食品組學在生物活性化合物營養功能特性研究中的應用

李媛媛，買夢奇，胡小松，張 燕*

（中國農業大學食品科學與營養工程學院，國家果蔬加工工程技術研究中心，北京 100083）

食品組學是一個新術語，它正成為運用各種組學分析技術和生物信息學方法系統全面分析食品的新技術[1-4]，其借助基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等組學技術研究食物和營養領域問題[5]。在過去幾十年中，許多流行病學、臨床和實驗研究了食品生物活性化合物的健康效應及其與疾病的關系，主要集中在有限的分子標記物。然而，真正突破基于組學技術（包括轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學）的非靶向方法，即食品組學方法，可以分析食物營養功能和食品化合物生物活性之間的相關性，并能夠發現與這種營養功能實現相關的新生物標志物[6]。食品組學技術及生物信息學工具能夠應用于研究復雜的生物系統，其可以用于了解個人對某種疾病的遺傳傾向、內源性代謝組學的信息以及生物活性化合物在食物中的作用機制，有助于提供大量有價值的數據，并可以將這些數據轉化為更個性化的飲食建議，綜合使用這些技術所獲得的數據將是解釋膳食營養與健康之間關聯的基礎，并且更好地預防疾病[7-11]。

本文的主要目的是從轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學技術原理出發，討論食品組學技術領域最新的組學方法在食品生物活性化合物膳食營養功能實現及主要生物標志物鑒定中的應用，重點綜述了食品組學在生物活性化合物研究中的分子機制，并對食品組學技術在生物活性化合物營養功能實現研究中的應用進行了展望，以期更好地利用其研究生物活性化合物對健康的作用。

1 食品組學的簡介

圖 1 食品組學分析過程[3]Fig. 1 Foodomics analytical process[3]

食品組學是通過應用和整合先進組學技術來改善消費者福祉、健康，研究食物和營養領域問題的新技術（圖1）[3]。其專注解決食品安全問題，提高食品質量和食物可追溯性[2]，并在分子水平上了解食品中生物活性物質的膳食營養功能[12-13]。現有研究主要利用食品組學技術揭示實現生物活性化合物的營養功能所涉及的機制，由此可見，從天然來源（如植物、藻類、食品副產品等）中提取生物活性物質是食品組學研究工作的關鍵步驟。

如前文所述，食品組學研究基于使用如轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等組學研究平臺，以提供包括基因、蛋白質和代謝物3 種表達水平在內的整體信息，以期闡明食物對健康的影響。因此，本文從轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學技術原理出發，討論其在生物活性化合物膳食營養功能實現及主要生物標志物鑒定中的應用，以期更好地理解食品組學在生物活性化合物膳食營養功能中的作用。

2 食品組學在食品生物活性化合物健康作用研究中的應用

2.1 轉錄組學在食品生物活性化合物健康作用研究中的應用

轉錄組學技術已被廣泛應用于食品科學與營養領域，如闡明食物在貯藏和加工過程中涉及的分子機制，探討食品中某些毒素的生產機制，鑒定病原微生物生物膜形成的基因等方面。此外，其也被應用于研究食品生物活性化合物的健康效應，探究生物活性化合物與實現膳食營養功能有關的基因。隨著微流體學和微型化技術的發展，目前已經開發了諸如表達譜芯片和核糖核酸轉錄組測序技術（ribonucleic acid-sequencing，RNA-Seq），其可獲得任何轉錄組的完整表征，這有利于快速有效地分析數千個轉錄序列[14-15]。

Maciel-Dominguez等[16]使用安捷倫miRNA微陣列和Illumina公司Ref-8 V3表達微芯片陣列（大于24 000 個轉錄物）研究硒（Se）在Caco-2人結腸腺癌細胞中的作用。這一研究揭示了miRNA和mRNA的表達差異，并表明miR-185調節硒磷酸合成酶2（selenophosphate synthase 2，SEPHS2）表達，參與硒蛋白合成。Ulven等[17]使用基因表達微陣列對n-3脂肪酸在外周血單核細胞（peripheral blood mononuclear cells，PBMC）中的干預性進行研究，結果表明補充n-3脂肪酸后可以抑制動脈粥樣硬化斑塊形成，調節炎癥過程、氧化應激反應、細胞周期、細胞黏附和凋亡。de Wit等[18]使用不同基因表達平臺組合的方式研究黃、白洋蔥提取物在消化過程中的作用。體外消化實驗在Caco-2人結腸腺癌細胞中進行，基因表達分析使用Affymetrix人類基因1.1 ST（大于28 000 個轉錄物），間接體外實驗選用大鼠腸切片，基因表達分析使用Affymetrix鼠基因1.1 ST Array（大于27 000 個轉錄物）進行。最后，選用豬的小腸段驗證間接體外實驗，基因表達分析使用8h60 K安捷倫豬G2519F（大于43 000探針）進行。在此研究中，3 種腸道模型使用共享9 140 個基因，研究發現，在Caco-2細胞和大鼠腸切片中，白色和黃色的洋蔥提取物誘導15 個基因的表達，采用體外和間接體外模型聯合使用確定營養成分的作用模式，減少了在傳統的營養干預研究中使用的動物數量。McLoughlin等[19]利用人類基因組U95Av2 GeneChip（大于12 000 個轉錄物）研究沒食子兒茶素-3-沒食子酸酯（epigallocatechin-3-gallate，EGCG）對HT-29結腸癌細胞的影響。結果表明EGCG可以抑制聚球體的形成，誘導與腫瘤發生過程相關基因的表達，如增殖、分化、信號轉導、細胞黏附和代謝過程。Takahashi等[20]利用人類基因組U133A數組（大于14 500 個轉錄物）研究了金雀異黃素對前列腺癌細胞的影響，發現金雀異黃素改變了多個基因的表達、參與了細胞循環調節、DNA損傷、壓力反應途徑和多個雄激素受體-應答基因。最近，Wood等[21]利用轉錄組學技術研究熱量限制或是硫辛酸的補充對基因表達的影響。大約收集3 600萬 個遺傳密碼，每個樣本中平均2 300萬 個遺傳密碼被映射到老鼠參照基因組，差異篩選分析后，在衰老過程中，當老鼠受到能量限制時，預防基因的表達會發生變化，當熱量限制和硫辛酸的補充同時進行，神經保護基因會發生過量表達。

近年來，全球和糖尿病的比例逐年升高，一些植物活性化合物可以通過調節不同細胞和生理途徑起到有益于健康的作用，利用轉錄組學技術揭示生物活性化合物的抗糖尿病作用所涉及的機制值得關注。Kajimoto等[22]的研究表明大蒜、苦瓜和番紅花的提取物具有保護2型糖尿病動物模型中β細胞的作用。胰島β細胞具有較差的抗氧化能力，因此易受氧化應激的影響。Vinayagam等[23]研究發現植物化學物質（多酚和類黃酮）可以通過防止由各種刺激引起的氧化損傷來保護β細胞，這可能與其抑制產生活性氧的酶的表達有關。胰島素促使骨骼肌和脂肪細胞攝取葡萄糖，有利于能量儲存，抑制肝臟產生葡萄糖。激素如脂聯素和胰高血糖素樣肽1（glucagon-like peptide 1，GLP-1）的含量與機體對胰島素的敏感性有關。Liu等[24]研究發現2型糖尿病患者每天服用500 mg綠茶提取物，每日3 次，持續16 周，與安慰劑對照組相比其血液中GLP-1水平更高，胰島素敏感性更高。此外，有研究發現肉桂、胡蘆巴、苦瓜和人參的提取物對糖尿病小鼠中的胰島素信號傳導具有劑量依賴性作用[25]，但這些提取物和植物化學物質的作用機制需要進一步的探究。

2.2 蛋白質組學在食品生物活性化合物健康作用研究中的應用

蛋白質的自身結構具有多樣性，其對環境刺激（如營養）的反應不斷變化，使蛋白質相關研究成為一項復雜的任務。近年來，隨著儀器分析技術的發展和完善，加上基因組測序的進步，推動了蛋白質組學的發展。蛋白質組學因其強大的功能現今可應用于食品科學和營養領域，它可以應用于監測加工后的食物變化，蛋白質和肽的生物活性研究和食物基質中致敏蛋白的鑒定和定量等方面。蛋白質組學也被應用于研究食品中生物活性化合物的健康效應[26]，但目前現有研究較少。

Kervezee等[27]利用二維凝膠電泳（two dimensional gel electrophoresis，2-DE）結合基質輔助激光解吸/電離（matrix-assisted laser desorption/ionization，MALDI）-飛行時間（time-of-flight，TOF）質譜（mass spectrum，MS）的方法研究亞麻籽補充對PBMC蛋白質組變異的影響。結果表明，補充亞麻籽后PBMC中有16 種蛋白質發生改變，其中一些是與動脈粥樣硬化相關的蛋白質，這些蛋白質變化主要歸因于亞麻籽中木脂素的代謝產物腸內酯的作用。Yap等[28]研究了虎牛奶蘑菇（Lignosus rhinocerotis）對人乳腺癌細胞增殖的影響，基于聚丙烯酰胺凝膠電泳分離技術與液相色譜（liquid chromatography，LC）-電噴霧靜電場-四極桿飛行時間質譜聯用系統發現虎牛奶蘑菇中F5蛋白是其產生抗人乳腺癌細胞增殖活性的關鍵蛋白。此外，不同的標記方法也結合了許多分離技術應用于蛋白質組學研究中。例如，18O同位素標記與二維納升LC-電噴霧靜電場軌道阱組合式高分辨質譜聯用檢測在大鼠心肌梗死模型中基于植物飲食中的活性成分對心肌損傷的影響[29]，結果表明，在植物性飲食中發現部分植物化合物的細胞壁多糖中的特定單糖可作為減少冠心病的活性成分。Valdés等[30]利用LC-電噴霧靜電場軌道阱組合式高分辨質譜聯用來研究迷迭香提取物處理后異種移植腫瘤生長情況。結果表明，富含多酚的迷迭香提取物的每日攝入減少了體內結腸、直腸癌的發病風險，這與74 個蛋白質的調節、RNA轉錄后修飾、蛋白質合成和氨基酸代謝功能有關。Kheterpal等[31]在細胞水平上基于iTRAQ標記和LC-MS聯合使用的方法研究艾蒿提取物對胰島素的抵抗作用，結果表明在胰島素抵抗狀態下，艾蒿提取物增加蛋白質中特異性氨基酸的磷酸化水平，從而提高胰島素敏感性，實現其營養功能。

如上所述，利用蛋白質組學的強大的功能，可以掌握植物生物活性化合物可能調控關鍵蛋白的磷酸化水平進而實現其營養功能和生物活性。此外，隨著研究的深入，蛋白質組學為解釋靶向信號通路和分子水平上所涉及的功能機制提供了充分的可能性。

2.3 代謝組學在食品生物活性化合物健康作用研究中的應用

代謝組學的目的是鑒定和定量生態系統中所有的小分子（小于1 500 Da）。然而，由于代謝產物的化學多樣性和廣泛的濃度動態范圍使得單一方法不可能分析所有的代謝產物。代謝輪廓分析和代謝指紋圖譜是現今應用于非靶向代謝組學研究中最基本的方法。代謝輪廓分析是在限定條件下對生物體特定組織內代謝產物的快速定性和半定量分析，重點研究一組相關代謝產物（如多酚、類黃酮、類胡蘿卜素等）或特定的代謝途徑；代謝指紋圖譜可同時對多個代謝物進行分析，不分類鑒定具體單一組分，可以對樣品進行快速分類，如表型鑒定，其比較適用于研究細胞環境變化對應的代謝產物變化模式，如研究生物活性化合物處理后的細胞變化機制[14]。

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）和MS，是生物活性化合物在代謝輪廓分析和代謝指紋圖譜分析中常用的分析技術，通常情況下這兩種分析技術和不同的分離技術結合使用，如LC-NMR、氣相色譜（gas chromatography，GC）-MS、LC-MS等，這些技術的聯合使用可以補充分析信息，提高代謝組學應用的廣度和精度。

2.3.1 核磁共振技術在食品生物活性化合物健康作用研究中的應用

NMR靈敏度較低，但因其廣泛的覆蓋范圍、簡單的樣品制備以及良好的重現性和穩定性，已普遍應用于食品中生物活性化合物的鑒定和表征、生物標志物研究以及評估這些化合物在不同疾病中的作用。

多酚化合物具有很大的結構變異性，Forino等[32]使用NMR來鑒定和表征枸杞漿果的結構，除已知的化合物如咖啡酸、香草酸、蘆丁外，發現N-阿魏酰酪胺二聚體是枸杞漿果中含量最豐富的多酚。

Canela等[4]利用非靶向的1H NMR方法研究多酚攝入對57 名心血管疾病志愿者的飲食干預作用，通過多變量正交信號校正偏最小二乘判別分析模型評估和驗證了個體情況以及心血管疾病群體與健康群體之間的差異。通過代謝組學分析57 名志愿者的尿樣結果表明，與心血管疾病患者相比，一種來源于腸道微生物的代謝物——4-羥基苯基乙酸酯在健康人體中含量更高。Beltrán-Debón等[33]通過1H NMR方法研究了牙買加花木槿中多酚的生物活性，關注攝取木槿植物提取物多酚后男性志愿者尿液中的代謝組學變化。結果表明攝入的多酚在能量穩態代謝途徑、線粒體功能和心血管系統的保護中起著重要作用。Madrid-Gambin等[34]使用非靶向的1H NMR方法評價咖啡中的主要多酚化合物綠原酸在急性攝入和連續攝入情況下對人體尿代謝的影響。幾種內源性代謝物，如琥珀酸、檸檬酸和異丁酸在急性攝入情況下含量顯著增加，表明綠原酸在能量代謝中具有一定的作用。此外，通過利用1H NMR代謝組學技術，該研究得出葫蘆巴堿和2-福爾馬林可以作為持續攝入咖啡人群尿液中的兩種潛在生物標志物。

2.3.2 質譜技術在食品生物活性化合物健康作用研究中的應用

MS由于高靈敏度和分辨率已成為代謝組學分析中使用最廣泛的方法，它通常與分離技術結合，不僅增加了數據識別的第三維度，而且降低了復雜混合物分析中的矩陣效應。

GC-MS分析植物代謝物已被廣泛用于鑒定和表征薄荷、人參、肉桂、茶、覆盆子和蕁麻等食品中的生物活性物質。Gunawardena等[35]基于細胞水平，使用GC-MS研究肉桂的在巨噬細胞中的抗炎活性。通過測定細胞中一氧化氮和腫瘤壞死因子-α的水平來表征肉桂抗炎活性的變化趨勢。GC圖譜鑒定出肉桂中最豐富的化合物是E-肉桂醛和o-甲氧基肉桂醛，這兩種化合物具有一定的抗炎作用，因此提出這兩種生物活性化合物在今后可以嘗試應用于臨床研究中，起到治療炎癥性疾病的作用。此外，GC-MS經常可用于分析血液中代謝物的變化規律。Yang Dawei等[36]基于動物實驗水平通過GC-MS技術研究大鼠灌胃人參提取物后血液中代謝物的變化規律，探索其在治療慢性心力衰竭（chronic heart failure，CHF）中的作用，結果表明人參提取物可顯著改變例如脂肪酸生物合成、類固醇生物合成、半乳糖代謝和氨基酸代謝等代謝途徑，因此起到治療CHF的作用。Pan Pan等[37]通過甲基化后的GC-MS研究結腸癌患者攝入樹莓后血漿中的代謝變化。和對照組相比，攝入樹莓后40多種代謝產物含量發生顯著改變，其中代謝產物4-甲基兒茶酚的增加與細胞凋亡標記物的增加存在一定相關性，此外，多酚和氨基酸代謝也增加，這表明樹莓的攝入能夠影響能量相關代謝途徑的變化。

LC-MS主要分析對象為極性/非揮發性和不耐熱的化合物，在次級代謝物和復合脂質鑒定中表現出良好的作用。Llorach等[38]利用LC-MS鑒定攝入可可后與之相關的39 種代謝物，并分析出可可中生物活性化合物的代謝作用是肉堿代謝減少和酪氨酸硫酸化的主要原因，這為可可的攝入與心血管疾病之間的關系提出了新的假設。食品中的一些生物活性化合物可以調節脂質代謝，而且許多脂質，如n-3多不飽和脂肪酸在代謝調節過程中顯示出其生物活性。脂質代謝組學被認為是代謝組學的最大分支，旨在表征生物體中數千種不同的脂質。值得注意的是最近一些研究者使用LC-MS方法來評估微藻和大型藻類中脂質的質譜變化，以評估它們的生物活性。例如，da Costa等[39]使用親水保留色譜（hydrophilic interaction chromatography，HILIC）-MS對軟毛松藻和皺波角藻進行極性脂類質譜分析，鑒定出包括糖脂、鞘糖脂、肌醇磷酰胺、甘油磷脂和二酰基和單酰基甜菜堿等超過200 種脂質。

近年來，隨著腸道菌群研究的深入，利用代謝組學方法關注菌群與生物活性物質之間的相互作用、腸道菌群及其與宿主的相互作用已成為研究熱點。糞便樣本的代謝組學分析是了解食物中生物活性物質與腸道菌群在健康和疾病狀態之間關系的關鍵。因此，為表征這些相互作用，尋找微生物群的生物標記物是必不可少的。Jiménez-Girón等[40]開發了一種超高效液相色譜（ultra performance liquid chromatography，UPLC）-MS方法，用代謝組學指紋圖譜鑒別紅酒攝入4 周后健康志愿者糞便中出現的生物標志物。該研究克服了個體樣本中糞便代謝物的內部變異性，發現了37 種葡萄酒攝入后的生物標志物，其中一些葡萄酒代謝物（葡萄酒多酚中的腸道代謝物黃酮醇）可以與腸道菌群相互作用，實現其營養功能。

2.4 多組學聯用在食品生物活性化合物健康作用研究中的應用

圖 2 多組學技術聯合使用研究食物的生物活性[41]Fig. 2 Targets of different omic approaches used to study bioactivities of food ingredients[41]

如圖2所示，Pimentel等[41]從食物消化吸收代謝角度出發，綜述了人體不同組織器官及代謝產物中組學技術的應用，重點介紹了蛋白質組學在研究食物在胃腸道消化中的應用，轉錄組學在研究食物中活性成分在不同組織中表達的應用，代謝組學在研究尿液中食物活性成分代謝產物的應用；通過將轉錄組學和代謝組學結合，研究血液、糞便中生物活性化合物的變化，從而靶向針對各個部位闡述生物活性化合物的營養功能。然而，在實際研究中，為了實現食品組學在膳食營養和預防疾病等方面的應用，轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學的數據整合是至關重要的，同時，3 種組學技術的聯合應用也具有一定的挑戰性[42-44]。到目前為止，只有很少的研究將多組學技術聯合應用，因此本文著重介紹多組學聯用在食品生物活性化合物健康作用研究中的應用，以期更好地利用食品組學技術解釋膳食營養與健康之間的關聯。

Bakker等[45]選用含有魚油、綠茶提取物、白藜蘆醇、VE、VC和番茄提取物的混合物對超重帶有低級慢性炎癥的男性患者進行膳食營養干預。通過氣相色譜電子轟擊離子源質譜（gas chromatography-mass spectrometry with electron impact ionization，GC-EI-MS）法進行血漿和尿液代謝物的代謝組學研究，通過反相/高效液相色譜質譜（reversed phase/high performance liquid chromatography-mass spectrometry，RP/HPLC-MS）分析脂質和游離脂肪酸的代謝圖譜。將這些數據與使用基于微球的免疫多重測定獲得的蛋白質組學數據以及從PBMC和脂肪組織樣品（使用NuGO Affymetrix Human Genechip）獲得的轉錄組學數據進行整合后，使用Ingenuity Pathway Analysis軟件整合所有結果，得出所選擇的膳食產品影響人體的炎癥過程、氧化應激反應和代謝過程。Ibá?ez等[46]通過代謝組學、蛋白質組學和轉錄組學聯合研究了超臨界萃取富集的迷迭香提取物中的多酚對HT-29結腸癌細胞的抗增殖作用。在此研究中，作者首次討論了非靶向組學技術聯合使用在探究食品生物活性成分對健康的作用機制方面應用的巨大潛力。通過RP/UPLC-ESI-QTOF MS、HILIC/UPLC-ESI-QTOF MS和CE-ESI-TOF MS 3 種不同的分析平臺進行對照組和處理組HT-29細胞之間的比較代謝組學分析，使用Affymetrix人類基因1.1 ST微陣列獲得轉錄組學數據，采取2-DE與MALDI-TOF/TOF MS/MS組合方法獲得蛋白質組學結果。通過多種細胞檢測手段發現迷迭香提取物處理組誘導了HT-29細胞的凋亡和細胞周期停滯，依據不同組學技術的數據整合揭示了其誘導細胞凋亡、細胞周期停滯的機制。隨后，該課題團隊又進行了深入研究，設計了基于DML和nano-LC-Orbitrap MS/MS的互補蛋白質組學方法，研究了不同濃度迷迭香提取物和不同處理時間對HT-29結腸癌細胞的抗增殖作用的影響。這些結果與先前的轉錄組學數據相關，表明許多改變的蛋白質參與了蛋白質的解折疊反應和氧化應激反應[47]。Jia Huijuan等[48]使用3 種平臺（代謝組學、蛋白質組學、轉錄組學）的組合研究荷蘭芹膳食補充對葡聚糖硫酸鈉誘導的結腸炎小鼠的作用，此研究從結腸和肝組織中提取mRNA和蛋白質，并使用LC-MS/MS和iTRAQ標記（蛋白質）或雜交到Affymetrix小鼠基因組2.0陣列（大于30 000 個轉錄物）中進行分析。此外，使用CE-ESI-TOF MS和CE-ESI-QQQ MS進行肝臟樣本的代謝組學分析，并對血漿樣品進行CE-ESI-TOF MS分析。總之，細胞炎癥因子和癌癥標志物的下調以及脂肪酸合成基因的上調，表明荷蘭芹可作為抗腸炎性的新型營養保健食品。

一些其他文獻中也涉及食品生物活性化合物的組學相關研究，但僅使用兩種不同的組學平臺。Valdés等[49]基于代謝組學和轉錄組學的食品組學技術也進行了迷迭香提取物中主要的多酚化合物（鼠尾草酸和鼠尾草酚）的抗增殖作用的體外研究。在此研究中，使用HILIC/UPLC-TOF MS和CE-ESI-TOF MS進行代謝物分析，結果表明鼠尾草酸和鼠尾草酚的抗增殖活性與多胺代謝的改變相關。基于nano-LCeMS/MS Orbitrap的蛋白質組學研究表明一些轉錄物的表達揭示了鼠尾草酸和鼠尾草酚的作用機制之間的差異。隨后，Valdés等[50]進一步應用食品組學技術研究從迷迭香中提取的膳食多酚對兩種人白血病細胞株（一種顯示藥物敏感表型（K562），另一種顯示耐藥表型（K562/R））的抗增殖作用，宏轉錄組微陣列與基于MS的非靶向分析方法（CE-TOF MS和UPLC-TOF MS）分別被用于進行轉錄組學和代謝組學分析。使用IPA軟件，實現了轉錄組學和代謝組學平臺獲得的數據的整合。該研究鑒定了由迷迭香多酚調節的代謝途徑中的幾種差異表達基因，為這些化合物在代謝中的作用提供了更多的證據。

3 結 語

目前，膳食營養與健康的關系已成為研究熱點，隨著高通量技術的發展和應用，以及新的生物統計學方法的形成，正在為新的膳食模式分析開拓思路，借助食品組學技術實現精準營養分析已經成為研究熱點。現今，轉錄組學微陣列技術仍然存在一些局限性，例如應用時需要已知分析的轉錄組序列、高背景噪聲對測序結果的影響及有限的動態范圍等。此外，應致力于更高靈敏度和分辨率的質譜儀器的開發，這將為蛋白質組學和代謝組學的快速發展開辟新的時代；同時代謝組學數據庫仍需要完善和補充，以便更好地識別和檢測代謝物，拓寬代謝組學的應用范圍。食品組學技術的最新發展使研究者可以更好地了解食物被人體代謝的方式，如果想要在食品生物活性化合物對人類健康的影響方面取得進展，仍然需要將這些數據與人體消化、吸收及代謝生理反應結合起來，更好地進行數據整合可能是成功的關鍵。