進食物中具有保健作用的生物活性成份的篩選。目前已有多個利用功能性基因組學技術對食物中活性組分進行篩選，從而應用於疾病預防的項目在不同的國家啟動。其中的一個例子是歐共體資助的篩選針對結直腸腫瘤的功能性食品項目。在這項研究中，採用了多種功能性基因組技術用於檢測與結直腸腫瘤發生有關的基因，例如可以測定幾乎所有蛋白質表達的蛋白組技術。高效的基因組技術使研究者能有效地發現那些既能受食物中生物活性組分調控的，又在疾病病理過程扮演重要角色的新的生物學標誌物。這些分子水平的生物學標誌物比傳統上使用的生化學標誌物具有更靈敏、更特異的優點。這一特點對於保健食品的研究尤為重要。因為保健食品不同於藥物，食物中生物活性物質對機體的影響往往較微弱。因而採用傳統的生化指標可能不能反映出這種微弱的改變。