基于營養(yǎng)基因組學(xué)的新視點(diǎn)在運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)中的應(yīng)用展望

摘要：近些年來，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，基因組學(xué)、營養(yǎng)基因組學(xué)等新興學(xué)科在生命科學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用，并迅速成為營養(yǎng)學(xué)研究的新前沿。應(yīng)用營養(yǎng)基因組學(xué)建立運(yùn)動員營養(yǎng)素利用效率的評價體系和方法，將為更深一步認(rèn)識運(yùn)動過程中營養(yǎng)素如何影響代謝途徑和機(jī)體穩(wěn)態(tài)控制，發(fā)現(xiàn)與營養(yǎng)有關(guān)分子調(diào)節(jié)與基因型的關(guān)系提供有效的科學(xué)依據(jù)。重點(diǎn)介紹營養(yǎng)基因組學(xué)的最新研究與內(nèi)容，并對其在運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域中的研究趨勢作一展望。

關(guān)鍵詞：基因組學(xué)；營養(yǎng)基因組學(xué)I運(yùn)動營養(yǎng)

中圖分類號：G804.7 文章編號：1009-783X(2008)03-0056-03 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

競技體育對運(yùn)動員體能等方面的要求越來越高，缺乏科學(xué)指導(dǎo)的訓(xùn)練和沒有營養(yǎng)學(xué)輔助的單純“苦練”已經(jīng)無法保證運(yùn)動員在競賽中取勝。運(yùn)動疲勞的延遲及恢復(fù)已成為保證訓(xùn)練效果的關(guān)鍵。因此，采取有效的營養(yǎng)學(xué)補(bǔ)充及恢復(fù)手段，將成為科學(xué)化訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)。營養(yǎng)基因組學(xué)主要研究營養(yǎng)素對人體基因的轉(zhuǎn)錄、翻譯、表達(dá)以及代謝機(jī)制，對體育科學(xué)的發(fā)展尤其是運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)的研究將起到重要推動作用。

1 基因組學(xué)及營養(yǎng)基因組學(xué)概述

1．1 基因組學(xué)及營養(yǎng)基因組學(xué)概念的提出

基因組學(xué)(Genomics)是指對所有基因進(jìn)行基因組作圖(包括遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄本圖譜)，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一門科學(xué)。是1986年由美國科學(xué)家Thomas Roderick提出的。營養(yǎng)基因組學(xué)這一概念最先由Della Penna提出，是利用基因組學(xué)研究成果及方法技術(shù)來發(fā)現(xiàn)與營養(yǎng)的合成、積累、吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及代謝等有關(guān)基因的綜合性方法。簡而言之，營養(yǎng)基因組學(xué)將主要研究在分子水平上以及人群水平上膳食營養(yǎng)與基因的相互作用及其對人類健康的影響，并將致力于建立基于個體基因組結(jié)構(gòu)特征上的膳食干預(yù)方法和營養(yǎng)保健手段，提出更具個性化的營養(yǎng)策略，從而使得營養(yǎng)學(xué)研究的成果能夠更有效地應(yīng)用于疾病預(yù)防，促進(jìn)人類健康。

1．2 營養(yǎng)學(xué)及營養(yǎng)基因組學(xué)的發(fā)展

1900年至今，隨著營養(yǎng)學(xué)研究的不斷深入，主要經(jīng)歷了3個階段：(1)機(jī)體生物學(xué)時代：不斷地認(rèn)識著大量營養(yǎng)素、維生素和礦物元素的代謝途徑與作用，特別是營養(yǎng)素在代謝中作用及作為酶輔助因子的功能；(2)細(xì)胞時代：主要研究營養(yǎng)素在體內(nèi)代謝、生理功能及其對組織細(xì)胞的影響；(3)進(jìn)入21世紀(jì)后，在世界多國科學(xué)家的共同努力下，人類及模式生物的基因組草圖、基因組序列圖相繼繪制完成，為人類闡明基因組及所有基因的結(jié)構(gòu)與功能揭開生命奧秘奠定了基礎(chǔ)。人類基因組測序完成后，研究的重點(diǎn)已由測序與辯識基因深入到探察基因的功能，即從基因序列信息中開發(fā)利用具有潛在醫(yī)用價值的基因與編碼蛋白，闡明基因在代謝中的作用。營養(yǎng)科學(xué)也由對單個基因表達(dá)及其作用的分析，開始朝著基因組及其表達(dá)產(chǎn)物在代謝調(diào)節(jié)中的作用研究即營養(yǎng)基因組方向發(fā)展。

1．3 營養(yǎng)基因組學(xué)研究的特征及主要內(nèi)容

基因表達(dá)是一個復(fù)雜的過程，營養(yǎng)作為一種環(huán)境因素，不僅可以作每個環(huán)節(jié)的參與者，還可作為基因表達(dá)的調(diào)控者，其關(guān)鍵作用之一在于探討特殊基因多態(tài)性和營養(yǎng)素個體化反應(yīng)之間的聯(lián)系。由于一個人的基因背景決定了其對某種營養(yǎng)的需要量及可承受量。因此，要實(shí)現(xiàn)人類營養(yǎng)健康，必須解決營養(yǎng)來源及營養(yǎng)攝入最適度的問題，而營養(yǎng)基因組學(xué)正是解決這類問題的強(qiáng)有力的工具。

營養(yǎng)基因組學(xué)一個顯著特征是能夠監(jiān)測極大數(shù)目的分子表達(dá)、基因變異等，該學(xué)科涵蓋了一個廣泛的領(lǐng)域，其主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：(1)探索營養(yǎng)素調(diào)控特殊基因產(chǎn)物的產(chǎn)生與作用機(jī)制，以及蛋白產(chǎn)物對營養(yǎng)素的反饋?zhàn)饔茫?2)研究營養(yǎng)素和基因表達(dá)的相互影響；(3)利用DNA微陣列和RT-PCR等技術(shù)，研究基因產(chǎn)物的特性和這些產(chǎn)物的生理功能及相互關(guān)系；(4)基于個體對象的基因型特征，預(yù)測其對營養(yǎng)素的反應(yīng)，以提供個體化膳食營養(yǎng)建議；(5)檢測和操縱植物中的微量營養(yǎng)代謝途徑，為鑒定對人類營養(yǎng)有重要作用的植物次級代謝途徑的相關(guān)基因提供依據(jù)。

2 營養(yǎng)基因組學(xué)模式的建立與運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)

2．1 運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)研究中存在的問題及解決方案

營養(yǎng)研究的核心是了解機(jī)體如何利用食物中的營養(yǎng)素以及營養(yǎng)素對組織細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)作用，迄今積累的大量營養(yǎng)學(xué)研究結(jié)果，奠定了營養(yǎng)學(xué)的基本原理與認(rèn)識的基礎(chǔ)，但由于運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)在運(yùn)動醫(yī)學(xué)中起步較晚。因此，在早期的運(yùn)動競賽中，對于運(yùn)動營養(yǎng)的知識，僅僅是根據(jù)獲勝運(yùn)動員的飲食習(xí)慣來推測，還未從科學(xué)上加以認(rèn)識。傳統(tǒng)的對營養(yǎng)素作用研究多是基于養(yǎng)分、劑量對機(jī)體表觀性狀及體內(nèi)生理生化指標(biāo)變化的反應(yīng)，由于觀察這些指標(biāo)和種類有限，使得可捕捉、獲得的信息量少，特別是難以完整地獲得不同代謝途徑關(guān)系的信息，影響了對營養(yǎng)素功能的全面客觀認(rèn)識，存在較大的局限性，而如果能明確營養(yǎng)素直接調(diào)控的基因，并進(jìn)行多組間的比較與分析，采用分子生物學(xué)方法，從DNA、mRNA及轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物蛋白質(zhì)水平，研究營養(yǎng)素對細(xì)胞中眾多基因的調(diào)控，將有助于揭示營養(yǎng)素的功能，這在方法學(xué)上是一次革命性的轉(zhuǎn)變。

2．2 營養(yǎng)基因組學(xué)模式的建立在運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)中應(yīng)用及意義

營養(yǎng)素作為一種調(diào)控因素或調(diào)控物，可通過激素、細(xì)胞因子和生長因子一第二信使或細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)與特定的轉(zhuǎn)錄因子相互作用激活基因表達(dá)。從本質(zhì)上講，營養(yǎng)代謝過程取決于細(xì)胞或器官眾多mRNA分子表達(dá)和眾多密碼蛋白質(zhì)的相互作用。通過營養(yǎng)與基因表達(dá)的研究拓寬了對營養(yǎng)素功能的認(rèn)識，營養(yǎng)基因組學(xué)模式的建立是基于營養(yǎng)素或藥物與基因相互作用的研究，在運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)中可被用于以下幾個方面：(1)針對個體運(yùn)動員或者普通人提供有關(guān)營養(yǎng)狀況的，診斷性分析結(jié)果；(2)對動植物中對人體有用的元素進(jìn)行提取、加工，對一些營養(yǎng)素進(jìn)行分子水平上的培養(yǎng)、改造，使未來的人類面對的營養(yǎng)品更加豐富；(3)揭示營養(yǎng)效應(yīng)的奧秘；(4)基于動物的遺傳潛力，提供能滿足群體或個體營養(yǎng)需要的日常膳食；(5)評價營養(yǎng)素的毒性作用；(6)借助于功能基因組學(xué)的技術(shù)手段，通過對從DNA和RNA到蛋白質(zhì)等不同階段基因表達(dá)的調(diào)控及從細(xì)胞到整體等不同層次的研究，來尋找、發(fā)現(xiàn)適宜的分子標(biāo)記物，作為評價營養(yǎng)素狀況的新指標(biāo)；(7)依據(jù)生理學(xué)、生物化學(xué)的基本原理及機(jī)體的需要，利用基因組技術(shù)，不斷開發(fā)、研制具有提高運(yùn)動能力的營養(yǎng)產(chǎn)品，以糾正運(yùn)動性營養(yǎng)不足，治療運(yùn)動性疾病；(8)應(yīng)用基因組學(xué)技術(shù)將闡明與營養(yǎng)相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性，并用來研究運(yùn)動員對某些運(yùn)動疾病的易感性以及對營養(yǎng)素需求的個體間差異。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)的研究中，用代謝研究和分子生物學(xué)方面的方法，從宏觀轉(zhuǎn)向微觀，從亞細(xì)胞水平到分子水平有了很大的發(fā)展。利用人類基因組的研究成果，可以設(shè)計出更加有效的補(bǔ)劑配方，同時可以利用納米技術(shù)，將營養(yǎng)成分制成納米粉或懸浮液，增加機(jī)體的吸收率，更好地發(fā)揮營養(yǎng)補(bǔ)劑的生物活性。另外，隨著近年來競技體育的發(fā)展和反興奮劑的開展，對運(yùn)動營養(yǎng)的發(fā)展也起著推動作用，通過營養(yǎng)加速消除運(yùn)動疲勞，提高運(yùn)動能力，增強(qiáng)體力，保證運(yùn)動員的身體健康，這是反興奮劑的最有力的手段。由于基因組學(xué)的形成和發(fā)展、基因芯片技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)逐步完善，人們對運(yùn)動營養(yǎng)科學(xué)的研究將更加深入。

3 營養(yǎng)基因組學(xué)、運(yùn)動營養(yǎng)與健康

3．1 基因、膳食、健康三者之間交互作用關(guān)系

受益于基因研究的進(jìn)展，運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)研究目前已不僅可以關(guān)注運(yùn)動員膳食與健康的雙向關(guān)系，而且可以了解基因、膳食和健康之間相互作用的三邊關(guān)系。基因組學(xué)注重的全基因組方法將促進(jìn)發(fā)現(xiàn)所有可能影響多因素健康和疾病基因的成分，并著眼于這些基因在疾病發(fā)生過程中的綜合作用。如何針對不同的項(xiàng)目，根據(jù)運(yùn)動員個體特征來科學(xué)地制定膳食，最大程度上提高運(yùn)動能力和疲勞的恢復(fù)，已經(jīng)成為了運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)的發(fā)展趨勢。

3．2 營養(yǎng)基因組學(xué)與運(yùn)動營養(yǎng)保健食品的開發(fā)應(yīng)用

營養(yǎng)基因組學(xué)結(jié)合藥物基因組學(xué)、腫瘤基因組學(xué)，將提高運(yùn)用基因工程的方法，高效的基因組技術(shù)使研究者能有效地發(fā)現(xiàn)哪些既能受食物中生物活性組分調(diào)控，又在疾病病理過程扮演重要角色的生物學(xué)標(biāo)志物。功能基因組技術(shù)將促進(jìn)對食物中具有保健作用的生物活性成分的篩選，有助于食物中具有生物活性物質(zhì)的研究以及提出更合理的食療和預(yù)防措施。應(yīng)用植物基因組學(xué)技術(shù)，可以闡明營養(yǎng)素和生物活性物質(zhì)的生物合成途徑，并能生產(chǎn)出富含營養(yǎng)素和具有生物活性植物化學(xué)物質(zhì)的/超級營養(yǎng)食品。由于能量蛋白質(zhì)對生長調(diào)節(jié)基因表達(dá)的影響可能具有組織特異性。因此，在競技運(yùn)動中，可以針對個體運(yùn)動員基因片段的差異，來進(jìn)行不同的營養(yǎng)搭配。

應(yīng)用營養(yǎng)基因組學(xué)技術(shù)將有助于開發(fā)出一些對個體針對性強(qiáng)、功效明顯、科技含量高的保健(功能)食品。

3．3 利用營養(yǎng)基因組學(xué)制定科學(xué)的膳食參考

營養(yǎng)調(diào)控基因表達(dá)是機(jī)體適應(yīng)營養(yǎng)環(huán)境的重要機(jī)制，掌握這種機(jī)制不但對于徹底弄清機(jī)體的營養(yǎng)代謝過程，最大限度提高機(jī)體對養(yǎng)分的利用效率具有重要的營養(yǎng)學(xué)意義，而且對于認(rèn)識生命的本質(zhì)，協(xié)調(diào)生命活動，提高生命質(zhì)量，維系生物界物種的平衡具有重要的生物學(xué)意義。目前已有的推薦膳食供給量都很少是根據(jù)基因表達(dá)來制定的，而且也只有極少數(shù)是根據(jù)生化指標(biāo)來制定的。營養(yǎng)基因組技術(shù)將有助于發(fā)現(xiàn)大批分子水平上可特異地反映營養(yǎng)素水平的指標(biāo)。如果結(jié)合基因表達(dá)與蛋白質(zhì)表達(dá)的結(jié)果并與代謝聯(lián)系起來，將為確認(rèn)人體對營養(yǎng)素準(zhǔn)確需要量的生物標(biāo)志物奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。應(yīng)用含有人全部基因的cDNA芯片來研究在營養(yǎng)素缺乏、適宜和過剩等狀況下的基因表達(dá)圖譜，將發(fā)現(xiàn)更多的、能用來評價營養(yǎng)狀況的分子生物標(biāo)志物。這將為制定更準(zhǔn)確、合理的膳食參考攝入量提供分子基礎(chǔ)，可使?fàn)I養(yǎng)需要量的建立基于更科學(xué)的分子機(jī)制基礎(chǔ)上。

4 營養(yǎng)基因組學(xué)在運(yùn)動營養(yǎng)科學(xué)中的應(yīng)用展望

在競技體育、全民健身與健康研究中，開展?fàn)I養(yǎng)功能基因組學(xué)研究是運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)和現(xiàn)代生物學(xué)前沿不斷接近的反映，它有助于通過營養(yǎng)手段減緩與防治營養(yǎng)性代謝紊亂疾病，全面認(rèn)識營養(yǎng)素與其他功能因子在人與動物機(jī)體功能基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄、翻譯中的作用，確立營養(yǎng)性疾病診斷的生物標(biāo)識，開發(fā)新的營養(yǎng)補(bǔ)充劑與治療方法，提出改善運(yùn)動員與大眾膳食健康有效的途徑；同時，可以利用營養(yǎng)基因組學(xué)技術(shù)能夠提高營養(yǎng)保健品的產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)運(yùn)動營養(yǎng)品的發(fā)展。在未來的研究中，探討運(yùn)動對相關(guān)疾病基因的影響將成為運(yùn)動營養(yǎng)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：(1)利用營養(yǎng)基因組學(xué)技術(shù)分析與運(yùn)動員健康相關(guān)的功能性食物的成分與安全性；(2)分析運(yùn)動營養(yǎng)品促進(jìn)運(yùn)動能力的分子機(jī)制；(3)分析運(yùn)動員個體基因表型對營養(yǎng)與運(yùn)動能力的影響；(4)評價用于功能性食品功效與危險性的生物學(xué)標(biāo)志物；(5)研究將更趨向于個體化。因此，將來的運(yùn)動營養(yǎng)學(xué)通過對基因構(gòu)成以及代謝型的鑒定，列出每個運(yùn)動員的最佳食譜，從而使個體的營養(yǎng)狀況通過調(diào)整飲食達(dá)到最佳，有針對地促進(jìn)運(yùn)動性疲勞的恢復(fù)，提高運(yùn)動成績。