學(xué)術(shù)報告廳
The regulation of fatty acids on gene expression and health implicated
蔣與剛 龐偉
（軍事醫學(xué)科學(xué)院衛生學(xué)環(huán)境醫學(xué)研究所，天津 300050）
摘要：隨著(zhù)在代謝途徑中重要調節蛋白基因編碼的研究，營(yíng)養素對基因表達的調控及相關(guān)機制已成為一個(gè)令人關(guān)注的研究領(lǐng)域。ω-6 和ω-3脂肪酸對轉錄的調控似部分受類(lèi)二十烷酸（eicosanoids）介導；而脂肪形成及糖酵解基因的抑制作用不依賴(lài)于類(lèi)二十烷酸的合成并可能存在受ω-6、ω-3 脂肪酸直接調控的核機制。基于“慢性病的胎兒根源”學(xué)說(shuō)，應提倡從膳食中攝取適量的PUFA，而且婦女從孕期即應優(yōu)先予以補充。本文綜述ω-6 和ω-3 脂肪酸調控基因表達的研究進(jìn)展，主要涉及脂肪形成、糖糖酵解、葡萄糖運載蛋白、炎癥反應、早期基因表達和血管細胞粘附分子等。
關(guān)鍵詞：基因表達；ω-6脂肪酸；ω-3脂肪酸；糖糖酵解；脂肪形成；炎癥反應
1 概述
個(gè)體或人群的健康狀況由其遺傳背景和多種環(huán)境因素間的交互作用決定。營(yíng)養即屬于一種重要的環(huán)境因素。許多人類(lèi)學(xué)、營(yíng)養學(xué)及遺傳學(xué)的研究表明，人類(lèi)總膳食(包括能量的攝入與消耗)在過(guò)去1萬(wàn)至1.5萬(wàn)年間有了變化，而在過(guò)去150年間的主要變化在于脂肪攝入的種類(lèi)與數量。膳食中ω-6和ω-3多不飽和脂肪酸(PUFA)為人類(lèi)及其他哺乳類(lèi)動(dòng)物的正常發(fā)育和健康所必需[1]。
現已證明，類(lèi)二十烷酸形成的變化不能說(shuō)明是ω-3脂肪酸全部的生物學(xué)作用。流行病學(xué)及實(shí)驗研究結果均提示，ω-6和ω-3脂肪酸的相對量能改變多種細胞功能與疾病狀態(tài)[1]。由于ω-6和ω-3脂肪酸可影響細胞代謝與基因表達，因而為維持機體處于良好的功能狀態(tài)，人類(lèi)膳食中這兩種PUFA之間應保持一種平衡。
就嬰兒喂養來(lái)說(shuō)，人奶與配方奶中脂肪酸的含量及種類(lèi)有很大差異。另外，新近研究數據顯示，人奶中脂肪種類(lèi)及含量受母親的膳食影響[2]。通過(guò)視網(wǎng)膜電圖、視覺(jué)激發(fā)電位和心理測試發(fā)現，嬰兒膳食中脂肪酸組成可影響其神經(jīng)系統的成熟與視覺(jué)功能[3]。臨床研究發(fā)現，人奶中二十二碳六烯酸(DHA)含量較高，因此母乳喂養兒的神經(jīng)發(fā)育優(yōu)于配方奶喂養兒。事實(shí)上，國際脂肪酸與脂類(lèi)研究會(huì )(ISSFAL)業(yè)已發(fā)表一份有關(guān)“嬰兒配方奶中必需脂肪酸需要量的建議”的報告，并建議在未成熟兒配方奶應含有這兩種脂肪酸。不同國家正在開(kāi)展嬰兒喂養中ω-6、ω-3脂肪酸需要量的研究。
膳食脂肪的種類(lèi)與細胞膜成分及多種細胞功能有關(guān)，如膜結合酶活性、蛋白質(zhì)轉運、激素結合和信號轉導等。另外，膳食脂肪可借助于磷脂成分的變化影響激素的功能，ω-6、ω-3脂肪酸還能直接控制特定基因的轉錄速度。
隨著(zhù)在代謝途徑中重要調節蛋白基因編碼的研究，營(yíng)養素對基因表達的影響正成為一個(gè)引人注目的領(lǐng)域[4]。分子生物學(xué)新技術(shù)在動(dòng)物的基因轉錄中的應用對該領(lǐng)域的研究起到了巨大的推動(dòng)作用。
2 PUFA對脂肪形成與糖酵解蛋白基因編碼
的影響PUFA不僅是生物體的能量來(lái)源和細胞的結構成分，而且是基因表達的重要介質(zhì)。有關(guān)PUFA直接調控基因表達的可能機制仍不十分清楚。
一些研究者發(fā)現，膳食中ω-6、ω-3脂肪酸能夠抑制脂肪肝形成而飽和及單不飽和脂肪酸無(wú)此作用。該抑制作用與糖的攝取量無(wú)關(guān)，并在ω-6脂肪酸的攝入量較對適宜生長(cháng)的必需脂肪酸需要量高4~5倍的情況下完成。Clarke和Jump在PUFA調節嚙齒動(dòng)物基因轉錄研究中發(fā)現，PUFA攝入后可在轉錄水平抑制大鼠肝臟中富含的脂肪酸合成酶(FAS)和S14 mRNA的表達[5]。與亞油酸(LA)或亞麻酸(LNA)比較，DHA、EPA(二十碳五烯酸)及AA(花生四烯酸)對FAS、S14的抑制作用較強;而飽和、單不飽和及反式脂肪酸不對脂肪形成產(chǎn)生抑制作用[6]。膳食中PUFA通過(guò)抑制脂肪酸生物合成來(lái)降低Δ-9去飽和酶底物的可利用度，并進(jìn)而降低ω-9脂肪酸的利用度以滲入血漿細胞膜。因此，生殖、經(jīng)皮膚散發(fā)水分等機體某些必需的生物學(xué)特性依賴(lài)于必需脂肪酸的存在。可見(jiàn)必需脂肪酸對ω-9脂肪酸合成的調節有利于生物體的生存。Jump等還對蘋(píng)果酸酶(ME)等其它脂肪形成酶以及葡萄糖激酶(GK)，丙酮酸激酶(PK)等糖酵解酶進(jìn)行了深入研究，發(fā)現這兩類(lèi)酶均受PUFA抑制[7]。PUFA的這些作用至少部分可用其降甘油三酯效用來(lái)解釋。PUFA還能抑制脂肪細胞的基因轉錄。Tebby發(fā)現，AA和EPA能下調成熟脂肪細胞中胰島素敏感葡萄糖轉運蛋白4(Glut-4)的表達而上調葡萄糖轉運蛋白1(Glut-1)的表達[8]。
魚(yú)油能顯著(zhù)抑制肝臟丙酮酸激酶的表達而富含18∶2ω-6脂肪酸的植物油的抑制作用較弱，提示轉錄調節機制在不同的基因或脂肪酸之間有所差異[9]。另一方面，18∶2ω-6和18∶3ω-3脂肪酸對FAS、蘋(píng)果酸酶和6-磷酸葡萄糖脫氫酶（G6PD）具有等同的潛在抑制作用，但鯡油(menhaden oil)對FAS表達的抑制作用較紅花油(safflower oil)高2～3倍。飽和及單不飽和脂肪酸對肝臟脂肪形成和糖酵解基因表達的抑制作用很弱或沒(méi)有。
硬脂酰脫氫酶1(SCD1)和脫氫酶2(SCD2)基因可編碼不飽和脂肪酸生物合成中一種關(guān)鍵酶并同時(shí)調節該過(guò)程。該酶可催化脂肪酸的Δ-9-順式去飽和作用。小鼠FAS、大鼠S14蛋白基因的調控與SCD1不同，給予無(wú)脂膳進(jìn)行的饑餓及復飼試驗可誘發(fā)SCD1基因的慢速動(dòng)力學(xué)改變，提示參與肝臟代謝的基因不同，則基因表達的膳食調控的分子基礎亦不同。與油酸相比，亞麻酸抑制SCD1的作用最強，而飽和及單不飽和脂肪酸則不起作用。據報道，亞油酸還可誘發(fā)新生鼠腦組織中SCD2的合成[10]。
表1總結了PUFA對幾種編碼脂肪形成、糖糖酵解和葡萄糖轉運蛋白基因的影響。PUFA的某些轉錄效用似乎受類(lèi)二十烷酸的調節，但其抑制脂肪形成和糖酵解基因的作用不依賴(lài)于類(lèi)二十烷酸的合成。Clarke和Jump指出，膳食中PUFA的轉錄反應很快，少于3h，表明PUFA能直接調控基因轉錄而非通過(guò)改變胞膜脂肪酸組成、激素釋放或信號轉導來(lái)實(shí)現。
3 PUFA對生長(cháng)相關(guān)早期基因表達的影響
AA及ω-3脂肪酸除調控基因表達外，還能不同程度地影響細胞生長(cháng)。多數研究認為ω-6脂肪酸有原有絲分裂活性。給不同類(lèi)型細胞以促有絲分裂刺激或用H2O2處理后，AA的非環(huán)氧化酶底物或環(huán)氧化酶內源性生成物均可介導C-fos、Egr-1、C-myc或C-jun等早期反應基因的表達。此外，給予AA的脂質(zhì)過(guò)氧化酶或環(huán)氧化酶底物刺激亦可增強早期基因表達。
已證實(shí)，AA及其底物系一組新的細胞內第二信使，可調節離子通道和GTP酶激活蛋白、蛋白激酶等參與信號轉導的酶的活性。Sellmayer等的實(shí)驗結果表明，除脂肪酸的直接轉錄效應外，AA還可通過(guò)自分泌或旁分泌機制誘導Swiss 3T3成纖維細胞早期基因表達[11]。即：AA內源性轉換成環(huán)氧化酶底物PGE2，再進(jìn)一步激活蛋白激酶C依賴(lài)性胞內信號轉導系統，從而增加早期基因mRNA蓄集(early gene mRNA accumulation)。
4 PUFA對炎癥反應相關(guān)基因表達的影響
近年的研究闡明了多種粘附分子的結構、功能、調節及對機體生理、病理狀態(tài)的影響，白細胞與血管內皮細胞的相互作用為炎癥反應所必需且由幾種粘附分子介導。這些粘附分子包括整合素(integrins)、選擇素(selectins)及免疫球蛋白(Ig)超家族成員。
內皮細胞一般不粘附高濃度白細胞，但給予多種刺激時(shí)則不然。這些刺激物包括氧化型LDL、細菌脂多糖和能夠誘導表型變化或內皮細胞活化的炎癥反應細胞因子。研究發(fā)現，適宜濃度的DHA可誘發(fā)內皮細胞對血管細胞粘附分子-1(VCAM-1)的抑制作用，油酸鹽一定程度上亦如此[12]。另外，DHA還能以時(shí)間-劑量依賴(lài)的方式誘發(fā)E-選擇素、細胞間粘附分子(ICAM-1)、IL-6及IL-8分別對TNF(腫瘤壞死因子)及細菌內毒素的抑制作用；且其作用大小與滲入胞壁磷脂的程度平行。同時(shí)，VCAM-1mRNA的許多連續誘導反應亦相伴發(fā)生，表明其具有對粘附分子基因表達的翻譯前調控作用。內皮細胞對細胞因子刺激的反應受細胞脂類(lèi)中特定脂肪酸相對比例改變的調節。DHA的這類(lèi)作用比EPA更為明顯。
IL-1是一種具有促凝血活性、能促進(jìn)血漿酶原激活因子和類(lèi)二十烷酸產(chǎn)生的細胞因子。它還能增加內質(zhì)素含量，并通過(guò)誘導粘附分子表達、促進(jìn)內皮細胞分子的滲透性而增加白細胞粘附性。IL-1和TNF均為炎癥反應的主要調節因子，因而給炎癥反應患者服用ω-3脂肪酸以減少細胞因子的產(chǎn)生，或許有助于減輕其癥狀。ω-3脂肪酸可降低內毒素刺激后、單核細胞產(chǎn)生Il-1βmRNA的能力。這種作用在ω-3脂肪酸停止補充10周后最明顯，提示ω-3脂肪酸滲入單核細胞循環(huán)池是一個(gè)長(cháng)期過(guò)程。EPA和DHA能抑制IL-1βmRNA而AA不能[13]。
PUFA對幾種炎癥反應、粘附分子、細胞生長(cháng)、即刻基因表達、β-氧化與生長(cháng)因子編碼基因的影響總結見(jiàn)表2。
5 結語(yǔ)
既往研究表明，被磷酸脂酶從胞膜中釋放或從膳食及其他胞外環(huán)境中吸收的脂肪酸是重要的細胞內信號轉導分子。它們可充當第二信使或信號轉導途徑的成分；而且還是介導細胞對胞外信號反應的調節分子。近期研究發(fā)現，脂肪酸能直接、快捷地改變特定基因的轉錄。
對參與糖與脂類(lèi)代謝的酶來(lái)說(shuō)，ω-3和ω-6脂肪酸似可抑制這類(lèi)酶的編碼基因；而飽和、反式與單不飽和脂肪酸則不然。DHA作用似較其他PUFA更明顯。ω-3、ω-6脂肪酸及單不飽和脂肪酸能夠誘導乙酰CoA氧化酶，DHA的該作用亦更強些。
對于參與炎癥反應的基因(IL-1β)而言，EPA、DHA能夠抑制IL-1βmRNA而AA不能。生長(cháng)相關(guān)早期基因表達及生長(cháng)因子的研究結果類(lèi)此。后者可用來(lái)解釋魚(yú)油對結腸癌發(fā)生的保護作用，因為EPA和DHA不刺激蛋白激酶C。
PUFA對基因表達的調節不限于肝內，還包括諸如脂肪細胞的葡萄糖運載蛋白-4、淋巴細胞的硬脂酰CoA去飽和酶2的基因，它們分布于腦組織、外周單核細胞(IL-1β、VCAM-1)和血小板(PDGF)內。PUFA的轉錄作用部分受類(lèi)二十烷酸介導，其抑制脂肪形成和糖酵解基因的作用不依賴(lài)于類(lèi)二十烷酸的合成，似乎存在PUFA直接調控的核機制。
無(wú)論協(xié)同或拮抗作用，各種適量PUFA均為機體正常的生長(cháng)發(fā)育所必需。對嬰兒的研究長(cháng)期以來(lái)集中于探討PUFA對視黃醛、腦中磷脂組成及智商(IQ)的影響，其實(shí)運動(dòng)機能的發(fā)育(motor development)仍主要依賴(lài)于中間物質(zhì)代謝和總代謝，并受到脂肪酸生物合成及糖代謝的影響。
母乳中PUFA含量與人類(lèi)發(fā)育狀況相關(guān)，并可作為確定孕期、哺乳期及嬰兒喂養期婦女ω-3、ω-6脂肪酸需要量的依據。令人關(guān)注的是，飽和、單不飽和及反式脂肪酸對脂肪形成、糖酵解的基因表達不產(chǎn)生抑制作用。它們在母乳中含量較高，是能量的主要來(lái)源。營(yíng)養素影響基因表達，且許多慢性病始于子宮或嬰兒期。因此，應提倡從膳食中攝取適量的PUFA，而且婦女從孕期即應優(yōu)先予以補充。
總之，ω-6及ω-3脂肪酸對基因表達的影響是多方面的。不僅涉及脂肪形成、糖酵解、細胞生長(cháng)、炎癥反應等過(guò)程，而且與早期快速反應基因、細胞因子及血管細胞粘附分子有關(guān)。新近研究揭示，與花生四烯酸代謝有關(guān)的5-脂氧合酶（5-lipoxygenase）在動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生中起重要作用[14，15]。但詳細機制尚待進(jìn)一步研究。
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