1、l DNA DNA结构在不同种类的生物体内存在很大差异结构在不同种类的生物体内存在很大差异,正是这种差异导致了生物正是这种差异导致了生物物种的多样性和不同生物之间形态学特征和生物学特征的巨大差异。而同种物种的多样性和不同生物之间形态学特征和生物学特征的巨大差异。而同种生物不同个体之间生物不同个体之间,DNA,DNA 结构虽然具有很大的同源性结构虽然具有很大的同源性,但也存在差异但也存在差异,正是这种正是这种差异导致了同种生物不同个体之间在形态学特征和生物学特征方面也存在一差异导致了同种生物不同个体之间在形态学特征和生物学特征方面也存在一定的差异。定的差异。l DNA DNA结构差异包括结构差异
2、包括DNADNA序列差异和序列差异和DNADNA序列长度差异序列长度差异,这种差异多数发生在这种差异多数发生在不编码蛋白质的区域及没有重要调节功能的区域不编码蛋白质的区域及没有重要调节功能的区域,少数发生在蛋白质编码区及少数发生在蛋白质编码区及调节基因表达区域。调节基因表达区域。DNADNA结构的差异实质结构的差异实质是是DNADNA序列的某些碱基发生了序列的某些碱基发生了突变突变。在在1%1%50%50%的人群中的人群中,平均每平均每200200300300核苷酸就有一个碱基发生了突变核苷酸就有一个碱基发生了突变(或变或变异异),),可见个体之间可见个体之间DNADNA结构存在很大变异。但由
3、于突变多数发生在非基因序列结构存在很大变异。但由于突变多数发生在非基因序列,因此多数突变得不到表达因此多数突变得不到表达,不会产生任何后果不会产生任何后果;而发生在基因序列的突变而发生在基因序列的突变,有些有些则是正常突变则是正常突变,是有益的是有益的,有些是有害的有些是有害的,甚至是致死的甚至是致死的,有些是条件有害的。有些是条件有害的。当某些碱基突变在人群中的发生率不足当某些碱基突变在人群中的发生率不足1%1%时时,称为罕见的遗传变异称为罕见的遗传变异;当某些碱当某些碱基突变基突变(产生两种或两种以上变异的现象产生两种或两种以上变异的现象)在人群中的发生率超过在人群中的发生率超过1%1%2
4、%2%时时,就称为就称为基因多态性基因多态性(gene polymorphism)(gene polymorphism)或或遗传多态性遗传多态性。l 当碱基突变发生在基因序列时当碱基突变发生在基因序列时,一个基因可产生一种以上不同的形式一个基因可产生一种以上不同的形式(又称又称一个基因的不同基因型一个基因的不同基因型),),且在人群中的发生率超过且在人群中的发生率超过1%,1%,这种情况称为这种情况称为基因多基因多态性态性。人类大约存在。人类大约存在30%30%的基因多态性的基因多态性,也就是说有也就是说有30%30%的基因发生了突变的基因发生了突变,而而大约有大约有70%70%的基因可能没有
5、发生突变的基因可能没有发生突变,这就是人类个体之间在许多方面很相似这就是人类个体之间在许多方面很相似但又有差别的原因。因此但又有差别的原因。因此,基因多态性决定了个体之间的差异。如果基因多态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性存在于与营养有关的基因与营养有关的基因之中之中,就会导致不同个体对营养素吸收、代谢和利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用存在很大差异,并最终导致个体对营养素需要量的不同。并最终导致个体对营养素需要量的不同。l一、维生素一、维生素D D受体基因多态性对钙吸收及骨密度的影响受体基因多态性对钙吸收及骨密度的影响l 影响骨质疏松发生的因素很多
6、影响骨质疏松发生的因素很多,包括年龄、性别、不同生理状态包括年龄、性别、不同生理状态(妇妇女绝经前后女绝经前后)、机体营养状况、机体营养状况(特别是钙摄入水平特别是钙摄入水平)、生活方式、生活方式(饮酒、吸饮酒、吸烟、运动烟、运动)等。但这些环境因素无法解释同一国家内和不同国家间骨质疏等。但这些环境因素无法解释同一国家内和不同国家间骨质疏松的发生存在广泛差异的原因松的发生存在广泛差异的原因;另一方面家族遗传性、双胞胎配对及不同另一方面家族遗传性、双胞胎配对及不同种族之间的比较研究种族之间的比较研究,均说明骨质疏松的发生还存在遗传因素的影响。其均说明骨质疏松的发生还存在遗传因素的影响。其中由于维
7、生素中由于维生素D D 受体受体(VDR)(VDR)基因多态性对钙吸收及骨密度均有影响基因多态性对钙吸收及骨密度均有影响,因此因此有可能是影响骨质疏松发生的遗传因素之一。有可能是影响骨质疏松发生的遗传因素之一。l VDR VDR基因由于碱基突变基因由于碱基突变,形成了形成了3 3种基因型种基因型,即即bbbb基因型、基因型、BBBB基因型和基因型和BbBb基因型。一项研究发现基因型。一项研究发现,携带有携带有BBBB基因型的绝经期妇女基因型的绝经期妇女,在摄入低钙膳食时在摄入低钙膳食时,其钙吸收量要比携带有其钙吸收量要比携带有bbbb基因型的绝经期妇女明显减少基因型的绝经期妇女明显减少;另一项
8、研究发现另一项研究发现,当每日钙摄入量在当每日钙摄入量在300mg(300mg(低低)至至1500mg(1500mg(高高)之间变化时之间变化时,bb,bb 基因型个体始基因型个体始终比终比BBBB基因型个体的钙吸收率高。因此认为基因型个体的钙吸收率高。因此认为bb bb 基因型是钙吸收率高基因基因型是钙吸收率高基因型型,而而BBBB基因型是钙吸收率低基因型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情况。目前钙的推荐供给量(RDA)(RDA)为为8008001200mgPd,1200mgPd,当当RDARDA为为00mgP
9、d00mgPd时时,BB,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。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。因此针对因此针对BB BB 基因型人群基因型人群,钙的钙的RDA RDA 要适当高一些。要适当高一些。l 一项针对一项针对72 72 位老年人的位老年人的18 18 个月的研究发现个月的研究发现,所有所有9 9 个个BB BB 基因型基因型老年人的骨密度均降低老年人的骨密度均降低,而所有而所有26 26 个个bbbb 基因型老年人的骨密度均未改基因型老年人的骨密度均未改变变,而且上述这两种情况均与钙的摄入量无关而且上述这两种情况均与钙的摄
10、入量无关;另外另外3737人的基因型为人的基因型为Bb,Bb,这些人的骨密度变化随着钙摄入量的不同而不同这些人的骨密度变化随着钙摄入量的不同而不同。l 因此因此,认为认为bbbb 基因型是高骨密度基因型基因型是高骨密度基因型,BB,BB 基因型是低骨密度基基因型是低骨密度基因型因型,这两种基因型的骨密度对钙摄入量变化反应不大这两种基因型的骨密度对钙摄入量变化反应不大,甚至与钙摄入甚至与钙摄入量无关量无关;而携带有而携带有BbBb 基因型者骨密度与钙的摄入量呈剂量基因型者骨密度与钙的摄入量呈剂量2 2反应关系。反应关系。l VDR VDR的的3 3种不同基因型在不同国家、甚至同一国家的不同种族之
11、间的基种不同基因型在不同国家、甚至同一国家的不同种族之间的基因频率分布是不同的。例如日本人群中因频率分布是不同的。例如日本人群中bb bb 基因型约占基因型约占75%,75%,而而BB BB 基因型基因型所占比例较低所占比例较低;白人中白人中bbbb基因型约占基因型约占33%,33%,而而BbBb基因型约占基因型约占50%50%。l VDR3 VDR3种基因型在不同种族人群中的不同分布可说明不同种族人群钙吸种基因型在不同种族人群中的不同分布可说明不同种族人群钙吸收、骨密度及骨质疏松发生不同的原因收、骨密度及骨质疏松发生不同的原因;同时即使在同一个种族同时即使在同一个种族,VDR 3,VDR 3
12、 种种基因型在人群中也有不同的分布基因型在人群中也有不同的分布,这可说明个体之间在钙吸收、骨密度及这可说明个体之间在钙吸收、骨密度及骨质疏松发生存在差异的原因。因此针对不同的国家、不同的种族及不同骨质疏松发生存在差异的原因。因此针对不同的国家、不同的种族及不同的个体的个体,在制订钙的推荐摄入量时应考虑不同基因型的影响。如有可能的在制订钙的推荐摄入量时应考虑不同基因型的影响。如有可能的话话,应针对不同的基因型制订不同的膳食供给量标准。另外应针对不同的基因型制订不同的膳食供给量标准。另外,在进行补钙膳在进行补钙膳食干预时也应考虑不同基因型的影响食干预时也应考虑不同基因型的影响,以便确定哪些基因型人
13、群在补钙过以便确定哪些基因型人群在补钙过程中会获得最大益处程中会获得最大益处,而哪些基因型人群获益不大、甚至一点效果也没有而哪些基因型人群获益不大、甚至一点效果也没有,以便有针对性地补钙以便有针对性地补钙;而对补钙效果不明显的那些基因型人群而对补钙效果不明显的那些基因型人群,则应采取其则应采取其它的食物或药物干预它的食物或药物干预,而不是一味盲补钙。而不是一味盲补钙。l二、亚甲基四氢叶酸还原酶基因多态性对叶酸需要量的影响二、亚甲基四氢叶酸还原酶基因多态性对叶酸需要量的影响l 按照目前叶酸的推荐的每日摄入量按照目前叶酸的推荐的每日摄入量(RDI,(RDI,美国标准美国标准),),既使某一人群既使
14、某一人群叶酸的供给量达到这一标准叶酸的供给量达到这一标准,仍有部分个体发生叶酸缺乏症状仍有部分个体发生叶酸缺乏症状,其原因是其原因是叶酸代谢发生了障碍。叶酸代谢发生了障碍。l 亚甲基四氢叶酸还原酶亚甲基四氢叶酸还原酶(MTHFR)(MTHFR)催化生物性可逆的还原反应催化生物性可逆的还原反应,将将5,1025,102亚甲基四氢叶酸还原为亚甲基四氢叶酸还原为5252甲基四氢叶酸甲基四氢叶酸,同时脱去一个甲基供体给同时脱去一个甲基供体给同型半胱氨酸同型半胱氨酸,从而合成蛋氨酸。目前研究发现从而合成蛋氨酸。目前研究发现,MTHFR,MTHFR基因第基因第677677位的碱位的碱基发生了由基发生了由C
15、TCT的突变的突变,产生了该基因的产生了该基因的3 3 种等位基因多态性种等位基因多态性,即即CPCCPC、CPT CPT 和和TPT3TPT3种基因型种基因型;同时由同时由CTCT的突变造成了该基因所编码的的突变造成了该基因所编码的MTHFR MTHFR 中的氨基酸也发生了突变中的氨基酸也发生了突变,即由即由Ala(Ala(丙氨酸丙氨酸)Val()Val(缬氨酸缬氨酸),),由此可产生由此可产生该酶的该酶的3 3个相应表型个相应表型,即即Ala-Ala(Ala-Ala(野生型野生型)、Ala-Val(Ala-Val(杂合型杂合型)、Val-Val-Val(Val(突变纯合型突变纯合型)。上述
16、这种突变增加了酶的热不稳定性。上述这种突变增加了酶的热不稳定性,使其不能与使其不能与MTHFR MTHFR 反应中的辅酶反应中的辅酶(FAD)(FAD)结合结合,而使该酶活性降低而使该酶活性降低(3(3 种酶表型的活性种酶表型的活性由高到低依次为由高到低依次为Ala-AlaAla-ValVal-Val),Ala-AlaAla-ValVal-Val),致使同型半胱氨酸向蛋氨致使同型半胱氨酸向蛋氨酸的转化发生障碍酸的转化发生障碍,导致同型半胱氨酸在血中和尿中浓度增加。导致同型半胱氨酸在血中和尿中浓度增加。l 大量研究证实大量研究证实,血同型半胱氨酸浓度增加可增加一些疾病的发病危血同型半胱氨酸浓度增
17、加可增加一些疾病的发病危险性险性:在胎儿期可致神经管缺陷在胎儿期可致神经管缺陷,在儿童期可致严重的心理发育迟缓在儿童期可致严重的心理发育迟缓;成年成年时期血浆同型半胱氨酸的少量增高时期血浆同型半胱氨酸的少量增高(15mmolPL)(15mmolPL)被认为是心血管疾病的被认为是心血管疾病的一个独立危险因素一个独立危险因素,包括明显增加心肌梗塞、卒中、外周血管疾病和静脉包括明显增加心肌梗塞、卒中、外周血管疾病和静脉栓塞的危险性。栓塞的危险性。l 对携带有对携带有CPCCPC、CPT CPT 和和TPT TPT 基因型的不同人群血中叶酸和同型半胱基因型的不同人群血中叶酸和同型半胱氨酸水平进行比较氨
18、酸水平进行比较,发现携带发现携带CPC CPC 基因型者血中叶酸水平最高基因型者血中叶酸水平最高,同型半胱同型半胱氨酸水平最低氨酸水平最低;携带携带CPT CPT 基因型者血中叶酸水平较高基因型者血中叶酸水平较高,同型半胱氨酸水平同型半胱氨酸水平较高较高;携带携带TPT TPT 基因型者血中叶酸水平最低基因型者血中叶酸水平最低,同型半胱氨酸水平最高。同型半胱氨酸水平最高。l 叶酸摄入不足只对携带有叶酸摄入不足只对携带有TPT TPT 基因型人群的影响较大基因型人群的影响较大,使血中同型使血中同型半胱氨酸水平升高半胱氨酸水平升高,而对携带有而对携带有CPC CPC 和和CPTCPT基因型者影响不
19、大基因型者影响不大(杂合表型杂合表型与野生表型很接近与野生表型很接近),),而补充大剂量叶酸时可迅速使血浆中同型半胱氨酸而补充大剂量叶酸时可迅速使血浆中同型半胱氨酸水平恢复正常水平恢复正常,其机制为高叶酸状态可增加不耐热基因型其机制为高叶酸状态可增加不耐热基因型MTHFRMTHFR (Val(Val-ValVal型型THFR)THFR)的热稳定性的热稳定性,从而增加了该酶活性。因此从而增加了该酶活性。因此,为使为使TPT TPT 基因型人基因型人群的同型半胱氨酸代谢正常群的同型半胱氨酸代谢正常,应比一般人群摄入更多的叶酸。应比一般人群摄入更多的叶酸。l 不同种族不同人群的不同种族不同人群的MT
20、HFR3MTHFR3种基因多态性的分布频率不同种基因多态性的分布频率不同:白人中白人中亚洲人群的亚洲人群的TPTTPT基因型约占基因型约占12%,CPT12%,CPT基因型大于基因型大于50%;50%;美籍非洲人群美籍非洲人群TPTTPT基基因发生率较低因发生率较低,而欧洲白人变异很大。一般认为不同种族不同人群的而欧洲白人变异很大。一般认为不同种族不同人群的TPTTPT基因型所占比例范围为基因型所占比例范围为8%8%18%(18%(也有认为是也有认为是5%5%15%),15%),可见这种易出现可见这种易出现叶酸缺乏的人群所占的比例还是相当大的叶酸缺乏的人群所占的比例还是相当大的,应引起高度重视
21、。应引起高度重视。l 目前所制订的叶酸推荐摄入量目前所制订的叶酸推荐摄入量(RNI)(RNI)是针对一般人群并是在假设这是针对一般人群并是在假设这些人群是正常的情况下制订的些人群是正常的情况下制订的,而没有考虑而没有考虑TPT TPT 突变纯合型这部分个体突变纯合型这部分个体的特殊需要的特殊需要,因此为避免叶酸缺乏造成的危害因此为避免叶酸缺乏造成的危害,对这部分特殊人群应制订对这部分特殊人群应制订更高的叶酸供给量更高的叶酸供给量。三、三、载脂蛋白基因多态性对血脂代谢的影响载脂蛋白基因多态性对血脂代谢的影响 载脂蛋白是结合血脂并运输到机体各组织进行代谢和利用的蛋白质。载脂蛋白是结合血脂并运输到机
22、体各组织进行代谢和利用的蛋白质。大量研究发现载脂蛋白基因发生突变大量研究发现载脂蛋白基因发生突变,形成不同等位基因型多态性形成不同等位基因型多态性,并进一步并进一步形成不同表型的载脂蛋白形成不同表型的载脂蛋白,可影响血脂代谢和利用可影响血脂代谢和利用,从而影响高脂血症、动脉从而影响高脂血症、动脉粥样硬化及心脑血管疾病的发病率。以载脂蛋白粥样硬化及心脑血管疾病的发病率。以载脂蛋白E(apoE)E(apoE)基因为例介绍基因为例介绍。apoEapoE可与乳糜微粒、乳糜微粒残余物、可与乳糜微粒、乳糜微粒残余物、VLDLVLDL、LDLLDL和和HDLHDL等结合形成脂等结合形成脂蛋白蛋白,并可调控这
23、些脂蛋白与特异受体并可调控这些脂蛋白与特异受体(apoE(apoE受体或受体或apoBapoB、E E受体受体)相结合相结合,以以便被代谢或利用便被代谢或利用,因此在调节血脂和脂蛋白代谢方面起着非常重要的作用。因此在调节血脂和脂蛋白代谢方面起着非常重要的作用。人类的人类的apoEapoE基因位于第基因位于第1919号染色体长臂号染色体长臂,由于某一碱基可被另外两种碱基替由于某一碱基可被另外两种碱基替代代(发生在两个不同位点发生在两个不同位点),),因而出现因而出现3 3种等位基因种等位基因,使人群中有使人群中有6 6种不同的基因种不同的基因型型:3:3种纯合子种纯合子(E2PE2(E2PE2、
24、E3PE3E3PE3、E4PE4);3E4PE4);3种杂合子种杂合子(E2P4,E2P3,E3P4)(E2P4,E2P3,E3P4)。相应。相应人群有人群有6 6种种apoEapoE表型。一般情况下人群中以表型。一般情况下人群中以apoE3apoE3基因所占比例最多基因所占比例最多,约占约占78%(78%(其中其中apoE3P3apoE3P3占占50%50%以上以上,apoE3P4,apoE3P4、E3P2E3P2约占约占20%20%左右左右),apoE4),apoE4约占约占14%,14%,apoE2apoE2约占约占7%7%。因此。因此,一般认为一般认为apoE3apoE3是野生型是野生
25、型,而而apoE4apoE4、apoE2apoE2是变异型。是变异型。由于由于apoEapoE不同表型与受体的结合活性不同及自身在体内的代谢速率存在不同表型与受体的结合活性不同及自身在体内的代谢速率存在明显差异明显差异,以及以及apoEapoE不同表型还可影响肠道对胆固醇的吸收率不同表型还可影响肠道对胆固醇的吸收率,因此因此apoEapoE 不不同表型可影响血脂水平及心脑血管疾病的发病率同表型可影响血脂水平及心脑血管疾病的发病率。l 有研究报道有研究报道,人群中人群中LDL LDL 胆固醇水平总变异的胆固醇水平总变异的16%16%可能与可能与apoEapoE等位基因等位基因变异有关。携带有变异
26、有关。携带有apoEapoE 等位基因等位基因(除除apoE3P3apoE3P3外外)的人群容易出现高总胆的人群容易出现高总胆固醇固醇(TC)(TC)、高、高LDL LDL 胆固醇胆固醇(LDL2C)(LDL2C)和和型高脂蛋白血症的倾向型高脂蛋白血症的倾向,如如apoEapoE 4 4 携带者易出现高胆固醇血症携带者易出现高胆固醇血症,而而apoE2apoE2携带者则容易出现携带者则容易出现型高脂蛋白血型高脂蛋白血症和乳糜微粒、症和乳糜微粒、VLDLVLDL堆积堆积,但其胆固醇水平较低但其胆固醇水平较低,可能由于可能由于LDL LDL 形成受阻形成受阻,以及以及LDL LDL 受体上调受体上
27、调,清除胆固醇能力增强所致。清除胆固醇能力增强所致。l 来自不同国家、不同人群的大量研究发现来自不同国家、不同人群的大量研究发现,在血脂正常的人群中在血脂正常的人群中,不同不同apoEapoE 表型者血浆表型者血浆TCTC、LDL2CLDL2C水平高低依次为水平高低依次为:E4PE4 E4PE3 E3PE3:E4PE4 E4PE3 E3PE3 E3PE2 E2PE2E3PE2 E2PE2。可见。可见apoEapoE 表型对血胆固醇水平有着明显的影响表型对血胆固醇水平有着明显的影响,而这种而这种影响不受环境和其它遗传背景的干扰。影响不受环境和其它遗传背景的干扰。近年来近年来,世界范围内大样本人群
28、调查发现世界范围内大样本人群调查发现,apoEapoE 基因型的分布在欧美基因型的分布在欧美白人中以白人中以E3P3E3P3为常见为常见,其次为其次为E3P4;E3P4;亚洲蒙古人也以亚洲蒙古人也以E3P3E3P3为常见为常见,其次为其次为E2P3;E2P3;我国汉族我国汉族apoEapoE 基因型分布与亚洲蒙古人相似基因型分布与亚洲蒙古人相似,而维吾尔族与白人相而维吾尔族与白人相似。似。了解不同种族、不同人群的了解不同种族、不同人群的apoEapoE 基因型分布基因型分布,有利于针对不同基因型有利于针对不同基因型人群采取不同的低脂肪或低胆固醇膳食干预计划人群采取不同的低脂肪或低胆固醇膳食干预
29、计划,尤其发现尤其发现apoEapoE 4 4 携带者携带者将有助于通过膳食预防和控制心脑血管疾病发病率。将有助于通过膳食预防和控制心脑血管疾病发病率。l四四、营养基因组学和营养蛋白质组学营养基因组学和营养蛋白质组学l 在医学发展的长河中在医学发展的长河中,几乎没有哪一个领域能像临床营养这样取得如几乎没有哪一个领域能像临床营养这样取得如此巨大和有价值的进展。随着分子生物学、细胞分子学及细胞内传导系统此巨大和有价值的进展。随着分子生物学、细胞分子学及细胞内传导系统的研究的研究,我们对营养素、激素、细胞因子、炎症介质对细胞代谢的作用我们对营养素、激素、细胞因子、炎症介质对细胞代谢的作用,以以及细胞
30、代谢的调控有了更深入的认识。及细胞代谢的调控有了更深入的认识。20 20 世纪世纪90 90 年代年代,人类基因组测序人类基因组测序草图的完成草图的完成,生命科学从此进入了后基因组时代。因此生命科学从此进入了后基因组时代。因此,人们也十分关注后人们也十分关注后基因组时代现代科学如何影响营养支持的研究及营养支持研究如何发展。基因组时代现代科学如何影响营养支持的研究及营养支持研究如何发展。l1.1.基因组学与蛋白质组学基因组学与蛋白质组学l 1953 1953年年,DNA,DNA双螺旋结构的发现标志分子生物学开始。双螺旋结构的发现标志分子生物学开始。19611961年年,DNA,DNA中碱中碱基对
31、序列转录基因密码的破译成功基对序列转录基因密码的破译成功,标志着基因时代的到来。以人类基因标志着基因时代的到来。以人类基因组组“工作框架图工作框架图”完成为标志完成为标志,生命科学已进入了后基因组时代。生命科生命科学已进入了后基因组时代。生命科学研究的重心已从揭示生命的所有遗传信息学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转移到在分子整体水平对功能的研究上能的研究上,从而产生了功能基因组学。但是从而产生了功能基因组学。但是,基因仅是遗传信息的携带者基因仅是遗传信息的携带者,而生命功能的真正执行者是蛋白质而生命功能的真正执行者是蛋白质,仅仅从基因的角度来研究是远远不够仅仅从
32、基因的角度来研究是远远不够的。人类基因组测序草图显示的。人类基因组测序草图显示,人类共有人类共有3030万万3535万个基因万个基因,而与蛋白质合而与蛋白质合成有关的基因只占基因组的成有关的基因只占基因组的2%2%。基因组学由于自身的局限性。基因组学由于自身的局限性,它不能回答它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之间或与其他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之间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
33、物功能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由此产生了一门新兴学科蛋白质组学蛋白质组学,与基因组学共同承担起从整体水与基因组学共同承担起从整体水平解析生命现象的重任。平解析生命现象的重任。l 蛋白质组概念最早是由澳大利亚学者蛋白质组概念最早是由澳大利亚学者WilkinsWilkins等等19941994年提出年提出,即基即基因所能表达的全部蛋白质因所能表达的全部蛋白质,更为清楚的表达是细胞或组织或机体在特定时更为清楚的表达是细胞或组织或机体在特定时间和空间上表达的所有蛋白质。具体的说间和空间上表达的所有蛋白质。具体的说,它是对不同时间和空间上发挥
34、它是对不同时间和空间上发挥功能的特定蛋白质组群进行研究功能的特定蛋白质组群进行研究,进而在蛋白质的水平上探索其作模式、进而在蛋白质的水平上探索其作模式、功能机制、调节和调控以及蛋白质组群内的相互作用。功能机制、调节和调控以及蛋白质组群内的相互作用。l 蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象的新的研究领域。它可分为蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象的新的研究领域。它可分为:表达蛋白质组学表达蛋白质组学,即确定细胞、组织中的蛋白质即确定细胞、组织中的蛋白质,建立蛋白质定量表达建立蛋白质定量表达图谱图谱,或扫描或扫描ESTEST图图;细胞图谱蛋白质组学细胞图谱蛋白质组学:即确定蛋白质在亚细胞结构即确定蛋白质
35、在亚细胞结构中的位置中的位置,通过纯化细胞器或用质谱仪鉴定蛋白质复合物组成等通过纯化细胞器或用质谱仪鉴定蛋白质复合物组成等,来确定来确定蛋白质与蛋白质的相互作用。因此蛋白质与蛋白质的相互作用。因此,科学家们预测科学家们预测,21,21世纪生命科学的研世纪生命科学的研究重心将从基因组学转移到蛋白质组学上。作为基因研究的重要补充究重心将从基因组学转移到蛋白质组学上。作为基因研究的重要补充,就就是蛋白质组学在蛋白质的水平上定量的、动态的、整体的研究生物体。是蛋白质组学在蛋白质的水平上定量的、动态的、整体的研究生物体。l2 2.蛋白质组研究的内容和方法蛋白质组研究的内容和方法l 就技术方法而言就技术方
36、法而言,蛋白质研究技术比基因技术相对要复杂和困难。蛋白质研究技术比基因技术相对要复杂和困难。不仅氨基酸残基数量远多于核苷酸残基不仅氨基酸残基数量远多于核苷酸残基(20/4),(20/4),而且蛋白质有着复杂的而且蛋白质有着复杂的翻译后修饰翻译后修饰,如磷酸化、糖基化等如磷酸化、糖基化等,这给分离、分析带来很多困难。蛋白这给分离、分析带来很多困难。蛋白质也不像基因那样能够在体外扩增质也不像基因那样能够在体外扩增,因此因此,在量上还受到限制。蛋白质组在量上还受到限制。蛋白质组研究主要包括样品或组织中的蛋白质分离和分离蛋白质的鉴定两个关键研究主要包括样品或组织中的蛋白质分离和分离蛋白质的鉴定两个关键
37、步骤步骤。l 2.12.1 蛋白质组的分离技术蛋白质组的分离技术 该技术是蛋白质组学研究中的核心该技术是蛋白质组学研究中的核心,以双以双向凝胶电泳技术向凝胶电泳技术(2DGE)(2DGE)为主要手段。其原理根据蛋白质的等电点不同为主要手段。其原理根据蛋白质的等电点不同,对蛋白质进行初次分离对蛋白质进行初次分离,蛋白质沿蛋白质沿pHpH 梯度移动至各自的等电点位置梯度移动至各自的等电点位置,随随后再沿垂妆方向按照其相对分子质量的不同进行分离后再沿垂妆方向按照其相对分子质量的不同进行分离,即进行即进行SDSSDS-PAGE,PAGE,对蛋白质进行再次分离对蛋白质进行再次分离。l2.2 2.2 蛋白
38、质组的鉴定技术蛋白质组的鉴定技术是蛋白质组学技术的支柱。主要技术包括质谱是蛋白质组学技术的支柱。主要技术包括质谱技术、蛋白质芯片技术、蛋白质信息组学、酵母双杂交系统、噬菌体展示技术、蛋白质芯片技术、蛋白质信息组学、酵母双杂交系统、噬菌体展示技术和核素标记亲和标签技术技术和核素标记亲和标签技术(ICAT)(ICAT)。l2.2.1 2.2.1 质谱技术质谱技术是目前在鉴定蛋白质的多种方法中发展最快、最具潜力是目前在鉴定蛋白质的多种方法中发展最快、最具潜力的技术的技术,具有高灵敏度、高准确性、自动化等特点。近具有高灵敏度、高准确性、自动化等特点。近10 10 年来年来,其灵敏度其灵敏度提高了提高了
39、1 000 1 000 多倍。质谱对蛋白质鉴定的贡献主要是基于质谱电离技术多倍。质谱对蛋白质鉴定的贡献主要是基于质谱电离技术基质辅助激光解析电离基质辅助激光解析电离(MALDI)(MALDI)和电喷雾电离和电喷雾电离(ESI)(ESI)的发展和成熟。以的发展和成熟。以MALDI MALDI 为基础的肽质指纹为基础的肽质指纹(PMF)(PMF)、源后衰变、源后衰变(PSD)(PSD)片段离子分析和以片段离子分析和以ESI ESI 为基础的串联质谱为基础的串联质谱(Tandem(Tandem MS)MS)的部分测序技术等的部分测序技术等,已经成为质谱鉴定蛋已经成为质谱鉴定蛋白质的主要方法。新近出现
40、的一种被称为基质辅助激光解析电离四级飞行白质的主要方法。新近出现的一种被称为基质辅助激光解析电离四级飞行时间质谱技术时间质谱技术,综合了肽指纹图谱方法的大规模和串联质谱综合了肽指纹图谱方法的大规模和串联质谱,直接获得肽序直接获得肽序列两方面的优点列两方面的优点,可用于测定蛋白质或多肽的精确相对分子质量可用于测定蛋白质或多肽的精确相对分子质量,并能测定并能测定较大分子的相对分子质量。较大分子的相对分子质量。l2.2.2 2.2.2 蛋白质芯片技术蛋白质芯片技术主要用于蛋白质间相互作用和差异显示蛋白质组主要用于蛋白质间相互作用和差异显示蛋白质组的研究的研究,在高密度的方格上含有各种微量纯化的蛋白质
41、在高密度的方格上含有各种微量纯化的蛋白质,并能够高通量地测并能够高通量地测l定这些蛋白质的生物活性定这些蛋白质的生物活性,以及蛋白质与生物大分子之间的相互作用。以及蛋白质与生物大分子之间的相互作用。l2.2.3 2.2.3 蛋白质信息组学蛋白质信息组学在蛋白质组分析中起着重要作用在蛋白质组分析中起着重要作用,是蛋白质组学是蛋白质组学研究水平的标志和基础。蛋白质组数据库被认为是蛋白质组学知识的储存研究水平的标志和基础。蛋白质组数据库被认为是蛋白质组学知识的储存库库,包含所有鉴定的蛋白质信息包含所有鉴定的蛋白质信息,如蛋白质的顺序、核苷酸顺序、双向凝胶如蛋白质的顺序、核苷酸顺序、双向凝胶电泳、三维
42、结构、翻译后的修饰、基因组及代谢数据库等。电泳、三维结构、翻译后的修饰、基因组及代谢数据库等。2.2.4 2.2.4 酵母双杂交系统酵母双杂交系统是一种用于蛋白质间相互作用研究的工具是一种用于蛋白质间相互作用研究的工具,其其原理是当靶蛋白和诱饵蛋白特异结合后原理是当靶蛋白和诱饵蛋白特异结合后,诱饵蛋白结合于报告基因的启诱饵蛋白结合于报告基因的启动子动子,能够启动报告基因在酵母细胞内的表达能够启动报告基因在酵母细胞内的表达,通过检测报告基因表达通过检测报告基因表达产物产物,反过来可以判别诱饵蛋白和靶蛋白之间是否存在相互作用。如果反过来可以判别诱饵蛋白和靶蛋白之间是否存在相互作用。如果检测到报告基
43、因的表达产物检测到报告基因的表达产物,则说明二者之间有相互作用则说明二者之间有相互作用;如果未检测如果未检测到到,则说明二者之间无相互作用。则说明二者之间无相互作用。l2.2.5 2.2.5 噬菌体展示技术噬菌体展示技术是一种研究蛋白质间相互作用的技术。方法是一种研究蛋白质间相互作用的技术。方法是在编码噬菌体外壳蛋白质基因上连接一个单克隆抗体的基因序列。是在编码噬菌体外壳蛋白质基因上连接一个单克隆抗体的基因序列。噬菌体生长时噬菌体生长时,表面就表达出相应的单克隆抗体。将噬菌体过柱表面就表达出相应的单克隆抗体。将噬菌体过柱,柱上柱上若含有目的蛋白若含有目的蛋白,会特异性结合相应抗体。会特异性结合
44、相应抗体。l3.3.营养基因组学和营养蛋白质组学营养基因组学和营养蛋白质组学l 从本质上讲从本质上讲,营养代谢过程取决于细胞或器官众多营养代谢过程取决于细胞或器官众多mRNAmRNA分子表达和分子表达和众多密码蛋白质的相互作用。众多密码蛋白质的相互作用。mRNAmRNA水平的改变水平的改变,可导致蛋白质的相应变可导致蛋白质的相应变化化,但有时二者的改变并不平行。营养成分如氨基酸、脂肪酸和糖等但有时二者的改变并不平行。营养成分如氨基酸、脂肪酸和糖等,都都会影响基因的表达会影响基因的表达,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或代谢状
45、态(如激素状况、细胞氧化还原状况等等如激素状况、细胞氧化还原状况等等),),继而导致继而导致mRNA mRNA 水平水平和和(或或)蛋白质水平甚至其功能的改变。因此蛋白质水平甚至其功能的改变。因此,在营养研究中在营养研究中,基因组学基因组学和蛋白质组学利用细胞培养、动物和人类寻找和鉴定对某些营养素、药和蛋白质组学利用细胞培养、动物和人类寻找和鉴定对某些营养素、药物或食物有良好反应的特殊标记物。物或食物有良好反应的特殊标记物。l 随着基因组学和蛋白质组学在营养中的应用随着基因组学和蛋白质组学在营养中的应用,已有人提出营养基因已有人提出营养基因组学和营养蛋白质组学概念。早期营养基因组学和营养蛋白质
46、组学的概组学和营养蛋白质组学概念。早期营养基因组学和营养蛋白质组学的概念是针对营养与疾病预防念是针对营养与疾病预防,如如20012001年美国癌症研究院年美国癌症研究院(NCI)(NCI)提出的研究课提出的研究课题其中之一是题其中之一是“人类疾病预防中的营养基因组学和营养蛋白质组学人类疾病预防中的营养基因组学和营养蛋白质组学,随后随后在其他研究领域中也应用到了营养基因组和营养蛋白质组研究技术。在其他研究领域中也应用到了营养基因组和营养蛋白质组研究技术。l 营养基因组学和营养蛋白质组学有助于我们正确理解代谢途径和最营养基因组学和营养蛋白质组学有助于我们正确理解代谢途径和最佳的营养和健康状况。现有
47、的研究已明确佳的营养和健康状况。现有的研究已明确,有些营养素有些营养素(如维生素如维生素A A、D D、锌和脂肪锌和脂肪)能够直接影响基因的表达能够直接影响基因的表达,而另一些营养素而另一些营养素(如膳食纤维如膳食纤维)可以可以通过改变激素信号、机械剌激或肠道细菌代谢产物而发挥其间接作用。通过改变激素信号、机械剌激或肠道细菌代谢产物而发挥其间接作用。利用强有力的生物学技术利用强有力的生物学技术,科学家能够测定单一营养素对细胞或组织基科学家能够测定单一营养素对细胞或组织基因谱表达的影响。因谱表达的影响。l 营养素对基因表达的作用已成为当前营养支持研究领域中重要的研营养素对基因表达的作用已成为当前
48、营养支持研究领域中重要的研究内容究内容,特别是氨基酸参与基因表达的研究内容更为深入特别是氨基酸参与基因表达的研究内容更为深入,氨基酸作为蛋氨基酸作为蛋白质合成的前体物质白质合成的前体物质,不仅影响蛋白质代谢不仅影响蛋白质代谢,而且氨基酸还参与整个机体而且氨基酸还参与整个机体的内稳态平衡。某些营养状况和应激状态能影响血液氨基酸浓度的内稳态平衡。某些营养状况和应激状态能影响血液氨基酸浓度;相反相反,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,继而调节继而调节氨基酸众多生理功能。已有的研究表明氨基酸众多生理功能。已有的研究表明,氨基酸本身
49、即可调节靶基因的氨基酸本身即可调节靶基因的表达表达。l 机体内如果过度表达胰岛素样生长因子结合蛋白机体内如果过度表达胰岛素样生长因子结合蛋白1(IGFBP-1),1(IGFBP-1),则机体则机体生长受到抑制。生长受到抑制。IGFBP-1IGFBP-1可以与胰岛素样生长因子可以与胰岛素样生长因子-1(IGF-1)-1(IGF-1)、IGF-2 IGF-2 结合结合而调节细胞有丝分裂和代谢而调节细胞有丝分裂和代谢,生长激素、胰岛素或血糖调节生长激素、胰岛素或血糖调节IGFBP-1IGFBP-1的表达的表达,但以上三种因素都不能解释为什么进食蛋白质匮乏食物会导致但以上三种因素都不能解释为什么进食蛋
50、白质匮乏食物会导致IGFBP-1IGFBP-1的的升高。近来的研究表明升高。近来的研究表明,氨基酸浓度降低能够直接诱导氨基酸浓度降低能够直接诱导IGFBP-1IGFBP-1的表达。因的表达。因此此,在进食蛋白质匮乏的食物时在进食蛋白质匮乏的食物时,氨基酸受到限制氨基酸受到限制,通过诱导通过诱导IGFBP-1 IGFBP-1 的表的表达而抑制机体生长。达而抑制机体生长。l 氨基酸参与机体内稳态平衡的另一个例子是大脑部分组织氨基酸参与机体内稳态平衡的另一个例子是大脑部分组织,如前梨状如前梨状皮层皮层(anterior(anterior pyriformcortexpyriformcortex)能够
