现代营养学：营养与基因间的关系与慢性病

8.3.3.1　营养、基因与冠心病的关系

1.膳食调节血脂代谢的相关基因　血脂紊乱与冠心病的发生有关，通常是因为与控制脂质稳态有关的一系列蛋白质功能异常有关，如核转录因子、结合蛋白、载脂蛋白、酶、脂蛋白受体，以及激素等。这些蛋白质成分大多存在基因多态性，而且其中一些基因参与膳食-基因相互作用关系中。例如有关载脂蛋白E基因（apoE）在膳食干预调节LDL-C中的作用已进行了深入研究。人的apoE基因定位于19号染色体长臂上，由3579个核苷酸组成，包含4个外显子和3个内含子，编码含299个氨基酸残基的单链多肽。apoE 136～150位上的氨基酸残基为与LDL受体结合的部位。作为乳糜微粒、VLDL、LDL、HDL的蛋白质成分，apoE与特异性细胞表面受体结合介导脂蛋白代谢。人群中apoE位点所发生的基因变异主要是由3个等位基因E4、E3和E2引起的。携带apoE 4亚型的人群LDL-C水平最高，而且与膳食中饱和脂肪酸及胆固醇的摄入量的相关性最为显著。因此，该流行病学研究结果提示，一方面高LDL-C在摄入致动脉粥样硬化膳食的人群中多发；另一方面个体对膳食饱和脂肪酸和胆固醇的反应也会因携带apoE等位基因不同而异。同时还要强调的是，有关apoE在膳食基因关系中的作用在目前的研究结果还存在很多不一致之处。以男性研究对象为主的研究中发现了膳食-apoE的相互作用，提示存在基因-性别相关性；而且基础血脂水平对最终结果有影响，只有中度高胆固醇血症的研究对象存在膳食-apoE的显著相关性。多项研究还一致发现男性乙醇摄入对LDL胆固醇的影响也依赖于apoE基因型。携带apoE 2等位基因的个体存在乙醇摄入量与LDL胆固醇的负相关关系，然而携带apoE 4的个体却存在正相关关系。在这些基因型研究中，还发现apoA 1可能是调节高密度脂蛋白（HDL）水平的主要变异基因，它的基因产物在脂质代谢和心血管疾病危险性中发挥着关键作用。

对女性的研究发现，当摄入高多不饱和脂肪酸膳食时，apoA 1基因中碱基G转变成A可能与HDL-C水平升高有关。与apoA 1中存在的G/A单核苷酸多态性类似，还发现HDL-C水平升高与摄入高脂肪膳食时肝脂酶基因中纯合子-514（CC）的多态性有关。作为一种防御机制，HDL-C水平的升高在携带TT基因型的个体体内未发现。美国黑人与白人共享类似的冠状动脉疾病危险因子-高膳食脂肪摄入，由于白人apoE 4出现频度高，冠状动脉疾病患病率相对较高。另外，尼日利亚人为apoE 4出现频度最高的人群，但由于膳食中动物脂肪含量较低，其平均血胆固醇水平较低。由此可见，apoE基因的多态性影响机体对脂类代谢的能力。

2.膳食与冠心病　冠心病的发生与遗传和年龄有关。研究者已经找到许多与调节血脂相关的基因，如果其中有一个基因发生突变，则血脂水平可能会受影响。但是，研究发现：具有决定血脂升高遗传特征的人并不一定发生冠心病。在研究中人们注意到，与此相关的冠心病在早先的几代人中较为少见。流行病学调查证实，全世界冠心病的患病率有很大的不同。西方国家及过着西方生活方式的人群中，频率最高；在发展中国家的群体中，其频率通常很低。美国近年来的发病趋势也显示了环境因素的强大效应。在20世纪中叶，冠心病的死亡率逐年增加，但通过营养教育引起人们对饮食的注意，冠心病的发病率又显著降低。当移居者从低频率国家（如日本）移居到高频率地区（如美国）后，冠心病的发病率增高。进一步研究认识到，个体遗传差异使得部分人对引起冠心病的某些环境因素（如饮食）更加易感，冠心病的发生是营养素与基因相互作用的结果。膳食对血脂相关基因表达的影响，可从基因转录到翻译后的修饰，人们对这些过程的细节目前尚不清楚。

8.3.3.2　营养、基因与肥胖

自从1994年瘦素（leptin）基因被发现至今，人们对体重调节的分子遗传学基础已经进行了广泛深入的研究，但其确切的分子机制并未阐明。

瘦素是肥胖基因（ob基因）编码、脂肪细胞分泌的产物，它可经血液到达下丘脑食欲中枢，抑制食物摄入，增加能量消耗，减少脂肪合成。瘦素及其受体的突变在人类可引起病态肥胖，但绝大多数病态患者并非因为瘦素或其受体基因突变所致。通过对肥胖人群DNA进行的筛选发现，与原先预期发现的相反，血清瘦素浓度与肥胖程度呈正相关，在肥胖状态或高脂饮食作用下，肥胖基因在脂肪组织中的表达增加，使瘦素浓度上升、敏感性下降，从而不能发挥其作用，形成了瘦素抵抗。目前的研究认为，瘦素的内源性抵抗可能是肥胖形成的基础。

营养和遗传两者共同导致肥胖危险性增加，但营养素与基因之间如何相互作用导致肥胖的分子机制尚不十分清楚。目前已发现肥胖相关基因480多种，分布在除Y染色体以外的所有染色体上，其中与营养素相互作用的肥胖的有关基因近20种，肥胖基因（ob基因）已在小鼠和人身上定位克隆，并发现该基因编码的蛋白质-瘦素（leptin）是人们一直在寻找的控制体重的激素。但它们与营养素相互作用导致了肥胖的证据不足，这些基因的多态性与肥胖的关系还不清楚。

1.肥胖相关基因　长期以来脂肪组织被认为是一种不活跃的组织，但是近10年的研究表明，许多基因在脂肪组织有特异性表达，脂肪组织可通过内分泌、旁分泌和自分泌信号调节机体的能量代谢。这些分泌功能除了对脂肪组织本身的影响外，还可以影响脑、肝、肌肉等其他组织的代谢活动。脂肪细胞分泌的激素和其他细胞因子，大多数以自分泌或旁分泌的形式来调控脂肪细胞的代谢，部分可以进入血液以内分泌信号方式发挥远距离调控作用，从而调控与能量平衡相关的全身性代谢活动。

近年来的研究结果表明，肥胖基因（obese gene）、瘦素受体（leptin receptor）、神经肽Y（neuropeptide Y，NPY）基因、下丘脑阿片促黑激素皮质素原基因（pro-opiomelanocortin，POMC）、黑色素皮质激素受体-4基因（melanocortin-4 receptor，MC4R）、增食因子（orexin）基因主要影响能量摄入；解偶联蛋白（uncoupHng protein，UCPs）基因、β3-肾上腺素受体（β3-AR）基因主要影响能量消耗；过氧化物酶增殖物受体-γ（PPAR）基因和抵抗素基因主要影响脂肪细胞储存脂肪。瘦素由脂肪组织分泌入血后，经血液转运系统运送至中枢系统，作用于其靶细胞。瘦素与下丘脑的瘦素受体结合，将饱食感和脂肪贮存量的信息传递给下丘脑，下丘脑是重要的能量平衡及代谢平衡调节中枢。人类和多种动物的下丘脑存在2对与摄食有关的神经核，即腹内侧核的饱中枢和腹外侧核的饥中枢。饱中枢富含瘦素受体、NPY、POMC、MC4R的神经元，而饥中枢则富含增食因子A和B的神经元。

2.肥胖相关基因与体重调节　机体对体重的调节主要在控制能量和能量消耗两个水平上进行。瘦素在中枢系统调节能量代谢，保持体重稳定主要是通过控制摄食和能量消耗实现的。

（1）神经肽Y（NPY）途径：NPY是最早发现的瘦素作用靶点。NPY是增加摄食的因子，瘦素对其只有抑制作用。当机体处于饥饿状态，脂肪组织容量减少，瘦素的分泌量随之减少。低水平的瘦素与下丘脑NPY神经元上的瘦素受体结合，使NPY合成分泌增加。NPY通过与其Y5受体结合，摄食增加，恢复脂肪容量，瘦素水平恢复正常。在该途径中瘦素负调节NPY，以维持体重的平衡。

（2）MC4R途径：MC4R也是瘦素作用的主要靶点。MC4R在下丘脑弓状核内高度表达，而该部位是瘦素的作用位点和NPY产生的主要部位，机体脂肪组织增加使瘦素这种表达脂肪容量的信号物质增加。高水平的瘦素与下丘脑阿黑皮素原（POMC）上的瘦素受体结合，使POMC合成增加，POMC分化形成的α-促黑素激素（α-MSH）与其受体MC4R结合，摄食减少，消耗脂肪容量，继而瘦素水平降低，这样构成一个反馈调节环，维持正常体重。α-MSH是POMC的分裂产物，是MC4R内源性配体，介导生理性饱足信号，抑制食物的摄取。而agouti相关蛋白（AGRP）则是MC4R的反向拮抗剂，主要在下丘脑表达，能刺激摄食，其过度表达可引起多食和肥胖。因此，MC4R的生物学效应由α-MSH和AGRP的比例决定。

此外，饱腹因子（cocaineand amphetamine regulated transcript，CART）与瘦素和NPY这两种食物摄入调节因子密切相关，并能抑制正常鼠和禁食鼠的摄食行为，完全阻断NPY诱发的摄食现象。因此，CART可能是瘦素控制食物摄入的又一重要途径。

3.增食因子A和B对摄食的调节　增食因子A和B（orexin A、B）是近年来发现的一种食欲调节因子，其作用与瘦素相反，具有刺激动物摄食的作用。但是，增食因子A和B的增食效应持续时间不同，意味着两者在中枢神经系统有不同的功能，而且增食因子A和B的增食效应都低于NPY。增食因子神经元上有瘦素受体，增食因子神经元末端与NPY神经元存在突触联系，并且增食因子可增加NPY的释放，NPY也可能在增食因子的介导下直接作用于下丘脑调节摄食。因此，瘦素、增食因子和NPY互相联系形成一个调节网络，调节摄食和能量代谢。

4.抵抗素　抵抗素（resistin）是2000年由美国宾西法尼亚州大学医学院Steppan等发现的一种由脂肪细胞分泌的新的激素，其作用是对抗胰岛素，使血糖水平升高和脂肪细胞增生繁殖，它是糖尿病和肥胖症研究领域的突破性进展。在小鼠和人类中存在着抵抗素和抵抗素样分子家族（resistin like molecules，RELMs），抵抗素是由脂肪细胞分泌的，RELMs包括RELMα和RELMβ。RELMα主要在脂肪细胞分泌，而RELMβ只在胃肠道特别是结肠分泌和表达，在增生的上皮细胞基因表达最多。抵抗素在白色脂肪组织的表达比棕色脂肪组织多，在乳腺组织中抵抗素低水平表达，可能与乳房脂肪垫的存在有关，在女性性腺脂肪组织中抵抗素表达最多。

5.营养素与基因相互作用对肥胖形成的影响

（1）脂肪：肥胖相关基因与膳食营养素相互作用共同导致肥胖。许多研究已经证实高脂膳食是引起肥胖的主要营养因素，但高脂膳食引起的肥胖有家族倾向。另外，在高脂膳食诱导肥胖的过程中，总有易于发生肥胖或肥胖抵抗的现象存在，说明在高脂膳食引起的肥胖过程中有遗传因素的存在，遗传因素决定了这种差异。脂肪和基因相互作用共同导致肥胖的发生，而且两者均是导致肥胖危险性升高的要素。

（2）维生素和矿物质：肥胖者大多存在矿物质和维生素缺乏现象。肥胖者餐后胰岛素、葡萄糖、氧化压力明显增高，而身体脂肪含量与血清中维生素C、维生素E、锌/胰岛素比值、镁/胰岛素比值呈负相关，说明锌、镁、维生素C和维生素E等可能是肥胖的危险因素。矿物质和维生素等是与能量代谢关系密切的非供能营养素，但在肥胖形成过程中也发挥着重要的作用。动物实验证明矿物质如铬和铁能明显增强UCP2或UCP3的表达，增加能耗；降低NDY和增食因子A、B的表达，降低食欲；并能明显降低肥胖大鼠体重，同时可改善胰岛素抵抗，纠正血糖和血脂代谢紊乱，进而降低肥胖大鼠的体脂肪含量，缓解肥胖。有学者提出“肥胖者高能量、高代谢、高需求”理论，认为肥胖者处于一种高能量、高代谢状态，对微量元素、维生素的需求相应地增加。如增加这些营养素的摄入量，可使其在较高水平保持代谢稳态，降低由肥胖并发其他疾病的危险，提高肥胖人群的生活质量。

（3）不饱和脂肪酸：共轭亚油酸可以抑制高脂饲料诱导的大鼠肥胖的形成。其可能机制为，共轭亚油酸可能通过激活PPARr下调降低肥胖大鼠血清瘦素水平，增加白色脂肪UCP2表达，改善瘦素抵抗，抑制食物摄入，减少脂肪合成，促进脂肪分解；降低肥胖大鼠血糖、血清胰岛素水平，提高胰岛素敏感性，改善胰岛素和瘦素抵抗，调节代谢紊乱。

从目前的研究进展来看，肥胖是受多种基因综合作用的结果，单个基因对肥胖的发生可能只产生微弱的影响。建议采用遗传连锁分析法（henetic linkage analysis）和连锁不平衡分析法（linkage disequilibrium analysis），以阐明基因/等位基因的复杂作用。

8.3.3.3　营养、基因与2型糖尿病

1.2型糖尿病的遗传因素研究证据

（1）种族发病率的差异性：2型糖尿病的发病率在全世界不同国家和地区存在较大差异，有些地区发病率低至1%，而有些人群则高达50%。发病率的差异除了与环境因素不同以外，还与遗传因素有关。例如，印第安比马人2型糖尿病发病率与他们和欧裔美国人通婚的程度成反比。同样，在太平洋岛国上纯种血统瑙鲁人2型糖尿病发病率比混血儿高。而且，居住在同一环境中的不同种族人群2型糖尿病的发病率也不同，这些都提示2型糖尿病的易感基因在人群中分布不等。例如，在美国不同种族间发病率变化很大，欧洲后裔发病率5%，非洲裔美国人10%，古巴人16%，墨西哥裔美国人24%，波多黎哥人26%，而某些美国本土土著人如亚利桑那州的比马人发病率高达50%以上。美洲印第安人比马人、澳大利亚土著民，以及太平洋岛国居民2型糖尿病的高发病率可以用“节约基因型”假说解释。

（2）家系研究证据：一级亲属中有患2型糖尿病个体的糖尿病发病率会较正常人群升高3.5倍。这种家族聚集的现象在不同地区的人群中包括北美洲、南美洲、欧洲、亚洲、非洲、大洋洲都得到证实。而且，发病年龄越小，对家族成员的遗传作用越明显。例如，在印第安比马人中，父母均在45岁之前患糖尿病的人群的发病率最高。父母一方患有2型糖尿病的个体在一生中发病的风险大约为40%；如果父母双方均有糖尿病，则其危险性增加至70%。

（3）父母的特殊作用：研究发现，低出生体重个体患糖尿病的危险性主要与父亲的糖尿病有关，但多数情况下母亲的糖尿病基因传递给子女的可能性更高。但是，目前尚不清楚母亲这种过多的传递是由于线粒体突变还是基因组印迹引起，以及在多大程度上是由非遗传因素引起的，如在宫内暴露于母亲的糖尿病。

2型糖尿病被发现与40种线粒体变异和突变有关，包括常见的T16189C变异、线粒体DNA拷贝数量减少等。但是，并非所有从母体传递给子女的糖尿病风险都与遗传有关。在宫内暴露于糖尿病也会增加患病风险。在印第安比马人中，与分娩之后患糖尿病妇女的子女相比，母亲怀孕期间患糖尿病则其子女的发病率更高。母亲患糖尿病之后所生的子女发生糖尿病的风险比母亲患糖尿病之前所生的兄弟姐妹要高。但是，父亲对此则无这种影响。

（4）双胞胎研究：尽管2型糖尿病的家庭聚集性已经得到充分证实，但这并不能充分说明这种现象是由遗传作用引起的。因为在同一家庭内，家庭成员所处环境因素、文化、饮食、生活习惯等非常近似。而双胞胎研究可以更好地证明遗传所起的作用，通过比较单卵和双卵双胞胎的一致患病率发现，单卵双胞胎的一致患病率高于双卵双胞胎，该结果可能更好地证明了遗传基因在2型糖尿病中所起的作用。

2.糖尿病易感基因的研究

（1）calpain 10基因：目前国内外学者在分子流行病学调查的基础上，多采用大规模的高通量全基因组扫描定位克隆技术（positional cloning）、候选基因策略（candidate gene）、群体和家系分析技术、SNP筛选技术等来寻找2型糖尿病的候选基因，结果发现在人类染色体上定位了许多可能含有2型糖尿病基因的易感位点，其中calpain 10基因就是第一个被证实的2型糖尿病的易感基因。calpain 10基因位于染色体2q37.3，共编码672个氨基酸蛋白，有15个外显子，DNA全长31 kb。calpain 10基因存在3种单核苷酸多态性（UCSNP-19、-43、-63），其中尤以calpain 10（UCSNP-43）与2型糖尿病显著相关。研究还发现若3种单核苷酸多态性及其变异同时存在时，患2型糖尿病的危险性比正常者增加3倍。

（2）过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPARγ）：过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARs）是一类由配体激活的核转录因子超家族成员。PPARγ是其3种亚型之一，在脂肪细胞分化和糖、脂代谢中发挥着重要作用。在体外培养的脂肪细胞中，用胰岛素可诱导PPARγ表达，当PPARγ与降糖药噻唑烷二酮结合时还可以增加胰岛素的敏感性。根据启动子和转录后剪接方式的不同，PPARγ分为2种亚型PPARγ1和PPARγ2。PPARγ2基因的Pro12Ala多态性位于比PPARγ1N-端多出的30个氨基酸上，可能与PPARγ2基因功能受损有关。目前有关PPARγ2基因Pro12Ala多态性与糖尿病的相关性研究结果不一致。国外有的报道认为PPARγ2基因Pro12Ala多态性的Ala12等位基因，是2型糖尿病的保护基因，可降低其发生；而有些研究则认为该等位基因不是2型糖尿病发病的主要因素。国内研究均认为PPAR72基因Pro12Ala多态性与T2DM无相关，但可能与糖尿病患者肥胖存在相关性。

（3）胰岛素受体底物1（insulin receptor substrat-1，IRS-1）：IRS-1是胰岛素与其受体结合发挥生物学效应的一个重要介质。胰岛素与浆膜受体α亚单位结合后，激活受体β亚单位内在的酪氨酸激酶。IRS-1是激活的胰岛素受体酪氨酸激酶的直接底物。胰岛素使IRS-1酪氨酸快速磷酸化，并与几种含SH区域的蛋白质，如磷脂酰肌醇3激酶结合。后者是胰岛素刺激葡萄糖摄取和葡萄糖转运体4（glucose transporter 4，GLUT4）易位的关键的信号传导因子之一。IRS-1是连接胰岛素受体、胰岛素样生长因子（insulin like grouth factor-1，IGF-1）和IGF-1受体激酶与调节细胞代谢和生长的酶。IRS-1基因研究中最常见的多态性为Gly 972 Arg突变（第Gly 972 Arg位甘氨酸被精氨酸替代），这种突变发生在潜在的PI-3K结合位点。IRS-1基因是胰岛素抵抗的候选基因。英国前瞻性糖尿病研究中有关2型糖尿病遗传的研究发现，Gly 972 Arg密码子在有胰岛素抵抗的2型糖尿病病人中的频率为18%，在有胰岛素抵抗伴血脂异常的2型糖尿病病人中的频率为26%，对照组为11%，说明Gly 972 Arg密码子有促成胰岛素抵抗者发生2型糖尿病的作用。

3.营养与基因相互作用对糖尿病的影响　多项研究显示，摄入较多的植物性食物包括水果、蔬菜、坚果、种子类和全麦类食物可降低人群2型糖尿病的发病率。但是通过系统分析，发现不同研究之间存在较大差异，提示如果按照不同基因背景研究食物的作用效果可能更有意义。有关PPARγ基因的研究结果就很好地证实了营养与基因相互作用对糖尿病发病的影响。在一项对522名糖耐量受损（impaired glucose tolerance，IGT）者进行的干预研究中，研究对象被随机分入饮食运动干预组和非干预组，通过3年随访，以发生糖尿病作为研究终点。携带Ala12等位基因型的个体发生2型糖尿病的危险性比值是携带野生杂合型基因型（Pro12Pro）个体的2.11倍。对于所有研究对象不论基因背景如何，凡是体重增加或者未采用干预措施均会增加疾病的危险性。然而，对于携带Ala12Ala基因型并且接受干预个体体重丢失较其他个体多，患2型糖尿病的风险较其他个体低。该结果提示，对于肥胖伴有糖耐量异常的个体，携带Ala12基因可能是其发生2型糖尿病的危险因素。但是，这些个体对膳食改变为地中海式膳食、增加体力活动量以及减重的反应更明显，这种现象的发生可能与改善胰岛素敏感性有关。

研究显示，n-3多不饱和脂肪酸（n-3 PUFA）能够预防或逆转胰岛素抵抗的发生。其作用机制一方面与n-3 PUFA抑制饱和脂肪酸激活Toll样受体TLR-2和TLR-4，从而抑制炎性介质如类花生烯类物质的产生有关。另一方面，与n-3 PUFA还能调节某些转录因子如PPAR、固醇调节元件结合蛋白-1c（SREBP-1c）、肝核因子（HNF）、维甲酸X受体（RXR）和肝X受体（LXR）等的活性和表达水平，从而调节多种与碳水化合物和脂质代谢有关的基因有关。如鱼油能预防高脂膳食诱导的野生型小鼠胰岛素抵抗，但是对PPARα基因敲除小鼠则无此作用，这就提示PPARα介导了鱼油的作用效果。还有研究显示二十碳五烯酸（EPA）是PPARα依赖基因的有效激活剂，EPA和二十二碳六烯酸（DHA）均能抑制SREBP-1c的表达。

8.3.3.4　营养、基因与肿瘤

饮食因素可以通过抑制或增强致癌作用来影响肿瘤发生的危险性。营养与肿瘤发生的研究从最初以观察为主，到目前对分子机制的研究，这些研究结果为饮食干预策略效果的鉴定及评价提供了可能性。目前只提出了针对群体水平降低肿瘤发生的一般性膳食指南，而尚未确定特定的保护性食物或食物成分。针对基因在饮食和肿瘤发生相关性中的作用进行了多项研究，但是仍有许多问题尚未阐明，还需要进行大量的研究工作，尤其是通过大样本人群前瞻性干预研究以证实。因为：①尽管饮食可能是多种肿瘤的重要发病病因，但是有关饮食与肿瘤之间的确切相关性至今尚未建立，因此，也就很难给人群提出清晰而明确的预防肿瘤发生的饮食建议。②根据人群干预实验所得到的饮食改变的程度通常是有限的，而如果根据不同人群的遗传背景制定措施可能更有意义。③行为干预对某些疾病的高危人群（如2型糖尿病病人并发心血管疾病）可能不具有足够的预防作用，而需要同时采用其他的化学预防手段（通过膳食补充剂、药物成分或食物强化）。

1.与肿瘤发生相关的基因(www.xing528.com)

（1）甲基四氢叶酸还原酶基因：与肿瘤危险性有显著相关的基因多态性之一是甲基四氢叶酸还原酶（methylenetetrahydrofolate reductase，MTHFR）基因的纯合子（TT）形式，与其中的胞嘧啶转化为胸腺嘧啶（丙氨酸残基转化为缬氨酸）有关，该纯合子会导致高同型半胱氨酸血症和增加心血管疾病的风险，但是却同时降低了肿瘤的风险。当MTHFRTT基因型的酶活性相对降低时，会有较少的5，10-四氢叶酸参与同型半胱氨酸向蛋氨酸转化时发生的甲基取代作用，而产生更多的胸腺嘧啶合成底物。在叶酸缺乏时，脱氧尿苷核苷酸进入DNA的错参（指一个错误的碱基或类似物参入到DNA中，常发生在DNA复制时）增加，并诱导突变发生，这也解释了为什么叶酸缺乏时结肠肿瘤危险性会增加。从以上例子我们可以看到基因、膳食与肿瘤之间的相互关系是比较复杂的，将研究结果直接转变为饮食建议尚存在难度。

由于同型半胱氨酸是致动脉粥样硬化因子，因此对MTHFR-TT基因型的个体的建议是，通过增加甲基取代生成蛋氨酸，降低同型半胱氨酸水平，使酶活性尽量正常化。然而同时还需要强调，当MTHFR活性正常化时，由于进入胸苷酸循环的一个碳原子可能被还原，因此可能失去TT多态性对肿瘤发生的保护作用。尽管这一假说尚未得到证实，但是MTHFR-TT基因型者发生结、直肠腺瘤的危险性增加与叶酸、维生素B12和维生素B6摄入量低有关。

（2）N-乙酰转移酶基因：N-乙酰转移酶（Nacetyltransferase，NAT）基因的多态性也与机体暴露于食物致癌物质时的肿瘤易感性有关。NAT是一种第2阶段酶，有2种亚型，分别是NAT1和NAT2，参与杂环芳香胺的乙酰化作用。已经明确NAT1和NAT2存在几种基因多态性，其中一些多态形式与NAT的活性有关，分别被称作慢、中和快速乙酰化个体。如对于NAT2快速乙酰化个体，当摄入相对多的红肉时就更容易患结肠癌，这可能反映出快速乙酰化个体结肠黏膜内的芳香胺更容易被活化。

（3）谷胱甘肽-S-转移酶基因：谷胱甘肽-S-转移酶（glutathione-S-transferases，GST）与某些个体的肿瘤危险性有关，GST基因家族主要包括4个家族，分别是A、P、M和T，每个家族又存在几种基因多态性。GSTM1/GSTT1空白基因型会增加几种类型肿瘤的危险性。GST于外源性有毒化合物代谢过程中在解毒方面起重要作用，而且其表达水平受多种膳食因素的影响。在人体内，某些物质的抗癌效果（如十字花科蔬菜）可能与诱导GST和其他一些第2阶段酶类有关，GST可以和十字花科蔬菜的有效成分异硫氰酸盐作用，而且只有GSTM1空白基因型个体摄入大量花椰菜时才产生对机体的保护作用。对异硫氰酸盐的反应需要转录因子红系衍生的核因子2-p45相关因子2（Nrf2）的参与。只有对Nrf2+/+小鼠，从十字花科蔬菜提取的异硫氰酸盐能引起GSTM1中度升高，GSTA1，2和GSTA3蛋白的显著升高，但是对Nrf2-/-小鼠无此作用。

2.食物营养与肿瘤的表观遗传学　表观遗传学是研究没有DNA序列变化，但可遗传的基因表达（活性）的改变。目前认为表观遗传的信息包括核小体构型的变化（ATP依赖的染色体重构）、基因组印记、X染色体失活、DNA甲基化、染色体蛋白的改变，包括组蛋白的修饰如乙酰化、甲基化、磷酸化、多聚ADP-核糖基化、赖氨酸残基（Lys）的生物素（酰）化等，组蛋白变体的替换，非组蛋白的改变，非编码RNA调控转录。长期以来人们一直认为基因突变参与肿瘤的形成，近年来越来越多的证据表明，肿瘤的形成受遗传学修饰和表观遗传修饰的影响，表观遗传修饰在肿瘤进展中同样具有非常重要的作用。

饮食中的营养素提供了表观修饰作用所需的反应底物，其供应量也对表观修饰作用有影响。但是，目前对营养素通过哪种表观遗传修饰途径来影响肿瘤的形成及如何影响的研究不多，相关机制并不清楚。

（1）组蛋白乙酰化：组蛋白乙酰化的修饰可能是有活性的饮食成分参与调节基因表达和肿瘤易感性的一个表观遗传学机制。组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）抑制剂已经被证实可以在锌结合位点与锌结合。这导致了HDAC抑制剂新的分类方法发展，即以通过疏水键与锌螯化物界限的短链脂肪酸进行分类。短链脂肪酸、丁酸盐已被证实可促进RET原癌基因的超乙酰化和增加RET原癌基因的转录。丁酸盐能在体外诱导多种肿瘤细胞系（包括胃癌、结肠癌、前列腺癌、乳腺癌、卵巢癌、神经母细胞瘤、黑色素瘤、肺癌和白血病等）生长停滞、分化或凋亡。镍是一种有效的环境致癌物，暴露于镍可使肿瘤抑制基因的基因位点形成异染色质结构，诱导肿瘤抑制基因的从头甲基化，从而失去了肿瘤抑制基因的抑瘤（抗癌）作用。在酵母和哺乳动物细胞中已经报道了镍对组蛋白H4乙酰化的抑制作用。组蛋白低乙酰化参与镍引起的人类肝细胞瘤Hep3B细胞bcl-2基因的下调。镍能诱导OVI-VCR细胞系MDR1基因表达的明显下调，而组蛋白H4乙酰化水平的调节和OV1-VCR细胞系MDR1基因表达上调和下调相关。

（2）组蛋白甲基化：组蛋白甲基化由组蛋白甲基化酶催化，也由SAM作为甲基供体。体内组蛋白甲基化酶活性主要受SAM正调节和其代谢产物S-腺苷同型半胱氨酸（SAH）的负调节。饮食中缺乏蛋氨酸和叶酸，可导致SAM/SAH比例降低，甲基化能力下降。尽管叶酸缺乏时造成总体DNA低甲基化，但是在5'CpG岛则被超甲基化，并且导致H-钙黏蛋白基因表达的下调。维生素B12、叶酸、胆碱和维生素B6可促进同型半胱氨酸的甲基化或降解，降低SAH的水平，增强组蛋白甲基化酶的活性，抑制肿瘤发生。由于叶酸及其代谢中间产物5-MTF增强了甲基化作用，所以显著抑制了结肠癌细胞的表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）启动子的活性。

（3）多聚ADP-核糖基化：多聚ADP-核糖聚合酶（PARP）以及尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD）是多聚ADP核糖基化的作用底物。在哺乳动物中，色氨酸和烟酸被转化为NAD，NAD是组蛋白和其他DNA结合蛋白多聚ADP-核糖基化的作用底物。这些蛋白的多聚ADP-核糖基化参与DNA的修复和凋亡。与烟酸在NAD合成中占优势的作用相一致，蛋白质的多聚ADP-核糖基化和哺乳动物中烟酸的供给相互关联。补充烟酸可能降低人类淋巴细胞DNA损伤的频率，而且烟酸可抑制肝细胞瘤细胞系AH109A的侵袭作用，但具体作用机制不详。此外，还有学者发现烟酸通过多聚ADP-核糖基化作用而对白血病和皮肤癌产生影响，烟酸缺乏则引起多聚ADP-核糖基化代谢的减少和增加了乙基亚硝基脲（ENU）引起的白血病发生的危险性。

（4）赖氨酸残基（Lys）的生物素（酰）化：组蛋白（DNA结合蛋白）的共价复合物生物素在基因沉默和细胞对DNA损伤的反应中起作用。生物素的缺乏会影响DNA双链断裂细胞的生存率，如生物素的缺乏会导致Jar绒膜癌细胞不能维持正常的生物素代谢途径的活性；致癌基因N-myc、c-myb、Nras和raf的表达和生物素的供应量有关，与正常量（0.25 nmol/L）相比，用大剂量（10 nmol/L）生物素培养的NCI-H69小细胞肺癌细胞的致癌基因的表达增加了20%，而用小剂量（0.025 nmol/L）培养的细胞的致癌基因的表达降低了47%。另外，提出生物素依赖的致癌基因的表达对肿瘤细胞生长的效应在数量上是较小的。此外，Jurkat细胞中白介素-2的蛋白生物素（酰）化、基因表达和代谢受生物素的供应量影响。

3.基因多态性对叶酸盐代谢和肿瘤发生的影响　叶酸盐参与DNA合成和甲基化，低叶酸盐水平可能会增加多种恶性肿瘤的危险性，而高叶酸盐摄入量或者血浆高叶酸盐水平正好产生相反的作用。多种参与叶酸盐吸收、代谢和转运的基因都存在多态性，其中甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR）基因在叶酸代谢过程中起关键作用。MTHFR包含2个常见的变异，即C667T和A1298C的变异，它们都有一定的功能，如使与变异等位基因有关的酶活性降低。

（1）结、直肠癌：多数研究结果发现叶酸盐水平与结肠癌和结、直肠腺瘤样息肉之间有负相关关系。对MTHFR基因型和饮食的联合作用效果发现，C677T变异为纯合性的个体摄入具有高叶酸盐水平时，发生结、直肠癌的危险性最低。低叶酸膳食时会使MTHFR基因型的作用消失。由于某些基因型的变异可能不止作用于一条通路，所以因果关系也不是唯一的。例如，MTHFR除了参与同型半胱氨酸转化为蛋氨酸外，还可能影响DNA合成与修复，这也解释了MTHFR C677T变异纯合性与结肠癌之间存在的负相关性。

（2）乳腺癌：几项观察性研究也发现了叶酸摄入水平和血浆叶酸盐水平与乳腺癌之间的负相关关系，尤其是在乙醇摄入量高的女性这种关系尤其明显。关于乳腺癌和MTHFR C667T基因型的研究提示，TT基因型可能与患乳腺癌危险性增加有关。一项在国内进行的大样本人群研究显示叶酸摄入量与C677T基因型之间有明显的相互作用，如T等位基因增加乳腺癌的危险性与低叶酸摄入水平有关。与高叶酸摄入水平的CC基因型者相比，低叶酸摄入水平的CC、CT、TT基因型个体的比值比分别是1.94、2.17和2.51。同样，在美国进行的一项大型研究也显示出TT基因型同时有低叶酸摄入水平的个体，患乳腺癌的危险性最高。

（3）宫颈癌和癌前病变：一项小型随机对照研究结果显示，补充叶酸能够预防口服避孕药女性宫颈的非典型性增生，但是也有观察性研究得到了不同的结果。进项研究显示血浆高同型半胱氨酸（与血浆叶酸水平呈负相关）会增加宫颈癌的危险性。

（4）食管癌：叶酸摄入量和食管癌之间的研究结果显示出负相关关系，与叶酸最低摄入量组相比，摄入水平最高组的食管癌危险性降低50%。MTHFR C677T基因型个体食管癌的危险性增加6倍。关于A1298C，研究显示吸烟者或者携带C等位基因的饮酒者食管癌危险性增加。

4.影响肉制品中杂环胺代谢的基因多态性杂环胺作为一种致癌物质，在体内需要经过多种酶的代谢作用，包括谷胱甘肽-S-转移酶（GST）、N-乙酰转移酶1（NAT1）、N-乙酰转移酶2（NAT2）等。GSTs通过催化谷胱甘肽与潜在的基因毒性化合物结合对致癌物质解毒，包括对多环芳烃化合物的解毒。人体内已经发现7种GSTs，其中2种不具有酶活性，STM1和GSTT1位点的缺失变异体的纯合性可能与酶活性降低或丧失有关。NAT1和NAT2是阶段Ⅱ结合酶，均能催化N-乙酰化作用、O-乙酰化作用以及N，O-乙酰化作用，与已知的致癌物激活和解毒有关。编码NAT2基因的变异与乙酰化速率改变有关，并可能影响癌症的危险性。NAT2*4等位基因与快速乙酰化显型有关，而变异等位基因可能会影响蛋白表达和稳定性。

（1）结、直肠癌：有两项Meta分析显示肉类摄入总量与结、直肠癌之间无统计学相关性，而红肉和加工肉类摄入与结、直肠癌之间具有正相关性。在食物中杂环胺摄入量相同时（估计为27 ng/d），快速NAT1乙酰化者（携带NAT1*10等位基因）者患腺癌的危险性增加6倍，而慢速乙酰化者中危险性增加2倍。

（2）乳腺癌肉类总摄入量、红肉和白肉摄入量与乳腺癌相关性的研究结果也不一致，其中有些研究显示烹调得比较熟的肉的摄入量与乳腺癌之间存在正相关关系。有关GSTM1和GSTT1基因型与乳腺癌危险性的研究结果也不一致。在美国爱荷华洲进行的一项针对绝经期后女性乳腺癌的研究显示，与GSTM1和GSTT1都存在的个体性比，这2个基因均缺失的个体乳腺癌危险性降低60%。有证据显示，肉类加工烹调程度对乳腺癌危险性的影响主要发生在基因缺失型妇女。进一步分析还发现磺基转移酶（sulfotransferase，SULT）lA1基因型和肉类加工程度之间的相互作用。同样，NAT2基因型也对加工肉类摄入和乳腺癌危险性的相关性产生影响。

5.磺基转移酶lA1基因多态性与结直肠癌易感性　磺基转移酶（sulfotransferase，SULT）lA 1参与机体内的Ⅱ相代谢，催化多种内源性和外源性复合物进行硫酸化代谢，存在G638A多态。SULTAl催化3'-磷酸腺苷5'-磷酸硫酸中的硫酸根转移到类固醇、酚类等的羟基上，生成硫酸酯，增加其水溶性而排出体外，属于解毒作用。但在体外研究中，杂环胺及多环芳烃等经由SULTlA1所编码的磺基转移酶转化后，其产物硫酸酯化合物可与DNA形成加和物。目前有关SULTA1基因多态性与结、直肠癌易感性的研究结果并不一致。有研究认为红肉和过度烹饪肉类的摄入增加结、直肠癌的发生。红肉与SULTlA1的慢速硫酸化联合为直肠癌的危险因素，这可能由于肉类经高温烹饪后，除产生芳香杂环胺类等致癌物以外，还产生其他的促癌物和致癌物，以及与具有双重机制的SULTIA1有关。

8.3.3.5　饮食限制、长寿与基因

1.保守长寿因子Sir2　这是沉默信息调节因子2，是通过酿酒酵母发现的一种高度保守的长寿调节因子。Sir2蛋白呈现烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）依赖的组蛋白脱乙酰基酶活性，该活性存在于所有的Sir2家族成员。人类和小鼠的Sir2具有NAD依赖的p53脱乙酰基酶活性。p53通过Sir2的脱乙酰作用能在应激状态下促进细胞存活，同样可能在衰老过程中起作用。如携带Sir2直系同源基因额外拷贝数的蠕虫通常寿命较长。

2.能量限制对长寿影响的分子机制　对包括哺乳动物在内的多种动物种系采用能量限制均能延长寿命。而且，能量限制还能延缓或减少许多与衰老相关疾病的发生。如能量限制能抑制一些化学物质对啮齿类动物的致癌作用，且抑制辐射所诱导肿瘤的发生，并能抑制某些实验模型系统自发肿瘤的发生，如抑制基因敲除或者转基因小鼠模型肿瘤的发生。尽管有研究认为能量限制的作用可能与代谢速率减慢所引起的活性氧族水平降低有关，但其延长寿命与减少肿瘤的确切作用机制尚不清楚。

近年来发现，能量限制可能与Sir2有关。在酵母体内，能量限制的作用需要烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和Sir2参与。Sir2脱乙酰基酶活性依赖于NAD，提示能量限制可以通过增加NAD池水平来激活Sir2，而且通过增加NAD补救合成途径也可以通过能量限制和Sir2通路延长寿命。此外，近期研究还提示能量限制能够诱导碳代谢向线粒体三羧酸循环方向分流，伴随着引起的呼吸作用增加对激活Sir2调节沉默和寿命延长是必要的。由于线粒体呼吸作用在NADH再氧化成NAD的过程中发挥重要作用，因此通过能量限制以增加NAD池和NAD/NADH比例，从而通过增加呼吸作用激活Sir2。

在限制摄入能量的情况下，葡萄糖水平低而呼吸作用优先进行。当APT产生较多时会减慢糖酵解的速率，这可能增加了细胞质中的NAD，因为此时一些糖酵解酶如甘油醛-3-磷酸脱氢酶较少利用NAD。同时，电子转运速率的增加还会增加线粒体内NADH再氧化成NAD的速率，NAD再被转运至细胞质/细胞核内。因此，能量限制时的糖酵解速率降低或者NADH再氧化成NAD的速率增加，或者NAD/NADH比值升高，都可以激活Sir2并延长寿命。

3.NAD/NADH比值在衰老和疾病中的作用

NAD在体内参与多种生物学过程，包括调节能量代谢、DNA修复，以及转录过程。除了作为一种辅酶，NAD还可以作为作用底物。能利用NAD作为底物的酶包括一些NAD依赖的DNA连接酶、NAD依赖的氧化还原酶、ADP-核糖聚合酶（PARP），以及Sir2家族的NAD依赖的脱乙酰基酶。NAD的还原形式NADH是线粒体呼吸链的NADH脱氢酶的底物。NAD的衍生物NADH（P）辅酶参与多个同化通路，以及与谷胱甘肽共同维持细胞内氧化还原状态。

NAD/NADH比值对调节细胞内氧化还原状态起重要作用，同时还可以显示代谢状态。一些与年龄相关的疾病常常直接或间接地与NAD/NADH比值有关。例如，NAD/NADH氧化还原状态可调节CtBP辅酶抑制物活性，因此在致癌作用中起作用。NAD/NADH还通过SIRT1调节肿瘤抑制物p53。此外，线粒体NAD/NADH转运系统还调节胰腺β-细胞对葡萄糖的敏感性，提示NAD/NADH稳态在糖尿病发生中也起作用。通过酵母研究发现Sir2可能是NAD/NADH进行代谢调节的下游靶目标，而其代谢调节作用可能还影响除了Sir2以外的其他长寿因子，尤其是在真核细胞中。

4.调节Sir2活性的小分子物质　除了基因修饰，能量限制可能是延长哺乳动物寿命的唯一方法。能量限制在体内可以启动一系列生理学反应，包括降低体温和血浆胰岛素水平。对能量限制动物的基因芯片分析显示能量限制可诱导一系列参与代谢和应激反应的基因。对小分子化合物的研究发现，2-脱氧葡萄糖和碘乙酸盐（均能抑制糖酵解）所诱导的生理反应与能量限制相似。研究提示能够调节Sir2活性的小分子都可能是能量限制作用的模仿物质。在酵母体内，Sir2是能量限制发挥延长寿命作用所必需的。能量限制小鼠体内，以及用从能量限制动物体内分离血清刺激的人细胞内Sir2表达升高。

目前已经发现了多种能升高人Sir2活性的小分子物质。其中，白藜芦醇刺激Sir2的活性最强。白藜芦醇是一种多酚类物质，存在于包括葡萄在内的多种植物体内。白藜芦醇能延长酵母的寿命，以及多细胞动物如蠕虫和蝇的寿命，其作用需要Sir2基因参与。但是，白藜芦醇不能进一步延长能量限制的细胞或动物的寿命，提示白藜芦醇和Sir2发挥作用的途径是一致的。

5.Sir2在哺乳动物体内的作用靶点　近期研究发现SIRT1（哺乳动物Sir2同系物）相互作用蛋白，提示Sir2同样可能也调节哺乳动物的寿命。人体和小鼠的SIRT1都具有NAD依赖的p53脱乙酰基酶活性。p53通过SIRT1的脱乙酰作用可以在应激情况下延长细胞寿命，可能在衰老发生中起作用。哺乳动物的SIRT1还可以通过对DNA修复因子Ku70脱乙酰化减轻Bax调节的凋亡发生。这些研究提示能量限制也可以通过诱导SIRT1表达延长寿命，还能促进有丝分裂后细胞的长期存活。SIRT1的活化还能预防神经退行性变。增加培养基中NAD浓度，或者使NAD生物合成酶Nmnat1（烟碱单核苷酸腺核苷酸转移酶1）过度表达都可以通过激活SIRT1蛋白保护神经细胞避免轴突退行性变。

还有研究将SIRT1与长寿调节胰岛素/胰岛素样生长因子（IGF）途径直接联系起来。胰岛素/IGF途径对调节蠕虫、蝇和小鼠的寿命起作用。蠕虫体内胰岛素/IGF途径的下游靶点之一是叉头转录因子（forkhead transcription factors，FOX）。DAF-16是叉头转录因子FOXO家族的同系物，调节蛋白激酶B（Akt）的下游胰岛素信号传递。蠕虫Sir2延长寿命的作用需要功能性DAF-16参与，提示SIRT1在哺乳动物细胞内可能也与FOXO家族相互作用。SIRT1还能升高FOXO活化抗氧化物基因表达的作用。SIRT1可能通过FOXO依赖途径预防凋亡和增加抗性，以延长寿命。

脂肪组织也是调节寿命的主要因子。在白色脂肪组织中缺乏胰岛素受体的小鼠显示出脂肪组织减少和寿命延长。SIRT1可能通过抑制脂肪调节因子PPARγ促进白色脂肪组织的动员，这反过来会缓解脂肪形成，提示SIRT1调节的脂肪形成可能是联系哺乳动物能量限制与寿命延长的可能分子途径。

6.能量限制与寿命延长理论的应用　通过采用模型系统进行研究有助于了解能量限制与寿命调节的分子机制。通过不同的模型系统发现了许多长寿基因，但这些基因尚未在人体内被系统研究。最近一项研究发现SIRT3（一种线粒体组蛋白脱乙酰基酶）内的G477T标记物与老年男性的长寿有关，TT基因型延长而GT基因型缩短寿命。研究这些长寿基因的基因多态性，以及采用控制饮食和环境因素进行调节的可能性，对了解衰老和衰老疾病的分子机制具有重要价值。

进行模型系统的研究，还为今后进一步发展能模拟能量限制作用的饮食、运动和药物手段提供研究基础，而这些手段可能更容易被人们所采用，尤其是对存在与衰老和代谢异常相关疾病的高危因素的人群意义更大。例如已经发现有些化合物（如白藜芦醇）在酵母、蠕虫、蝇体内能激活Sir2活性，如果今后将这些物质制成膳食补充剂可能对动物模型产生类似能量限制的作用，并在将来用于人类的寿命延长以及缓解衰老相关疾病的发生。

（钟　燕）