营养基因组学-生物探索课件.ppt
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- 营养 基因组 生物 探索 课件
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1、 营养基因组学 学科简介学科简介 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
2、多学科的边缘学科。发展概念发展概念和过程和过程1953年年,Watson和和Crick发现了被称为发现了被称为“生命奥秘生命奥秘”的的DNA结构结构,DNA结构解释了遗传物质是如何复制和传递信息的。结构解释了遗传物质是如何复制和传递信息的。DNA这种优雅这种优雅神秘的双螺旋结构的发现神秘的双螺旋结构的发现,引发的革命震动了生物学界和医学界引发的革命震动了生物学界和医学界,标标志着分子生物学的开始。志着分子生物学的开始。1961年年,DNA中碱基对序列转录基因密码中碱基对序列转录基因密码的破译成功的破译成功,标志着基因时代的到来。以人类基因组标志着基因时代的到来。以人类基因组 “工作框架图工作框
3、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。生命科学已进入了后基因组时代。美国科学家美国科学家Thomas Roderick(1986)提出了基因组学提出了基因组学(Genomics),主要内容包括主要内容包括以全基因组测序为目标的结构基因组学以全基因组测序为目标的结构基因组学(Structural genomics)和以基和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学因功能鉴定为目标的功能基因组学(Functional genomics)。随着基因组学研究的发展以及人类基因组计划的实施和完成随着基因组学研究的发展以及人类基因组计划的实施和完成,科科学界普遍认为学界普遍认为,这种让人困惑的
4、现象很可能都是由个体间的基因差这种让人困惑的现象很可能都是由个体间的基因差异造成的。借助各种不断发展的先进研究手段异造成的。借助各种不断发展的先进研究手段,已有不少科学家开已有不少科学家开始从理论和实践两方面更深入地认识基因与饮食间的相互影响始从理论和实践两方面更深入地认识基因与饮食间的相互影响,营营养学研究也由此迈入了一个崭新的时代养学研究也由此迈入了一个崭新的时代“基因时代基因时代”,一门以一门以专门研究人的饮食与其自身基因之间交互作用为目标的营养学研究专门研究人的饮食与其自身基因之间交互作用为目标的营养学研究领域内的新兴学科领域内的新兴学科营养基因组学也逐渐引起人们的兴趣。营养营养基因组
5、学也逐渐引起人们的兴趣。营养基因组基因组(Nutrigenomics)是是2000年提出的一种新的营养学理论年提出的一种新的营养学理论,是继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、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、生物信息学等生物信息学等,从这个层面上看从这个层面上看,营养基因组学是基于多学科的边缘营养基因组学是基于多学科的边缘学科。学科。一个代表着营养学和基因组学相结合的新学科名词一个代表着营养学和基因组学相结合的新学科名词“营
6、养基因营养基因组学组学”开始为人所知。开始为人所知。20022002年初,第一届国际营养基因组学会议在年初,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。忽略的一个重要组成部分。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缘学科。这个词涵盖
7、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。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可以说,没有这
8、些功能强大的“全局性(全局性(global)”的生物检测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。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(能分子水平上的通路的轮廓(profile)变化,而非单个或几个孤)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立生物学标志
9、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。人类健康的目的。研究内容研究内容 主要研究内容包括以下方面:了解食物活性成分如何直接或间主要
10、研究内容包括以下方面:了解食物活性成分如何直接或间接地影响人体内基因组结构的变化接地影响人体内基因组结构的变化;探讨膳食因子可营养素对人体探讨膳食因子可营养素对人体基因组产生的影响基因组产生的影响;探讨哪些慢性或遗传性疾病容易受到膳食因子探讨哪些慢性或遗传性疾病容易受到膳食因子的影响的影响;依据人体基因多态性的差异依据人体基因多态性的差异,探讨健康人体和疾病患者对不探讨健康人体和疾病患者对不同膳食因子敏感性的差异同膳食因子敏感性的差异;根据不同人对营养需求、状态及其自身根据不同人对营养需求、状态及其自身基因多态性的差异来设计个性化膳食基因多态性的差异来设计个性化膳食,藉此达到预防慢性疾病的发藉
11、此达到预防慢性疾病的发生。生。许多营养素通过转录系统选择性的改变基因表达许多营养素通过转录系统选择性的改变基因表达,调节调节不同组织、不同环境条件下特定基因组的活性。营养成分不同组织、不同环境条件下特定基因组的活性。营养成分如氨基酸、脂肪酸和糖等如氨基酸、脂肪酸和糖等,都会影响基因的表达都会影响基因的表达,其作用方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式可以是通过控制基因构型或通过代谢产物或代谢状态(如如激素状况、细胞氧化还原状况等等激素状况、细胞氧化还原状况等等),继而导致继而导致mRNA水平和水平和(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,
12、在营养研究中在营养研究中,基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、药物或食物有良好反应的特殊标志物。定对某些营养素、药物或食物有良好反应的特殊标志物。同时同时,Jim和和Rodriguez认为认为,在进行营养基因组学研究时在进行营养基因组学研究时,应注应注意以下意以下5个方面:产生适当的代谢反应需要多少营养素个方面:产生适当的代谢反应需要多少营养素,特别是需要特别是需要多少宏量营养素多少宏量营养素;对于遗传背景不同的人对于遗传背景不同的人,在复杂的膳食成分下如何在复杂的膳食成分下如何获得适量的营养素获得适量的营养素
13、;如何将膳食成分同机体代谢的精细和长期调控如何将膳食成分同机体代谢的精细和长期调控联系起来联系起来;在现有的分子和基因组技术条件下在现有的分子和基因组技术条件下,如何获得不同人自出如何获得不同人自出生到死亡期间的营养需要的变化量生到死亡期间的营养需要的变化量;如何确保以一种对社会负责的如何确保以一种对社会负责的态度正确利用基因组学信息态度正确利用基因组学信息,特别是当它与健康状况不同的人群特别是当它与健康状况不同的人群,如如不同种族、贫富不一和未投保的人。不同种族、贫富不一和未投保的人。重要地位重要地位 营养学是研究人体营养规律及其改善措施的科学。人们在很早以前就开始了营养学的研究,如我国的医
14、学古籍黄帝内经素问中就提出了“五谷为养、五果为助、五畜为益、五菜为充”等朴素的合理营养概念。而西方的医学始祖希波克拉底在公元前400年前也提出了食品中的特殊成分对于维持生命是必不可少的。但真正意义上的营养学诞生却是在发现了构成人体重要物质的18世纪后期,从1900年至今,营养学研究不断深入,已经历了3个阶段。二战后,营养学进入了基于实验科学技术的鼎盛时期。20世纪后半叶世纪后半叶,人类进入了细胞时代人类进入了细胞时代,主要研究营养素在体内代主要研究营养素在体内代谢、生理功能及其对组织细胞的影响。而分子生物学划时代的到来谢、生理功能及其对组织细胞的影响。而分子生物学划时代的到来,为营养学向微观世
15、界发展、探索生命奥秘提供了理论基础。特别是为营养学向微观世界发展、探索生命奥秘提供了理论基础。特别是人类及模式生物的基因组草图、基因组序列图相继绘制完成人类及模式生物的基因组草图、基因组序列图相继绘制完成,为人为人类阐明基因组及所有基因的结构与功能类阐明基因组及所有基因的结构与功能,揭开生命奥秘奠定了基础。揭开生命奥秘奠定了基础。营养科学也由营养素对单个基因表达及其作用的分析营养科学也由营养素对单个基因表达及其作用的分析,开始朝着基开始朝着基因组及其表达产物在代谢调节中的作用方向发展。在此背景下因组及其表达产物在代谢调节中的作用方向发展。在此背景下,营营养基因组学养基因组学(Nutrition
16、al genomics,有时也称为有时也称为Nutrigenomics)应运应运而生而生,并迅速成为营养学研究的新前沿。并迅速成为营养学研究的新前沿。2002年年2月和月和2003年年11月月,在荷兰先后召开了第一届和第二届国际营养基因组会议在荷兰先后召开了第一届和第二届国际营养基因组会议,凸现了营凸现了营养基因组学研究的重要性。养基因组学研究的重要性。应用领域 营养基因组学的一个重要的应用领域是促进保健食品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。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
17、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。物活性成份的筛选。目前已有多个
18、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
19、不能反映出这种微弱的改变。为健康食品验明正身的基因学研究为健康食品验明正身的基因学研究 揭示营养素的作用机制或毒性作用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。食物中含有丰富的某种营养素是否真的能预防癌症?美国政府将招募32
20、000名中年人进行一项研究探讨硒元素或维他命E是否真的预防前列腺癌。由于有些基因学研究指出某些营养素可能对某个人有益,但是对别人可能就不是那么回事。因此美国国家癌症研究院的John Milner博士表示:“未来将是针对个人营养量身定做的时代,这个营养基因组学将会是令人相当兴奋的新科学。”Milner博士表示有35%的癌症跟饮食习惯有关,不过这并不代表偶尔吃个汉堡或油炸圈饼就会下场凄惨。但是也确实有许多研究指出多吃植物性食物、蔬菜、水果得到癌症的机率会比较低。为了确定这些食物与人体健康之间的关系,科学家决定针对许多被认为有益身体健康的营养素进行基因方面的研究。首先名列美国联邦政府研究名单首要目标
21、的就是硒元素。之前已经有研究指出每天吃200毫克的硒,大约是国际标准的2倍,可以降低罹患前列腺癌、肺癌、结肠直肠癌的机率。茄红素也是另一个研究目标,曾经有研究指出它可以降低罹患前列腺癌的机率达35%,因此NCI的研究人员已经开始着手进行小型临床研究,试着找出它的安全剂量以及观察它是否能帮助前列腺癌患者对抗癌细胞。此外被认为能奖励女性罹患乳癌机率的大豆也是该研究的重点项目之一,Milner博士预测:“在未来5年内,我们将会得到许多关于基因如何影响个人对不同食物所产生的反应的资料。”不过这项研究可能会耗费数年之久,因此美国癌症协会的建议是多吃各类的食物,包括每天至少5份的蔬果并且减肥。营养基因组学
22、:人类健康的营养基因组学:人类健康的新新“钥匙钥匙”人类基因与食物营养作用人类基因与食物营养作用 今后可今后可看基因定食谱看基因定食谱 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140200万个单核苷酸多态性(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
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