食物功能性成分對動物基因組DNA甲基化影響的研究進展

趙靜 李楠 吳茹 楊占威 胡文兵 王文君

（江西農業大學 南昌市農產品加工與質量控制重點實驗室，南昌 330045）

食物功能性成分對動物基因組DNA甲基化影響的研究進展

趙靜 李楠 吳茹 楊占威 胡文兵 王文君

（江西農業大學 南昌市農產品加工與質量控制重點實驗室，南昌 330045）

DNA甲基化是表觀遺傳學的一部分。功能性成分如多酚、黃酮、維生素、n-3不飽和脂肪酸等對DNA甲基化有重要影響。功能性成分主要通過影響甲基轉移酶活性和活性甲基基團數量實現對DNA甲基化的影響，結合研究成果闡述多種功能成分：多酚、黃酮、維生素（葉酸、VB12、VB6）、n-3多不飽和脂肪酸等對DNA甲基化的影響和作用機制進行綜述，以期為從分子角度探究功能性成分的作用機理提供新思路。

DNA甲基化；食物功能性成分；多酚；黃酮；維生素；n-3不飽和脂肪酸

DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳機制，主要通過甲基轉移酶的作用將甲基引入DNA中，導致基因表達水平改變從而引起表型變化。大量研究表明，DNA甲基化與人類的多種疾病及動植物的生長、發育、衰老等密切相關。功能性成分因其可調節人體機能而日益受到人們的重視，其調節機制也成為科研工作者的研究重點。研究顯示生物體DNA甲基化水平因自身和環境因素改變而變化，而多種具有生物活性的功能成分也對其有重要影響。

1 DNA甲基化

DNA甲基化是最早發現的一種與基因抑制相關的表觀遺傳機制，它不改變DNA的堿基組成而影響基因的表達，并廣泛存在于動、植物基因組中。哺乳動物DNA甲基化過程是由S-腺苷甲硫氨酸（SAM）活化甲基，在甲基轉移酶（DNMT）催化下將甲基基團轉移到胞嘧啶的第五個碳原子上［1］，DNMT作為DNA甲基化的核心調控物質在此過程中起“指揮”作用：DNMT主要分為DNMT1、DNMT3a、DNMT3b 3種，DNMT1在DNA復制過程中維持了DNA子鏈與母鏈相同的甲基化狀態［2］，DNMT3a和DNMT3b則是從頭參與合成甲基化［3］，DNA甲基化參與包括基因印記，維持染色體完整性，調節基因表達等多種生理過程［4］，DNA甲基化因其對多種疾病都有重要影響而成為近年來醫學和營養學研究的重點。

2 有機功能性成分對DNA甲基化的影響

2.1 多酚和黃酮類化合物對DNA甲基化的影響

多酚和黃酮類物質是一類從天然產物中提取的具有生物活性的有機類化合物。黃酮類物質的中心結構由兩個具有酚羥基結構的苯環通過一個三碳環連接組成的C6-C3-C6結構，由于 C環的結構不同，黃酮類化合物又可分為異黃酮類、二氫黃酮、黃酮類、花色素等；多酚類化合物是指分子結構中有若干個酚性羥基的植物成分的總稱，普遍存在于植物種子、水果蔬菜及中草藥中，其具有抗病毒、消炎、利膽、強心以及抗氧化、抗衰老、免疫調節和抗腫瘤等多種藥理作用［5，6］。

Paluszczak等［7］發現，植物多酚（酚酸，白藜蘆醇）和黃酮類化合物（高良姜素、楊梅素、根皮素）可誘導喉癌細胞系的RARβ、RASSF1A、HIA-1等基因高甲基化并阻止其去甲基化。白倩等［8］通過MSP和RT-PCR法檢測發現二氫楊梅素可抑制甲基轉移酶從而誘導人的乳腺癌MCF-7細胞第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因（Phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10，PTEN）的去甲基化，同時Zheng等［9］證實姜黃素也能上調PTEN的MiR-29b和下調DNMT3b介導其DNA甲基化，Chang等［10］的研究發現黃連素能降低高脂日糧大鼠MTTP基因啟動子的甲基化程度。另有研究報道，不同劑量的大豆異黃酮皆可顯著下調大鼠Aldh1l1基因啟動子區甲基化水平，而高劑量的大豆異黃酮則上調Extl1和WAP基因啟動子甲基化水平［11］，新疆雪蓮總黃酮可使因高甲基化無法表達的基因正常表達并抑制DNA甲基化酶活性［12］。此外，較早研究還發現以黃酮類物質為主要成分的蜂膠乙醇提取物（EEP）能提高小鼠心肌DNA甲基化水平，染料木黃酮（Genistein）可引起異常沉默的腫瘤抑制基因再次表達，茶多酚具有提高老年小鼠肝臟甲基化酶活性的作用。

多酚和黃酮類化合物在影響甲基化過程中通常是和飲食中的多種活性成分相互協同起作用，而單一成分對甲基化影響并不明顯，其對DNA甲基化的可能作用機制有以下幾點：（1）通過與甲基轉移酶（DNMT1）催化位點作用抑制其活性從而影響DNA甲基化狀態；（2）通過改變能量代謝間接改變相關基因的甲基化水平［13］；（3）將S-腺苷甲硫氨酸（SAM）轉變為S-腺苷高半胱氨酸（SAH）從而達到抑制DNMT的作用［14］。

2.2 維生素對DNA甲基化的影響

維生素是人和動物生長發育過程中所必需的營養素，生物體不能自身合成，必須從食物中獲得。維生素分為脂溶性（維生素A、D、E和K）和水溶性（B族維生素，維生素C）兩類，若長期缺乏某種維生素將引起嚴重的生理功能障礙。維生素作為人和動物維持正常生理功能的一種有機成分，對DNA甲基化有非常重要的影響。其中葉酸、維生素B12、維生素B6、維生素B2是最主要的影響物質，它們通過一碳單位代謝參與調節DNA甲基化（圖1）。葉酸是一種水溶性B族維生素，由小腸吸收轉化為四氫葉酸（THF）再經一系列輔助因子參與調節后不可逆的變為5-甲基四氫葉酸，此過程中的甲基最終傳遞給SAM為DNA甲基化提供了甲基供體；其次維生素B12作為一種重要輔助因子參與了同型半胱氨酸（Hcy）轉化為甲硫氨酸和5-甲基四氫葉酸轉化為四氫葉酸的過程；而維生素B6則參與Hcy轉化為半胱氨酸，THF轉化為亞甲基四氫葉酸的過程［15］；維生素B2作為多種輔酶的前體物質影響葉酸和維生素B12的代謝。作為甲基的重要來源物質，它們中的任何一種缺乏或過剩都會影響DNA甲基化水平。此外，維生素C也可阻止甲醛介導的支氣管上皮細胞系DNA氧化和甲基化，并支持了DNA氧化可誘導其甲基化假說［16］，同時膽堿也是一種可改變DNA甲基化水平引起人的神經系統發育的物質。

圖1 維生素的一碳單位代謝與DNA甲基化

大量實驗證明了以上物質在DNA甲基化中的重要作用，Duthie等［17］通過小鼠試驗發現葉酸缺乏可致小鼠肝臟和結腸中的SAM/SAH下降進而引起DNA低甲基化，Kotsopoulos等［18］的研究指出斷奶后飼料中葉酸缺乏將導致大鼠肝臟中甲基化水平上升而這種狀態將維持到成年直至飼料中的葉酸增加；長時間缺乏維生素B12可能誘導食管鱗狀細胞癌和賁門腺癌和DNA低甲基化［19］，還有報道表明圍孕期飲食中的B族維生素含量可能改變其后代的胰島素樣生長因子（IGF-2）基因 DNA 甲基化模式［20］。因此，適當的補充這幾種維生素將維持體內DNA甲基化的穩定，減少患癌幾率，促進嬰幼兒神經發育。2.3 n-3多不飽和脂肪酸對甲基化的影響

n-3多不飽和脂肪酸（n-3 PUFAs）又名ω-3多不飽和脂肪酸，是一類含有兩個以上雙鍵的不飽和脂肪酸。常見的多不飽和脂肪酸有：α-亞麻酸、二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）和二十二碳五烯酸（DPA），主要存在于堅果和深海魚類中，能夠促進嬰幼兒腦部和神經系統的發育，降低心血管疾病發病率，抑制血栓形成，降血壓，保護視力［21］。國內外近期研究表明，n-3多不飽和脂肪酸也參與調控DNA甲基化，對阿拉斯加Yup’ik地區的185位n-3 PUFAs攝入最多和最少的當地土著人的470 000個DNA甲基化位點做出評估顯示，與生物學有關的27個不同甲基化CpG位點有表觀遺傳學上的極顯著差異（P＜1×10-7）［22］；申文雯等［23］對3組分別喂養n-6 PUFAs、n-3 PUFAs和正常脂飼料的小鼠脂肪組織基因組DNA總甲基化和甲基轉移酶活性進行了測定，結果表明n-3 PUFAs組的總甲基化程度明顯低于n-6 PUFAs組，但n-3 PUFAs組甲基轉移酶的表達無變化，可見n-3 PUFAs并不作用于甲基轉移酶改變DNA甲基化狀態。目前關于n-3多不飽和脂肪酸影響DNA甲基化的作用機制還未明確，仍需做進一步研究。

2.4 其他物質對DNA甲基化的影響

除以上幾類功能成分影響DNA甲基化外，仍有許多物質可改變DNA甲基化水平，報道指出很多精神活性作用的生物堿的濫用也可干擾DNA甲基化狀態。例如，可卡因的過量攝入可以使母體內的小鼠PKCε基因啟動子鄰近區域激活蛋白-1（AP-1）結合位點甲基化程度上升從而抑制了PKCε的轉錄和表達。酒精也能間接引起DNA甲基化異常，其作用機制主要是通過影響營養物質和維生素的代謝導致甲基供體和SAM合成被抑制。甲基苯丙胺也能通過改變DNA甲基化水平抑制其轉錄［24］。嗎啡可通過抑制興奮性氨基酸3型轉運體介導的半胱氨酸攝入量減少因氧化還原引起的人的神經元SH-SY5Y細胞全基因甲基化［25］，這些精神活性物質大多通過增加或降低甲基化程度進而抑制DNA轉錄過程。

黃芪多糖可使人胚肺二倍體成纖維細胞（HDF）的P16基因外顯子Ⅰ限制性內切酶SmaⅠ位點的甲基化水平隨著年齡增加而減少，通過改變SA-β-gal活性延緩細胞衰老［26］；樹舌多糖（GF）有防止小鼠HepA瘤基因組低甲基化的作用［27］。植物性的異硫氰酸酯多存在于十字花科蔬菜中，如花椰菜，辣根等。目前的研究已經證實異硫氰酸酯類化合物具有抗癌，抗腫瘤等功效［28-30］，馬旭東等［31］的研究表明異硫氰酸苯己酯能將P15基因高甲基化的Molt-4細胞去甲基化，使該基因重新表達，Crescenti等［32］研究發現富含多種脂肪酸和維生素E的可可提取物能夠降低人的外周血白細胞DNA甲基化程度，并抑制甲級轉移酶的表達。

3 無機功能成分對DNA甲基化的影響

無機功能成分在影響DNA甲基化方面的作用也不容忽視。目前的研究現狀顯示對DNA甲基化有影響的無機功能成分主要有硒、鋅等微量元素。蔣智慧［33］發現低硒日糧組雞的肌肉、肝臟、腦、免疫組織中的DNA總甲基化水平低于對照組，甲基轉移酶DNMT1，DNMT3a，DNMT3b的mRNA表達水平也有降低趨勢，硒的缺乏也可導致結腸癌細胞DNA的低甲基化［34］；郭欣欣等［35］用不同劑量的鋅物質對不同時期的果蠅進行干預發現：鋅對提高果蠅DNA甲基化多態性有一定幫助。此外，鋅還能導致鼠肝臟基因組DNA的低甲基化［36］。

硒和鋅主要通過一碳循環中酶的輔助因子或作為必要物質發揮作用進而影響DNA甲基化，硒還可改變DNMT1的活性使甲基基團失效影響已甲基化的DNA分子的復制過程［37］，鋅參與合成甲硫氨酸［38］，而甲硫氨酸是SAM的重要原料，因此鋅的缺乏也將引起DNA正常甲基化受阻。

4 小結

食物功能性成分不僅為機體提供能量和多種營養物質，同時通過改變和修飾染色質的結構調節基因的表達，使得機體表型發生變化。研究結果表明從食物中獲得的各種功能活性成分通過相互影響或協同作用對動物基因組DNA 甲基化產生影響，它們作用于甲基轉移酶、一碳單位代謝和某些尚未明確的分子機制。功能性成分因其對調節人體各種機能的重要作用而越來越被大家重視，我國對功能性食品的研究投入逐年增加但批準程序卻更加嚴格，作為一類藥食同源的物質研究其在體內的表觀遺傳作用機制顯得越加重要，DNA甲基化的研究熱點目前仍集中在醫學上，對于食品方面的研究還有大量空白區域，從表觀遺傳學的角度探討功能性成分的分子營養學機制可為進一步研究開發在預防和改善高血脂、高血糖等現代文明病，保障機體健康方面的功能性食品方面提供理論依據，通過食物功能性成分調控表觀遺傳，將成為一個重要的研究領域。

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（責任編輯狄艷紅）

Research Advance on the Effect of Food Functional Components on Animal Genomic DNA Methylation

ZHAO Jing LI Nan WU Ru YANG Zhan-wei HU Wen-bing WANG Wen-jun
（Key Lab for Agricultural Products Processing and Quality Control，Jiangxi Agricultural University，Nanchang 330045）

DNA methylation is one of the major epigenetic modifications in eukaryotic genomes， which can be influenced by certain food functional components， such as polyphenols， flavonoids， vitamin， n-3 polyunsaturated fatty acid etc. The effects of food functional components on DNA methylation are two-fold， either modulating the methyltransferase’s activity， and/or changing the number of methyl groups. Based upon the recent progress on the ongoing research， this paper expounds the effects and the possible mechanisms of a variety of functional components， i. e. ， polyphenols， flavonoids， vitamin（folic acid， VB12， VB 6）， n-3 polyunsaturated fatty acid etc. ， on the DNA methylation， which is expected to provide new ideas on exploring the molecular mechanisms of food functional components on DNA methylation modifications.

DNA methylation；food functional components；research advance；polyphenols； flavonoids； vitamin， n-3 polyunsaturated fatty acid

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.01.004

2015-04-06

國家自然科學基金資助項目（31160319），江西省自然科學基金項目（20151BAB204037），江西省高等學校科技落地計劃資助項目（KJLD13027），江西省教育廳科技計劃資助項目（GJJ13281），江西省研究生創新項目（YC2014-S188）

趙靜，女，碩士研究生，研究方向：分子營養學；E-mail：401272236@qq.com

王文君，男，博士，教授，研究方向：食品化學與分子營養學；E-mail：wwjun9999@sina.com