蛋白质组学技术在食品营养学中的应用

[文章编号]1001 3601(2010)10 0646 0038 04蛋白质组学技术在食品营养学中的应用
姜英杰
(江苏食品职业技术学院,江苏淮安223003)
[摘 要]食品蛋白质组分析中面临诸多新的挑战,应用2D PAGE及M S蛋白质组分析技术是全面监测组织和细胞中所有蛋白的强有力技术。

综述了蛋白质组学在食品营养学中取得的成就及潜在的应用价值,以及蛋白质组学技术在食品营养素相关疾病如肥胖、糖尿病、心血管疾病及衰老方面的研究应用。

[关键词]蛋白质组学;食品;营养
[中图分类号]R329.2[文献标识码]A
Applicati o n of P roteo m i c s Techni q ue i n Food Nutri o l o gy
JI A NG Y i n g jie
(Jiangsu F ood T echnologica l Instit u te,H uai an,Jiangsu223003,Ch ina)
Abst ract:The pro teo m ics technique is an i m portant techn i q ue fo r overa llm on itoring a llprotein co m ponents i n tissues and cells.The paper rev ie w s the app lication ach ieve m ent and va l u e of pr o teo m ics i n food n itri o logy and its research and applicati o n in d i s eases re lated to food nutr ition such as obesity,d iabetes and cardiovascular d i s ease
and senescence.
K ey w ords:pro teo m ics;food;nu triti o n
随着人类全基因组及拟南芥全基因组测序的完成,生命科学研究进入了以基因组学、蛋白质组学、代谢组学、营养组学等组学!研究为标志的后基因组时代。

组学!技术的应用也促进了与营养相关的DNA、RNA、蛋白质和小分子代谢物的研究以及相关数据库的建立[1]。

蛋白质作为基因功能的主要直接执行者,在细胞结构形成和各种生命活动中有着重要作用,对蛋白质定性、定量和定位及其相互作用的研究将为阐明生命活动的本质提供直接的基础。

同时,随着蛋白质组学研究的发展,应用于蛋白质组学研究的相关技术也得以不断发展。

由于人类社会的不断发展及人们生活水平的不断提高,一些文明病!如肥胖、糖尿病、癌症及心血管疾病等也成为人类的最大忧患。

随着人们对此类疾病的深入研究及人类认知水平的提升,人们更加意识到膳食营养与人类健康相关性,而蛋白质组学的发展为研究膳食营养与人类疾病代谢的关系提供了新的研究思路和方法,使得食品营养学有了长足的发展。

基于基因组学的蛋白质组学成果将在膳食营养成分对人类的基因组的营养代谢调控研究及食源性疾病的预防方面做出重大贡献。

1蛋白质组学的研究内容
蛋白质组学的诞生实质上是依赖于基因组测序计划的成功,其基本的研究平台都来自于基因组学的研究。

蛋白质组的概念最先是由M arc W il k i n s提出的,指由一个基因组或一个细胞、组织表达的所有蛋白质[2]。

源于蛋白质组的蛋白质组学作为一门科学,是在基因组学的基础上研究蛋白质的表达与功能的科学,是对细胞、组织、器官和体液中所有蛋白质及其相互作用的研究,是建立在从c DNA阵列的mRNA表达谱的基因功能分析、基因组范围的酵母双杂交、蛋白质与蛋白质相互作用分析,到蛋白质表达、测序和结构分析等诸多不同实验方法相互融合基础上的科学[3]。

蛋白质组学集中于动态描述基因调节,对基因表达的蛋白质水平进行定量的测定,鉴定疾病、药物对生命过程的影响,以及解释基因表达调控的机制。

蛋白质组学(Pr o teo m ics)目前尚处于早期发育!状态,蛋白质组学的不断发展将为其他学科的发展提供基础和方法论。

作为一门科学,蛋白质组研究并非从零开始,它是已有20年历史的蛋白质(多肽)谱和基因产物图谱技术的一种延伸。

蛋白质组学可划分为3种类型:第一类是蛋白表达蛋白质组学,第二类是结构蛋白质组学,第三类是功能蛋白质组学[4]。

蛋白质研究技术远比基因技术复杂和困难。

不仅氨基酸残基种类远多于核苷酸残基(20/4),而且蛋白质有着复杂的翻译后修饰,如磷酸化和糖基化等,给分离和分析蛋白质带来很多困难。

此外,通过表达载体进行蛋白质的体外扩增和纯化也并非易事,从而难以制备大量的蛋白质。

蛋白质组学的兴起对技术有了新的需求和挑战,因此,用于研究蛋白质组学的方法和技术更加复杂。

蛋白质组学的研究
贵州农业科学 2010,38(10):38~41
G u i zhou A gr icultural Sciences
[收稿日期] 2010 03 25;2010 08 30修回
[作者简介] 姜英杰(1982-),男,硕士,讲师,从事食品方向的研究。

E m ai:l y i ngjieji ang@163.co m
也涉及到多种与之相关的高新技术,包括蛋白质组分离的核心技术∀∀∀双向电泳(2 DE)分离技术,与蛋白质鉴定相关的技术包括对蛋白鉴定的图象分析、微量测序,以及进一步对肽片段进行鉴定的氨基酸组分分析和质谱相关技术。

目前,发展高通量、高灵敏度、高准确性的研究技术平台是现在乃至相当一段时间内蛋白质组学研究中的主要任务。

面对大量不断出现的食品营养及质量安全问题,蛋白质组学技术为食品安全问题的解决提供了新的思路和方法。

通过蛋白质组学技术对疾病发生及发展过程中影响代谢的相关食品或食品组分鉴定,并应用蛋白质组学技术开发锚定代谢紊乱时功能性食品,从而设计出更有利于人体健康的食品[5]。

2蛋白质组学在食品营养学中的应用
营养通常指的是膳食营养,膳食营养素摄入不足和不平衡会对健康造成危害,另外食物中的抗营养因素、过敏物质(如某种GMO食品中的过敏蛋白)以及有毒物质也是对健康不利的因素[1]。

营养学是研究食品中的营养素以及其他成分在人体内作用,包括摄取、消化、吸收、转运、代谢和排泄规律及其改善措施的科学。

营养学的发展与国民经济和科学技术水平紧密相连,它是以研究食品营养成分为基础的[6]。

由于社会发展和科学技术的进步,特别是分子生物学和分析检测技术的发展,促使营养学发展前进了一大步。

在人们日益重视健康的当今世界,食品营养成分的研究已成为21世纪热点课题。

就我国而言,与营养相关的慢性疾病如肥胖病、糖尿病、心血管疾病等的患病率在迅速上升,日益严重地危害着我国居民(特别是城市人口)的健康[7]。

因此,关注膳食营养问题是当前我国重大战略需求。

蛋白质组学技术的广泛应用促进了营养学多个领域的发展,包括食品蛋白质的组成与活性成分研究及相关食品安全检测,机体体液蛋白质的表征和鉴定,蛋白质在营养物质的消化、吸收和代谢过程中的调控机制,以及营养素在生长、生殖、抵抗疾病和维持健康过程中蛋白质的作用,还有营养素的个体化需要量的研究等[8]。

蛋白质组学在食品营养中的应用,集中在食品蛋白质的组成与活性分析、食品安全检测、膳食营养素对人体基因代谢的影响以及对一些慢性病糖尿病(高血压、肥胖、心血管疾病)的预防治疗方面。

2.1在食品蛋白质组成及功能活性成分研究中的应用
食品蛋白质的组成和鉴定主要是对其营养价值和潜在有害作用的分析。

目前,食品蛋白质组学研究主要集中在富含蛋白的大豆、奶或乳制品蛋白组成和活性成分的研究,参与肉类品质变化的特定基因产物的鉴定,以及中草药植物中功能性成分的分离鉴定。

G ianazza等采用2 DE M S法发现不同蛋白质组成的大豆对人体血浆脂蛋白等水平有影响,其中血浆7S和11S球蛋白变化显著[9]。

奶中除了具有常规营养作用的蛋白外,还包含有许多重要的低丰度生物活性蛋白,比如乳铁蛋白、免疫球蛋白、糖蛋白、激素和内源性酶类等[10]。

奶中蛋白质组成、蛋白质多态性、转录后修饰的蛋白质组学研究,特别是这些活性成分的比较研究,对于掺假乳(如复原乳)检测和鉴别具有积极的提示作用。

奶的蛋白质组学研究还可以了解奶中酪蛋白和乳清蛋白的结构功能关系,并能发现奶中小分子量蛋白质的潜在生物学功能和有益作用[1]。

Sm o lenski等采用M udPI T 和2 DE MS法表征牛奶蛋白组,分别发现2903个和2770个多肽,说明牛奶成分比先前报道的更为复杂,还鉴定了15种与机体防御机能有关的蛋白[11]。

蛋白质水解是影响乳制品质地的关键因素,所产生的肽类一般是风味物质的前体,或具有独特的生物学特性,2 DE可用于考察蛋白水解酶对蛋白质的降解作用[12]。

应用2 DE对屠宰后畜体不同贮藏时间下的肌肉蛋白进行分析,可发现不同贮藏时间下肌肉蛋白质的变化是不同的[13]。

2 DE技术在牛过度生长及鸡肌肉生长方面的研究成果都将有利于肉类相关品质方面未来的研究[14]。

2.2在食品微生物中的应用研究
微生物在食品加工中起着重要作用,一方面可利用微生物生产某些食品组分或改进食品的功能;另一方面病原微生物和腐败微生物也影响着食品的安全及卫生[15]。

枯草杆菌的蛋白质组学研究已经取得进展,在一项研究中,已经尝试将转录组学分析与蛋白质组学研究结合,意图解决过量产生不同蛋白质的难题。

最近还开发了一种新功能基因组学方法分析蜡状芽孢杆菌(B ac illus cereus)基因组在大肠杆菌人造染色体库中的表达。

对于其他食品相关的细菌,已经建立了转录和蛋白质组研究来分析它们的代谢特性和应激反应。

转录组学和蛋白质组学综合的方法研究表明,对于啤酒酵母的半乳糖利用途径来说,289个检测蛋白中大约有15个为后转录状况。

大多数有关乳酸菌的差异表达研究集中在胁迫反应和适应方面,这有助于更好地理解乳酸菌的适应反应及相关的交叉保护机制,将乳酸菌应用于特定的食品加工过程。

R ech i n ger等采用35S标记的方法,结合2 DE和N 末端测序,以动力学方式研究了保加利亚乳杆菌在合成培养基与牛奶中所表达的蛋白质的差异,他们发现将细胞从MRS培养基转接到牛奶中后不会诱导胁迫酶或糖酵解酶的大量合成[16]。

2.3在机体营养物质代谢及疾病研究中的应用
人类和动物为维持代谢、生长、繁殖和健康必须充分摄入各种营养物质,而过量摄入或缺乏一种或多种营养素将会导致严重的代谢紊乱。

蛋白质组学在膳食营养代谢中的应用包括:膳食营养素对机体
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第10期姜英杰 蛋白质组学技术在食品营养学中的应用
代谢系统的调控,维持机体的生长、健康,膳食营养不平衡引起的机体衰老及某些食源性疾病的研究应用,及新型药物的研发。

2.3.1在营养代谢中的应用营养素在生长和维持健康中的作用,特别是营养与衰老的关系受到广泛关注。

通过蛋白质组学及基因组学的研究,可揭示膳食营养素和植源性物质与基因调控的关系,更深入的明确饮食与基因的相互作用[7]。

据L i等报道,限制能量摄入可促进某些蛋白折叠而增强其功能,从而能维持较高的葡萄糖代谢率和减缓年龄相关的视网膜老化。

蛋白质组分析表明高脂肪食物能使小鼠肝脏脂质代谢酶和过氧化酶表达上调,同样,虹鳟肝脏蛋白组表达也随着摄入蛋白质的来源不同而不同。

膳食中铜、铁、叶酸和锌的缺乏能明显影响小肠和肝脏中与细胞氧化还原调控、脂质代谢、蛋白质磷酸化、DNA合成和营养物质转运等相关蛋白质的表达[17]。

大豆异黄酮能显著增加大鼠乳腺三磷酸鸟苷环化水解酶∃的表达量,促进NO合成,从而降低癌症发生率。

这些研究有助于理解营养素在生长、衰老、繁殖和维持健康的分子机制。

食物营养素的营养价值和其他功能不仅与自身的成分有关,还依赖于其在胃肠道中的消化和吸收,但目前对消化酶和上皮细胞营养物质的转运体却所知甚少。

蛋白质组分析表明,大鼠小肠存在一些小肠分子伴侣蛋白、细胞骨架可塑性蛋白和维生素转运蛋白等以前未发现的蛋白质,比如:胃肠调理素、 细丝蛋白和VD结合蛋白前体等[18]。

2.3.2在疾病研究中的应用各种疾病都有蛋白质的动态变化,每种疾病在不同的发展阶段,尤其在临床症状出现之前,已经发生了蛋白质表达水平的变化[19]。

因此,通过比较正常与病理条件下细胞或组织中蛋白质在表达量上的差异,就能发现与病理改变有关的蛋白质和疾病特异性蛋白。

这些蛋白质可以作为疾病诊断的生物标志物,还可以为认识发病机理、早期诊断、治疗和预防提供强有力的线索,同时还可作为对疾病进程进行监测与控制的有效手段。

蛋白质组学技术为糖尿病、肥胖、衰老、心血管疾病等营养代谢与调控异常疾病的机制研究提供了新的途径,阐明了营养素代谢和调控机制[1]。

L i等采用2 DE M S法比较了青年人与老年人正常结肠粘膜上皮细胞蛋白质组,发现代谢、能量产生、分子伴侣、抗氧化、信号转导、蛋白质修复和细胞凋亡相关蛋白质出现差异表达,这些研究有助于理解人营养吸收与代谢相关细胞衰老的分子机制[17]。

B luher等比较了脂肪敏感胰岛素受体基因敲除小鼠的脂肪细胞内蛋白质表达差异,发现27个脂质和能量代谢通路的关键蛋白上调或下调表达,其中转酮醇酶、延伸因子 2和葡萄糖调节蛋白 78等与胰岛素信号转导和脂肪细胞大小调控密切相关,其中14种蛋白质可能由相应mRNA表达量变化引起,13种可能由蛋白质翻译或周转引起,这说明胰岛素可以在转录和翻译后修饰水平影响蛋白质的表达模式。

在肥胖糖尿病小鼠和正常小鼠的肝脏蛋白组的比较研究中,当过氧化物酶体增殖物激活受体被激活时,肥胖糖尿病小鼠肝脏中脂肪酸氧化和脂肪生成的酶类表达量明显高于正常小鼠,且随着时间延长差异变大,肝脏糖酵解、糖生成和氨基酸代谢相关酶也出现差异表达[20]。

Rao等采用D I G E法比较了糖尿病患者和正常人尿液的蛋白组,发现出现蛋白尿的糖尿病患者有7个糖蛋白出现上调表达和4个糖蛋白出现下调表达,这些糖蛋白可能是糖尿病诊断的重要生物标志物。

这些研究结果进一步加深了人们对营养物质代谢调控网络的了解[21]。

疾病的发生发展与某些蛋白质的变化有关,如果以这些蛋白质构筑芯片,对众多候选化学药物进行筛选,直接筛选出与靶蛋白作用的化学药物,将大大推进药物的开发。

药物发现阶段对创新药物的研究具有决定性的意义,筛选效率的提高将大大缩短新药发现的周期。

蛋白质组学技术能够促进靶点的发现和筛选模型的建立[4]。

3结语
随着人类经济文化的不断发展,以及营养学及其他学科研究成果的不断涌现,人们更加意识到食品营养成分在人类健康及预防疾病中的重要性。

膳食、营养与一些重要的慢性病(如癌症、心血管病、糖尿病等)的关系已成为现代营养学的一项重要内容[22]。

蛋白质组学作为一门新兴的学科,它从蛋白质水平上探索蛋白质作用模式、功能机理、调节控制以及蛋白质群体内相互作用,为研究食品成分的功能、安全性及食品营养组分在人体营养代谢及相关疾病等方面提供了理论和基础。

因此,有望将蛋白质组学的研究不断应用于食品营养学的各个方面,为预防疾病和保障人类健康做出贡献。

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(责任编辑:姜 萍)
(上接第37页)
3结论与讨论
野生吴茱萸的种内植物形态变异较大,药性不稳定,一般不作为商品药材使用,从而使得野生资源未受到经济采伐或药用采收,资源分布范围和分布量均较好。

因此,目前对吴茱萸的资源保护主要指的是栽培资源而言。

通过对野生与栽培资源的调查与走访,笔者认为有3点需要注意:一是吴茱萸栽培品种经过长期驯化后,形成了无融合生殖,胚珠不能发育成成熟种子,引种必须依赖于扦插、根插、分檗的无性繁殖方式进行,而有性繁殖一直未获成功,这样的结果是使植株的抗虫、抗病能力越来越低,因此,应加强栽培吴茱萸的有性繁殖研究,提高其有性繁殖能力;二是在现有种植发展的基础上,政府应加大扶持,主产地区的种植户应依托医药科研单位或大专院校作为技术支撑,在传统栽培技术的基础上,按GAP要求进行规范化种植,提高药材的产量和质量,逐步建立起现代化、规模化、规范化的吴茱萸药材生产基地,树立地方品牌;三是在引种栽培上,对种植户要进行培训,加强栽培种源监查,严格控制异地引种和野生变家种的生产。

这样才能保证栽培吴茱萸资源和药材的质量,使吴茱萸资源得到合理的可持续利用。

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(责任编辑:杨晓容)
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