食物基因组学--一个新兴的研究领域

（一）食物基因组研究领域
Ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ可能的研究范围包括复杂食物和组分的分析，营养素的分子机制、人体营 养需要量、个体膳食的制定以及营养食品、功能食品开发、 食品质量、溯源等。食物
组学强调个体化的膳食营养，是继药物个体化治疗之后，源于人类基因组计划的第二次 浪潮。 １．个体化营养改善新途径 基因差异是人们对摄入食品饮料及保健品中各种营养成分生理反应不同的主要原 因。研究已经一致证实，基因决定了我们对营养成分的不同需求。通过采集唾液样本， 基因的测试可以分析需求来进一步优化个体饮食，从而减低某些疾病的风险。每个被测 试的基因能够回答某种营养成分吸收和代谢的快慢， 从而得知个体对该成分的独特需
某成分指纹图谱，甚至这些成分是否具有生物活性，
谢物分布等等。
或者来自肠道益生菌群的食物代
通常由于个体不同，同样膳食会导致与健康相关的多种结果。这不但
也表明个体之间遗传基因组方面的巨大差 其次，
表明不同个体对同一饮食的反应并不相同，
异会影响营养的生物利用度和代谢，这些分析基因技术都可以给以清晰呈现。
不适的营养状态（营养不良或过剩）会影响基因组稳定性，导致突变或染色体不稳定， 从而影响基因表达并导致生命体基因型别变化。食物基因组以分子生物学技术为基础， 应用ＤＮＡ：笛片、蛋白质组学等技术来阐明食物营养素与基因的相互作用。 目前主要是研究营养素和食物功能性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。食物中的营养成分会影响基因表达， 其作用方式可以通过调控基因构型或代谢产物和代谢状态，继而导致ｍＲＮＡ水平或蛋 白质水平甚至其功能的改变。食物基因组学研究营养素和食物化学物质在人体中的分子
而产生这种现象的是９ ０００年前的北欧人的乳糖分解酶．根皮苷水解酶（１ａｃｔａｓｅ—ｐｈｌｏｒｉｚｉｎ
ｈｙｄｒｏｌａｓｅ。ＬＣＨ）基因发生的一个突变。尽管在这个基因中有１１个ＳＮＰ，而这些ＳＮＰ
又可以分成４种（Ａ，Ｂ，Ｃ和Ｕ）常见的单倍体型，在位于ＬＣＨ上游１４ ｋｂ处Ｃ１ ３９１ ０Ｔ的 ＳＮＰ则与乳糖的而受性显著关联。通常认为这个多突变可以改变蛋白质．ＤＮＡ问的相互 作用，从而对基因的表达进行调控。被认为乳糖耐受性的Ａ单倍体型在北欧人群中的分 布频率为８６％，而在南欧人群中的频率却只有３６％。在群体中的这种优势基因型对于营 养水平的提高，预防脱水和改善钙的吸收具有重要的作用。在其他启动子中的调控型
与７
高，可直接对酶解液进行分析，具有灵敏度高速度快等特点。
食物基因组利用基因组学技术，如质谱技术（ＭＳ）和核磁共振（ＮＭＲ）光谱，可
以被用来表征转基因作物（Ｇａｒｃｉａ．ｃａｒｌ ｅｔａｌ，２０１１）以及旨在通过饮食改善个人的健康
研究，这些技术也可以对老问题提供新的答案，解开如食物的消化率（Ｂｏｒｄｏｎｉ
５ｑ
生物学过程，以探讨其对人体基因转录、翻译表达以及代谢的影响机制。 ３食物安全性和追溯技术 食物安全性（Ｓａｆｅｔｙ）、质量（Ｑｕａｌｉｔｙ）和溯源
（Ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ）－－直有着重要意义。食物基因组能帮助食物安全、质量和追溯等现代食品 安全所困扰的问题，如多年来食品过敏源和污染物的挑战。建立有效的分析方法， 确
膳食规范化提供合理建议，从而减少疾病发生和帮助疾病恢复，并促进可持续性健康。
２食物生物活性功能和与人体健康相关研究 食物成分多样，包括必需营养素、
植物化合物、动物来源化合物、食用菌类化合物等。显然，食物多种组分分析（化学分 析）已不能很好解释对膳食与疾病关联的疑惑。基因组技术可以很好的分析食物基因组，
简单比较所有新兴的术语（如营养基因组、微生物基因组、营养遗传学，蛋白基因组、 代谢基因组、毒理基因组等），不难发现，食物基因组不仅是一个有用的概念，更是一 个包括食物和基因组技术工具组合一起的工作领域（ｗｏｒｋｉｎｇ ａｒｅａ）和学科。 因此，ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ不是如营养科学中营养基因组一样的与食品科学相关的配体。 ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ是用于人体营养的改善方面的食品开发研究的综合性、高通量的方法学研究 领域。 ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ被定义作为通过食物和营养组学技术应用一个研究领域，在这个框
食品科学和新食品开发等应用的高通量方法。 自从２００７年以来，以食物基因组（Ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ）命名的会议开始了高潮，但是仅 在２００９年，在科学引文杂志（ＳＣＩ）上食物基因组（Ｆｏｏｄｍｉｃｓ）第一次作为一个新学 科被定义。 食物基因组学是以提高消费者生活质量、健康和信任为目标，将现代基因 如果
组学技术，用于食物营养的研究领域（Ｃｉｆｕｅｎｔｅｓ ２００９；Ｈｅｒｒｅｒｏ ２０１０：２０１２）。
等方面疑虑。 也可以说，
ｅｔ
ａ１．２０１１）
目前是传统的研究技术正在经历一个新的时代，随着生物
信息学的整合，将打开一个新的实验数据、算法优化的基因组、蛋白质组和代谢组的统 计分析广泛应用的工具， 务。 充分利用的来自组学方面的信息，有潜力完成至关重要的任
特别是核磁共振技术（ＮＭＲ），它提供的光谱数据可以反映整个代谢组，是一个好
求。因此，更有针对性地制定一套个体膳食预防如癌症，心脏疾病，中风和２型糖尿 病等慢性疾病。
ＥＲ
应用基因组学技术将阐明与营养相关的单核苷酸多态性（ＳＮＰｓ），并用来研究人体
对某些疾病易感性， 以及对食物、营养素（干预）需求的个体间差异。一个单核苷酸多态
性（ＳＮＰ）改变基因表达的突出例子就是乳糖不耐受。成年人一般都是乳糖不耐受的。
素，尤其是那些具有较强稳态性、涉及到复杂分子调控的营养素。而对于营养学家来讲， 寻找合适的用于反映营养状态的指标一直是此类研究的难题。在１９９８．２０１０年各国膳食 参考摄入量（ｄｉｅｔａｒｙ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔａｋｅｓ，ＤＲＩｓ）中，营养素需要量的测定全部或部分依 赖于生化指标，而没有一个营养素需要量的确定涉及到基因水平的分析。 基因组技术将有助于发现大批分子水平上可特异性反映营养素水平的指标，从而可 大大推动这方面的工作，而且可使营养需要量的建立基于更科学的分子机制基础之上。 叶酸代谢是近年来医学、遗传学和营养学研究的热点之一，主要是因为人们发现叶酸与 神经管畸形、肿瘤和心血管疾病有关。已知ＭＴＨＦＲ是同型半胱氨酸代谢中的关键酶之 一，这种酶的活性和热稳定性都较低。现已证实，这种热不稳定性是由ＭＴＨＦＲ基因等
ＳＮＰｓ（ｒＳＮＰｓ）似乎对于基因的表达调控具有重要的作用营养基因组学的关键作用之一
在于探讨特殊基因多态性和营养素个体化反应之间的联系。 随着对人类单核苷酸多态性认识的不断深入，其目标就是基于个体的基因型特征， 预测其对营养素的反应，以提供个性化膳食营养建议，而非基于群体做出一般建议，最 终达到基因治疗的目的。Ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ描述膳食如何影响基因表达和稳定，从基因角度为
我们仍然需要考虑这些所有的关联，这不仅需要技术，但主要是开阔的视野和思维。也 就是不仅是一个广泛的专业知识和先进技术的应用，更是用不同的方法、思维和观点去 理解问题所在。 质谱（ＭＳ）已成为连接蛋白质与基因的重要技术，是大规模自动化鉴定蛋白质的重 要方法，因为蛋白质的酶解是有规律可寻的，每种蛋白酶针对特定蛋白的酶解的片断质 量和数量都较恒定。质谱分析能精确地检测某种蛋白质经特定酶解后的质量和数量，与 已建立好的蛋白数据库对照从而确定该蛋白的种属。其优点是对待测检验物纯度要求不
架里，营养基因组学和营养遗传学（ｎｕｔｒｉｇｅｎｏｍｉｃｓ ａｎｄ ｎｕｔｒｉｇｅｎｅｔｉｃｓ）可以考虑是食物 基因组（ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ）通用术语的一部分（Ｃｉｆｕｅｎｔｅｓ ２００９）。
二、食物基因组研究应用技术
２００９，在第一次ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ国际会议上（意大利），ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ引起不同文化和学 科背景的科学家的兴趣并被广泛接受，组学科学家应邀为食物的整体定义和在营养领域 的利用探讨一种可能的结合方式。这个会议的目的既是促进在多学科的交流
保食物源、追溯和保障质量，对消费者的认为的不安全产品发现生物标记物和追踪。特 别是食物过敏问题有望通过ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ得到进步。这些研究已经有很多报道（Ｖｉｒｇｉｎｉａ
Ｇａｒｃｉａ，
２０１２）因本文着重营养方面，不在赘述。 ２００７年，世界癌症研究基金会／美国癌症研究所
４癌症的食物基因组学研究。
（ＷＣＲＦ／ＡＩＣＲ）得出结论：水果蔬菜和淀粉可以预防某些类型的癌症，包括口腔、喉、 咽、食道和胃癌。葱属类和大蒜可以预防胃癌，而水果有抗肺癌效果。癌症形成过程中，
食物基因组学一
一个新兴的研究领域
一、引言 在过去的２０年里，在组学技术方面，由于高通量测定技术在不同的领域的重大发 展，科学界面临重大挑战。 四大类型技术（基因组学，转录组学测量，蛋白质组学，
代谢组学）和各种组学分支学科（表观基因组，脂类组学，蛋白质相互作用组学，疾病 基因组（ｄｉｓｅａｓｏｍｉｃｓ）等）的出现，促使了组学方法的发展。研究人员通过食物成分， 可能是食物一饮食一个人一健康和疾病，通过先进技术的应用，剖析、解释和解决这广阔的 范围中各种问题。 “ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ的方法”既是这样一种全面的、在人体营养和改善，
几乎所有主要信号通路都无法正常调节，如细胞增殖和凋亡、ＤＮＡ修复、致癌物质代
谢、炎症、免疫、分化以及血管形成等。寻找癌症预防措施的有效途径是找到相关分子 靶标。由于这些位点通常会受到多种饮食成分调节，因此，梳理营养物质相互作用为促 进健康制定理想饮食是富有挑战性。例如，凋亡或程序性细胞死亡现象在抗癌过程中必 不可少，线粒体介导的外在途径和死亡受体介导的内在途径均可导致细胞凋亡或程序性 死亡。这两种途径可以为饮食中的生物活性成分（如染料木素、姜黄素、白藜芦醇、木 樨草素等）提供发现新治疗靶标的可能。膳食成分可以通过调节机体基因表达变化，影 响凋亡过程。当然，生物系统是非常复杂的，并不是通过某一个细胞反应过程发挥其生 理特性。因此，同时评价肿瘤相关的多个途径是至关重要的。 ５筛查营养素生理需要量的生物标志物 传统研究营养素需要量的方法如平衡实验或要因加算法等， 并非适用于所有营养
大家所熟知的营养成分）。事实上，将注意力集中在特定的营养素和其代谢途径上，关 注其在整个食品链、整个人类生物体中的影响和风险作用， 清晰度，ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ是实现这一目标挑战的首选战略。 需要更先进方法和更高的
Ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ分析方法是整体组学方法的主要部分，通过“高通量”技术的来实现。
后缀“ｏｍｉｃ”和“ｏｍｉｃｓ＂来自“ｇｅｎｏｍｅ”，１９２０年由Ｈａｎｓ Ｗｉｎｋｌｅｒ仓Ｊ造和第一次提 出，“ｏｍｅ”虽然有些古老，但它标志着作为一个整体的“同质项目的集合”，高通量 “ｈｉｇｈ－ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ’’是在相当短时间里，一个大数量的同质项目（甚至全部）的测量技 术。目前高通量组学测量的四种主要类型（基因组学，转录组学常用，蛋白质组学，和 代谢组学），各种组学的子学科（表观基因组，脂类组学，蛋白质相互作用组学，金属 组学，疾病基因组等）已开始出现，每个都有自己的一套仪器，试剂、技术和软件。 组学的技术均可为Ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ来应用。转录组学，蛋白质组学和代谢组学领域的 影响都是动态的，相互作用的有机体和外界刺激。人类（生物体）可以通过饮食的影响 （外部刺激），可以干预对某些人类疾病的发生风险的积极或消极的方式。但饮食是由 源于活的植物（食物和膳食）组成，并受外部刺激如不同的农业和转化技术的影响。因 此，以达到改善人类健康的最终目标，我们需要在一个组学方法考虑，了解所有这些可 能的动态相互作用。 理论上， ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ可以研究食物组成一食物一膳食一个体．健康和疾病。在实践中，
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食物是一个高度复杂的混合物，这样的复杂性使得“认识它”不能只根据预先选定 的成分分析。 传统的食物分析是由化学组成分析来确定的，其成分含量和种类往往受 同时，化学分析也可能不会像生理环境下情况一样。例如理
萃取方法等因素的影响。
解营养素和食物成分分子是如何被人体利用的一直是我们的难题。另外，“认识食物” 一关注其“特别成分”或分析方法、化学特性， 与强调全部组成一样重要（即使后者是
的应用范例。 因此，ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ和食品科学的关系，不是如同营养基因组学是营养科学的补充 （ｃｏｕｎｔｅｒｐａｒｔ）一样。ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ是用于人体营养的改善方面的食品开发研究的综合性、 高通量的方法学学科。
三、食物基因组研究领域和意义
营养科学在过去的几十年里极大的发展，从简单考虑的食物能量来源和营养需要， 到认识优化、维护健康和减少疾病风险。人类营养和健康食物的关系并不是一个新概念， 早年希波克拉底“让食物成为你的药物，让药物成为你的食物”一句名言流传至今。 由于近年分析方法的发展，为科学界证明“健康的食物”提供手段和帮助。Ｆｏｏｄｏｍｉｃｓ 就是所说的“新＂的手段。