营养基因组学在动物营养与饲料科学研究中的应用_石彩霞

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1 营养基因组学的形成和概念
随着分子生物学技术的发展,科学家开始探索 饮食与基因的相互影响,营养学研究也从此迈入了 基因 时 代 。基 因 组 学 首 先 由 美 国 科 学 家 Thomas Roderick ( 1986) 提出,主要包括两方面,一方面 是以全基因组测序为目标的结构基因组学,另一方 面是 以 基 因 功 能 鉴 定 为 目 标 的 功 能 基 因 组 学。 DellaPenna ( 1999) 首先对营养基因组学下了定义, 认为它是一门研究营养素在基因表达中的作用或相 互关系的科学。Chávez 等 ( 2003) 提出营养基因组 学是对 营 养 刺 激 和 基 因 反 应 间 分 子 关 系 的 研 究。 Müller 和 Kersten ( 2003) 将营养基因组学定义为在 营养研究中应用高通量分子工具,促进了解营养素 如何影响代谢途径和稳态控制,在与饮食有关疾病 发生的早期阶段,这种调节如何被打乱,什么范围 的敏感基因型对这些疾病起作用。
性成分,从而为饲料的生物安全性评价提供科学依 据。另外,通过营养基因组学技术也可以研究饲料 污染和添加违禁药物对动物体内基因表达的影响, 进而寻 找 分 子 标 记 物 来 对 它 们 进 行 定 性 和 定 量 分析。 3.5 确定饲料中有毒和有害物质的限量
当前对饲料中有毒和有害物质的限量确定主要 是根据动物的生长状况和这些毒害物质在动物组织 和器官中的残留量来确定的。这些方法只能表观地 观察动物对毒害物质的反应,不能准确地描述它们 对动物 DNA 的复制、修复和基因表达等过程的损 害。如果从转录组、蛋白质组和代谢组学水平全面 研究动物对有毒有害物质的反应,将为制定更加科 学合理的有毒和有害物质在动物饲料中的最大限量 奠定理论基础。
关键词 营养基因组学 动物营养 饲料 应用
中图分类号: S 813. 1
文献标志码: A
文章编号: 1002 - 2813 ( 2014) 01 - 0013 - 03
Baidu Nhomakorabea
随着现代分子生物学技术的不断发展,它已成 为研究和 阐 明 生 命 现 象 本 质 和 规 律 的 一 种 重 要 工 具。传统的动物营养学主要探讨某种营养素缺乏和 过量导致的动物疾病和动物生产性能的下降。然而 从本质上说,动物机体的新陈代谢、生长发育、生 产产品和疾病发生等生理和病理变化,都是其基因 的表达和调控发生改变的结果。如果掌握了动物摄 入的营养素和其基因表达间的关系,就可以调控动 物的新陈代谢,提高它们的生产性能,避免营养代 谢病的发生。然而,营养素对动物机体基因表达和 调控的影响是一个复杂且全面的过程,仅仅了解它 对单个基因的作用远远不够。随着基因组学、蛋白 组学和代谢组学研究手段的建立及生物信息学的发 展,使营养学的研究由探讨营养素对单个基因表达 及其作用,转向了研究基因组及其表达产物在代谢 调节中的作用,即向营养基因组学的方向发展,并 迅速成为了营养学研究的热点之一。目前,营养基 因组学不仅已应用于人类个体营养需要的制定、疾
蛋白质组学的概念最早由澳大利亚学者 Wilkins 等 ( 1994) 提出,指基因所能表达的全部蛋白质, 即细胞或组织或机体在特定时间和空间上表达的所 有蛋白质。具体的说,它是对不同时间和空间上发 挥功能的特定蛋白质组群进行研究,进而在蛋白质 的水平上探索其作用模式、功能机制、调节和调控 及蛋白质组群内的相互作用。蛋白质组学技术研究 主要包括样品或组织中的蛋白质分离和鉴定 2 个关 键步骤。营养基因组学通过研究与营养物质代谢相 关的酶、转运蛋白、激素和血浆蛋白与其他物质的 关系,发现新的分子调节机制,这将有助于正确理 解营养素的代谢途径,掌握动物最佳的营养和健康 状况。
营养基因组学被引入动物营养与饲料科学研究 领域后,用于研究营养物质与基因间的相互作用及 其对动物生产和健康的影响规律和机制,从而提高 动物生产性能,改善畜产品品质,预防与营养相关 疾病,保障动物机体健康。
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综述
2 营养基因组学主要研究方法
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营养基因组学在动物营养与饲料 科学研究中的应用
石彩霞 王海荣 内蒙古农业大学动物科学学院,呼和浩特 010018
摘 要 动物机体的生理和病理变化,如生长发育、新陈代谢、遗传变异、免疫与疾病等,从本质来 说都是基因的表达和调控发生改变的结果。营养基因组学是研究营养物质与基因间的相互作用及其对动物生 产与机体健康影响的科学。它以分子生物学技术为基础,应用 DNA 芯片技术、生物标记物和蛋白质组学技 术等来阐明营养素与基因表达间的相互关系。主要介绍营养基因组学的概念、研究方法及其在动物营养与饲 料科学领域的应用。
化地研究基因和蛋白质的表达情况,所以为生物标 记物的发现、鉴定和评价提供了有力的技术支持。 动物营养学家可以通过试验,寻找评价动物对营养 物质最适需要量的分子标记物,更准确合理地确定 不同生产 目 的 动 物 在 不 同 饲 养 条 件 下 的 营 养 需 要 量,从而彻底改变传统的剂量 - 功能反应的营养素 需要量研究模式。另外,还可以寻找与营养代谢疾 病相关的分子标记物,及早调整日粮预防这些疾病 的发生,这 对 动 物 生 产 的 可 持 续 发 展 具 有 重 要 意义。 2.3 蛋白质组学技术
收稿日期: 2013 - 04 - 27 基金项目: 内蒙古农业大学博士基金项目 ( 206052) 第一作者: 石彩霞,E - mail: shicx98@ 163. com 通信作者: 王海荣,E - mail: wanghairong97@ 163. com
病预防和食品安全等领域,在动物营养与饲料科学 研究中它也具有巨大的应用价值。
基因只是遗传信息的携带者,生命功能的真正 执行者是蛋白质。基因组学不能回答如蛋白质的表 达水平、表达时间、翻译后修饰及蛋白质间或与其 他生物分子的相互作用等问题。因此仅从基因组学 的角度来研究生命活动是远远不够的,由此一门新 兴学科———蛋白质组学诞生了,它与基因组学共同 承担起从整体水平解释生命现象的重任。
3 营养基因组学在动物营养学研究中的 应用
虽然在细胞和分子水平上研究动物的营养代谢 规律,通过预测营养过程和调控营养途径来提高动 物产品质量已成为当今动物营养学研究的热点。但 营养基因组学在动物生产上的应用还很少。根据已 有研究成果,营养基因组学研究有可能在以下几方 面产生重要影响。 3.1 揭示营养素的作用机制
生物标记物通常是指用来作为某一生理状态标 志的一种物质。它能被客观地测定并认为是正常生 理过程、 病 理 过 程 或 对 药 物 治 疗 反 应 的 一 个 标 记 物。在医学上它用于从分子水平探讨疾病的发生机 制,同时在疾病的早期预警、诊断、分级、预后及 治疗监测过程中常被作为诊断指标进行定量测定。 因为基因组和蛋白质组学技术能在特定条件下规模
有些饲料原料存在安全隐患,如转基因饲料和 牛羊源饲料等。目前鉴别饲料原料来源的主要方法 是 PCR 技术,该技术不仅费时费力,而且只能对一 个或几个特征 DNA 片断进行检测,容易造成假阳 性。利用营养基因组学的研究技术,可以明确转基 因饲料和动物源性成分的 DNA 序列特征,然后利 用基因芯片技术,对饲料原料成分进行高通量的快 速扫描检测,鉴定其是否含有转基因饲料或动物源
目前饲养标准的营养推荐量均是针对群体而言 的,而每一个个体的遗传基因都不同,对营养素的 需求也存在差异。畜禽个体基因的单核苷酸多态性 可能是个体对营养素需求及响应差异的重要分子基 础。未来动物营养学将应用基因组学、蛋白质组学 和代谢组学的技术阐明与营养相关的单核苷酸多态 性 ( Vander 等,2001) ,对不同遗传潜力和不同生 理阶段的动物基因构成和代谢型进行鉴定,从而确 定个体的最佳营养需要量,使营养供给更符合个体 的需求。 3.4 鉴别饲料来源和鉴定饲料品质
4 展望
营养基因组学是一门新兴学科,随着它的深入 发展,营养物质代谢的分子机制将有可能进一步被 阐明,为新的营养调控理论的建立奠定理论基础。 这将对动物营养与饲料科学的研究和发展,乃至整 个畜牧业的生产产生重大而深远的影响。
参考文献
[1]Walker W A,Blackburn G. Symposium introduction:
虽然一些营养素在饲料中广为应用,但他们的
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作用机制还不清楚,如高铜、高锌和抗生素的促生 长机制,低蛋白日粮的作用机制等均未得到圆满的 解释。从本质上讲,营养代谢过程取决于细胞或器 官众多 mRNA 分子表达和众多密码蛋白质的相互作 用。营养成分如糖、氨基酸、脂肪酸和维生素等, 都会影响基因的表达,继而导致 mRNA 水平或蛋白 质水平表达出现差异,甚至其功能发生改变。利用 营养基因组学技术可以研究营养素在动物体内的作 用和代谢通路,有可能阐明其作用机制,为营养物 质的合理使用提供科学依据。 3.2 确定动物营养需要量
目前营养基因组学的研究方法以转录组学、蛋 白组学和代谢组学等组学技术为基础,以高通量和 大规模试验结合计算机分析为特征,主要有 DNA 芯片技术、生物标记物和蛋白质组学技术等。 2.1 DNA 芯片技术
DNA 芯片又称生物芯片或 DNA 微阵列,俗称 基因芯 片,是 指 将 成 千 上 万 不 同 的 寡 核 苷 酸 或 cDNA固定在 固 体 载 体 上, 与 荧 光 染 料 标 记 的 待 测 DNA 或 RNA 进行杂交,与靶序列配合良好的探针 会产生强烈的杂交信号,而错配碱基会减弱信号, 然后用放射自显影或激光共聚焦显微镜对杂交结果 进行扫描,通过计算机软件分析杂交信号的强弱, 从而判断样品中靶分子的数量。
nutrition and gene regulation[J]. J. Nutr. ,2004,134
(9) : 2434 - 2436.
[2]Tefferi A. Genomics basics: DNA structure,gene ex-
由于 DNA 芯片可以在同一时间定量分析上万 个靶基因,因此借助该技术可以检测营养素对整个 细胞、组织甚至整个机体在作用方式上的差异,使 营养学家全面了解日粮营养素对基因表达模式的影 响,同时阐明营养素与基因间复杂的调控关系,从 而揭示这些营养素的作用机制。DNA 芯片技术作为 转录组学的主要研究工具,已经广泛应用于能量、 蛋白、脂肪酸、维生素和微量元素与基因表达间关 系的研究。Moore 等应用 cDNA 阵列技术对缺锌小 鼠进行差异表达基因的筛选,得到髓样细胞白细胞 过多症序 列 - 1、DNA 损 伤 修 复 及 结 合 蛋 白 23B、 小鼠层黏连蛋白受体和淋巴细胞特异性酪氨酸蛋白 激酶 ( LCK) 等 4 条 差 异 表 达 基 因,并 进 一 步 对 LCK 在信号转导中的作用进行了验证。龙建纲等应 用基因芯 片 技 术 检 测 了 缺 锌 仔 鼠 脑 中 差 异 表 达 基 因,初步确认缺锌组仔鼠脑中有 8 条差异表达基 因,其中 5 条锌上调序列,3 条锌下调序列,该研 究结果为揭示缺锌致脑功能异常的机制提供了重要 的线索。 2.2 生物标记物
应用含有某种动物全部基因的 cDNA 芯片研究 在营养 素 缺 乏、 适 宜 和 过 剩 条 件 下 的 基 因 表 达 图 谱,将发现更多的能用来评价营养状况的分子标记 物,这将 为 更 准 确 合 理 地 制 定 营 养 需 要 量 奠 定 基 础。目前饲养标准中营养推荐量都不是根据基因表 达来制定的,仅有极少数是依据生化指标确定的。 借助功 能 基 因 组 学 的 研 究 技 术 手 段,从 DNA 和 mRNA 到蛋白质等不同阶段基因表达的调控及从细 胞到整体等不同层次的研究来寻找并发现适宜的分 子标记物,作为评价动物营养状况的新指标,进而 更加准确合理地确定动物对营养素的需要量。 3.3 使群体营养向个体营养转变
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