脂肪酸与基因表达.ppt

1、9 脂肪酸与基因表达,贵州医科大学,脂肪酸（FA)是所有动物能量供应中最重要的分子（营养素），同时也是类二十烷 酸（前列腺素、凝血噁烷和白三烯）合成的前体物。,脂类（lipids）,磷脂（phospholipids）,类脂（lipoids）,脂类包括脂肪和类脂，脂肪又称甘油三酯，约占体内脂类总量的95%，类脂主要包括磷脂和固醇类，约占全身脂类总量的5%,脂肪 （fats）,固醇类（sterols）,近年来，越来越多的证据表明脂肪酸参与了基因表达的转录调节过程。 这次课主要阐述脂肪作为转录因子的配体在调节脂肪和葡萄糖代谢相关基因表达以及细胞分化、生长及炎症反应中所起的作用。,脂肪酸及其活性衍生物

2、,脂肪酸的基本结构为疏水的多碳链，其结构因链长度和饱和度的不同而不同。小于14个碳原子的中链和短链脂肪酸通常为饱和脂肪酸，主要用于能量供应。 长链脂肪酸 (LCFA)中有饱和脂肪酸，也有单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸(PUFA)。长链脂肪酸除了供能外还具有其他的功能。,脂肪及其功能,脂肪酸结构不同。脂肪因其所含的脂肪酸链的长短、饱和程度和空间结构不同，而呈现不同的特性和功能。,体内脂肪的生理功能,1.贮存和提供能量 1g脂肪9.46kcal能量2.保温及润滑作用3.节约蛋白质作用4.机体构成成分 细胞膜5.内分泌作用 瘦素、TNF-、IL-6、IL-8、雌激素、IGF等。TNF肿瘤坏死因子IL

3、白细胞介素 IGF类胰岛素生长因子,食物中脂肪的作用,1.增加饱腹感 脂肪进入十二指肠时，刺激十二指肠产生肠抑胃素，使胃蠕动受到抑制。2.改善食物的感观性状3.提供脂溶性维生素 脂肪不仅是脂溶性维生素来源，也可促进其吸收。,脂肪酸的分类及功能,大多数脂肪酸含有偶数碳原子。基本分子式：CH3 CH2 n COOH 分类：1.按碳链长度 长链(14)、中链(812)、短链(6)一些VCFA(very long-chain fatty acid) 分布于大脑和一些特殊组织中，如视网膜和精子。脂肪组织中含有各种长度的脂肪酸，食物中以18碳脂肪酸为主。,2.按饱和程度 饱和(如棕榈酸)、单不饱和(如油酸

4、)、多不饱和(如亚油酸和-亚麻酸)脂肪随其脂肪酸的饱和程度越高、碳链越长，熔点越高。3.按空间结构 顺式、反式自然状态下，大多数不饱和脂肪酸为顺式脂肪酸，少数为反式脂肪酸（黄油、奶油）。,氢化：不饱和脂肪酸中的不饱和键与氢结合变成饱和键植物油发生氢化后可以加工为人造奶油。氢化过程中，一些不饱和脂肪酸由顺式转为反式脂肪酸。,反式不饱和脂肪酸：不具有必需脂肪酸的活性和对脂蛋白的作用。增加心血管疾病的危险。可能诱发肿瘤、2型糖尿病等。人造奶油、蛋糕、饼干、油炸食品、花生酱等是反式脂肪酸的主要来源。,欧美国家纷纷对人造脂肪进行立法限制。在欧洲，从2003年6月1日起，丹麦市场上任何人造脂肪含量超过2%

5、的油脂都被禁，丹麦因此成为世界上第一个对人造脂肪设立法规的国家。此后，荷兰、瑞典、德国等国家也先后制定了食品中人造脂肪的限量，同时要求食品厂商将人造脂肪的含量添加到营养标签上。2004年，美国食品和药品管理局（FDA）也规定，从2006年起，所有食品标签上的“营养成分”一栏中，都要加上人造脂肪的含量。FDA同时提醒人们，要尽可能少地摄入人造脂肪。,同时，国外企业认准了欧美掀起的“反人造脂肪风”，纷纷推出代替人造脂肪的新产品。 如芬兰一家食品公司开发出一种生产含高植物固醇的植物黄油的新方法，瑞典的人造奶油生产商则成功研制出了人造脂肪替代物新型脂肪酶，去掉了含有人造脂肪的成分。在美国，立顿、雀巢等

6、公司也已经在一些食品中减少甚至去掉了人造脂肪。,分类,4.按双键位置 通常从CH3-的碳起计算第一个不饱和键的位置。如油酸：C18:1，-9。 国际上也可以用n来代替的表示方法。 目前认为营养学上最具价值的脂肪酸：n-3和n-6系列不饱和脂肪酸。包括EFA（必需脂肪酸）和长链多不饱和脂肪酸。,共轭脂肪酸是由18个碳的多不饱和脂肪酸衍生而来的，大多数共轭脂肪酸为亚油 酸的衍生物，因此被命名为“共轭亚油酸”（conjugated linoleic acid,CLA)。 CLA包 括不同的共轭双键模式，这决定了它们在代谢中的特定功能。 植烷酸是一类由植物叶绿 醇衍生而来的具有支链结构的脂肪酸，这种稀

7、有脂肪酸因其在基因表达中的作用而变得越来越重要。,日粮（每日膳食）中脂肪的代谢（自学）,转录因子和基因表达 健康生物中，特定细胞的能量代谢和健康水平会受到环境的严格调节，而该环境是由生物的发育状态、营养水平、微环境（pH、离子梯度）以及生长因子和细胞因子的 存在状态而决定的。 为了在特定的条件下能够提供全部所需的酶和蛋白质，因而在细胞 内存在着一个复杂的转录因子系统调节基因的表达。,人类基因组中，目前已知被编码的转录因子超过 2000 个。近来，Brivanlou 和 Dranell (2002)提出了新的真核细胞转录因子分类方法。 这种分类将正调节的真核细胞转录因子划分为两组：恒定活性核因子

8、 在任何时间都存在于所有细胞的细胞核中，体外分析研究表明其具有激活转录的潜在能力。,调节转录因子 又分成两个主要的类型，一为发育或 特定细胞型转录因子，二为信号依赖型转录因子。 信号依赖型转录因子又可根据其不同的信号机制划分为三个功能组分，即细胞核受体超家族因子、胞内信号反应因子和细胞表面受体（配体相互作用和信号级联）激活因子。,脂肪酸激活转录因子是细胞核受体超家族因子中的一员，包括内分泌受体如雌激素受体、糖皮质激素受体（GR)和维生素D受体（VDR)，同时还包括未知配体的孤儿受体和最近才确定配体的“接受孤儿受体”（Mangelsdorf and Evans, 1995; Schoonjans

9、 et al.1997)。,脂肪酸可能是在与“接受孤儿受体”中的成员如视黄酸X受体（retinoid X receptor，RXR)和过氧化物酶体增殖子活化受体（per-oxisome proliferator-activated receptor， PPAR) 结合后激活了基因的表达。,脂肪酸作为PPAR系统的配体,1990年配体诱导转录因子引起过氧化物酶体增殖的发现开辟了基因表达调控研究的新领域。 接着，有证据表明PPAR系统可能在脂质内稳衡调节中起着重要的作用。通过对过氧化物酶体的增殖作用而被明显识别的PPAR 主要对啮齿动物发挥这种作用，而在人类肝脏中对其他基因的调节作用也在后来的研究

10、中被证实。,不同的组织中PPAR的作用,不同组织中PPAR的作用,PPAR主要在肝脏和肌肉起作用。PPAR主要影响脂肪组织和肿瘤细胞中基因的表达。动脉内壁中内皮细胞和巨噬细胞对PPAR和PPAR都有反应,脂肪酸能够通过脂肪酸转运蛋白质的作用被摄入细胞。 摄入的脂肪酸在细胞质中可以激活PPAR，而与之相对应， 视黄酸受体（RXR)可被类维生素A或脂肪酸激活。这两种激活的核受体形成一异源二聚体，结合在靶基因启动子的反应元件上。一个额外的激活作用能够通过对辅激活子的补充而得到，此辅激活子可以结合到异源二聚体上。,最近几年，脂肪酸作为核受体尤其是作为PPAR的生理配体得到了人们越来越多的关注。下表列出

11、了三种同型PPAR 生理配体及其主要的生理功能。,Jump和Clarke (1999)总结了日粮脂肪对基因表达调节的研究进展，并指出不同脂肪酸与合成配体相比激活PPAR的相对潜力。 在生理配体中，亚油酸具有最高的潜 力，其次是花生四烯酸和油酸，饱和脂肪酸对这些受体只有低亲和性。 Wolfrum等 (2001)研究了不同脂肪酸对肝脏脂肪酸结合蛋白（FABP)的特异影响，并肯定了亚油酸和 -亚麻油酸在其反式激活系统中的高活性。,-3脂肪酸多不饱和脂肪酸（PUFA)在脂类代谢中的特殊作用，在健康和疾病方面具有特殊功能。,深海鱼油对于改善血液中脂肪状态有作用美国俄勒岗大学卫星科学中心，他们以含有EPA

12、及DHA的鲑鱼为主体食物，供给被试者连续食用十天后，结果健康人的血中胆固醇降低17%，甘油三酯降低40%，而高血脂的人胆固醇降低20%，甘油三酯猛降低67%之多，说明EPA有明显降血脂作用，而降甘油三酯的作用远比降胆固醇的作用强。,1. 脂肪的消化率 熔点低于体温的脂肪易消化，植物脂肪动物脂肪2. EFA的含量 植物油亚油酸、-亚麻酸含量高。 3. 提供的各种脂肪酸的比例 饱和：单不饱和：多不饱和4. 脂溶性维生素的含量 植物油：E；肝脏：A、D；奶、蛋：A、D5. 某些有特殊生理功能的FA含量 EPA、DHA,膳食脂肪的营养学评价,食物来源：动物脂肪组织和肉类：主要含饱和脂肪酸和单不饱和脂肪

13、酸（海生动物和鱼例外）；胆固醇含量较多。植物油(种子)：主要含不饱和脂肪酸(椰子油、棕榈油例外)。,脂类参考摄入量及食物来源,亚油酸普遍存在于植物油中，-亚麻酸在豆油和紫苏籽油、亚麻籽油中较多。鱼贝类含EPA和DHA较多。磷脂含量较多的食物为蛋黄、肝脏、大豆、麦胚和花生等。胆固醇丰富的食物是动物脑、肝、肾等内脏和蛋类，肉类和奶类也含有一定量的胆固醇。,脂肪摄入过多，可导致肥胖、心血管疾病、高血压、癌症（乳腺癌、大肠癌等）发病率增高。中国营养学会建议成人脂肪摄入应占总能量20%30%。必需脂肪酸摄入不少于总能量3%。n-3、n-6比例为1：46为宜。,脂类的供给量,饱和脂肪酸可升高LDL-C（低

14、密度脂蛋白）；但不容易被氧化；有助于HDL的形成，因此人体不应完全限制饱和脂肪酸的摄入。多不饱和脂肪酸可降低血清胆固醇和LDL-C，同时也降低HDL-C（高密度脂蛋白）；且易被氧化产生脂自由基和过氧化物。,饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸优缺点,单不饱和脂肪酸（橄榄油富含）能降低血清胆固醇和LDL-C，HDL-C无变化，且不容易被氧化。以单不饱和脂肪酸取代部分饱和脂肪酸有重要的意义。 地中海国家每日脂肪摄入量占总能量40%，但主要来自单不饱和脂肪酸，冠心病发病率低。,饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸优缺点,脂肪酸调节基因表达脂类代谢和动脉粥样硬化过程中基因的调节,PPAR的主要靶基因对禁食和饲喂过程中能量的储

15、存起着重要的作用， PPAR是脂肪生成过程中一个关键的调节者，并在细胞分化、胰岛素致敏、动脉粥样硬化以及致癌过程中发挥重要作用。,关于PPAR功能的数据大多是通过对在高脂血症和糖尿病药理学研究中使用的合成PPAR激动剂（如非诺贝特类和噻唑烷二酮类药）的研究得到的（Staelseid.，1997)。 正如上面合成配体所揭示的那样，由于PUFA（不饱和脂肪酸）可与PPAR以低亲和力结合，因此它们被认为在基因调节中有相同的影响，虽然它们的水平要低得多。,脂肪组织中基因的调节,许多研究者都认为PPAR在脂肪生成过程中是必需的而且也是充足的，再则，它还影响脂肪细胞来源的信号分子的分泌。,通过LPL（脂蛋

16、白酯酶）介导的脂解作用释放的脂肪酸被摄入脂肪细胞后，可以被激活用于合成甘油三酯或被用作PPAR的激活子。脂肪细胞中与脂类代谢有关的几个重要基因都由PPAR调节。,肝脏中基因的调节,肝脏中脂肪酸对脂类代谢的调节不仅受PPAR的调节，HNF4a（肝细胞核因子4a）也包含在多种基因的调节中，这些基因参与了血浆脂蛋白的产生和清除。而且，固醇与LXR（肝X受体）的结合能调节胆固醇的内稳衡和胆酸代谢。LXR活性受到PUFA（不饱和脂肪酸） 的抑制，因此减少了SREBP1c的表达。低浓度的SREBP1c导致调节肝脂肪生成途径中关键酶表达的减少。,肿瘤细胞中基因的调节,生活方式和营养影响了许多病理生理过程。对

17、免疫系统而言，许多报道强调了营养对癌的发育和生长的影响。Helmlinger等（2000)最近的研究成果支持了肿瘤代谢主要是由底物可利用性决定而不是由肿瘤细胞新陈代谢需要而决定的结论。 这一结论及其他的结论暗示了日常的膳食组成在肿瘤治疗中发挥着一定的作用。,PPAR已被证明是脂肪酸影响细胞增殖的主要介导物。令人感兴趣的是，不同的异构体有相反的作用。 从已发表的数据中可得出这样一条基本原则：PPARa和PPAR 有抗增殖的效应，而PPAR可能具有一定的致肿瘤作用。,脂肪酸能影响不同组织中癌的发育，对患者的预后效果有正面的也有负面的影响。 -3脂肪酸对乳腺癌的抑生长作用已得到证实。Maillard

18、等（2002)的研究阐 明了患者乳房脂肪组织中-3与-6脂肪酸含量的比值与乳腺癌的关系。这些研究人员假设此含量反映了这些脂肪酸的营养摄入量，并得出-3脂肪酸可以抵抗乳腺癌的生长 的结论。,许多流行病学研究和人群调查结果表明了 PUFA（不饱和脂肪酸）在人类健康方面的积极作用，在这些观察的生化基础上发表了大量的资料。 脂类，特别是PUFA已被证明是调节基因表达的重要因子，这些基因包含在脂类代谢、葡萄糖水平调节、细胞分化、肿瘤生长和炎症反应中。 今天，我们可能只是了解到伺粮对健康生命重要性的一小部分内容，就像 冰山的一角。为此，我们还要进一步深入研究特定的遗传倾向与饲粮作用间相互作用的危 险性。,

19、多聚不饱和脂肪酸（PUFA）营养机理,1、多聚不饱和脂肪酸（PUFA）基因表达调控的机理,抑制,增强,解耦联蛋白-3 、乙酰辅酶A氧化酶、肉碱棕榈酸转移酶-1,乙酰辅酶A羧化酶、脂肪酸合成酶、甘油-3-磷酸酰转移酶,PUFA,脂肪沉积减少,PPAR,ADD1/SREBP1,调控,基因表达,基因表达,调控,调控,增强,抑制,基因表达,基因表达,抑制,增强,2、PUFA调控体脂沉积的主要机制,增强参与产热作用或脂肪酸氧化的酶的基因表达抑制与脂肪生成有关的酶基因表达通过调控转录因子PPAR 和ADD1/SREBP1的生成，后者再对上述酶的表达进行调控,3、共轭亚油酸的作用,CLA是十八碳共轭二烯酸的

20、多个位置和几何异构体的混合物。它主要有8，10、9，ll、10，12、ll，13四种位置异构体。,共轭亚油酸（CLA）的生理调控作用,CLA,以猪前体脂肪做细胞原代培养体系体外培养，CLA降低了DNA的合成，降低猪前体脂肪细胞的合成,共轭亚油酸 降低脂肪细胞生成及脂肪沉积,共轭亚油酸 降低脂肪沉积,CLA,硬脂酰辅酶A脱氢酶抑制合成甘油三脂,降低前脂肪细胞分化和促进其凋亡,减少前脂肪细胞增殖,肉碱棕榈酰转移酶过氧化物酶体活性线粒体活性酰基辅酶A氧化酶脂肪结合蛋白活性细胞色素P450IVAI,脂肪氧化,增强较高神经活性导致能量消耗增加,促进脂肪组织的降解,共轭亚油酸 对脂肪细胞分化的调控,CLA

21、,细胞凋亡,细胞死亡,诱导TNF-、UCP-2表达,细胞分化,诱导ap2表达,脂肪摄入,LPLSCD脂肪合成,脂解,？,前脂肪细胞,脂肪细胞,CLA 通过调控转录因子基因的表达，降低前脂肪细胞的分化，加速前脂肪细胞的凋亡CLA 通过抑制与脂肪合成相关酶的活性，促进与脂肪氧化相关酶的活性，降低脂肪合成,共轭亚油酸 对免疫的调控机制,CLA,激活PPAR,NF-B活性,抑 制,MAP通路,AP1表达,STATs表达,调控免疫反应，抗炎症作用（抑制IL-1、 IL-6 、 TNF-的表达）,20S Proteasome,Cellular Damage,CLA 通过调控细胞转录因子PPAR基因的表达，

22、调节信号传导通路，抑制前炎性细胞因子的表达，调控免疫和炎症反应,共轭亚油酸的免疫调控作用,结论：,1、多不饱和脂肪酸（共轭亚油酸）具有抗癌、抗动脉硬化、减肥、提高免疫力等多种独特的生理功能。2、多不饱和脂肪酸通过调节相关基因的表达来发挥生理作用，有些机理已经清楚，但还有很多机理不清楚，有待于深入研究。,11 生物素、维生素B6和维生素c对基因表达的调节,真核细胞中仅有小比例的基因组在任何时间都是转录活跃的。通常是位于受影响结构基因上游的反应元件调节单个基因转录的速率。 细胞分化期间基因表达的调节以及通 过细胞因子、生长因子和激素对基因表达的影响已被充分证明。,多细胞生物中的大多数专门化细胞在对

23、细胞外信号反应时能改变其基因表达的模式。不同细胞类型以不同方式对同一信号进行反应。基因表达能在从DNA到RNA到蛋白质的任何步骤上进行调节，通过基因调节蛋白对单个基因的转录进行打开或关闭。 一些基因在恒定水平转录，并通过转录后调节过程实现打开或关闭。这些过程需要通过调节蛋白或调节RNA分子来识别特定的结构或序列。,在高等生物中，调节基因表达的细胞外信号包括影响激素、神经调节或免疫反应系统的因素。生物的营养状态也是其中之一，因为营养状态与不同的调节系统有密切关系。 除了这些间接途径外，某些食物成分通过与基因组中的调节元件直接互作而影响基因表达，导致特定基因转录速率的改变。应对养分供给变化挑战的适

24、应性机制已产生， 因此，养分供给的变化能诱导或抑制特定基因或基因组的转录。,在许多情况下，转录调节（上调或下调）是通过改变转录因子的有效性或通过改变因子与特定调节序列结合的能力来实现的。 维生素的生理影响随其进人细胞、代谢转化及与特定脱辅基酶蛋白的关系引起代谢途径的加强。在这方面，维生素是代谢的启动子。在一些情况下，特定酶 (脱辅基酶蛋白）数量的变化是对辅酶（辅因子）的供给产生的转录或翻译应答反应的结果。,生物素,在高等生物中，生物素最为人知的功能是作为4个含生物素羧化酶的辅基。 其在乙酰辅酶A羧化酶、丙酰辅酶A羧化酶、3-甲基丁烯酸-辅酶A羧化酶和丙酮酸羧化酶中的作用可解释它参与碳水化合物、

25、脂类和一些氨基酸脱氨基代谢中的必需性。,单个生长/分化因子或其受体的合成与分泌可能是由生物素启动的，且生物素的其他作用可能也源于此。 根据动物缺乏生物素的不同症状，生物素的作用似乎不只有这些。生物素除了在细胞增生和分化中的作用外，其在胚胎发育、睾丸发育、免疫防御机能和特定蛋白的调节作用也已被发现（Dakshinamurti and Chauhan, 1994)。,生物素调节关键糖酵解和糖异生激酶。 它诱导蛋黄中生物素结合蛋白的合成（White and Whitehead，1987)。促分裂原诱导的增殖通过增加外周血单核细胞（peripheral blood mononuclear cell，PBMC)膜上特定生物素转运蛋白的数量来增加PBMC对生物素的摄取（Zempleni and Mock，1999)。 据报道，生物素在胰腺对胰岛素的释放、一些生物素羧化酶和生物素羧化全酶合成酶的合成以及HepG2细胞中的脱唾液酸糖蛋白受体的表达中起作用。,