营养素与基因的相互作用

营养素与基因的相互作用 生物体从受孕到死亡，都受到内在因子和外在因子的影响。生物体的重要内在因子是遗传物质DNA，它是由一系列嘌吟和嘧啶碱基以一种预先安排的模式通过磷酸和核糖基团连接起来的。DNA的这种预先安排的模式存在于人体的46条染色体上。这些染色体被划分为很多被称为基因的特定单元。这些基因决定了生命的每种特性和特征：种属、性别、寿命、新陈代谢功能、外部特征和对外界环境（包括营养）的多种反应。营养素与基因的相互作用对受孕、正常生长和发育及健康长寿都有潜在影响，可能还对造成死亡的疾病有决定性作用。本章的目的是讨论目前关于营养素与基因相互作用对营养素需要量和耐受量影响方面的知识。最终，随着对个体遗传特性方面知识的进一步扩展，营养学家将能够为人们推荐摄取一些营养素，促使人体能增进对良好健康有关的基因达，而抑制与疾病有关的基因表达。 营养（或特定的营养素）虽然不能改变一个人的最终遗传学命运，但是它可以改变这些遗传学命运特征出现的时间框架。这就是本章的主题。我们将讨论某些营养素是如何启动或终止一些基因表达的，以及某些基因是如何影响一些营养素利用的。最后，要讨论年龄和膳食如何共同影响营养素与基因的相互作用；这可以用来解释为什么有些与遗传有关疾病的症侯不明显，并且需要活几十年才表达，而有些则在出生时或出生前其症候就明显地表达出来。基因表达是一种尚处于研究中的过程，有些基因的序列已完全清楚，并且已知道这些基因在某些染色体中的定位，以及线粒体基因组的图谱。随着人类基因组项目的进展，其它一些基因将被发现、测序和定位。 营养、遗传、健康与疾病 尽管所有细胞中的DNA都携带表达人体所有特征的各种基因，但并不是所有这些基因在所有细胞中都随时表达。这表明存在控制基因表达的机制，它决定要转录哪些编码，并翻译成基因产物。但是，涉及激素、代谢产物、离子、第二信使系统等的代谢控制机制，以及修饰这些基因的表型表达。于是，当一种特殊基因产物的功能特征有异常时，由于代偿性的代谢控制机制或膳食的选择，或者两者共同作用，可能对机体健康不会有显著的影响。也就是说，有这种遗传学“异常”的个体可以完全表现正常。例如，已经证明有100多种遗传学异常与多种类型的糖尿病有关。但新发的病例数随着每年的食物供应、经济状况或某些传染病流行情况的不同而有相当的变异。 在经济大萧条时期，处于经济困难的人们用于购买食物的钱很少，使他们把有限的财力用于满足其它的基本需要。美国农业部（USDA）正在进行的食物消失量调查表明，美国人在这个期间每天所消费的脂肪、蛋白质和能量比萧条期前、后都少。图1显示从1909年到1990年宏量营养素和能量消耗的平均值。在经济萧条以后的第二次世界大战期间，经济紧张虽已缓解，但是食物供应急剧下降，因为需要把食物运送给欧洲和亚洲战场。USDA的食物消失资料表明，此时期美国公民摄入的总能量降低。但是，与萧条时期的食物消失量相应，不仅仅脂肪和蛋白质，所有主要宏量营养素都发生了变化。对食物摄入量的这些限制可能影响代谢和突变基因的表型表达；这些基因在食物摄入量丰富的情况下，将导致非胰岛素依赖型糖尿病（NIDDM）、肥胖或两者的发生。在经济萧条和第二次世界大战期间，肥胖和NIDDM的新发病例数可能有所下降。但是，由于当时诊断标准不全，这个时期的记录不可靠。 更多的报道来自Cohen及其同事。他们检查了新到以色列的也门犹大移民，与已在以色列居住20年或更久的也门人相比较，发现新移民很少有NIDDM，而已定居的也门移民的发病情况与其他文化背景的犹大人相同。居住在相同地区的阿拉伯人的发病率低于5％。新来的和已定居的也门移民的膳食习惯与本地土生土长的以色列犹太人和阿位伯人的膳食习惯相仿，他们的宏量和微量营养素摄入量也相似。所不同的是，居住在也门的也门人消费精制的碳水化物很少，而当他们到达以色列后，精制碳水化物的消费量迅速增加，和久居在这里的也门人相近。新来移民的能量摄人量也增加了约10％。但是，他们的活动量大，并且大多从事重体力劳动，因此他们的能量的摄入量与消耗量相平衡。就我们所知，在过去的美国，肥胖并不是一个问题。Cohen等把他们的观察解释为NIDDM是由于年龄营养素基因相互作用的结果。他们认为也门人有易患糖尿病的遗传倾向，当也门人长期食用富含糖的食物后这种倾向就被表达出来。 Cohen等的论文发表在人类基因组项目开始之前。他们的研究有力的表明某些人群从传统的低糖膳食改变为包含多种生的和加工的高糖食品所发生的变化。其他人群可能不会有这样的反应。 西方社会的人所消费食物的成分和数量与其高脂蛋白血症、动脉粥样硬化症和心脏病的发生有关。冠状血管疾病是一种复杂的疾病，其特点为由于动脉粥样硬化而引起的血管弹性逐渐丧失，虽然高脂肪膳食与动脉粥样化有关，但不是所有人（或动物）食用这样的膳食都死于冠心病。在患冠心病的人中有一种明显的膳食、遗传、年龄依赖的连锁关系，而在没有患冠心病的人中则无这种关联。因此，这些对膳食、年龄以及遗传因素的观察结果提示，冠状血管疾病的发生是营养素与基因相互作用的结果。这一说法似有道理。寻找支持这一假说的研究者，发现有许多与调节血脂水平作用有关的基因。如果其中有一个基因发生突变，则血脂水平可能会受影响。这些突变作用及其后果列于表：。但是，由遗传特征决定的血脂升高并不一定导致冠状血管疾病。并且，已知膳食对血脂的影响不仅涉及所消费脂肪的数量。还涉及脂肪的种类，以及碳水化物的种类和数量。膳食性质对与血脂有关基因表达的影响范围，可从影响基因转录到对基因产物翻译后的修饰。把这些影响与致动脉粥样硬化过程和随后的疾病联系起来，对这个领域的研究者是一种挑战。虽然在这方面已经取得了一些进展，但我们对这些过程的细节还不清楚。 表1脂蛋白的基因突变及后果 基 因 功 能 染色体位点 突变频率 结 果 apoB 乳糜微粒中的转运蛋白 2P 23- 24 1／106 无β-脂蛋白血症或低β-脂蛋白血症 LPL 作用于乳糜微粒的脂酶 8P22 1／106 乳糜微粒清除缺陷 apo CⅡ 乳糜微粒中的转运蛋白 19 1／106 乳糜微粒清除缺陷 HTGL 作用于肝脏中IDL的脂酶减少HDL2的大小成为HDL3 15q21   LDL清除缺陷 apo E 乳糜微粒清除所需 19 1/5000 高脂蛋白血症Ⅲ LDL受体 结合LDL的细胞表面蛋白质 19 1/5000 家族性高胆固醇血症 apo B-l00 脂质转运蛋白 2 1/500 ~1/1000 家族性apo B-100缺陷 LCAT 从外周到肝的胆固醇反向转运 16q22.1 罕见 家族性卵磷脂：胆固醇转移酶缺陷 Apo A1 HDL和乳糜微粒的转运 11 1／106 罕见 HDL的产生缺陷 HDL胆固醇和apoA-1水平降低           注： 缩写：apo，载脂蛋白；LPL，脂蛋白酯酶；IDL，中密度脂蛋白；HDL，高密度脂蛋白；HTGL，肝的甘油三酯脂酶；LDL，低密度脂蛋白；LCAT，卵磷脂胆固醇酰基转移酶 在冠状血管疾病中受关注的脂质是胆固醇和它的酯类，以及甘油三酯。已建立这些脂类的正常范围，作为判定血液检验结果的标准。超过正常范围的结果被认为是冠状血管疾病的危险因素，即血清甘油三酯或胆固醇（或这两者）超过正常水平的人，死于冠状血管疾病的危险性增高。随着研究的进展，人们很快认识到遗传因子支配着脂肪的内源性合成、转运和储存；因而，除了膳食以外，这些都是血脂水平的重要决定因素。例如，乳糜微粒加工过程的遗传缺陷（表1）可导致血中甘油三酯和胆固醇水平非常高，但这种缺陷却很少与动脉粥样硬化形成有关联。有几种乳糜微粒残余物清除缺陷症同样有血脂升高的特征。这些缺陷在一般人群中（约1／5000）比患有乳糜微粒加工缺陷症的患者中（1／106）更常见。然而，有这些缺陷的人患冠状血管疾病的危险性也非常小。 相反，载脂蛋白（apoA－Ⅰ、apoA－Ⅱ、apoB、apoC-Ⅰ、apoC-Ⅱ、apoCⅢ、apoA-Ⅳ、apoD、apo（a）和apoE）的遗传性缺陷，以及这些脂蛋白的细胞表面受体的紊乱，都与冠状血管疾病的危险性增加有关。这种缺陷在一般人群中的发生率（5000人中有1人）高于乳糜微粒清除和加工的缺陷（1000000人中有1人）。各种遗传缺陷以及相关的突变列于表1。编码心脏和血管树状结构成分的基因突变也会发生，并且也可能与冠状血管疾病有直接关系。尚未分离出这些结构成分的候选基因。心脏结构的先天性缺陷（例如，间隔缺损和血管畸形）可能是由于某些营养素与特异基因或基因产物的相互作用。叶酸、视黄酸和锌只不过是在胚胎形态发生和分化过程中起重要作用的营养素中的几种。如果新近怀孕妇女的膳食中缺乏叶酸，则发生先天性神经管畸形的危险性增加。视黄酸受体的缺陷也可能解释几种先天性心脏缺陷。这些相互作用的细节还没有完全阐明。几乎每种疾病过程（不论是常见的如肥胖或脂血症，或是少见的如先天性出生缺陷或代谢异常）解决这些问题的方法是提出候选基因，通过分离和研究这些基因，试图了解是否以及如何可能用某些膳食成分来调控这些基因。这些研究需要全面了解基因转录、翻译以及最终基因产物的翻译后修饰的全过程。以下简述基因的表达过程。 基因表达的营养素调节 研究表明，从DNA到RNA到蛋白质的途径中的每一步，基因表达都受到调节。图2说明了这一途径。基因表达的调节包括：转录控制、RNA加工控制，RNA转运控制、翻译控制、信使RNA的稳定性控制以及翻译后控制。每一个控制点都以某种方式对营养素有反应。对于大多数基因，转录控制比翻译控制作用要强。这种控制由DNA的所谓启动子部位所发挥作用的。这一DNA部位负责结合RNA聚合酶II以及许多转录因子。启动子位于同一条DNA链上结构基因的5'侧翼区上游（5'flanking region  upstream）。它们被认为是顺式作用要素（cis－acting  element），并且通常位于距起始点40到200碱基对的位置。某些启动子（例如，TATA、GC和CCAAT）常见于许多被RNA聚合酶：转录的基因。这些序列与转录因子相互作用，从而形成起始前复合物。最近，Semenza和Johnson等综述了这种转录调节的机制。反式作用要素（trans-acting  elements）是由那些影响转录的其它基因所产生的因子（通常为蛋白质）。它可能是蛋白质或肽类激素，是一种类固醇激素。受体蛋白复合物，一种维生素。受体蛋白质，一种矿物质，或一种矿物质。蛋白质复合物。Freedman和Luisi综述了DNA结合激素受体的机制。 图2转录和翻译的基因表达示意图 启动子包括RNA合成的起始位点。当RNA聚合酶II紧密地与这一特异的DNA序列结合在一起时，转录就开始。RNA聚合酶II打开DNA双螺旋链的局部区域，使被转录的基因暴露出来。两条DNA链中的一条起模板作用，通过碱基互补配对的原则与新来的核糖核苷三磷酸单体配对。当RNA聚合酶遇到DNA中被称为终止序列的特异序列时，核苷酸被连接。此时在这一点上转录完毕，并且mRNA已可用于翻译。这一关于转录的大纲省略了关于转录控制机制的许多重要细节。例如，转录的调节是由一组蛋白质发挥作用，这组蛋白质决定DNA中的哪一区要被转录。细胞中包含着各种不同的具有特殊序列的DNA结合蛋白质。营养素能与这些蛋白质结合，并以这种方式发挥作用。这些蛋白质含量低，它们通过与DNA的特定区域结合而发挥作用。这些DNA区域的大小不一，但通常含有8～15个核苷酸。根据结合的蛋白质和与蛋白质结合的营养素，转录可以被增强或受到抑制，而且由于这些蛋白质不同，所在细胞类型也可能有区别。因为所有细胞都含有相同的DNA，在这一点上不同类型细胞的基因表达都简单地受与DNA结合的这些非常特异蛋白质所控制。于是，例如参与糖异生酶的基因可能在肝细胞内启动而不在肌细胞或脂肪细胞中启动，因为肝细胞中有所需的特异DNA结合蛋白质，而其他类型细胞则缺乏此种蛋白质。在分化过程的某些环节，这些细胞可能得不到足够数量的这些蛋白质，因此就没有肝细胞那样的糖异生能力。 事实上，特异性DNA。结合蛋白质作为基因表达的调节物只是这种调节作用的一部分。大多数基因受到多个调节要素的联合作用。在一些基因调节中，由一组DNA－结合蛋白质相互作用以控制转录的激活与抑制。不是所有这些蛋白质在所有的情况下都具有相同的能力。可能有一种主管调节的蛋白质来协调几种次要蛋白质的结合。这在单向途径中的基因协调表达是重要的。例如，在脂肪生成途径中，编码脂肪酸合酶复合物的基因是协同表达的。即不论增加或降低，所有酶合成的程度相同才能使这个合成途径有效地发挥作用。哺乳动物脂肪酸合酶是一种由七种不同酶组成的酶复合物。图3所示的是其反应的顺序，以及基因和其产物。虽然在脂肪酸合酶复合物中的每一种酶，在参加将甲基丙二酰辅酶A转化为棕榈酸的反应系列中都有其特异的催化功能，但是实际上这种合酶由两条多肽链组成，每条链都有不同的功能域。这些域在排位上是头尾相连，这样脂肪酸的装配在亚单位的界面上形成两个分离的中心。这种域之间的空间接近性有利于将中间体从一种酶转移到另一种酶。 对这种多功能复合物的所有组成成分的转录与翻译的研究显示，脂肪酸合酶有一种编码七个基因产物（即脂肪酸合酶复合物的七种酶成分）的单基因代表。已知这种酶复合物在转录和翻译这两个水平均可被营养素调节。花生四烯酸是一种有四个双键的20碳脂肪酸，可以抑制基因转录。其可能的机制是涉及一种脂肪酸结合蛋白质，而这种蛋白质以一种反式作用要素方式与DNA结合。这种结合在DNA中发生的位置还不清楚。但是，S14（一种似乎不仅在脂肪酸合酶、而且在许多糖代谢酶方面对mRNA转录的调节具有重要作用的蛋白质）也可被长链多不饱和脂肪酸抑制。S14基因也有一种对碳水化物有反应的因子。当摄入富含糖的膳食时，图3  脂肪酸合酶：反应顺序、基因产物（脂肪酸合成酶复合物中的酶）和基因。摘自参考文献18（经允许）。Sl4  mRNA增加，同时葡萄糖激酶、葡萄糖－6－磷酸脱氢酶、6．磷酸葡萄糖酸脱氢酶、苹果酸酶的mRNA也相应增加。在这些例子中，营养素（葡萄糖、脂肪酸）均作为转录调控因子的一部分而积极参与。 编码任何一种这些转录因子的基因突变都可能导致疾病。编码转录因子的基因突变常有多效性作用，因为这些因子调节许多不同的基因。而这些转录因子成分所需的营养素也有这种多效性作用。另一个例子是，将成纤维细胞转化为肌细胞所必需酶编码的基因系列。哺乳动物骨骼肌细胞是大而多核的，它是由成肌细胞（肌细胞的前体细胞）融合而成，包含特征性结构蛋白和涉及能量代谢和神经肌肉信号中发挥功能的许多其他蛋白质。在肌肉合成时，所有这些蛋白质必须同时合成。在增殖的成肌细胞中，这些蛋白质极少，但是随着这些成肌细胞的融合，用于这些蛋白质的mRNA也随之增加，蛋白质合成也增加。这表明肌肉蛋白质基因的表达是在转录水平上协调和控制的，并且也表明这一过程对一种单一基因调节DNA结合蛋白质有反应。这种蛋白质（ myoDl ）已被分离和鉴定，并且只存在于肌细胞中。如果将这一“蛋白质插到其他类型的细胞（如皮肤细胞或脂肪细胞），那么将会发生相同表达。也就是说，皮肤或脂肪细胞将看起来像一种肌细胞，它将具有成肌细胞的特征，并且成为一种肌细胞。 有意义的是，虽然肌细胞具有所有合成所必需的基因和它的主要调节子，如果膳食中一种或几种合成所必需的氨基酸缺乏或不足时，合成就不能发生或合成的速率非常有限。这里有一个基因与营养素相互作用控制肌蛋白质合成的例子，这种相互作用会最终影响生长的全过程。从另一角度，如果主要调节子（mlyo Dl）缺乏，或如果一种或几种在肌细胞中编码蛋白质合成所必需的酶基因发生突变，就会导致相应的酶没有功能或只有部分功能，肌肉发育将停止或受到抑制，这两种情况都会造成异常生长。 如上所述，接近上游的启动子区和其远端的增强子两者都可以调节转录。上游增强子约有100个碱基对，增强子片段进一步向上游结合多种蛋白质，继而可影响转录。这些蛋白质被标记为jun、AP2、ATF或CREB、SP1、OTF1、CTF或NF1、SRF等。对与类固醇激素相结合的一组蛋白质已研究得比较清楚。它们被称为类固醇受体，能与被称为类固醇反应因子的特异DNA序列相结合。通过与DNA结合的这些蛋白质中的一种相结合，类固醇起到增强或损害转录的作用。于是，这些因子能够使细胞对类固醇激素的刺激产生反应。这种类固醇反应因子已经被研究得比较清楚，它含有100个氨基酸和Zn。如上所述，它能识别特异的DNA序列。对于这一因子家族中的某些成员，其转录增强结构域位于多肽链的氨基端。羧基端是结合类固醇激素的位置。 基因表达的转录后调节是控制许多基因的下一个阶段。RNA转录可能在成熟前终止，导致形成比预期的基因为小的产物。mRNA也可从同一基因分裂产生不同的蛋白质，这些蛋自质可能有相似的功能。事实上，大多数RNA比通过成熟的RNA拼接而形成者要大得多，并且只有5％的这种RNA离开细胞核。剩余物被降解，而核昔酸被再利用或进一步降解。RNA通过核膜孔离开细胞核。这是一种主动过程，其细节还不清楚。 不是所有离开核的mRNA都被翻译成蛋白质。翻译可以被结合在邻近分子的5'端位点上的蛋白质所阻断。这种结合对基因表达行使负的翻译控制；虽然产生了mRNA，但没有产生蛋白质。铁蛋白合成的调节就是一个例子。除非有一种铁反应要素与铁蛋白mRAN结合才能被翻译。这就使人考虑到当铁存在时，细胞中会很快合成铁蛋白；而当铁的供应不足时，铁蛋白合成就快速停止。当铁存在时，它与铁反应要素结合，导致暴露翻译起始位点，使之能被利用。当铁缺乏时，这一起始位点被铁反应要素所覆盖，作为负的控制因素，许多mRNA的翻译都以这种方式受到营养素控制。 与DNA和其他RNA相比，mRNA的半减期非常短。如果mRNA的半减期缩短或延长，基因表达就会受到影响，许多非常不稳定的mRNA的半减期以分钟计算，包括编码短命调节蛋白的mRNA，如原癌基因彻和myc。这种不稳定性可能归因于一个富含A和U碱基的3' 非翻译区中。mRNA的稳定性可受类固醇激素、营养完善状况和药物的影响。 一旦mRNA从细胞核转移到细胞质，并且附着在核糖体上，翻译就可开始。合成蛋白质所必需的所有氨基酸必须存在，并且附着到转运RNA（tRNA）上。这些tRNA-氨基酸根据碱基配对原则，再次与mRNA联接，而氨基酸则通过肽键彼此连接。这种新合成的蛋白质被释放出来，因为它在核糖体上合成，并发生构象和结构的改变。这些改变依赖于所组成的氨基酸及其序列。翻译后修饰包括许多变化。例如，呼吸链所需核编码的蛋白质的合成具有一个前导序列，它允许合成的蛋白质移入线粒体。这种前导序列随着氧化磷酸化系统的装配而被移去。另一个例子是凝血酶原，它含有大量谷氨酸残基；在有维生素K时，这些残基被羧化，这种翻译后的改变导致此种合成的蛋白质结合钙的能力显著增加。除非凝血酶能结合钙，它在凝血过程中就不能发挥作用，这是一种营养素如何影响基因表达的另一个例子；在这个例子中，有功能的凝血酶原得到了表达。营养素的作用位点就是蛋白质翻译后修饰的位点。从这一点推理，可以认为营养素的过剩或过多会通过改变基因产物发挥作用的周围环境来影响基因表达，例如，膳食脂肪摄入量能影响细胞膜的成分，继而影响镶嵌在膜中的蛋白质的活性以及构形结构，这些活性和构形又依赖于膜的流动性。 最后，如果某些营养素供应缺乏，营养可能影响基因型的表型表达，这就是对许多遗传决定性疾病进行膳食治疗的基础。例如，在治疗苯丙酮尿症时限制膳食苯丙氨酸，以防止有缺陷的基因型（智力迟钝）的典型表型表达。许多遗传病可以按这种方式治疗，如乳糖－乳糖酶缺乏、半乳糖－半乳糖血症、碳水化物－糖尿病等。 单基因缺陷在新陈代谢作用中的知识，作为人类基因组项目的一个部分，促使了这方面知识的发展，并使之更加丰富。这项的目的是对人类基因组全部测序和定位。即使这种努力还在继续，在确认营养素与基因表达的相互作用方面也正在取得进展。表之列举的是某些营养素对某些基因影响的例子。其中一种营养素维生素A对多种重要蛋白质的合成有广泛的影响。这些不同的影响主要归因于维生素A与促进转录作用的一种或几种作为反式作用要素的核受体结合。已经确定了几种不同受体，并且每一种在生长与发育方面都有独特的作用模式。例如，要是在a受体上发生一种突变，将会导致视黄酸的结合降低，胚胎细胞的分化受到影响，结果导致胚胎发育不良或胎儿畸形。先天性心脏畸形就是由这种机制引起的。然而，是否这些情况会真正在人身上发生，还有待于证明。现已发现，在鸟胚胎和转基因小鼠胚胎中有可能发生这种现象。 表2  某些营养素对某些基因的作用 营养素 基 因 作 用 葡萄糖 葡萄糖激酶 ↑转录 视黄酸 视黄酸受体 ↑转录 铁 铁蛋白 ↑翻译 维生素B6 类固醇激素受体 ↓转录 锌 锌依赖酶 ↑转录 抗坏血酸 前胶原 ↑翻译↑转录 维生素K 凝血酶原 ↓谷氨酸残基的翻译后羧化作用 胆固醇 HMG CoA还原酶a ↑转录       a：胆固醇合成途径中的限速酶 结    语 从前面的讨论可以看出，营养素不仅在新陈代谢过程中作为底物、辅酶或辅因子，而且还在调节编码各种蛋白质，如酶、载体、受体和生物体的结构成分的基因方面发挥作用。细胞类型和功能上的多样化取决于营养素的适宜摄入量。这些营养素可维持新陈代谢，并支配个体基因型的表型表达。调节营养素摄入（某些个别营养素和全部营养素供给）能控制这种表达。虽然由于篇幅限制，只能讨论有限的几个例子，但是这几个例子说明了营养素是如何调节基因表达的。在迅速发展的营养素与基因相互作用的文献中还有更多的例子。