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营养基因组学

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营养基因组学 nutrigenomics 或nutritional genomics，是研究营养素和植物化学物质对机体基因的转录、翻译表达及代谢机理的科学。

学科介绍

营养基因组学是研究营养素和植物化学物质对机体基因的转录、翻译表达及代谢机理的科

学。它以分子生物学技术为基础，应用DNA芯片、蛋白质组学等技术来阐明营养素与基因的相互作用。目前主要是研究营养素和食物化学物质在人体中的分子生物学过程以及产生的效应, 对人体基因的转录、翻译表达以及代谢机制, 其可能的应用范围包括营养素作用的分子机制、营养素的人体需要量、个体食谱的制定以及食品安全等, 它强调对个体的作用。是继药物之后源于人类基因组计划的个体化治疗的第二次浪潮。营养基因组学所涉及的学科有营养学、分子生物学、基因组学、生物化学、生物信息学等, 从这个层面上看, 营养基因组学是基于多学科的边缘学科。

重要影响

目前认为，营养基因组学研究有可能在以下3个方面产生重要影响：

1、揭示营养素的作用机制或毒性作用。通过基因表达的变化可以研究能量限制、微量营养素缺乏、糖代谢等问题；应用分子生物学技术，能够测定单一营养素对某种细胞或组织基因表达谱的影响；采用基因组学技术，可以检测营养素对整个细胞、组织或系统及作用通路上所有已知和未知分子的影响。因此，这种高通量、大规模的检测无疑将使学者能够真正了解营养素的作用机制。此外，基因组学技术也将为饲料安全性评价、病原菌检测、掺杂及使伪甄别提供强有力的手段。

2、阐明动物营养需要量的分子生物标记。应用含有某种动物全部基因的cDNA芯片研究在营养素缺乏、适宜和过剩条件下的基因表达图谱，将发现更多的、能用来评价营养状况的分子标记物。现有的营养需要量均非根据基因表达确定，仅有极少数是依据生化指标。今后，借助于功能基因组学技术，未来可通过从DNA、RNA到蛋白质等不同层次的研究来寻找、发现适宜的分子标记物，作为评价营养素状况的新指标，进而更准确、更合理地确定动物对营养素的需要量,从而彻底改变传统的剂量－功能反应的营养素需要量研究模式。

3、使个性营养成为可能。目前的营养需要量均系针对群体而言，而未能考虑个体之间的基因差异。如人的基因上约有140～200万个单核苷酸多态性（SNPs），其中6万多个存在于外显子中，这可能是人体对营养素需求及产生反应差异的重要分子基础。因此，未来将有可能应用基因组学技术阐明与营养有关的SNPs，并用来研究动物对营养素需求的个体差异，通过基因组成以及代谢型的鉴定，确定个体的营养需要量，使个体营养成为可能，即根据动物的遗传潜力进行个体饲养，这就是“基因饲养”。此外，应用基因组技术也将有助于开发出针对一些针对性强、功效明显的动物源性功能食品。

前沿领域

膳食是影响人体健康最重要的环境因素之一。膳食因素与常见疾病的关系一直是营养学研究的主要内容。然而，人们对膳食因素与基因因素的相互作用及其对机体健康的影响知之甚少。随着人们对人类及其它生物体基因组的了解不断深入，这种状况正在开始改变。近年来，基因组技术在营养学研究中应用的例子在迅速增加，基因多态性（polymorphisms）对膳食因素与疾病关系的影响也受到愈来愈多的营养学家所关注。可以说，把浩瀚的基因组信息应用于营养学中正成为这门学科的一个巨大的挑战和新的增长点。

发展过程

最近，一个代表着营养学和基因组学相结合的新学科名词“营养基因组学”开始为人所知。2002年初，第一届国际营养基因组学会议在荷兰召开，突出地显示了基因因素目前已经成为营养学研究中不可忽略的一个重要组成部分。

最近在基因组学（genomics）、生物信息学（bioinformatics）及生物技术等领域的巨大进展使得在营养学领域对膳食与基因交互作用的研究创造了良好的条件。营养基因组学也应运而生。尽管一些营养学家已经对这门新学科可能涉及的研究、应用、以及对人类健康的潜在影响进行了论述和预测；但是，目前国际上对营养基因组学还没有一个明确的定义。有些专家认为营养基因组学不应被视为营养学的一个分支，是一种边缘学科。这个词涵盖着营养学的全部，是增添了新的内涵的未来的营养学。营养基因组学将触及营养学研究的各个领域，其与传统意义上的营养学的区别在于，其研究将充分结合和利用日益扩增的基因学领域的知识和技术。营养基因组学的一个显著特征是一系列能够监测极大数目的分子表达、基因变异等的基因组技术和生物信息学在营养学研究中的广泛应用。

可以说，没有这些功能强大的“全局性（global）”的生物检测技术以及结合了最先进的计算机技术的生物统计、大规模的数据处理等信息学方法的支持，营养基因组学就不能在真正意义上成为一门学科。营养基因组学研究将关注整个机体、整个系统或整个生物功能分子水平上的通路的轮廓（profile）变化，而非单个或几个孤立生物学标志物的改变。简单地讲，营养基因组学将主要研究在分子水平上及人群水平上膳食营养与基因的交互作用及其对人类健康的影响；并将致力于建立基于个体基因组结构特征上的膳食干预方法和营养保健手段，提出更具个性化的营养政策，从而使得营养学研究的成果能够更有效的应用于疾病的预防，达到促进人类健康的目的。

在近年得以迅猛发展的基因组生物技术中，一类可以监测细胞分子水平的轮廓（profile）的技术最为引人瞩目。其中包括用以检测RNA表达的DNA微簇列（microarray）等为代表的转录组学（transcriptomics）技术、以及检测蛋白分子的二维聚烯凝胶电泳和质谱分析为代表的蛋白组学（proteomics）技术等等。为了进一步了解硒对肿瘤发生的抑制作用的可能机制，Rao等人采用代表了6347个鼠类基因的Affymetrix高密度寡核苷酸array对喂饲了低硒膳食的C57BI/6J小鼠的小肠的基因表达水平进行了检测。相对于高硒膳食对照组，在所有被检测的基因中，84个基因的表达增高了超过两倍而48个基因的表达降低了四分之三。其中表达增高的包括DNA损伤/氧化诱导的基因如GADD34和GADD45，以及细胞增殖基因；而表达降低的则包括一些硒蛋白基因及解毒酶，如谷胱甘肽过氧化物酶（GPX1）、P4503A1、2B9等。研究结果表明硒的营养状态可能影响与肿瘤发生有关的多个途径。

营养基因组学的一个重要的应用领域是促进保健食品的开发应用。首先，基因组学的发展将提高运用基因工程方法，如DNA重组技术对食品尤其是植物性食品的改造能力。某些具有预防疾病作用的生物活性组分在天然食物中的含量很低。经基因修饰的食物往往可以大幅度提高这些组分的含量。例如，西红柿的番茄红素（lycopene）是一种较强的抗氧化剂，可以抑制活性氧引起的脂质过氧化、DNA损伤及肝坏死。因此，番茄红素可能具有预防肿瘤的作用，特别可能预防前列腺癌。但是，仅仅从膳食中摄入的番茄红素的量可能不足以产生这种预防肿瘤的作用。一个有效的办法是利用基因工程的方法提高西红柿中番茄红素的含量。无疑，对基因组知识的迅速增加将大大提高我们对食物的改造能力。

此外，基因组技术的应用将促进食物中具有保健作用的生物活性成份的筛选。目前已有多个利用功能性基因组学技术对食物中活性组分进行筛选，从而应用于疾病预防的项目在不同的国家启动。其中的一个例子是欧共体资助的筛选针对结直肠肿瘤的功能性食品项目。在这项研究中，采用了多种功能性基因组技术用于检测与结直肠肿瘤发生有关的基因，例如可以测定几乎所有蛋白质表达的蛋白组技术。高效的基因组技术使研究者能有效地发现那些既能受食物中生物活性组分调控的，又在疾病病理过程扮演重要角色的新的生物学标志物。这些分子水平的生物学标志物比传统上使用的生化学标志物具有更灵敏、更特异的优点。这一特点对于保健食品的研究尤为重要。因为保健食品不同于药物，食物中生物活性物质对机体的影响往往较微弱。因而采用传统的生化指标可能不能反映出这种微弱的改变。