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分子营养学及其研究方法

更新时间:2020-11-04 08:13点击:

摘    要:
分子营养学从提出至今已有30余年。期间随着流行病学、基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等领域分析技术的发展, 以及影像学、系统生物学和微生物学等相关领域的进步, 分子营养学的发展非常迅猛, 使营养科学的研究更为系统和深入, 为临床营养干预、个体化精准预防以及饮食相关疾病的治疗提供了科学的指导。在此, 对分子营养学领域的发展及相关的分析技术进行综述。
 
关键词:
分子营养学 组学研究 精准干预
1分子营养学的历史回顾
 
1975年, 美国实验生物学科学家联合会第59届年会在亚特兰大举行了“营养与遗传因素相互作用”专题讨论会, 这是营养学历史上具有里程碑意义的一次盛会, 它预示着分子营养学时代的开始[1]。而分子营养学则是Simopoulos AP博士在西1985年雅图举行的“海洋食物与健康”的会议上首次使用的名词, 是指应用分子生物学技术和方法从分子水平上研究营养素与基因之间的相互作用 (包括营养素与营养素之间、营养素与基因之间和基因与基因之间的相互作用) 及其对机体健康影响的规律和机制, 并据此提出促进健康和防治营养相关疾病措施的一门学科[2]。自此之后, 分子营养学作为营养科学的一个分支学科进入了发展的黄金时代。特别是在21世纪初, 随着人类基因组计划的完成, 环境基因组计划和食物基因组计划被提上日程, 那些能对膳食成分做出应答的基因及其多态性得到广泛和深入的研究。随后基因组学、转录组学、蛋白质组学以及代谢组学的方法也被应用于分子营养学的研究[3]。
 
2分子营养学的发展趋势
 
在过去的一百多年里, 营养科学的研究工作得到了长足的发展, 在很多国家 (特别是发展中国家) 人们的平均寿命显著的提升, 为全人类的生活质量的提高做出了很大的贡献[4]。近年来, 随着各种分子水平和系统性技术的方法学的迅速发展, 研究水平从宏观向微观、从局部向整体、从小样本向大数据等方向发展, 这为分子营养学的发展提供了强有力的支持。因此, 分子营养学在将来维护人类健康以及治疗饮食相关疾病有很大的发展潜力[5]。同时, 分子营养学的发展, 也对分子营养学的研究工作提出了新的要求, 例如发展更加先进有效的研究方法和技术、加强国际合作、分享研究数据以及制定相关标准等, 以明确食物营养是如何作用于机体而维护机体的健康、治疗饮食相关的疾病。最终实现通过营养干预预防如肥胖、2型糖尿病、心血管疾病、癌症以及感染性疾病等多种疾病的发生;帮助疾病治疗后康复;以及实现个体化精准营养干预[6]。
 
3分子营养学相关的研究方法及技术
 
我们平均每天要摄入1.5公斤食物, 其中包含了成千上万种不同的化合物。这些化合物中有一部分物质的结构已经了解, 但是其确切的生物功能还未知, 更何况还有很多包括结构和功能都未知的物质[7]。与此同时, 人体约有30亿对碱基、约3万个基因、数以亿计的SNP、大量因环境改变而不同的表观遗传变化, 再加上体内不同种类的细胞、RNA、蛋白质、脂质体、代谢物以及共生菌, 使得分子营养学的研究变得异常复杂, 十分具有挑战性[8]。因此, 可靠有效的研究方法及技术是推动分子营养学发展的重要基础。以下对分子营养学不同研究领域中常用的研究方法及分析技术进行总结:
 
3.1流行病学, 可分为观察型和实验型两种, 主要用于发现饮食与健康的关系以及控制饮食的效果, 从而为深入的分子机制研究提供假设, 可以弥补体外细胞实验和动物实验的不足[9]。
 
3.2基因组学, 主要目的是发现例如等位基因和SNP等遗传变异和表型特征的关系, 有助于理解不同的基因型和饮食环境的交互作用, 为精准的个体化营养干预提供依据[10]。目前常用的方法有微孔芯片和第二代测序分析。
 
3.3表观遗传学, 主要内容是研究DNA甲基化水平、组蛋白修饰以及mi RNA的表达, 它们的变化最终影响基因的表达。表观遗传学的变化与环境密切相关, 而饮食是其中关键的因素之一。因此, 研究饮食与表观遗传学变化的关系对理解营养素的生物功能非常有帮助[11]。目前常用的研究技术包括焦磷酸测序和染色体免疫共沉淀测序分析。
 
3.4转录组学, 主要研究m RNA水平和剪接变异体, 它们的变化是饮食与基因相互作用的结果。转录组学的研究有助于理解饮食或营养素的功效、发现疾病的生物标志物以及发现营养素参与调控的信号通路[12]。目前常用于转录组学研究的技术有微孔芯片和RNA测序。
 
3.5蛋白质组学, 主要研究蛋白质的构成以及翻译后的修饰。由于基因的表达有时与蛋白质的丰度并不相关, 并且蛋白质的功能受到翻译后修饰的影响。有研究表明饮食对蛋白质的翻译后修饰有影响。因此, 蛋白质组学的研究对了解饮食的生物功能有很大的帮助[13]。目前蛋白质组学的研究常用的方法有色谱、电泳、质谱和蛋白质芯片。
 
3.6代谢组学, 主要研究饮食的代谢产物, 它是机体基因表达过程中特异性产物, 对它们的研究可以有助于深入了解饮食与机体的相互作用, 以及发现特异性的生物标志物[14]。目前主要用于代谢组学的分析技术包括气相色谱、液相色谱、质谱以及核磁共振等。
 
3.7微生物群学, 主要研究微生物种类组成及其基因组学、转录组学、蛋白质组学代谢组学等。据估计人体肠道内含有1014个微生物, 是人体细胞总数的12倍, 它们对机体的免疫及营养吸收有重要的作用。因此, 它们的存在在人类维护健康中有重要的地位, 对它们的研究可以更深刻地了解营养与健康的关系[15]。目前的主要方法有16S r RNA测序以及相关组学研究的技术。
 
3.8影像学, 主要对体内物质组成、基因调控、分子探针等进行动态无损分析, 是属于与传统影像不同的分子成像领域。目前, 常用方法是使用荧光探针和报告基因, 结合CT、MRI、PET、SPECT以及光学成像等技术进行分析[16]。
 
3.9量热学, 主要研究能量的摄入与消耗。随着社会经济的发展, 营养不良已少有发生, 而营养过剩则是目前社会面临的问题。因此, 严格控制能量的摄入与消耗对于维护健康非常关键[17]。目前主要方法有直接量热和间接量热两种。
 
3.10系统生物学, 主要研究大量分析数据的整合以更好地理解复杂的生理系统。由于人体非常复杂, 虽然目前科学家从不同的角度对机体有了一定的认识, 而机体的结构功能却不能简单地认为是这些研究结果的加和, 而应该是系统性的整合。因此系统生物学的研究在全局出发显得异常重要[18]。目前系统生物学的研究主要依靠数学建模和统计方法的发展。
 
4结论
 
随着流行病学、基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等领域分析技术的发展, 以及影像学、系统生物学和微生物学等相关领域的进步, 分子营养学在这些先进方法技术的带动下的发展将更加迅速, 临床干预和个体化精准预防在此基础上将得到长足发展, 营养科学的研究将更加系统, 饮食相关疾病的治疗会随着分子营养学的发展得到更好的控制。
 
参考文献
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