基因组信息和高通量表达谱技术正日益为营养和食品科学领域的科学家们所开发和应用。饮食和各种食品成分是影响基因组、转录本组、蛋白质组和代谢组的主要环境因素，它们之间所进行的、与人相伴终身的反应，决定着每个人的健康或疾病情况。目前，科学家可以对食品和摄入食品的各种成分与人体各种生物系统之间的相互反应在分子水平上进行分析和研究，以鉴定各种食品或特定营养素的反应模式，以及各种生物标记物的表达语和模式，开发出有科学根据的饮食推荐方案和有益于健康的食品。

绪 言

鉴于营养在慢性病发展中的重要性日益明显，食品科学和食品工业都面临新的挑战：需要开发出不仅安全、而且有助于维护人体健康，甚或可以预防特定疾病的策略和产品。理论上要达此目的，需要确定那些在疾病起始和进展中影响代谢过程的食品和食品成分，并将此知识用来开发功能上针对代谢紊乱的产品。基因组信息、基于基因组学的技术和模式系统已可为人类营养和食品科学研究提供一系列新工具。这些新技术正被用来研究各种食品营养成分与人类消费者的基因组和代谢之间相互作用的分子基础。

由于历史的原因，营养和食品科学并没有做好充分准备来利用基因组学的相关技术，主要是由于：在大多数大学中缺乏人类遗传学、基因组学和分子生物学等学科知识的教学。但这些欠缺已被承认，并于最近相应地在欧洲、亚洲和美国采取了许多新的措施，其共同的题目是：营养基因组学(nutrigenomics)尽管对某些人来说，只是代表了另一种“组学(-omics)”，但它由于将基因组置于主要决定哺乳动物健康与否的代谢功能的各种过程的中心，因而将改变营养和食品科学的面貌。每个营养学过程都依赖于大量蛋白质的相互作用，这些蛋白质又由各种不同的mRNA分子所编码，它们在特定的细胞、器官或生物体中得到表达。mRNA水平和相应的蛋白质水平的变化都是控制某种生物化学通路中营养素或代谢物通量的关键参数。食品、饮食和生活方式中的各种营养素和非营养性成分，包括体育运动在内，可以影响遗传信息流的每一个步骤：从基因表达到蛋白质合成和降解，并因而可以以复杂的方式改变代谢功能。毫无疑问，相对稳定的哺乳动物基因组与以一系列食品为代表的快速变化着的营养环境之间的相互作用，已形成如后基因组学研究中一个最有吸引力和饶有兴趣的领域。

在这里，我们将基因组学这个集合术语用来涵盖三个子学科：转录本组学(transcriptomics)、蛋白质组学(proteomics)和代谢组学(metabolomics)；而系统生物学则被用作在细胞、器官或生物体水平上，通过测量和整合基因组、蛋白质组和代谢数据来研究生物学系统的一种综合性方法。

食品摄入的应答研究

对于哺乳动物的存活来说，这样的能力是至关重要的：它们可以快速地适应于营养环境的变化，保持一种足够活跃的代谢能力来满足机体对高速产生ATP(三磷酸腺苷，机体最基本的能量分子)的需要，并产生如细胞和组织的更新与维护所必需的所有构件。除了各种营养素以外，对食品中有效能量的适应，还要求快速而持久的应答，以便能并同时改变大量互联的代谢过程；换句话说，细胞需要调节营养素的运输过程和存储能力，协调各种中间体通过代谢路线和分支点的通量，从而重构细胞的转录本组和蛋白质组。关键的问题是：各种“组学"技术和各种先进的数据分析与解释工具一起，是否能弄懂并再生这些生理学传感和信号集成机制及其多维线路。

过去，营养和食品科学研究几乎是心无旁骛地针对于代谢物，主要手段是对一些中间体或标记物的浓度进行逐个的测量，而新的分子学工具则可以实现对生物学信息加工过程的每一步进行观察：从DNA到mRNA、从蛋白质再到代谢功能。但是，生物学调控不仅仅只局限于基因和蛋白质的表达，其重要层面还有如：蛋白质-蛋白质相互作用，以及由代谢中间体所引起的蛋白质活性改变。因此，并不是所有的mRNA和蛋白质表达水平上的信息都可以足以用来预测所有的代谢结果。沿着从基因到mRNA蛋白质再到功能的路线进行分析的最后一步将是：对那些在蛋白质、细胞器、细胞和器官之间代谢物流动的模式和浓度进行分析。这就意味着，营养和食品科学家们将在绕了一圈后回到它们出发的地方——分析各种代谢物，但这时，所要分析的代谢组(metabolome)的组成将包括所有可检测的中、低分子量的化合物的总和，而不仅仅是各种单个的代谢物。

基因组学在营养食品中的研究

转录本组学、蛋白质组学和代谢组学技术在营养学研究中的应用前景可以说是无限的，其涵盖面包括基础研究和临床前研究，不论是用细胞培养的方法，还是用动物模型，研究人员可以在明确规定的实验背景下鉴定那些对某种给定营养素、非营养素化合物、治疗剂或饮食易于作出应答的特定标记物(生物标记物)。新的(基因组学)筛选方法可以同时对某个个体代谢状态的多达数千个的受影响指标进行分析。目前，已经有不断增加的范例来展示DNA微阵列和蛋白质组表达谱技术在识别细胞对饮食中营养成分的应答，以及识别这些应答的分子靶标方面的应用。例如：人们开展了对黄酮类衍生物如绿茶中儿茶酸、大豆中异黄酮类和黄酮类的研究，试图把它们的生物活性与流行病学研究中的发现联系起来——这些发现提示，二级植物代谢物拥有一系列的有益健康的活性。毫无疑问，在不远的将来我们将面临大量有关各种食品营养成分的生物学研究。

虽然，各种“组学”技术在培养细胞或模型生物体的应用上似乎无所，但它们在人体研究中的应用显然还存在许多限制。mRNA或蛋白质水平上表达谱技术应用的限制性因素是难以得到供分析用的活体细胞或组织。尽管人们可以用非损伤性方法得到充足数量的特定组织和细胞，如毛囊细胞、皮肤细胞或表皮脱落的肠细胞等，但蛋白质组或代谢组分析不能在单细胞水平上进行，而用定量PCR或定量阵列技术进行的表达分析，却可以在单个细胞水平上完成。因此，不同类型的血液细胞就成为了一种饶有兴趣的生物学材料来源，在人体研究中能被用作一种报告者细胞。这些细胞能应答于不同的饮食成分的变化。更为重要的是：它们有不同的寿命、不同的基因表达谱和控制系统，能够到达和侵占肌体的不同区域。尤其是，人类外周血单核细胞是识别mRNA或蛋白质的生物标记物的来源，应用DNA阵列或蛋白质组分析技术，这些细胞会在针对不同环境因素进行应答时产生很大的变化。最容易按需得到充足数量的生物学样本是尿液或唾液(用非损伤性取样方法)，以及血清或淋巴液(用微创方法)。由于这些生物学体液基本上都缺少细胞(如mRNA、DNA)的，只有蛋白质和代谢物在分析时具有所需要的可靠性和灵敏度。

基因组学技术将改变食品面貌

毫无疑问，基因组学技术将彻底改变食品科学研究的面貌。各种表达谱工具已经在食品生物技术和微生物学等领域中得到应用，但目前还只是在细胞培养和实验室动物研究中用来开发执行特定功能的补养品或食品产品(称为功能食品)，包括新的转基因植物品种。但是，由于人们日益需要用功能食品来维护有科学根据的健康状况，基因组学平台和生物标记物-表达谱分析技术同样有必要应用于人体研究。产品开发应该以科学数据和可靠的生物学证据为指导，这些数据和证据可能来源于愈来愈复杂的生物学模型，直到最终包括人体介入研究。一些国家的专家委员会和食品学权威都同意：功能食品的开发及其安全性评估，应该在逐例进行的基础上、在良好的实验设计指导下进行。科学证据将在总体上最终使整个食品科学界达成这样的共识：某种食品或某种食品成分与某种所要求的健康效益之间的联系是可以实证的。基于此，功能食品时代(functional food era)的产品开发需要应用基因组学技术，因为它们可对某种营养素、某种混合营养剂…或某种复合食品的生物学功能提供综合分析，不但针对各种靶向生物化学过程，而且可以在总体安全性评估中识别出不需要的副作用。

基因组-食品间相互作用是人体基因组与其环境之间相互作用的范例。营养和食品科学正在步入基因组学时代，各种营养素和其他食品成分日益明显地成为改变基因转录、蛋白质水平和功能，以及代谢组的关键性因素，而代谢组最终会在特定的基因组基础上转化成为健康或疾病状态。遗传信息和具有高通量能力的新技术将为营养和食品研究提供新的工具。利用表达阵列、蛋白质组分析和代谢物表达谱技术，可以集合有关哺乳动物类生物体应答饮食改变和应答食品中各种营养素和非营养素性成分的知识。正在涌现中的技术如二维磁共振成像技术，也是可以应用的。所有这些技术能使代谢标记物得以鉴定，从而指导对人体健康状态的评估，并为食品对人体代谢产生的影响提供测量手段。

在开发有益健康的功能食品，以及特异地靶向某个代谢过程以减缓疾病发展和减少疾病风险方面，代谢-标记物表达谱技术需要以可以证明的方式指导产品开发。目前，已可以将这些新技术应用于针对特定基因型人群的人体介入试验和大规模队列研究。尽管这些研究单调沉闷、花费很大，但是，在所有发达国家，由于不健康的生活方式、营养过度和缺乏锻炼而导致的肥胖症、Ⅱ型糖尿病、心血管疾病和癌症健康的问题迅速发展，分子营养和食品科学，或者称为营养基因组学的研究，理应成为学术界和产业界协同一致的行动。