营养素对基因表达的影响—现代营养学研究结果

营养物质作为一种调控物或调控因素与激素信号相互作用，影响编码能量代谢、细胞分化和生长的蛋白质的基因表达。它作为基因转录的调控因子控制着组织不同蛋白质的活性，也影响蛋白质翻译后修饰及RNA的合成、降解和翻译。现已知许多膳食组件是在转录水平上发挥调节作用的。近几年，营养学家不仅关注通过补充营养物观察疾病的发生，并且应用分子生物学技术从微观角度探索营养物作用机制。

8.2.4.1　氨基酸和蛋白质对基因表达的调节

氨基酸具有调节基因表达的营养信号作用，而蛋白质在特殊基因表达调节中起着营养信号的作用。氨基酸作为蛋白质合成的前体物质，不仅影响蛋白质代谢，而且还参与整个机体的内稳态平衡。细胞可以根据氨基酸浓度的变化，作出相应的反应，如调节基因的转录、mRNA的稳定性，或是上调/下调mRNA的翻译等。在人类细胞中，限制亮氨酸会导致CHOP mRNA和蛋白质呈剂量依赖性的增加。Lenaerts等应用营养基因组学技术了解谷氨酰胺对肠上皮细胞有益作用的分子机制，结果显示14种蛋白质表达的明显改变与谷氨酰胺的浓度相关，而这些蛋白质的表达在缺乏精氨酸的情况下却没有改变，该项研究表明谷氨酰胺对肠上皮细胞基因表达作用具有特异性。

尿素循环中许多酶的功能受膳食蛋白质的调控。蛋白质的摄入量通过调控尿素循环中酶转录所需要的mRNA数量，影响机体尿素的合成。大鼠摄入高蛋白饲料后，尿素循环中的氨甲酰磷酸合成酶、鸟氨酸氨甲酰转移酶、精氨酸代琥珀酸裂解酶、精氨酸代琥珀酸合成酶、精氨酸酶的mRNA水平升高，酶活性增加，从而使尿素合成增加。同时，饥饿状况时这些酶也在转录水平对尿素合成酶基因进行调控，影响尿素合成。此外，摄入蛋白质的质量也对基因的表达有影响，如生长期的肝组织中的mRNA水平对饮食的反应呈现出不同的变化，用含量相同的酪蛋白和玉米蛋白饲料喂养生长期的大鼠，发现含酪蛋白饲料喂养的大鼠肝组织中C-myc和IGF-I的mRNA水平要高于含玉米蛋白饲料喂养的大鼠。

8.2.4.2　碳水化合物对基因表达的调节

碳水化合物对许多基因的表达有调控作用，主要表现在碳水化合物在胃肠道被消化成葡萄糖并吸收入血以后，葡萄糖能够刺激脂肪组织、肝脏和胰岛β细胞中脂肪合成酶系和糖酵解酶基因的转录。

葡萄糖通过诱导与其代谢有关的基因表达而促进自身利用。Burcellin等分析了实验鼠在生理状态时多种糖代谢途径中胰高血糖素受体（glucagon receptor，GR）的mRNA浓度，证实糖酵解底物葡萄糖、甘露糖、果糖以及糖异生底物甘油和二丙酮醇可增加小鼠肝细胞原代培养基中的GR mRNA浓度，而L-葡萄糖、葡萄糖胺（一种不能代谢的糖）或禁食时无这种改变。该结果表明糖酵解和糖异生途径中的葡萄糖代谢水平可控制GR mRNA表达，并参与控制其自身的代谢。

此外，葡萄糖还对肝细胞中L-丙酮酸激酶（Lpyruvate kinase，L-PK）基因和S14基因具有调控作用。L-PK基因编码的蛋白质为L-丙酮酸激酶，是葡萄糖酵解途径中的关键限速酶。L-PK基因和S14基因都存在能对葡萄糖作出特异应答反应的元件（葡萄糖反应元件），葡萄糖在葡萄糖激酶作用下形成的葡萄糖-6-磷酸，是刺激基因表达的直接信号分子。葡萄糖激酶的表达受胰岛素调控，因此胰岛素通过刺激葡萄糖激酶表达，加快葡萄糖代谢，从而对基因表达间接发挥作用。但胰岛素并不是必需的，一旦葡萄糖激酶数量和活性足够，在葡萄糖刺激基因转录中则不再需要胰岛素。

碳水化合物除了在肝脏对糖酵解和脂肪合成的酶类基因具有调控作用外，还在脂肪组织、胰腺等作用部位起到调控作用。摄入高蔗糖饲料的大鼠肝脏表现出高水平的apoE基因转录和apoE蛋白合成；胰腺β细胞胰岛素基因转录对葡萄糖的反应也极其明显，高蔗糖饲料还有助于S14 mRNA的前体转变为成熟的S14 mRNA，对apoB基因转录后的修饰也有显著影响。

8.2.4.3　脂肪酸参与基因表达的调节

脂肪酸在细胞与人类健康和疾病中的作用与它们调节基因转录的能力密切相关。膳食中的脂肪酸的种类和质量可调控脂肪酸去饱和酶的活性，改变生物膜的组成和特性，继而影响镶嵌在膜中的蛋白质的结构和活性，改变细胞膜的流动性，改变炎性物质如前列腺素、白三烯、血小板活化因子等的释放，从而影响机体代谢对感染创伤等应激状态的反应。在关于脂肪酸与基因表达调控的研究方面，了解最多的还是多不饱和脂肪酸（PUFA）。n-6和n-3多不饱和脂肪酸可直接调控细胞核内的生化过程，显著的抑制脂肪酸合成酶的合成。

脂肪被肝脂酶和脂蛋白酶水解以后产生的游离脂肪酸，可通过细胞膜转运载体，如脂肪酸结合蛋白（fatty acid-binding protein，FABP）、脂肪酸转位酶、肾脂肪酸结合蛋白（相对分子质量56 000）、脂肪酸转运蛋白进入细胞。在细胞内，大多数的脂肪酸与蛋白质如FABP以非共价键形式结合；一部分经脂酰辅酶A（FA-CoA）合成酶催化形成FA-CoA；一部分仍以游离形式存在，FA-CoA和游离脂肪酸虽然在细胞内的浓度很低，但却是调节基因表达的主要形式。

PUFA可以通过抑制肝脏中参与葡萄糖代谢和脂肪酸合成相关酶的合成量来抑制肝脏中脂肪的合成。PUFA可以调控一些编码代谢关键酶的基因表达。已发现多种基因表达受到PUFA的调节，如对编码脂肪酸合成酶（fatty acid synthetase，FAS）、糖酵解酶、葡萄糖转运体4（glucose transporter 4，GLUT4）、S14蛋白、硬脂酰基辅酶A去饱和酶（stearoyl-CoA desaturase，SCD）、L-丙酮酸激酶（LPK）和白细胞介素等的基因表达的抑制，以及对编码脂肪酸氧化酶的基因表达的诱导。PUFA对基因表达的调控可以在转录水平和mRAN的稳定性两个方面进行调节。脂肪酸调节基因表达的机制包括以下三方面。

1.G蛋白相关细胞表面受体途径　脂肪酸在线粒体和微粒体发生多步骤氧化反应，产生花生四烯酸、前列腺素、血栓素和白三烯等，这些生物活性物质可以通过自分泌和旁分泌作用于细胞表面的G蛋白偶联受体，活化G蛋白，使细胞内cAMP和钙离子浓度发生改变，作为第二信使活化信号机制，使转录因子功能上调。

2.PPAR途径　PPARs的结构与类固醇-甲状腺超级基因核受体家族的成员相似，由于能被过氧化物酶体增殖剂如氯贝酸、降脂萘、WY14643等激活，故被称为过氧化物酶体增殖剂激活受体（PPARs）。PPARs的不同亚型在组织中分布不同，并且受不同的配体激活，因此具有不同的生理功能。脂肪酸可以通过作用于PPARs与类维生素A的X受体形成异源二聚体来进一步调节下游基因的表达。

3.其他转录因子途径　脂肪酸还可通过调节HNF-4α、NF-κB和SREBP-1c等转录因子活性，从而调节基因表达。

8.2.4.4　维生素和基因表达

维生素是维持机体正常生理功能及细胞内特异代谢反应所必须的一类微量低分子有机化合物，同样会对基因的表达产生影响。由于多种维生素参与保护DNA和维持基因组稳定性，缺乏维生素可能会导致DNA损伤和细胞功能障碍，如细胞老化乃至恶性肿瘤发生。

1.维生素A　近年研究发现维生素A有类固醇激素的作用，在孕烯酮转变为孕酮时有促进作用。此外，维生素A和类固醇激素一样，在胞内或核内有受体，维生素A和这些受体结合成活性复合物，促进基因表达、转录及翻译，可以合成特异蛋白，在抗癌、防癌中起着重要作用。

2.维生素D　维生素D的主要生物活性形式是1，25-（OH）2D3，后者具有维持体内钙、磷动态平衡，调节骨代谢和促进多种组织细胞生长、分化等多种生理功能。上述这些作用大部分是通过活化细胞核内受体，即维生素D受体（VDR），进而调节维生素D靶基因的转录水平来实现的。VDR是一种配体激活的转录因子，可自身形成同源二聚体，也可与类维生素A受体（RXR）形成异源二聚体（VDRRXR）。当VDR与其配体1，25-（OH）2D3结合后，引起VDR构象改变，并与未结合配体的RXR形成异源二聚体（VDR-RXR）。后者再作用于维生素D靶基因启动子区上的维生素D反应元件，并释放辅助抑制因子复合物，同时募集一些辅助激活因子及普通的转录因子，共同形成活性转录复合体。(www.xing528.com)

在传统的靶组织中发现了一些新的维生素D调节基因，如发现了锁骨-颅骨发育障碍基因的一个新的转录因子Osf2/cbfal，它主要调节间质细胞分化为成骨细胞，而1，25-（OH）2D3可在mRNA水平上明显抑制该过程。在非传统的靶组织中，也发现了维生素D调节基因。如1，25-（OH）2D3可抑制细胞因子IL-2、IL-8和IL-12的转录过程，而且VDR还可直接抑制粒细胞-巨噬细胞克隆刺激因子的转录过程，从而具有抑制免疫作用，因此维生素D及其衍生物可预防和治疗自身免疫性疾病。

3.维生素E　给予心脏移植的大鼠动物模型维生素E，对39种编码应激标志物、促炎因子、细胞因子、凋亡途径及结构蛋白等相关基因表达改变研究显示，编码清除活性氧酶类（如超氧化物歧化酶）、黏附分子、应激标志物（如心钠素）的基因表达明显下调，而编码心肌和骨骼肌肌动蛋白的基因表达增加。

8.2.4.5　微量元素对基因表达的调控

1.微量元素参与基因表达的存在形式

（1）微量元素作为金属酶的辅助因子参与基因表达：金属作为酶的活性中心组成部分参与基因表达，其中最典型的例子是锌。锌离子是DNA聚合酶的一个重要组成成分，在DNA聚合酶的结构和功能上均有重要作用。有学者在加锌和不加锌的条件下分别检测了DNA聚合酶的活性，发现不加锌大鼠细胞核中DNA聚合酶活性显著低于正常饲喂锌剂量的大鼠；而向缺锌大鼠饲料中加入一定量锌离子又可使DNA聚合酶活性部分恢复；同时锌离子也是RNA聚合酶的一个重要组成成分，真核生物中RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别转录rRNA、mRNA、tRNA和5sRNA及其他几种小分子RNA。

（2）部分微量元素可作为诱导物从而对基因表达进行调控：作为基因表达过程中的诱导物，微量元素能引发蛋白与核酸结合，从而对基因表达进行调控，这类微量元素多为二价的过渡元素，如镉、铅、铜、汞、镍、锌等。

（3）微量元素作为维持特殊构型的结构物质参与基因表达：微量元素可作为结构物质，在蛋白质（结合蛋白）与基因发生相互作用时保证维持一定的特殊构型。锌指结构是锌原子作为活性结构的一部分与一小群氨基酸结合，在蛋白质中形成相对独立的一个结构阈，这种结构阈的特点是可通过α-螺旋结合到DNA大沟（大沟指绕B-DNA双螺旋表面上的宽的螺旋槽）中，锌指环上突出的Lys、Arg参与同DNA的结合，由于锌指结构往往重复出现，使得蛋白质因子在DNA大沟中结合很牢固且特异性高。

（4）调节机体营养平衡的金属：这些金属可以为转录激活过程或mRNA的翻译调节提供信号，从而对机体营养状况进行基因水平调节，研究较深入的是铁对铁蛋白mRNA和转铁蛋白受体mRNA的调控。

2.部分微量元素对基因的调控

（1）锌对基因表达的调控：锌作为机体的一种必需微量元素，具有可以增强机体免疫功能、促进细胞增殖分化、参与核酸代谢和蛋白质代谢、维持细胞周期正常进行等生物学功能。近年来的研究结果表明，锌主要是通过对基因的转录和表达的影响而产生一系列的生物学效应。锌离子是DNA聚合酶的一个重要组成成分，锌对于维持DNA聚合酶的活性具有相当的重要性；另外，锌通过影响RNA聚合酶活性及转录因子的作用，能够导致基因转录异常，从而使蛋白质表达也发生变化；锌还可以通过影响金属调节蛋白的转录活性而影响金属硫蛋白（metallothionein，MT）基因的表达。有学者认为可以将MT基因的表达量作为体内锌营养状况的重要衡量指标。

（2）铁对基因表达的调控：受铁调节的基因主要包括以下5种。

1）转铁蛋白受体（transferrin receptor，TfR）：TfR有两种，即TfR1和TfR2。TfR1由TfR1基因编码，后者产生一种重要的5 kb mRNA，它的3'端非翻译区大约含有2500个核苷酸，此区有5个聚集在一起的铁反应原件（iron responsive element，IRE），每一个IRE都能结合一个细胞质铁调节蛋白（iron regulatory protein，IRP）。除成熟的红细胞和其他晚期分化的细胞外，TfR1可在其他所有细胞中表达，但表达水平不同，表达水平最高的细胞和组织是未成熟的红细胞、胎盘组织、肝和迅速分裂的细胞。转铁蛋白和转铁蛋白受体途径是细胞摄取铁的经典途径。TfR2是TfR1的同系物。对TfR2的序列分析显示，TfR2无IRE，主要在肝脏表达，可能与肝脏摄取和贮存铁的过程有特殊作用。TfR2在小肠也有低水平表达，但是其功能尚不清楚。

2）铁蛋白（ferritin，Fn）：主要的细胞内贮存铁的蛋白质，在铁代谢过程中发挥关键作用。Fn由24个亚基组成，包含有两条链即重链（H）和轻链（L）。每分子铁蛋白可同时容纳高达4500个3价铁离子，具有储存和解毒的双重功能。转铁蛋白受体和铁蛋白mRNA上都存在相似的IRE，IRE可通过铁浓度变化来调节这两种蛋白的合成。

3）红细胞系γ-氨基δ-酮戊酸合成酶：γ-氨基δ-酮戊酸合成是血红蛋白合成的限速步骤，由γ-氨基δ-酮戊酸合成酶（ALAS）催化。除红细胞系外，其他组织中管家ALAS（house-keeping ALAS，hALAS）基因，即ALAS1基因，定位于染色体3p21，而红细胞系ALAS（eALAS）基因，即ALAS2基因，定位于染色体Xp11.21。eALAS基因除了受铁在翻译水平的调控以外，还要受促红细胞生成素在转录水平上的调控，但是血红蛋白生成的总速率主要是受细胞内铁含量的限制。在分化的红细胞中，eALAS mRNA的翻译速率与细胞内铁含量相当。

4）2价金属离子转运蛋白（divalent metal transporter 1，DMT1）：DMT1是与小肠铁吸收相关的重要蛋白质，在人体组织和细胞中的表达十分广泛。在细胞水平，DMT1特异表达于某些需要发挥其功能的细胞，如在小肠中，主要表达的是DMT1同源异构体1，定位于肠上皮细胞绒毛面细胞膜上，参与小肠铁的吸收，受铁缺乏的向上调节。

5）转铁蛋白刺激因子和铁调节蛋白hepcidin：铁转运刺激因子（stimulator of Fe transport，SFT）能增强细胞对非转铁蛋白结合铁和转铁蛋白结合铁的摄取，是调节体内铁稳态的重要铁代谢蛋白之一。SFT的表达主要受细胞内铁浓度的负向调控。SFT在人体组织中分布非常广泛，外周血白蛋白、脾、胸腺和小肠中表达水平最高。在细胞内，SFT主要位于再循环内吞小体中，可能参与细胞转铁蛋白结合铁摄入过程的内吞小体铁移位。有报道，贫血病人SFT的表达增加，与遗传性血色病（HFE）无关的铁过量病人的SFT表达下降，但与HFE有关的血色素沉着症病人的SFT表达却增加。因此，有学者认为SFT表达可能与HFE的正常表达有关，或者SFT表达增加可能是这种遗传性疾病的病因之一。

hepcidin也是一种重要的铁吸收调节因子，由肝脏分泌后进入血液循环，对小肠铁吸收起抑制作用，对网状内皮细胞铁储留起促进作用。铁过量时hepcidin表达增加，铁耗竭时hepcidin表达下降。hepcidin基因突变可导致循环中肝杀菌素水平下降，导致早发型血色素沉着症，这也进一步证明hepcidin在人体铁平衡中具有的重要作用。

铁对基因表达的调控比较复杂，在对铁代谢相关蛋白基因表达的调节中，IRE-IRP依赖型转录调控模式是最重要的一种调控机制。铁调节蛋白（IRP）可作用于靶基因上的铁调节元素（IRE），进而调节基因表达。如在铁缺乏的情况下，IRP会结合到DMT1和FfR1 mRNA的3'非翻译区的IRE上，以保护mRNA，防止被核糖核酸酶降解，从而使mRNA的稳定性增强。增加由mRNA翻译成蛋白质的数量，即DMT1和TfR1数量增加，小肠吸收上皮细胞对食物中铁的吸收增加，外周组织需铁细胞对铁的摄入增加。

（3）硒对基因表达的调控：研究发现，硒掺入发生在mRNA翻译阶段，在这种情况下，终止密码子（UGA）不是作为翻译的终止信号，而是作为半胱氨酸硒掺入的编码信号，这一过程需要特定的非翻译序列发生结构变化。在动物体内硒蛋白有50～100种，它的合成是在转录水平上通过组织特异性的细胞发育和环境因素调节。硒可调节细胞质谷胱甘肽过氧化物酶、磷脂羟基过氧化物谷胱甘肽过氧化物酶和Ⅰ型碘化甲腺原氨酸-5'-脱碘酶活性及mRNA丰度，但作用程度不明显。体外试验也发现，硒缺乏能明显抑制细胞核中糖皮质激素受体、甲状腺受体和视黄酸受体与相匹配体的特异结构，并能抑制受体基因的表达。