基于營養基因組學的新視點在運動營養學中的應用展望

摘要：近些年來，隨著分子生物學的發展，基因組學、營養基因組學等新興學科在生命科學領域得到應用，并迅速成為營養學研究的新前沿。應用營養基因組學建立運動員營養素利用效率的評價體系和方法，將為更深一步認識運動過程中營養素如何影響代謝途徑和機體穩態控制，發現與營養有關分子調節與基因型的關系提供有效的科學依據。重點介紹營養基因組學的最新研究與內容，并對其在運動營養學領域中的研究趨勢作一展望。

關鍵詞：基因組學；營養基因組學I運動營養

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

競技體育對運動員體能等方面的要求越來越高，缺乏科學指導的訓練和沒有營養學輔助的單純“苦練”已經無法保證運動員在競賽中取勝。運動疲勞的延遲及恢復已成為保證訓練效果的關鍵。因此，采取有效的營養學補充及恢復手段，將成為科學化訓練的重要環節。營養基因組學主要研究營養素對人體基因的轉錄、翻譯、表達以及代謝機制，對體育科學的發展尤其是運動營養學的研究將起到重要推動作用。

1 基因組學及營養基因組學概述

1．1 基因組學及營養基因組學概念的提出

基因組學(Genomics)是指對所有基因進行基因組作圖(包括遺傳圖譜、物理圖譜、轉錄本圖譜)，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一門科學。是1986年由美國科學家Thomas Roderick提出的。營養基因組學這一概念最先由Della Penna提出，是利用基因組學研究成果及方法技術來發現與營養的合成、積累、吸收、轉運及代謝等有關基因的綜合性方法。簡而言之，營養基因組學將主要研究在分子水平上以及人群水平上膳食營養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構特征上的膳食干預方法和營養保健手段，提出更具個性化的營養策略，從而使得營養學研究的成果能夠更有效地應用于疾病預防，促進人類健康。

1．2 營養學及營養基因組學的發展

1900年至今，隨著營養學研究的不斷深入，主要經歷了3個階段：(1)機體生物學時代：不斷地認識著大量營養素、維生素和礦物元素的代謝途徑與作用，特別是營養素在代謝中作用及作為酶輔助因子的功能；(2)細胞時代：主要研究營養素在體內代謝、生理功能及其對組織細胞的影響；(3)進入21世紀后，在世界多國科學家的共同努力下，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構與功能揭開生命奧秘奠定了基礎。人類基因組測序完成后，研究的重點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利用具有潛在醫用價值的基因與編碼蛋白，闡明基因在代謝中的作用。營養科學也由對單個基因表達及其作用的分析，開始朝著基因組及其表達產物在代謝調節中的作用研究即營養基因組方向發展。

1．3 營養基因組學研究的特征及主要內容

基因表達是一個復雜的過程，營養作為一種環境因素，不僅可以作每個環節的參與者，還可作為基因表達的調控者，其關鍵作用之一在于探討特殊基因多態性和營養素個體化反應之間的聯系。由于一個人的基因背景決定了其對某種營養的需要量及可承受量。因此，要實現人類營養健康，必須解決營養來源及營養攝入最適度的問題，而營養基因組學正是解決這類問題的強有力的工具。

營養基因組學一個顯著特征是能夠監測極大數目的分子表達、基因變異等，該學科涵蓋了一個廣泛的領域，其主要研究內容包括以下幾個方面：(1)探索營養素調控特殊基因產物的產生與作用機制，以及蛋白產物對營養素的反饋作用；(2)研究營養素和基因表達的相互影響；(3)利用DNA微陣列和RT-PCR等技術，研究基因產物的特性和這些產物的生理功能及相互關系；(4)基于個體對象的基因型特征，預測其對營養素的反應，以提供個體化膳食營養建議；(5)檢測和操縱植物中的微量營養代謝途徑，為鑒定對人類營養有重要作用的植物次級代謝途徑的相關基因提供依據。

2 營養基因組學模式的建立與運動營養學

2．1 運動營養學研究中存在的問題及解決方案

營養研究的核心是了解機體如何利用食物中的營養素以及營養素對組織細胞功能的調節作用，迄今積累的大量營養學研究結果，奠定了營養學的基本原理與認識的基礎，但由于運動營養學在運動醫學中起步較晚。因此，在早期的運動競賽中，對于運動營養的知識，僅僅是根據獲勝運動員的飲食習慣來推測，還未從科學上加以認識。傳統的對營養素作用研究多是基于養分、劑量對機體表觀性狀及體內生理生化指標變化的反應，由于觀察這些指標和種類有限，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系的信息，影響了對營養素功能的全面客觀認識，存在較大的局限性，而如果能明確營養素直接調控的基因，并進行多組間的比較與分析，采用分子生物學方法，從DNA、mRNA及轉錄產物蛋白質水平，研究營養素對細胞中眾多基因的調控，將有助于揭示營養素的功能，這在方法學上是一次革命性的轉變。

2．2 營養基因組學模式的建立在運動營養學中應用及意義

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

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

3 營養基因組學、運動營養與健康

3．1 基因、膳食、健康三者之間交互作用關系

受益于基因研究的進展，運動營養學研究目前已不僅可以關注運動員膳食與健康的雙向關系，而且可以了解基因、膳食和健康之間相互作用的三邊關系。基因組學注重的全基因組方法將促進發現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生過程中的綜合作用。如何針對不同的項目，根據運動員個體特征來科學地制定膳食，最大程度上提高運動能力和疲勞的恢復，已經成為了運動營養學的發展趨勢。

3．2 營養基因組學與運動營養保健食品的開發應用

營養基因組學結合藥物基因組學、腫瘤基因組學，將提高運用基因工程的方法，高效的基因組技術使研究者能有效地發現哪些既能受食物中生物活性組分調控，又在疾病病理過程扮演重要角色的生物學標志物。功能基因組技術將促進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的研究以及提出更合理的食療和預防措施。應用植物基因組學技術，可以闡明營養素和生物活性物質的生物合成途徑，并能生產出富含營養素和具有生物活性植物化學物質的/超級營養食品。由于能量蛋白質對生長調節基因表達的影響可能具有組織特異性。因此，在競技運動中，可以針對個體運動員基因片段的差異，來進行不同的營養搭配。

應用營養基因組學技術將有助于開發出一些對個體針對性強、功效明顯、科技含量高的保健(功能)食品。

3．3 利用營養基因組學制定科學的膳食參考

營養調控基因表達是機體適應營養環境的重要機制，掌握這種機制不但對于徹底弄清機體的營養代謝過程，最大限度提高機體對養分的利用效率具有重要的營養學意義，而且對于認識生命的本質，協調生命活動，提高生命質量，維系生物界物種的平衡具有重要的生物學意義。目前已有的推薦膳食供給量都很少是根據基因表達來制定的，而且也只有極少數是根據生化指標來制定的。營養基因組技術將有助于發現大批分子水平上可特異地反映營養素水平的指標。如果結合基因表達與蛋白質表達的結果并與代謝聯系起來，將為確認人體對營養素準確需要量的生物標志物奠定堅實的基礎。應用含有人全部基因的cDNA芯片來研究在營養素缺乏、適宜和過剩等狀況下的基因表達圖譜，將發現更多的、能用來評價營養狀況的分子生物標志物。這將為制定更準確、合理的膳食參考攝入量提供分子基礎，可使營養需要量的建立基于更科學的分子機制基礎上。

4 營養基因組學在運動營養科學中的應用展望

在競技體育、全民健身與健康研究中，開展營養功能基因組學研究是運動營養學和現代生物學前沿不斷接近的反映，它有助于通過營養手段減緩與防治營養性代謝紊亂疾病，全面認識營養素與其他功能因子在人與動物機體功能基因表達的轉錄、翻譯中的作用，確立營養性疾病診斷的生物標識，開發新的營養補充劑與治療方法，提出改善運動員與大眾膳食健康有效的途徑；同時，可以利用營養基因組學技術能夠提高營養保健品的產品質量，促進運動營養品的發展。在未來的研究中，探討運動對相關疾病基因的影響將成為運動營養科學研究的熱點。主要體現在以下幾點：(1)利用營養基因組學技術分析與運動員健康相關的功能性食物的成分與安全性；(2)分析運動營養品促進運動能力的分子機制；(3)分析運動員個體基因表型對營養與運動能力的影響；(4)評價用于功能性食品功效與危險性的生物學標志物；(5)研究將更趨向于個體化。因此，將來的運動營養學通過對基因構成以及代謝型的鑒定，列出每個運動員的最佳食譜，從而使個體的營養狀況通過調整飲食達到最佳，有針對地促進運動性疲勞的恢復，提高運動成績。