学术报告厅
The regulation of fatty acids on gene expression and health implicated
蒋与刚 庞伟
（军事医学科学院卫生学环境医学研究所，天津 300050）
摘要：随着在代谢途径中重要调节蛋白基因编码的研究，营养素对基因表达的调控及相关机制已成为一个令人关注的研究领域。ω-6 和ω-3脂肪酸对转录的调控似部分受类二十烷酸（eicosanoids）介导；而脂肪形成及糖酵解基因的抑制作用不依赖于类二十烷酸的合成并可能存在受ω-6、ω-3 脂肪酸直接调控的核机制。基于“慢性病的胎儿根源”学说，应提倡从膳食中摄取适量的PUFA，而且妇女从孕期即应优先予以补充。本文综述ω-6 和ω-3 脂肪酸调控基因表达的研究进展，主要涉及脂肪形成、糖糖酵解、葡萄糖运载蛋白、炎症反应、早期基因表达和血管细胞粘附分子等。
关键词：基因表达；ω-6脂肪酸；ω-3脂肪酸；糖糖酵解；脂肪形成；炎症反应
1 概述
个体或人群的健康状况由其遗传背景和多种环境因素间的交互作用决定。营养即属于一种重要的环境因素。许多人类学、营养学及遗传学的研究表明，人类总膳食(包括能量的摄入与消耗)在过去1万至1.5万年间有了变化，而在过去150年间的主要变化在于脂肪摄入的种类与数量。膳食中ω-6和ω-3多不饱和脂肪酸(PUFA)为人类及其他哺乳类动物的正常发育和健康所必需[1]。
现已证明，类二十烷酸形成的变化不能说明是ω-3脂肪酸全部的生物学作用。流行病学及实验研究结果均提示，ω-6和ω-3脂肪酸的相对量能改变多种细胞功能与疾病状态[1]。由于ω-6和ω-3脂肪酸可影响细胞代谢与基因表达，因而为维持机体处于良好的功能状态，人类膳食中这两种PUFA之间应保持一种平衡。
就婴儿喂养来说，人奶与配方奶中脂肪酸的含量及种类有很大差异。另外，新近研究数据显示，人奶中脂肪种类及含量受母亲的膳食影响[2]。通过视网膜电图、视觉激发电位和心理测试发现，婴儿膳食中脂肪酸组成可影响其神经系统的成熟与视觉功能[3]。临床研究发现，人奶中二十二碳六烯酸(DHA)含量较高，因此母乳喂养儿的神经发育优于配方奶喂养儿。事实上，国际脂肪酸与脂类研究会(ISSFAL)业已发表一份有关“婴儿配方奶中必需脂肪酸需要量的建议”的报告，并建议在未成熟儿配方奶应含有这两种脂肪酸。不同国家正在开展婴儿喂养中ω-6、ω-3脂肪酸需要量的研究。
膳食脂肪的种类与细胞膜成分及多种细胞功能有关，如膜结合酶活性、蛋白质转运、激素结合和信号转导等。另外，膳食脂肪可借助于磷脂成分的变化影响激素的功能，ω-6、ω-3脂肪酸还能直接控制特定基因的转录速度。
随着在代谢途径中重要调节蛋白基因编码的研究，营养素对基因表达的影响正成为一个引人注目的领域[4]。分子生物学新技术在动物的基因转录中的应用对该领域的研究起到了巨大的推动作用。
2 PUFA对脂肪形成与糖酵解蛋白基因编码
的影响PUFA不仅是生物体的能量来源和细胞的结构成分，而且是基因表达的重要介质。有关PUFA直接调控基因表达的可能机制仍不十分清楚。
一些研究者发现，膳食中ω-6、ω-3脂肪酸能够抑制脂肪肝形成而饱和及单不饱和脂肪酸无此作用。该抑制作用与糖的摄取量无关，并在ω-6脂肪酸的摄入量较对适宜生长的必需脂肪酸需要量高4~5倍的情况下完成。Clarke和Jump在PUFA调节啮齿动物基因转录研究中发现，PUFA摄入后可在转录水平抑制大鼠肝脏中富含的脂肪酸合成酶(FAS)和S14 mRNA的表达[5]。与亚油酸(LA)或亚麻酸(LNA)比较，DHA、EPA(二十碳五烯酸)及AA(花生四烯酸)对FAS、S14的抑制作用较强;而饱和、单不饱和及反式脂肪酸不对脂肪形成产生抑制作用[6]。膳食中PUFA通过抑制脂肪酸生物合成来降低Δ-9去饱和酶底物的可利用度，并进而降低ω-9脂肪酸的利用度以渗入血浆细胞膜。因此，生殖、经皮肤散发水分等机体某些必需的生物学特性依赖于必需脂肪酸的存在。可见必需脂肪酸对ω-9脂肪酸合成的调节有利于生物体的生存。Jump等还对苹果酸酶(ME)等其它脂肪形成酶以及葡萄糖激酶(GK)，丙酮酸激酶(PK)等糖酵解酶进行了深入研究，发现这两类酶均受PUFA抑制[7]。PUFA的这些作用至少部分可用其降甘油三酯效用来解释。PUFA还能抑制脂肪细胞的基因转录。Tebby发现，AA和EPA能下调成熟脂肪细胞中胰岛素敏感葡萄糖转运蛋白4(Glut-4)的表达而上调葡萄糖转运蛋白1(Glut-1)的表达[8]。
鱼油能显著抑制肝脏丙酮酸激酶的表达而富含18∶2ω-6脂肪酸的植物油的抑制作用较弱，提示转录调节机制在不同的基因或脂肪酸之间有所差异[9]。另一方面，18∶2ω-6和18∶3ω-3脂肪酸对FAS、苹果酸酶和6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G6PD）具有等同的潜在抑制作用，但鲱油(menhaden oil)对FAS表达的抑制作用较红花油(safflower oil)高2～3倍。饱和及单不饱和脂肪酸对肝脏脂肪形成和糖酵解基因表达的抑制作用很弱或没有。
硬脂酰脱氢酶1(SCD1)和脱氢酶2(SCD2)基因可编码不饱和脂肪酸生物合成中一种关键酶并同时调节该过程。该酶可催化脂肪酸的Δ-9-顺式去饱和作用。小鼠FAS、大鼠S14蛋白基因的调控与SCD1不同，给予无脂膳进行的饥饿及复饲试验可诱发SCD1基因的慢速动力学改变，提示参与肝脏代谢的基因不同，则基因表达的膳食调控的分子基础亦不同。与油酸相比，亚麻酸抑制SCD1的作用最强，而饱和及单不饱和脂肪酸则不起作用。据报道，亚油酸还可诱发新生鼠脑组织中SCD2的合成[10]。
表1总结了PUFA对几种编码脂肪形成、糖糖酵解和葡萄糖转运蛋白基因的影响。PUFA的某些转录效用似乎受类二十烷酸的调节，但其抑制脂肪形成和糖酵解基因的作用不依赖于类二十烷酸的合成。Clarke和Jump指出，膳食中PUFA的转录反应很快，少于3h，表明PUFA能直接调控基因转录而非通过改变胞膜脂肪酸组成、激素释放或信号转导来实现。
3 PUFA对生长相关早期基因表达的影响
AA及ω-3脂肪酸除调控基因表达外，还能不同程度地影响细胞生长。多数研究认为ω-6脂肪酸有原有丝分裂活性。给不同类型细胞以促有丝分裂刺激或用H2O2处理后，AA的非环氧化酶底物或环氧化酶内源性生成物均可介导C-fos、Egr-1、C-myc或C-jun等早期反应基因的表达。此外，给予AA的脂质过氧化酶或环氧化酶底物刺激亦可增强早期基因表达。
已证实，AA及其底物系一组新的细胞内第二信使，可调节离子通道和GTP酶激活蛋白、蛋白激酶等参与信号转导的酶的活性。Sellmayer等的实验结果表明，除脂肪酸的直接转录效应外，AA还可通过自分泌或旁分泌机制诱导Swiss 3T3成纤维细胞早期基因表达[11]。即：AA内源性转换成环氧化酶底物PGE2，再进一步激活蛋白激酶C依赖性胞内信号转导系统，从而增加早期基因mRNA蓄集(early gene mRNA accumulation)。
4 PUFA对炎症反应相关基因表达的影响
近年的研究阐明了多种粘附分子的结构、功能、调节及对机体生理、病理状态的影响，白细胞与血管内皮细胞的相互作用为炎症反应所必需且由几种粘附分子介导。这些粘附分子包括整合素(integrins)、选择素(selectins)及免疫球蛋白(Ig)超家族成员。
内皮细胞一般不粘附高浓度白细胞，但给予多种刺激时则不然。这些刺激物包括氧化型LDL、细菌脂多糖和能够诱导表型变化或内皮细胞活化的炎症反应细胞因子。研究发现，适宜浓度的DHA可诱发内皮细胞对血管细胞粘附分子-1(VCAM-1)的抑制作用，油酸盐一定程度上亦如此[12]。另外，DHA还能以时间-剂量依赖的方式诱发E-选择素、细胞间粘附分子(ICAM-1)、IL-6及IL-8分别对TNF(肿瘤坏死因子)及细菌内毒素的抑制作用；且其作用大小与渗入胞壁磷脂的程度平行。同时，VCAM-1mRNA的许多连续诱导反应亦相伴发生，表明其具有对粘附分子基因表达的翻译前调控作用。内皮细胞对细胞因子刺激的反应受细胞脂类中特定脂肪酸相对比例改变的调节。DHA的这类作用比EPA更为明显。
IL-1是一种具有促凝血活性、能促进血浆酶原激活因子和类二十烷酸产生的细胞因子。它还能增加内质素含量，并通过诱导粘附分子表达、促进内皮细胞分子的渗透性而增加白细胞粘附性。IL-1和TNF均为炎症反应的主要调节因子，因而给炎症反应患者服用ω-3脂肪酸以减少细胞因子的产生，或许有助于减轻其症状。ω-3脂肪酸可降低内毒素刺激后、单核细胞产生Il-1βmRNA的能力。这种作用在ω-3脂肪酸停止补充10周后最明显，提示ω-3脂肪酸渗入单核细胞循环池是一个长期过程。EPA和DHA能抑制IL-1βmRNA而AA不能[13]。
PUFA对几种炎症反应、粘附分子、细胞生长、即刻基因表达、β-氧化与生长因子编码基因的影响总结见表2。
5 结语
既往研究表明，被磷酸脂酶从胞膜中释放或从膳食及其他胞外环境中吸收的脂肪酸是重要的细胞内信号转导分子。它们可充当第二信使或信号转导途径的成分；而且还是介导细胞对胞外信号反应的调节分子。近期研究发现，脂肪酸能直接、快捷地改变特定基因的转录。
对参与糖与脂类代谢的酶来说，ω-3和ω-6脂肪酸似可抑制这类酶的编码基因；而饱和、反式与单不饱和脂肪酸则不然。DHA作用似较其他PUFA更明显。ω-3、ω-6脂肪酸及单不饱和脂肪酸能够诱导乙酰CoA氧化酶，DHA的该作用亦更强些。
对于参与炎症反应的基因(IL-1β)而言，EPA、DHA能够抑制IL-1βmRNA而AA不能。生长相关早期基因表达及生长因子的研究结果类此。后者可用来解释鱼油对结肠癌发生的保护作用，因为EPA和DHA不刺激蛋白激酶C。
PUFA对基因表达的调节不限于肝内，还包括诸如脂肪细胞的葡萄糖运载蛋白-4、淋巴细胞的硬脂酰CoA去饱和酶2的基因，它们分布于脑组织、外周单核细胞(IL-1β、VCAM-1)和血小板(PDGF)内。PUFA的转录作用部分受类二十烷酸介导，其抑制脂肪形成和糖酵解基因的作用不依赖于类二十烷酸的合成，似乎存在PUFA直接调控的核机制。
无论协同或拮抗作用，各种适量PUFA均为机体正常的生长发育所必需。对婴儿的研究长期以来集中于探讨PUFA对视黄醛、脑中磷脂组成及智商(IQ)的影响，其实运动机能的发育(motor development)仍主要依赖于中间物质代谢和总代谢，并受到脂肪酸生物合成及糖代谢的影响。
母乳中PUFA含量与人类发育状况相关，并可作为确定孕期、哺乳期及婴儿喂养期妇女ω-3、ω-6脂肪酸需要量的依据。令人关注的是，饱和、单不饱和及反式脂肪酸对脂肪形成、糖酵解的基因表达不产生抑制作用。它们在母乳中含量较高，是能量的主要来源。营养素影响基因表达，且许多慢性病始于子宫或婴儿期。因此，应提倡从膳食中摄取适量的PUFA，而且妇女从孕期即应优先予以补充。
总之，ω-6及ω-3脂肪酸对基因表达的影响是多方面的。不仅涉及脂肪形成、糖酵解、细胞生长、炎症反应等过程，而且与早期快速反应基因、细胞因子及血管细胞粘附分子有关。新近研究揭示，与花生四烯酸代谢有关的5-脂氧合酶（5-lipoxygenase）在动脉粥样硬化的发生中起重要作用[14，15]。但详细机制尚待进一步研究。
参考文献：
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