营养调控与基因表达PPT演示课件

营养调控与基因表达 随着分子生物学的发展及其在营养学中的应用 从分子水平上弄清养分的代谢过程和规律 准确确定动物群体及个体的营养需要 掌握养分摄入过量及缺乏的后果 预防和治疗营养代谢疾病以及解决其他营养问题将成为可能 营养与基因表达的关系及其作用机制已成为分子生物学的重要研究内容及营养学的新兴研究领域 该领域的研究在过去5 10年中取得了较大进展 营养和基因表达的一般关系表现为两个方面 一是养分的摄入量影响基因表达 二是基因表达的结果影响养分的代谢途径和代谢效率 并决定营养需要量 Animalperance meat milk egg wool etc growth development etc Genotype geneonchromosome Environment nutrition ambient management Inter relationshipsbetweengenotype environmentandanimalproduction 基因表达 是指编码某种蛋白质的基因从转录 mRNA的加工与成熟 RNA的翻译 蛋白质的加工 到活性 功能 蛋白质的形成的过程 Goodridge 1994 基因表达调控包括转录调控 RNA加工调控 RNA转运调控 翻译调控 mRNA稳定性调控及翻译后的调控 每一个调控点都与养分直接或间接有关 Clarke 1992 研究表明 营养对基因表达的作用主要发生在转录或翻译前水平上 对翻译后的影响较小 Berdanier 1998 研究表明 真核细胞的mRNA的5 和3 端的碱基不能翻译成蛋白质 称为非编码区 UTR UTR含有控制mRNA的腺苷聚合 稳定性 在细胞中的分布定位以及翻译的调节信号 对基因表达的调节起着核心作用 Kozak 1992 Choi 1995 养分对基因表达的调控作用是通过UTR 特别是3 UTR实现的 Nutrientintake GeneexpressionDNA RNA protein Nutrientuptakepathwayandmetabolism Nutrientrequirement Inter relationshipsofnutritionandgeneexpression Whichgenes particularlythoseinvolvedincontrolofmetabolism growthandpartitionareregulatedbynutrition Howdonutrientsanddietregulatetheexpressionofspecificgenes Howistheexpressionofspecificgeneproductsinvolvedinmetabolismandchannellingofnutrients Fundamentalquestions Directandindirecteffectsofnutritiononregulationofgeneexpression Criticalcontrolpoints TranscriptionalregulationActivation transcriptionalspeedPost transcriptionalregulationmRNAprocessing splicing mRNAtransportation localizationmRNAstabilitymRNAtranslationPost translationregulation Regulatorysignalsintheuntranslatedregionsandtheirinteractionswithnutrition InteractionbetweennutritionandgeneexpressionNutritionalregulationofgeneexpressionMolecularbiologicalapproachestonutrient geneinteractionsEffectsofenvironmentalfactorsonnutrient geneinteractions Principles isolation estimationofmRNA mRNAistheprimaryproductofageneandmediatesitsexpressionasprotein Inmanyinstances nutrienteffectsontheexpressionofproteinreflectchangesintheconcentrationoftheirmRNA ItisalsofrequentlyeasiertodeterminemRNAconcentrationsthantoestimatethecorrespondingproteins mRNAcanreadilybeconvertedintotheirequivalentDNAbyfirstsynthesizingacomplementarystrandofDNA cDNA andthenasecondstrandcomplementarytothefirst DNAismucheasiertomanipulatethanRNAinplasmidsorbyPCR ThecDNAcanbesequencedtoproteinsequenceinationwhichcanusedinstructuralstudiesandindevelopmentofimmunologicalsofproteinestimation Principles isolation estimationofmRNA ThesynthesisofindividualmRNAisrarelybydirectinteractionofanutrientwithagene Instead controlisgenerallymediatedthroughoneormoreproteinsreferredtoastranscriptionfactors Thesebindtoregulatoryregionsofthegeneanddeterminetheefficiencyofitstranscription Principles isolation estimationofmRNA MaintechniquesHybridizationIsolationofmRNAProbesEstimationofmRNANorthernblottingRibonucleaseprotectionaaasyPCR realtime PCRDNAsequencingClone Importantunderstandinghowanutrientinfluencesexpressionofaparticulargenerequiresastudyofthefactorswhichbindtothatgene sregulatoryregion InteractionbetweennutritionandgeneexpressionNutritionalregulationofgeneexpressionMolecularbiologicalapproachestonutrient geneinteractionsEffectsofenvironmentalfactorsonnutrient geneinteractions Inter relationshipsbetweengenotype environmentandanimalproduction Nutritionandgeneexpression 一 能量蛋白质对基因表达的影响生长激素 GH 是控制动物出生后生长的主要激素 GH对生长的控制必须通过GH受体 GHR 及类胰岛素生长因子 IGF 的作用才能实现 IGF 是GH促进生长的最重要的介导物 Cohick 1993 哺乳动物体内存在另一种IGF 叫IGF 主要在胚胎和胎儿组织产生 是胚胎和胎儿的主要生长因子 IGF 和IGF 的大多数作用均需要IGF 受体 型受体 参与 Straus 1994 除GH外 营养状况是调控IGF 的重要因素 大多数动物试验均表明 营养不良导致的生长受阻往往伴随有血浆GH水平的升高 而不是下降 Buonomo 1991 Vance 1992 能量蛋白质对生长调节基因表达的影响可能具有组织特异性 二 氨基酸对基因表达的影响氨基酸除参与IGF 和GHR基因表达的调节外 还与多种其他基因表达的调节有关 Marten 1994 报道 在大鼠肝细胞培养基质中去掉氨基酸后促进了数个基因的表达 提高幅度最大的是CHOP基因 CHOP是一分子量很小的核蛋白 为转录因子C EBP CCAAT 促进子结合蛋白 的同源蛋白 CHOP通过与C EBP结合成二聚体而参与多种基因表达的调节 Cao 1991 Birkenmeier 1989 Umek 1991 Bruhat 1997 1999 用人体细胞培养证明 低浓度的亮氨酸明显提高CHOP基因的表达 其机制是提高了基因的转录率和CHOPmRNA的稳定性 其他氨基酸 如赖氨酸 蛋氨酸 精氨酸 苯丙氨酸和苏氨酸的限制也可促进CHOP的表达 Wang 1996 认为 氨基酸缺乏导致基因表达的改变并不是氨基酸本身的作用 而是氨基酸浓度下降导致异常蛋白质合成的结果 但Bruhat 1997 1999 认为 低浓度氨基酸诱导CHOP的表达不是细胞应激的结果 而是氨基酸本身的直接作用 他们已经找到了CHOP基因上氨基酸缺乏时促进转录的两种转录因子 氨基酸调控CHOP基因表达的作用机制还需深入研究 三 脂肪酸对基因表达的影响1脂肪合成酶系很早以前人们就知道日粮脂肪有抑制肝脏的脂肪合成作用 除了脂肪对脂肪合成酶系的直接作用 如脂酰辅酶A是ACC的变构抑制剂 外 脂肪可以调节生脂酶的表达是抑制生脂作用的重要原因 LCFA是通过肉碱棕榈酰转移酶 CPT 系统进入线粒体内进行氧化供能的 而CPT系统主要由位于线粒体膜外侧的CPT 和位于膜中间的肉碱 酰基肉碱转移酶以及位于膜内侧CPT 等三部分组成 在这个过程中CPT 是控制LCFA进入线粒体的主要位点 McGarry等 1989 进入线粒体后的LCFA氧化供能则受到3 羟基 3 甲基 戊二酰辅酶A HMG CoA 合成酶的限制 因此这两种酶是影响LCFA利用的关键环节 而它们的基因表达又受到日粮中LCFA的调控 一些实验已证明 n 6和n 3多不饱和脂肪酸 PUFA 能抑制肝脏脂肪合成所需的多种酶 受PUFA抑制的生脂酶包括脂肪酸合成酶 乙酰辅酶A羧化酶 ACC 6 磷酸葡萄糖脱氢酶 硬脂酰CoA脱饱和酶 L 丙酮酸激酶 L PK 和S14蛋白 参与脂肪代谢的一种蛋白质 主要存在于脂肪酸合成作用非常活跃的肝脏 脂肪组织和乳腺 Blake 1990 Landschulz 1994 Ntambi 1992 脂肪酸抑制作用的大小与链长和饱和程度有关 鱼油中的脂肪酸抑制作用最强 18 2 n 6 和18 3 n 3 必须经过脱饱和作用分别转化为18 3 n 6 和18 4 n 3 后才具有抑制作用 Clarke 1990 Raclot 1999 总结了不同PUFA对基因表达的调节作用 并认为PUFA对特异基因表达的调控具有组织特异性和作用位点特异性 PUFA的主要作用机制是抑制基因转录 降低mRNA水平 研究表明 PUFA可直接与基因上的转录因子结合 目前已经鉴定出了S14和L PK基因上PUFA的作用位点 Jump 1999 Liimatta 1994 SCD1 硬脂酰辅酶A脱饱和酶 FAS 脂肪酸合成酶 PK 丙酮酸激酶 ACC 乙酰辅酶A羧化酶 GLUT4 胰岛素反应性葡萄糖转运蛋白