分子營養學的地位和作用

發布時間：2005-09-13

20世紀50年代DNA雙螺旋模板學說的提出、60年代基因調控操縱
分子學說的出現、70年代初期DNA限制性內切酶的發現和一整套DNA體
外重組技術———基因工程技術的發展，推動了分子生物學的迅猛發
展。它使整個生命科學的研究上升到一個全新的階段。分子微生物學、
分子免疫學、分子生理學、分子病理學、分子藥理學、分子心臟病學、
分子神經病學、分子內分泌學以及分子營養學等邊緣學科應運而生。
現在，分子營養學研究已引起國內外營養科學工作者的關注并取得長
足的進步。
　　分子營養學至今還沒有一個公認的權威定義，但可以理解為，是
應用分子生物學技術和方法從分子水平上研究營養學的一個新領域，
是營養科學研究的一個層面，是營養科學的一個組成部分或分支。
　　分子水平主要指生物大分子水平，生物大分子主要指蛋白質與核
酸。一切有生命的物質均含有這兩類大分子，它們是生命標志的物質
基礎。核酸包括脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）兩大類。DNA
是基因的物質基礎。從化學結構看，一個基因就是DNA長鏈上的一個
結構單位，是遺傳信息的貯存和攜帶者。RNA主要參與遺傳信息表達
的各個過程。所謂分子水平就是指蛋白質與核酸水平，而且主要指核
酸水平。
　　從分子水平上研究營養學，也就是從DNA水平或基因乃至蛋白質
水平研究營養學。研究內容遍及營養科學的各個領域。當前的研究熱
點主要有：營養與基因表達、營養與遺傳、營養與基因組的穩定性等。
　　分子營養學在營養科學研究中的地位如上所述，分子營養學是營
養科學研究的一個層面，是營養科學的組成部分，是營養科學研究的
一個新興領域和營養科學的前沿。營養科學研究乃至生命科學研究一般
都是在人群、整體（主要是動物）、細胞和分子四個層面上展開的。
人群層面多采用流行病學方法，以調查研究為主；整體、細胞、分子
層面多采用實驗研究。四個層面相輔相成，構成一個營養科學研究的
系統工程。流行病學研究所觀察到的現象需要通過實驗研究證實，實
驗研究通過整體、細胞、分子水平逐步認識現象的本質。分子水平是
實驗研究不斷發展的產物，它更有助于探索現象的本質。因此，分子
營養學作為營養科學的組成部分，它不僅可以證實營養現象，更重要
的是探索營養現象的內在機制，對營養科學的發展至關重要。
分子營養學在營養科學研究中的作用
　　分子營養學的形成和歷史尚不足30年，但在營養科學研究的諸多
領域已經顯示出前所未有的生命力，有力地推動了營養科學的發展。
僅從以下幾個方面即可初見端倪。
　　一、通過營養與基因表達的研究拓寬了對營養素功能的認識
　　長期以來，人們對營養素的生理功能概括為：提供能量、構成和
修補身體組織、調節生理功能。盡管也強調調節功能，但只是認識到
通過酶和激素的調節。直到上世紀80年代，才認識到營養素作為一種
基因表達的調控物，可以直接和獨立地調控基因表達。這不僅對慢性
病的營養防治有重要意義，而且對深入認識營養素的功能及其作用機
制也有重要意義。
　　例如，通過脂肪酸對基因表達調控的研究，發現脂肪酸不僅是供
能物質和生物膜的重要組成部分，而且可通過細胞膜受體信號途徑和
轉錄因子活化途徑調節基因表達等而發揮重要的生理功能。如今，已
發現膳食脂肪及脂肪酸至少可通過3種不同的機制調控基因表達：1．
作為類花生酸的前體物；2．作為核受體的配體；3．調控核內SREBP1
c（固醇調節元件結合蛋白）的含量。
　　脂肪酸影響基因表達的第二個途徑是調控一組被稱為過氧化物酶
體增殖子活化受體（PPAR）的核受體。已經發現PPAR有四種亞型，即
α、β、γ1和γ2。這些核受體均為固醇類激素核受體超級家庭中的成員，
能與DNA的基元結合。
　　PPAR能調控參與脂肪酸代謝的基因的表達。這些基因幾乎涉及脂
肪酸代謝的所有方面，如脂肪酸的攝取、脂肪酸的結合、脂肪酸氧化
及脂肪細胞的分化等。除此之外，還參與炎癥反應以及細胞的生長和
分化。有趣的是，脂肪酸及其代謝中間產物與PPAR結合，并使PPAR活
化的過程類似于固醇類激素與固醇類激素受體的結合。例如，多不飽和
的n－3脂肪酸活化PPAR后，可以增強過氧化物酶體和微粒體脂肪酸的
氧化。在前脂肪細胞中，類花生酸與PPARγ2結合并使其活化后，可
以使脂肪細胞分化的速率增高，并使脂肪組織對胰島素的敏感性增高，
改善胰島素抵抗。
　　當PPAR作為脂肪酸調控基因表達的靶分子而被研究人員相當關注
后，人們發現這并非是脂肪酸影響基因表達的惟一靶分子。最近的研
究表明，SREBP1c對脂肪酸的調控尤其敏感，其在脂肪酸和甘油三酯
的合成過程中起著十分重要的作用。
　　又如，通過維生素D對基因表達調控的研究，不僅加深了對維生
素D傳統生理功能作用機制的認識，還發現了維生素D的一些新的生理
功能。
　　已知1，25－（OH）2D3在小腸的主要功用是促進鈣、磷吸收；在
腎臟主要是鈣磷酸化及鈣的重吸收；在骨組織參與骨代謝?，F已發現，
主要是由于鈣結合蛋白（在小腸），鈣結合蛋白D28K（在腎臟），骨
鈣蛋白和骨橋蛋白（在骨）等基因上有維生素D反應元件，維生素D可
對上述基因的表達進行調控，從而發揮上述功能。
　　另外，在傳統的靶組織中還發現了一些維生素D新的調節基因，
如發現了鎖骨－顱骨發育障礙基因的一個新的轉錄因子，它主要調節
間質細胞分化成為骨細胞，而1，25－（OH）2D3可在mRNA（信使核糖
核酸）水平上抑制該過程。在對破骨細胞形成研究中，發現了兩個新
的維生素調節基因，一個是破骨細胞分化因子、骨蛋白整合素配體基
因，其表達的蛋白屬于腫瘤壞死因子家族的膜相關成員；一個是破骨
細胞形成抑制因子、骨蛋白整合素配體基因，其表達的蛋白屬于腫瘤
壞死因子家庭的一種分泌型蛋白。前者促進破骨細胞形成，后者可阻止
破骨細胞的形成，1，25－（OH）2D3可抑制該因子的作用。還有，在
非傳統靶組織中也發現了維生素D調節基因，可直接抑制粒細胞－巨噬
細胞克隆刺激因子的轉錄過程，從而具有免疫抑制作用，因此維生素D
及其衍生物可預防和治療自身免疫性疾??；可抑制生長迅速的腫瘤細
胞、角質細胞的生長，因此臨床上常用維生素D衍生物來治療腫瘤和銀
屑病。
　　據目前所知，幾乎所有營養素都參與了基因表達的調控，它們的
實際意義還是有待于發掘。其中研究比較多的有氨基酸、葡萄糖、維
生素A、維生素B6、鐵等。
　　二、通過基因多態性的研究為制訂RNI提供了新的思路。
　　遺傳學研究表明，不同人群甚至同一人群不同個體的DNA（脫氧
核糖核酸）存在一定差異。DNA結構的差異包括DNA序列差旌虳NA序
列長度差異。這種差異的實質是
　　DNA序列的某些堿基發生了突變。當堿基突變發生在基因序列時，
可產生一個基因的一種以上的不同形式（又稱一個基因的不同基因型
），且在人群中發生率超過1％時稱為基因多態性。例如：維生素D受
體（VDR）基因由于堿基突變形成bb、BB、Bb三種基因型；又如：亞
甲基四氫葉酸還原酶（MTHFR）由于堿基突變形成C／C、C／T、T／T
三種基因型。如果與營養有關的基因存在多態性，就會對不同個體對
營養素的吸收、代謝和利用產生影響，最終導致對營養素需求和耐受
產生差異。這對建立個性化的營養素需要量和膳食指導有重要意義。
　　例如，葉酸代謝是近年來醫學、遺傳學和營養學研究的熱點之一，
主要是因為人們發現葉酸與神經管畸形、腫瘤和心血管疾病有關。已
知MTHFR是同型半胱氨酸代謝中的關鍵酶之一，這種酶的活性和熱穩定
性都較低?，F已證實，這種熱不穩定性是由MTHFR基因等677位的堿基
由C→T、1298A→C型等的突變所造成的。MTHFR基因的遺傳變異體在
葉酸水平較低時易造成中度的高半胱氨酸血癥，這種遺傳與營養的交
互作用，增加了心血管疾病的神經管缺陷的危險性。而實驗和臨床資
料表明，大劑量葉酸補充可以增加體內5－甲基四氫葉酸生成，從而降
低血漿同型半胱氨酸水平，減少心血管疾病的發病和神經管畸形兒童
的出生率。由此推斷，就MTHFR基因突變的個體而言，他們對葉酸的
需求要高于普通人群。
　　又如，骨質疏松現已成為世界關注的健康問題。研究發現，雌激
素受體基因、TGF－β基因、VDR基因的變異均與骨質疏松有關，其中
VDR基因多態性對骨密度峰值的影響達75％。有研究發現，攜帶有BB
基因型的絕經期婦女，在攝入低鈣膳食時，其鈣的吸收量明顯低于攜
帶有bb基因型的絕經期婦女；另一項研究發現，當每日攝入鈣在300mg
—1000mg之間進行變化時，bb基因型的個體始終比BB基因型個體鈣吸
收率高。因此認為，bb基因型是鈣吸收率高基因型，而BB基因型是鈣
吸收率低基因型。
　　VDR三種基因型在不同國家乃至同一國家不同種族之間分布頻率
是不同的。例如：日本人群中bb基因型約占75％，BB基因型所占比例
較低；高加索人群中bb基因型約占35％，而Bb基因型約占50％。VDR
基因型的不同分布可能是導致鈣吸收、利用差異的重要原因。因此，
在制訂RNI（膳食營養素推薦攝入量）時應考慮基因多態性。

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