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1 营养基因组学及其个性化健康评估 张咸宁 Tel: ; Office: C303, Teaching Building 2017/03

2 祁鸣, 朱心强译. 营养基因组学 : 发现通往个性化营养的途径. 浙江大学出版社,2011.

3 What is food for one, is to others bitter poison (Lucretius)

4 Favism 蚕豆病 : 因食入新鲜蚕豆所致急性溶血, 以目微黄, 尿如浓红茶或甚至如酱油, 全身不适, 疲倦乏力, 畏寒发热, 头晕头痛, 厌食, 恶心呕吐, 腹痛, 甚则面色苍白, 心悸, 烦躁, 神呆, 少尿, 脉细弱等为主要表现的黄疸病 G6PD 缺乏症

5 Nutrition is the process that offers different substances to an organism that can work as energy supplier (carbohydrate and fat), as cell structure sources (proteins), and on metabolism control (vitamins and minerals), thus maintaining its homeostasis 稳态 The nutritional state of an individual is the result of the interaction between various factors, such as genetic background, physical body, and emotional and social state. Diet is a key role factor, once those nutrients and other bioactive compounds present in food can either be beneficial or initiate several diseases Among the illnesses related to food consumption, there are the celiac disease 乳糜泻, phenylketonuria 苯酮尿症, and NTCDs (nontransmissible chromic diseases), such as cancer 癌症, diabetes 糖尿病, and dislipidemias 血脂异常

6 Nutrigenomics (Nutritional genomics): the study of how food and components of food affect gene expression The study of the interactions between our genetic makeup and the foods we consume, and the health outcomes that may occur 营养基因组学 : 研究食物如何影响个体的遗传信息的表达, 以及个体的基因组成是如何代谢营养物质 生物活性物质并对它们做出何种反应

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9 The goal of nutritional genomics to provide a platform from which a dietary regimen( 饮食养生 )can be tailored to affect individual genetic profiles( 遗传概貌 ), potentially increasing the risk of developing a chronic disease( 慢性疾病 ) or cancer, with the expectation that the onset( 发病 )of these conditions( 疾病 ) may be delayed( 延迟 ) or prevented( 预防 ) if intervention( 干预 ) occurs early enough

10 营养基因组学的 5 项基本原则 普通膳食中的化学成分直接或间接地对人类基因组有所影响, 会改变基因的表达或基因的结构 在某些特殊环境, 或对于某些特定的个体, 膳食可能是一系列疾病的潜在威胁因素 一些膳食调控基因 ( 以及正常或常见的变异 ) 可能在慢性疾病的发生 进展和严重程度中发挥作用 膳食对健康和疾病状态之间平衡关系的影响程度可能与个体的遗传背景有关 建立在营养需求 营养状态以及基因型 ( 即 个体化营养 ) 基础上的膳食干预治疗, 可用于预防 减轻或治愈慢性疾病

11 人体 :~10 14 个细胞 (Cell types: >200),46 条染色体,~ 2 万个基因,31 亿个碱基对

12 General organization of human genome

13 蛋白质编码基因 ( 结构基因 ): 长链非编码 RNA(lncRNA):>200 bp 短链非编码 RNA(short ncrna):~22 bp, 包括 sirna mirna 假基因 : 基因组中存在的一段与正常基因非常相似但不能表达的 DNA 序列 包括加工过的 非加工过的

14 疾病是细胞病变的反映 所有的疾病发生都与遗传物质 (DNA) 的直接或间接变化相关!

15 Conservation vs. Variation 99.9% similar between individuals 0.1% differences has functional consequences

16 食物吸收和代谢 药效的不同是由于个体间的基因差异造成的 而这种基因差异的实质, 就是单核苷酸多态性 (SNP), 即个体基因组 DNA 序列上任一位置的单个碱基差异 ( 点突变 ) 从遗传学角度可以比较容易地看清这一问题, 即在地球上几乎找不到 2 个一模一样的人 个性化营养 personalized nutrition 个性化医疗 personalized medicine 精准医学 precision medicine

17 人类遗传病划分为 5 类 1. 单基因病 : 由单基因突变所致 可发生于两条染色体中的一条, 由此所引起的疾病呈常染色体 ( 或性染色体 ) 显性遗传 ; 也可同时存在于两条染色体上, 由此所引起的疾病呈常染色体 ( 或性染色体 ) 隐性遗传 2. 多基因病 : 多个基因 + 环境因素 3. 染色体病 : 指染色体结构或数目异常 4. 体细胞遗传病 : 只在特异的体细胞中发生 包括恶性肿瘤 白血病 自身免疫缺陷病以及衰老等 5. 线粒体遗传病 : 线粒体是细胞的 能量工厂, 是除细胞核之外唯一含有 DNA 的细胞器 线粒体遗传病是由线粒体 DNA 缺陷 功能障碍等线粒体异常所引起的疾病

18 OMIM 为 Online Mendelian Inheritance in Man 的简称, 意即 在线 人类孟德尔遗传 或 网上 人类孟德尔遗传 美国 Johns Hopkins 大学医学院 Victor A McKusick 教授被尊称为 医学遗传学之父, 由他主编的 人类孟德尔遗传 (MIM) 一书, 一直是医学遗传学最权威的百科全书和数据库

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20 G-6-PD 缺乏症 ----favism Worldwide: 我国主要分布在黄河流域以南各省, 尤以广东 广西 贵州 云南 四川等发病率较高, 约为 5%-20% XR(X- 连锁隐性遗传 ) Xq28 G6PD 缺乏症除作为某些药物性溶血的遗传基础外, 还是蚕豆病 某些新生儿黄疸 感染性溶血 ( 如病毒性肝炎 流感 大叶性肺炎 伤寒 腮腺炎等 ) 发生的遗传性背景

21 红细胞中糖代谢主要通过无氧酵解进行, 但也有少量是通过戊糖旁路进行 G6PD 在红细胞戊糖代谢中有重要作用, 正常时它可脱下 6- 磷酸葡萄糖的氢, 经辅酶 Ⅱ 传递给谷胱甘肽 (GSH) GSH 有保护血红蛋白 ( 巯基 ) 免受氧化的作用 因为机体在氧化还原反应过程中或在氧化剂药物的作用下产生的少量过氧化氢会在谷胱甘肽过氧化物酶 (GSHpX) 的催化下使 GSH 通过下述反应消除过氧化氢的毒性作用

22 单基因病 ( 孟德尔病 ) 的分类 Patterns of autosomal dominant inheritance (AD) 常染色体显性 Patterns of autosomal recessive inheritance (AR) 常染色体隐性 Patterns of X-linked recessive inheritance (XR) X- 连锁隐性 Patterns of X-linked dominant inheritance (XD) X- 连锁显性 Patterns of Y-linked inheritance Y- 连锁

23 Proband 先证者

24 常染色体显性遗传病 (AD)

25 常染色体显性遗传病 (AD) (1) 由于致病基因位于常染色体上, 因而致病基因的遗传与性别无关, 即男女患病的机会均等 ; (2) 患者的双亲中必有一个为患者, 但绝大多数为杂合子, 患者的同胞中约有 1/2 的可能性为患者 ; (3) 系谱中, 可见本病的连续传递, 即通常连续几代都可以看到患者 ; (4) 双亲无病时, 子女一般不会患病 ( 除非发生新的基因突变 )

26 常染色体显性遗传病 (AD)

27 常染色体显性 (AD) 遗传病 Huntington 舞蹈症 Marfan 综合征家族性高胆固醇血症 : 避免高胆固醇的摄入! 短指 ( 趾 ) 症 A1 型成年多囊肾强直性肌营养不良神经纤维瘤多发性家族性结肠息肉症

28 常染色体隐性遗传病 (AR)

29 常染色体隐性遗传病 (AR) (1) 由于基因位于常染色体上, 所以它的发生与性别无关, 男女发病机会相等 ; (2) 系谱中患者的分布往往是散发的, 通常看不到连续传递现象, 有时在整个系谱中甚至只有先证者一个患者 ; (3) 患者的双亲表型往往正常, 但都是致病基因的携带者, 此时患儿出生的可能性约占 1/4, 患儿的正常同胞中有 2/3 的可能性为携带者 (4) 近亲婚配时, 子女中隐性遗传病的发病率要比非近亲婚配者高得多 这是由于他们来自共同的祖先, 往往具有某种共同的基因

30 常染色体隐性遗传病 (AR)

31 常染色体隐性遗传病 (AR) 镰状红细胞贫血苯丙酮尿症 (PKU): 终身食用低含量苯丙氨酸的奶粉! 肝豆状核变性 (Wilson 病 ): 避免高铜含量的饮食 ; 每日排铜! 囊性纤维化白化症 I 型脊髓性肌萎缩

32 脊髓性肌萎缩症 (SMA) 常染色体隐性遗传性进行性运动神经元病 患儿在新生儿中约占 1/10 000, 致病基因携带者约占 1/50 SMA1: (1) <6m 起病 (2) 自主活动减少, 屈颈 抬头乏力, 四肢近端无力, 该型患儿无法独坐, 严重者吸吮及吞咽困难 (3) 肌张力低 (4) 腱反射降低或消失 (5) 可见舌肌萎缩 束颤 (6) 感觉正常, 智力发育正常 (7) 病情进展迅速, 常因肺部感染死亡

33 X- 连锁隐性遗传病 (XR)

34 X- 连锁隐性遗传病 (XR) (1) 人群中男性患者远较女性患者多, 系谱中往往只有男性患者 ; (2) 双亲无病时, 儿子可能发病, 女儿则不会发病 ; 儿子如果发病, 母亲肯定是一个携带者, 女儿也有 1/2 的可能性为携带者 ; (3) 男性患者的兄弟 外祖父 舅父 姨表兄弟 外甥 外孙等也有可能是患者 ; (4) 如果女性是一患者, 其父亲一定也是患者, 母亲一定是携带者

35 X- 连锁隐性遗传病 (XR)

36 X- 连锁隐性遗传病 (XR) Duchenne 肌营养不良 (DMD) 红绿色盲 G-6-PD 缺乏症 : 避免食用蚕豆和磺胺类药物! 血友病 A Hunter 综合征 ( 粘多糖累积症 II 型 )

37 DMD : Gowers 动作

38 X- 连锁显性遗传病 (XD)

39 X- 连锁显性遗传病 (XD) (1) 人群中女性患者比男性患者约多一倍, 前者病情常较轻 ; (2) 患者的双亲中必有一名是本病患者 ; (3) 男性患者的女儿全部为患者, 儿子全部正常 ; (4) 女性患者 ( 杂合子 ) 的子女中各有 50% 的可能性是本病的患者 ; (5) 系谱中常可看到连续传递现象, 这点与常染色体显性遗传一致

40 X- 连锁显性遗传病 (XD)

41 X- 连锁显性遗传病 (XD) 抗维生素 D 佝偻病 : 肾小管对磷酸盐 的回吸收障碍

42 抗维生素 D 佝偻病

43 Y- 连锁遗传 : 全男性遗传 如 外耳道多毛症

44 外耳道多毛症

45 线粒体基因病 :Leber 视神经萎缩 患者多在 18~20 岁发病, 男性较多见, 个体细胞中突变 mtdna 超过 96% 时发病, 少于 80% 时男性患者症状不明显 临床表现为双侧视神经严重萎缩引起的急性或亚急性双侧中央视力丧失, 可伴有神经 心血管 骨骼肌等系统异常, 如头痛 癫痫及心律失常等

46 mtdna 的遗传特征 母系遗传

47 常见的多基因疾病 近视 : 注意饮食! 高血压 : 注意饮食! 糖尿病 : 注意饮食! 精神分裂症 哮喘 : 注意饮食! 心脏病 : 注意饮食!

48 易感性 (susceptibility) 特指由遗传因素决定的患病风险, 仅代表个体所含有的遗传因素 ; 但在一定的环境条件下, 易感性高低可代表易患性高低

49 染色体结构畸变与染色体病 缺失 (deletion) 重复 (duplication) 倒位 (inversion) 臂内倒位 臂间倒位 易位 (translocation) 相互易位 罗伯逊易位 插入易位 环状染色体 (ring chromosome) 双着丝粒染色体 (dicentric chromosome) 等臂染色体 (isochromosome) 插入 (insertion)

50 染色体数目变异与染色体病 : Down 综合征

51 表观遗传 (epigenetic inheritance): 通过有 丝分裂或减数分裂来传递非 DNA 序列信息的现象 表观遗传学 (epigenetics): 研究不涉及 DNA 序列 OR 改变的基因表达和调控的可遗传变化的学科 研究从基因演绎为表型的过程和机制的遗传学分支 学科 Epigenome refers to the epigenetic state of a cell.

52 表观遗传现象 / 修饰 DNA 甲基化 (DNA methylation) 组蛋白修饰 (histone modification) 染色质重塑 (chromatin remodeling) 基因组印记 (genomic imprinting) X 染色体失活 (X chromosome inactivation) RNA 相关沉默 (RNA interference 等 ) 副突变 (paramutation) 位置效应斑 (position effect variegation) 组蛋白密码 (histone code) RNA 编辑 (RNA editing)

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54 代谢组学 Metabonomics 系统研究代谢过程中小分子代谢产物的变化规律, 揭示生命体代谢活动本质的一门学科

55 代谢组学的目标 评估营养状况, 包括必需和非必需营养素和它们的内源性代谢的效应 追踪膳食干预的依从性 进展和成功完成 鉴定不良反应和预料之外的代谢反应, 或对特殊膳食干预的无应答 发现由于环境改变, 生活方式的调整, 及正常的衰老和成熟进程所带来的代谢改变 预测个体的代谢轨迹, 预测可能发生的干预代谢结果或干预失败 评估代谢压力 探索代谢状态范围, 方便个人测定自身最佳的健康潜力

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