从基因中找病因 个性化营养方案真的可行吗
时间:2016-11-08
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关键词: 病因 基因 营养
营养基因组学
营养基因组学又称营养遗传学,是研究食品补充剂、健康食品和生活方式对基因表达的作用的科学。它以分子生物学技术为基础,应用DNA芯片、蛋白质组学等技术来阐明营养素与基因间的相互作用,探讨营养成分和基因表达以及健康之间的系统关系。简单地说,营养基因组学是使用营养修改遗传潜力。
 
比如,现实中,一个素食主义瑜伽教练或可患乳腺癌,结合营养基因组学,她健康的生活方式并未阻止其患乳腺癌,但是这仍然对其身体产生积极的影响。或许,其健康的生活方式可减轻这种疾病的严重程度,她承受治疗的能力可能更高;她有能力完成治疗,并继续健康活着的可能性显著增加。
 
就营养基因组学而言,讨论的范围是预先确定的,但是幅度可能会更大。身高就是一个典型的例子,因为这是一个有目共睹的遗传表达。例如,人类的身高60-80%变化取决于遗传因素,而20-40%受到环境的影响。个子高的父母,其孩子的身高也相对较高,矮个子则同理,但是环境因素如后天的营养也可能发挥重要的作用。补充特定的营养素或可显著影响最终的结果。就身高而言,儿童期注意补充高蛋白或可改变最终的身高,有助于其遗传潜力曲线的进一步提高。
 
笔者之前看到一则新闻,一位矮丑的父亲有了一个高帅儿子,眼看儿子越高越帅,父亲开始怀疑儿子不是自己亲生的。经过一番心理斗争之后,这位父亲拿着儿子嚼过的口香糖去做了亲子鉴定,结果证明儿子是其亲生的。这则新闻告诉我们,第一,环境和营养对孩子的成长是很重要的;第二,就算先天条件一般,后天的努力也是可以让一个人逆袭成功的。
 
营养基因涉及基因的控制,影响着基因的开合。通过环境因素如温度、暴露于辐射环境以及膳食等可触发基因的开合。我们在基因上进展缓慢的一个重要的原因是对基因变化的误解。与通常认为的不同,人类继承的基因是不断变化的,而不是一成不变的,DNA核苷酸的替代和消除在不断的进行。尽管人们的基因主要依靠继承,但仅有2%的疾病是由于某一基因突变引发的,人们继承下来的基因并不一定能够决定人们的命运,甚至遗传获得的基因突变如早衰、Huntington疾病等,也可通过营养而治愈。
 
了解基因组
人类基因组计划不仅发现人类的基因总数比科学家估计的要少,还发现基因的杂合率比科学家估计的更加复杂。而且DNA是一种惰性构建块,其中的基因信息只能通过RNA在蛋白质中得到表达。
 
此外,DNA非常敏感,很容易受到外界环境的影响,如其中胞嘧啶(C)容易被胸腺嘧啶(T)替代,而这会直接导致单核苷酸的多态性(SNPs)的形成。人类DNA中有将近340万个SNPs,尽管不是每个SNPs都携带致病基因,但是特定的染色体携带有特定的致病基因和营养缺陷基因。比如,患有1型糖尿病的儿童就有明显的基因缺陷,但是,并不是所有携带该基因缺陷的儿童都会患病,这就和环境对缺陷基因的触发有关。科学家已经证明苯丙酮尿症(PKU)、糖尿病和代谢综合症的发病与SNPs脱不了干系。
 
此外,化学药品也会导致基因突变,如乙酰化作用、甲基化和磷酸化等。这一过程往往发生在胞嘧啶和鸟嘌呤中,会导致和染色质的改变,进而影响基因的活性和基因的转录。更严重的是,这种化学变化会在人的生命中持续相当长的一段时间,并且可能会遗传给下一代。
 
个性化营养
每个人都拥有25000个基因,基因都是相同的,但人们可通过使用天然成分全面的改善基因的表达。这些小型天然分子可对所有的基因发挥作用,而不像人造药物只能针对某些特定基因。
 
目前针对个性化营养的谈论越来越多,有些声称可针对基因组成进行治疗。当前已经针对明确的疾病条件检测了超过1700个单一基因突变。但是,这些基因突变未来一定为引起致病性疾病么?不一定。通过营养药物克服基因突变的事例有很多。事实上,单一的基因突变的确很影响众多的人类细胞,而通过广泛的营养强化和增补剂摄入则能够获得广泛的益处。
 
例如,所有的人类都有有氧化酶氧化基因突变缺陷,从而阻断了人体维生素C的合成。植物自身能够合成维生素C,而人类不能合成,这也是为何人类必须从膳食中获得足够的维生素C的重要原因。而东亚人群则具有另一项基因缺陷影响了结合珠蛋白酶的产生。这是一种铁粘合蛋白,有助于人体保持足够的维生素C。由于这一缺陷,东亚人群需要摄入更多的维生素C。
 
全球有数百万人不能正常的代谢叶酸,叶酸的缺乏会引发婴幼儿畸形和其他健康问题。不能正常代谢叶酸的问题是由于丙氨酸定氨酸硫醚-beta-酶(CBS)和亚甲基四氢叶酸还原酶的基因突变产生的。辐射和毒性物质都会引发这一突变,而长时间的、轻微的营养不足也会引发这一突变。通过叶酸增补剂可克服这一遗传问题,但推荐的膳食摄入可能不能解决叶酸代谢的先天缺陷。
 
很多肥胖的朋友可能会抱怨,有些人明明平时既吃甜食又吃肉,却总是百吃不胖,而自己却是喝凉水都长肉。其实大可不必如此,因为研究发现,这和基因有关。据估大约有500个SNPs直接或间接影响着人的体重,而与体重可变性状相关的基因中,有25%—70%的基因还会影响人体的代谢、转录因子、信号分子、接收器、脂肪的形成和消耗。
 
易胖体质的人群通常携带控制食欲的基因(CNR1、NPY、POMC、MC4R等)、胰岛素信号基因(ISR-2、INSIG2、GIPR)以及炎症基因(ADIPOQ、IL-6、RESISTIN等)。但是,减肥研究对比携带肥胖基因人群和不携带肥胖基因人群的热量限制反应时,却出现了前后矛盾的情况。其中一个原因可能是肥胖是由多基因和多因素控制的。美国国立卫生研究院(NIH)进行了一项大型研究,用以探究基因对肥胖在行为学和生物学方面的影响。研究者最后发现,肥胖者的MTIF3 基因上有一个特定的等位基因,该基因可通过加强生活方式的干预,如饮食控制和身体锻炼来实现减肥过程,而那些携带FTO变异基因的肥胖人群在接受外科肥胖手术之后,减肥更容易成功。
 
在一些动物实验和临床研究中,科学家分析了饮食在延缓衰老方面的作用。没有营养不良的热量限制是目前唯一得到肯定的、可通过miRNA的交互水平来影响衰老进程的环境因素,这些miRNA还和癌症、神经变性、心血管疾病和炎症有关,这些都是影响衰老进程的关键因素。另有研究在幼年鼠和成年鼠体内发现了48个与衰老相关的miRNA,这进一步确定了miRNA的作用。最近一项有关病态肥胖症的研究发现,饮食限制减肥和胃绕道减肥手术对循环miRNA的影响不同。
 
还有研究发现,减少热量的摄入可影响C线虫、S啤酒酵母菌和老鼠的寿命,较少氨基酸蛋氨酸的摄入则有助于缓解氧化性损伤,还可通过IIS-胰岛素长寿管理因子和IGF-pathway生长因子来延缓衰老。这些结果表明蛋白质不仅可以维持体重和代谢功能,还可以作为生命物质合成途径中的媒介。
 
衰老受到多种基因影响,但仍有一个具于主导地位的基因控制着衰老过程。这一个基因能够控制其他基因或者作为整个基因通道或基因网络的标记物。此前,研究人员曾认为识别出了抗衰老的单一基因Sirtuin1,并将之称之为生存基因,但后期的研究证明Sirtuin1并不是主导基因。
 
最近,生物学家已经开始研究另一个相关的基因Sirtuin3。生物学家发现Sirtuin3具有重要作用,有助于衰老的血液干细胞应对衰老过程的氧化应激。在实验中当老鼠血液干细胞灌输Sirtuin3时,将再生形成新的血液细胞,呈现细胞功能性衰老退化的逆转现象。这是首次证实Sirtuin3在与衰老相关的机理退化方面的真实逆转。之前生物学家知道身体衰老是可以调控的,因此他们能够操纵分子路径,并减缓衰老进程。但从未通过实验证实逆转衰老现象,这的确是一个重大的科学进步。
 
Fok1是维生素D接收器的变异基因,这种基因和哮喘病相关,而且会增加结肠直肠癌风险。如果携带该变异基因的人群对钙的摄入量不足,同时又摄入大量的高脂肪食物,则会让结肠直肠癌风险加倍。绿茶中含有没食子酸(EGCG),该成分可以通过减少磷脂酰肌糖3-kinase-NF-kB来降低乳腺癌风险。地中海饮食被证明可以降低乳腺癌风险,因为地中海饮食中含有一碳微量元素,可以通过增加变异的亚甲基四氢叶酸还原酶(MTHFR)和MTR基因数量来抵制乳腺癌细胞。
 
个性化营养市场
当前的功能食品市场由日推荐饮食量法规(RDAs)主导,旨在增加缺乏营养基因学知识的消费人群。而只有当食品/营养行业和科学技术有效结合的时候,才能形成真正的个性化营养。
 
美国匹兹堡大学进行的遗传学分析研究表明,处方药物不利于改变基因,往往会引发而不是避免疾病。研究人员表示,大量的常见疾病、行为或其他健康因素至少在一定程度上是由于后天因素造成的。这些疾病包括癌症、呼吸性疾病、心血管疾病、生殖疾病、以及自身免疫疾病、神经性疾病如帕金森症、阿尔茨海默症以及其他认知功能失调、精神疾病、肥胖和糖尿病、不育和性机能失调等。引发变化的外在因素有多种,例如重金属、杀虫剂、抽烟、多环芳香烃类化合物、激素、放射性物质、病毒、细菌、基础营养以及社会环境等。
 
在一项调查中,研究者征集了452名德国志愿者,研究了其对遗传风险预测的接受度,结果显示45%的志愿者表示其对基因检测很感兴趣并且希望得到营养建议,40%的消费者表示想要购买被推荐的功能食品。这些数据说明,消费者对个性化营养的接受度是很有潜力的。
 
为了分析个性化营养的机遇和挑战,欧洲Food4Me计划研究了9个欧洲国家消费者的行为,最后发现消费者愿意为各种不同的个性化营养服务出钱。该计划指出个性化营养建议的花费大约在40到400欧元之间。数据显示如果个性化营养在欧洲人群中的接受度为10%,那么个性化营养的市场价值将为60到180亿欧元。
 
个性化营养商业上的成功主要基于两个因素:技术的实用性和实实在在的基因测序;消费者可以负担的起的的特殊功能食品价格,味道纯正的食品。
 
基因测序技术中使用了多种表型分析,这对检测出家族遗传疾病来说非常重要,而且该技术不受不同饮食和接收器的影响。但是缺乏特定的营养成分会有不同的临床表面,这也算是一个难题。若要研究饮食介入的代谢效应或者发现相关生物标记,就需要将多种基因检测数据结合起来。
 
最近的研究发现,唾液可以作为方便的基因测序工具。当前很多网络公司都可以提供直接面向消费者的基因测序服务,并且提供营养建议。家用基因测序仍然面临着一些障碍。美国FDA认为基因测序属于医疗技术,因此该技术进入市场之前需要得到FDA审批。
 
早在21世纪初期,通用磨坊就率先推出了个性化营养项目,消费者可以通过自己的健康状况评估获得相应的饮食,如可以自行选择维生素、矿物质等营养成分的谷物早餐。但是很快人们就认为这项服务无法存活,因为配发过于多样化,物流过于复杂。
 
最近,雀巢也开发了一种个性化营养方案,其表示可以根据个人需求提供特定的补充剂产品。雀巢计划推出特殊的营养方案或者以指纹作为辨别信息的个人营养方案。其目标是推出营养恰如其分的定制食品和补充剂,而且可以用胶囊的形式来运载,就像奈斯派索咖啡一样。但是这种方案的成功与否还要看产品的效果以及价格。
 
基因测序
基因测序是一种新型基因检测技术,能够从血液或唾液中分析测定基因全序列,预测罹患多种疾病的可能性,个体的行为特征及行为合理,如癌症或白血病,运动天赋,酒量等。基因测序相关产品和技术已由实验室研究演变到临床使用,极有可能成为下一个改变世界的技术。
 
例如,如果一组基因测试显示一个人某个器官系统患有某种疾病的风险增加,那么特定的产品将被推荐给这个人,以促进其该器官组织的健康,而并未提及任何形式的疾病。虽然我们无法绝对化地防止疾病发作,但可采取一定的措施,以最大化预防措施的潜力,从而增加一个人的健康寿命。
 
据了解,目前一个人的平均寿命大约为70-80岁,而营养基因组学涵盖的健康寿命方方面面。而健康寿命则是一个人在其有生之年能保持健康的时间范畴。简而言之,健康寿命就是一个人积极的、富有成效的生活的时间,做自己想做的任何事情,无论是跳伞等极限运动还是一般的田间劳动或工作。因此,健康寿命因人而不同。
 
基因测序技术能锁定个人病变基因,提前预防和治疗。接受基因测序的人物中,最著名的莫过于好莱坞影星安吉丽娜朱莉和苹果前CEO乔布斯。前者通过基因检测,提前切除乳腺以降低乳腺癌风险。已经在2011年去世的乔布斯罹患癌症时,也接受过基因检测。
 
自上世纪90年代初,学界开始涉足“人类基因组计划”。而传统的测序方式是利用光学测序技术。用不同颜色的荧光标记四种不同的基因,然后用激光光源去捕捉荧光信号从而获得待测基因的序列信息。
 
虽然这种方法检测可靠,但是价格昂贵,一台仪器的价格大约在50万到75万美元,而检测一次的费用也高达5千到1万美元。
 
最新的基因测序仪中,芯片代替了传统激光镜头、荧光染色剂等,芯片就是测序仪。通过半导体感应器,仪器对DNA复制时产生的离子流实现直接检测。当试剂通过集成的流体通路进入芯片中,密布于芯片上的反应孔立即成为上百万个微反应体系。这种技术组合,使研究人员能够在短短2小时内获取基因信息。而使用传统的光学测序技术需等待数周乃至数月后才能得到结果。同时,检测一次的费用也降到了最低1千美元。
 
需要注意的是,基因测序相关产品和技术已由实验室研究演变到临床使用,目前在众多保健及医疗机构和体检中心,都打出基因测序的广告,但其使用的基因测序仪及相关诊断试剂和软件,很多没有经过医疗器械的注册审批。对此,国务院有关部门高度重视。2014年2月,中国国家食药监管总局、国家卫计委联合发出通知,要求在相关准入标准、管理规范出台以前,任何医疗机构不得开展基因测序临床应用;已经开展的,要立即停止。
 
结论
营养遗传学和营养基因组学研究已经证明,人体健康和基因组成息息相关,还有环境也起着不可忽视的作用。考虑到当前发达国家的医疗成本,基因测序和个性化营养干预在个人护理和专业医疗方面都具有很大的潜力。世界卫生组织估计美国的医疗成本已经达到了3873亿美元,占其GDP的17.9%。将来个性化营养方案也许可以缓解这一问题,但需要考虑的是该如何保护消费者的基因隐私。
 

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