英国研究者用转基因植物生成ω- 3脂肪酸

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英国研究者用转基因植物生成ω- 3脂肪酸
  
导读：ω-3脂肪酸被称为人体健康的守护神，多项研究表明，ω-3脂肪酸具有抗炎症、抗血栓形成、降低血脂、预防抑郁、甚至抗癌的特性。英国研究人员通过转基因的手段，让油料作物亚麻荠成功生成品质可与鱼油相媲美的ω-3脂肪酸，为弥补鱼油资源的不足提供了一种有效的替代方法。
自从上世纪七十年代，科学家发现生活在格陵兰岛的爱斯基摩人很少患心血管疾病开始，人们对ω-3脂肪酸的研究开始逐步深入。ω-3脂肪酸被称为人体健康的守护神，多项研究表明，ω-3脂肪酸具有抗炎症、抗血栓形成、降低血脂、预防抑郁、甚至抗癌的特性。但ω-3脂肪酸不能在人体内自身合成，必须从食物中获得。而富含ω-3脂肪酸的食物主要以鱼类为主，来源有限。近日，英国一项新研究有望解决这一问题。英国洛桑研究所（Rothamsted Research）的研究人员通过转基因的手段，让油料作物亚麻荠成功生成品质可与鱼油相媲美的ω-3脂肪酸，为弥补鱼油资源的不足提供了一种有效的替代方法。
ω-3脂肪酸及其作用简介
ω-3脂肪酸（omega-3 fatty acids）是一类脂肪酸，其成份为来源于鱼类动物的二十碳五烯酸（Eicosapen taenoic acid，简称EPA，含5个不饱和键）和二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic acid，简称DHA，含6个不饱和键），二者含不饱和键较多，有较强的调整血脂作用，可用于治疗高脂蛋白血症、动脉粥样硬化、冠心病等。
ω-3脂肪酸具有降血压和降低胆固醇的功能，特别是鱼油的ω-3脂肪酸效果更好，因为鱼油能使甘油三酯降低20%-50%。ω-3脂肪酸能够保护心血管健康，降低心血管疾病发病率和死亡率，心脏病后的患者如果适当补充ω-3脂肪酸，能减少再度发病的风险。每周吃鱼一至两次能显著降低患中风的危险，也是与其中含有ω-3脂肪酸有关。
ω-3脂肪酸对于类风湿性关节炎也有作用，科学家经过大量研究发现，ω-3脂肪酸能使关节僵硬和关节疼痛症状得到缓解，还能促进抗炎药物的疗效。
ω-3脂肪酸具有扩张血管及抗血栓形成作用，作用机制被认为：（1）促进中性或酸性胆固醇自粪排出，抑制肝内脂质及脂蛋白合成，能降低血浆中胆固醇、甘油三酯、LDL（低密度脂蛋白）、VLDL（超级低密度脂蛋白），增加HDL（高密度脂蛋白）；（2）参与花生四烯酸（Eicosatetraeonic acid）代谢，生成前列腺素类化合物PGI3及TXA3。花生四烯酸的代谢物为前列环素（PGI2）和血栓素（TXA2）；PGI2可舒张血管及抗血小板聚集、防止血栓形成；TXA2则可使血管痉挛、促进血小板聚集和血栓形成。PGI3的作用与PGI2相同；但TXA3却不具TXA2的作用。因此EPA和DHA具有舒张血管、抗血小板聚集和抗血栓作用。
另外，ω-3脂肪酸还具有抗癌作用，ω-3脂肪酸能够增加一些抗癌药物的细胞毒性。在几种结肠癌细胞系中，ω-3脂肪酸联合5-氟尿嘧啶可以增加其抑制生长的作用。有研究表明，EPA和DHA可以增加肿瘤对放射治疗的敏感性，减少放疗导致的黏膜和上皮损伤。体内试验还证实，ω-3脂肪酸与ω-6脂肪酸相比有更显著的抑癌优势。通过羧化酶Ⅱ下调EPA的合成可以减少肿瘤血管生成、炎症以及肿瘤转移。ω-3脂肪酸可以与化疗或放疗产生协同作用，从而通过增加氧化应激来杀死肿瘤细胞。 除此之外ω-3脂肪酸对于预防抑郁、骨质疏松，促进胎儿健康发育等方面也具有良好的效果。在此就不再赘述，一一列举。
ω-3脂肪酸来源局限性
尽管ω-3脂肪酸对健康有益，但是其来源主要是以鱼类为主，包括海产的野生鱼类和人工养殖的鱼类，由于资源单一，而且受地域限制的局限性，供需矛盾日趋凸现。
部分陆生植物含有α-亚麻酸(Alpha Linolenic Acid，简称ALA) ，可以在人体内转化为ω-3脂肪酸，但是它们也有几个问题存在：
陆生植物的ALA主要存在于核桃、亚麻籽油和紫苏油中，其它如大豆油，巴马火麻油，苏子油，小麦胚芽油、卡诺拉油、菜籽油、橄榄油等其中ALA含量一般较低。
虽然某些陆生植物果实中含有一定量的ALA，但是这些食物热量很高，不可过量食用。
对于ALA应用来说，不是ALA纯度越高越好，一般作为预防和辅助治疗，其含量最好在75%左右即可，这是因为经过分离富集的脂肪酸中含有亚油酸，ALA与亚油酸的比例应维持在4~5∶1。过分纯净的ALA大部分用于临床医学，作为一种特殊需要的药物使用，而未经提纯的一般油脂，由于其饱和脂肪酸和重金属的含量较高，不应作为补充ALA的来源。
植物来源的ω- 3脂肪酸（如亚麻籽）并不生产EPA和DHA;相反,它们生产一些短链的ω-3脂肪酸如ALA。ALA与EPA和DHA有关，但是还混在一起否对健康有益尚有争议（详见Crop plants - \"green factories\" for fish oils）。
动物来源的ω-3脂肪酸主要是鱼类摄取藻类光合生物之后，在自己体内积累于鱼油之中，而陆生食物中的ω-3脂肪酸不仅含量少，加工过程或者受其他添加剂的影响会使仅有的少量ω-3脂肪酸遭到破坏，即使食用也难以达到足以防病治病的有效浓度。
这就是为什么鱼油资源供不应求的原因所在。任何开发新型鱼油替代源已经迫在眉睫，而且引起科学家的高度关注，转基因可以为此助一臂之力。
转基因亚麻荠直接形成ω-3脂肪酸
据《科学家》（The Scientist）杂志网站2014年1月3日报道，英国洛桑研究所（Rothamsted Research，由英国生物技术与生物科学研究委员会（BBSRC）创办）生物化学和作物保护研究室的科学家，确定了一组亚麻荠（Camelina sativa）调控合成其籽油料中ω-3脂肪酸的基因，通过转基因亚麻荠来直接实现ω-3脂肪酸的生物合成已经获得成功。相关研究发表在2013年12月6日的《植物学报》（The Plant Journal）上。
目前，研究人员已经培育出一种转基因植物，这种植物可以生产ω-3长链多不饱和脂肪酸,其中碳原子数大于或者等于20，此类ω-3脂肪酸简称为ω-3 LC-PUFAs,此类脂肪酸对于正常代谢是至关重要的。
在论文中，研究人员描述了在亚麻荠（Camelina sativa）籽油料中调节ω-3脂肪酸合成的一组基因。随着这些基因的直接表达,转基因亚麻荠（transgenic Camelina sativa）产生ω-3脂肪酸水平可以与鱼油相比美,这种转基因油料作物代表了一种可持续的、陆地可以生长的ω-3脂肪酸来源,不失为一种弥补鱼油资源的不足有效替代源。
合作者Olga Sayanova博士在2013年11月中旬发表的一份声明中谈到，我们不得不彻底弄明白植物种子中的油品合成的基本过程，其目的就在于在搞清楚基本原理的基础上，重建亚麻荠属植物种子中EPA和DHA的合成。洛桑研究所的科学家已经通过转基因技术使亚麻荠（Camelina sativa）籽油料中可以产生12%的EPA和14%的DHA，其含量非常类似于鱼油中发现的EPA和DHA含量。ω-3 LC-PUFAs对健康有益的是EPA和DHA。它们既可以调节代谢和免疫过程，而且对于心血管疾病康复和神经发育有益。

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Olga Sayanova博士就转基因亚麻荠这项研究工作谈到，他们是将一种富含ALA的植物作为研究的起点,进行重建目的就在于使其生产含有较高比例EPA和DHA的ω-3油品。确定了海藻和其他海洋生物光合作用产生对于人体健康有益的油类所需的必要的基因，然后将其组装在一起并引入亚麻荠属植物。在首例试验中，他们引入了五个基因，得到的亚麻荠籽油中EPA的平均含量为24%。然后他们又引入了七个基因，在这种情况下亚麻荠籽油中DHA和EPA的平均含量分别为8%和11%。当然研究人员已经通过转基因使亚麻荠籽油中DHA和EPA的百分比分别达到14%和12%。转基因植物亚麻荠籽油中DHA和EPA的平均累积含量可以与鱼油中DHA和EPA的含量相比拟，使转基因亚麻荠可以直接产生在陆生植物油中包含DHA和EPA特别少，甚至不含有DHA和EPA的自然现象彻底得到改观。
洛桑研究所此项目的首席科学家Johnathan Napier教授认为：“此结果使人感到非常兴奋,我们已经想方设法在培育一种植物，使其可以成为一种陆生植物，但是又可持续性的提供类似于鱼油的油品资源，这一成就可以使人们实现健康梦，而又不会对环境造成危害，真可谓具有一箭双雕之功效。科学的伟大之处就在于当人们真正认识和掌握了其中的奥妙之后，利用其造福于人类就会变得轻而易举。”
延伸阅读：利用硅藻积累EPA和DHA
除了用转基因亚麻荠直接形成ω-3脂肪酸外，洛桑研究所研究人员还尝试从藻类入手，利用硅藻积累EPA和DHA。
硅藻是一类种类繁多的低等植物，约1.1万余种。在海洋中硅藻的种类最多，淡水和潮湿的土壤也不少。据估测每立方厘米土壤中有羽纹藻约1亿个。硅藻种间个体差异大，小者3.5 μm，大者300-600 μm。硅藻的身体虽然只有一个细胞，但是海洋微藻和硅藻都是EPA和DHA的初级生产者。因为ω- LC-PUFAs已被证实对人体健康有益，因此对于这些高价值的脂肪酸的需求量在不断增加，而海洋微藻的培养是这些油料资源的来源之一。但是，目前还没有一种藻类可以积累高浓度EPA和DHA。
硅藻三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）自然积累高水平的EPA，被认为是工业生产一个好来源。然而,它积累的DHA微乎其微。洛桑研究所的科学家利用代谢工程和基因工程，首次证明可以实现三角褐指藻中DHA含量增加八倍，此项研究成果已经在《代谢工程》（Metabolic Engineering）杂志发表。
Olga Sayanova博士说他们已经能够将两种来自海洋真核微藻Ostreococcus taur基因用于硅藻（Phaeodactylum tricornutum）中，而且成功改变了硅藻中的ω-3类物质的含量。在硅藻中的egeens上成功的表达是前所未有的。Olga Sayanova博士领导的研究人员已经开发研究了多年,现在卓越的分子生物学工具使研究人员能够达到这样的基因改造。
在目前的研究中,他们已经成功地开发了硅藻的一个变种，既可以积累EPA也可以积累DHA。自然硅藻可以产生大约35%左右的EPA，但是DHA在总油中的含量微乎其微。研究人员开发的转基因硅藻变种可以将一部分的EPA转化为DHA。因此，他们已经成功地形成了首例转基因硅藻，可以同时合成ω-3 LC-PUFAs中最有价值的2种物质即EPA和DHA。
洛桑研究所正在领导代谢工程研究小组的Johnathan Napier教授说道,“ω-3 LC-PUFAs替代源的需要变得越来越紧迫,我们应该调查所有可能的替代源。对于当前研究的结果我们感到非常兴奋,因为它将大大有助于建立硅藻即三角褐指藻作为藻合成生物学生产高附加值油品的框架。”