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营养基因组学研究及其在动物营养中的应用前景(一)
来源:《饲料工业》 编辑: 发布时间:2012-03-30 10:51:22 浏览次数:2234 

随着生物科学和现代生物技术的发展, 促进了动物营养学与分子生物学结合, 在细胞和分子水平上研究动物的营养代谢规律, 通过预测营养过程、调控营养途径来提高动物产品质量成为当今动物营养学研究的热点(李德发, 2004)。近年来,基因组学和生物信息学在生物技术领域的研究获得了巨大进展, 为在营养学领域研究营养素与基因的交互作用打下了良好的基础。在此背景下, 营养基因组学(Nutrigenomics)应运而生, 并迅速成为营养学研究的新前沿(Della Penna,1999)。营养基因组学研究将以分子生物学技术为基础, 应用 DNA 芯片和蛋白质组学等技术阐明营养素和基因的相互作用。本文综述了营养基因组学的形成、发展、研究内容与应用, 并对其在动物营养与饲料科学研究中的应用前景进行了展望。

1 营养基因组学的形成和发展

1953 ,DNA 双螺旋结构的发现标志着分子生物学的开始。1961 ,DNA 中碱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。进入 21 世纪后,人类及模式生物的基因组草图和基因组序列图相继绘制完成。人类基因组测序完成后,研究的重点已由测序与辩识基因深入到探察基因的功能,营养科学也由营养素对单个基因表达及作用的分析,开始向基因组及表达产物在代谢调节中的作用研究,即向营养基因组研究方向发展(Elliott , 2002) 。以人类基因组工作框架图完成为标志,生命科学已进入了后基因组时代。

1986 ,美国科学家 Thomas Rodefick 提出了功能基因组学(Functional Genomics),从而使生命科学研究的重心从揭示生命的所有遗传信息, 转移到了在分子整体水平对功能的研究上。基因组学是指对所有基因进行基因组作图(包括遗传图谱、物理图谱和转录图谱)、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门科学。但是,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。基因组学由于自身的局限性。它不能回答诸如蛋白质的表达水平和表达时间、翻译后修饰及蛋白质之间或与其它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(Proteomics), 它与基因组学共同从整体水平解析生命现象, 功能性基因组学研究和其它学科研究交叉,促进了一些学科的诞生,如营养基因组学。

2 营养基因组学的概念和研究内容

营养基因组学研究日粮或营养物质在基因学范畴中在某个特定时刻对细胞、组织或生物体的转录组、蛋白质组和代谢组的影响的一门学科, 是利用基因组学研究成果及方法技术来发现与营养的合成、积累、吸收、转运及代谢等有关基因的综合性方法。它有助于解决日粮中的物质对基因组的影响和增加对日粮成分如何影响代谢的理解(Muller ,2003;Mutch ,

2005)。营养基因组学实际上包括 4 门组学,转录组学,或微排列技术,监控整个基因组在 mRNA 水平上的变化(Scheel ,2002); 蛋白质组学, 包括蛋白质结构的检测、表达和分子互作(Kussmann ,2005); 代谢组学, 鉴定和量化细胞或生物液中大量的代谢物及这些物质如何调节生理紊乱的学科; 表观基因组学,从空间和时间上检测和鉴定 DNA 的甲基化类型、DNA 的遗传和 DNA 的包装(Reck ,1999)

3 基因组学在营养素作用机制研究中的应用

将基因组学应用于营养学领域, 通过基因表达的变化可以研究能量限制、微量营养素缺乏、葡萄糖代谢等许多问题。通过研究,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、大规模的监测无疑将使得研究者能够真正全面地了解营养素的作用机制。

通过应用分子生物学技术, 科学家能够测定单一营养素对某种细胞或组织基因表达谱(Gene Expression Profile)的影响。Blanchard(2000)应用 mRNA 差异显示技术比较了缺锌与常锌大鼠小肠基因表达的变化,结果发现,因缺锌所致的小肠中两种肽类激素、小肠脂肪酸结合蛋白、小肠碱性磷酸酶等的 mRNA 均发生显著变化;而且缺锌组动物小肠 Uroguanylin mRNA 表达较常锌组增高了 2.5 倍。Uroguanylin 是一种肽类激素,与肠道液体平衡的维持及腹泻的发生有关。研究结果提示,缺锌可能存在诱导小肠 Uroguanylin 表达水平升高的机制,且与腹泻的发病有关。Moore (2001)应用 cDNA 阵列技术对缺锌小鼠进行差异表达基因的筛选, 得到髓样细胞白细胞过多症序列 21DNA 损伤修复及结合蛋白 23B、小鼠层粘连蛋白受体、淋巴细胞特异性酪氨酸蛋白激酶(the lymphocyte- specificprotein tyrosine kinase, LCK) 4 条差异表达基因, 并进一步对 LCK 在信号转导中的作用进行了验证。龙建纲等(2004)应用基因芯片技术检测了缺锌仔鼠脑中差异表达基因。初步确认缺锌组仔鼠脑中有 8 条差异表达基因, 其中 5 条锌上调序列、3 条锌下调序列, 该研究结果为缺锌致脑功能异常机制的研究提供了重要线索。目前,营养基因组学的研究多侧重于多基因表达的分析,即转录组学研究。Mariadason (2000)比较了两种短链脂肪酸和两种药物作用于结肠癌细胞系 SW620 后转录组的变化。由于丁酸盐和姜黄色素两种短链脂肪酸与 trichostain A sulindac 两种药物在转录组反应上的相似,因而作者认为其作用机制可能类似。通过比较丁酸盐和 trichostain A 的作用后发现,二者均可抑制组蛋白乙酰化酶活性。而组蛋白乙酰化酶的改变似乎可对组蛋白乙酰化的基因表达及其动力学产生协同调节, 相关的诱导与抑制基因也已得到鉴定。另一项蛋白质组学研究表明,用丁酸盐处理结肠癌细胞 HT29, 可影响 ubiquitin- proteasome 系统及细胞凋亡信号途径相关蛋白的表达, 结果提示丁酸盐除可通过组蛋白乙酰化途径调节基因表达外,还能通过蛋白水解调节细胞周期、凋亡及分化过程中关键蛋白的表达(Tan, 2002)。同样,利用胰岛 β细胞发现姜黄色素也能诱导基因表达(Xiao, 2001)。可见,借助功能基因组方法, 不仅可在分子水平开展营养素与药物的比较研究; 而且为阐明营养素作用机制提供了新的工具。

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