“民以食为天”这一古老东方谚语最早可追溯至西汉时期,由司马迁在《史记》中首次提出。西方亦有类似谚语“You are what you eat”,意在强调饮食对人体健康与性格的深远影响[1]。我国悠久的饮食文化与中医药膳体系被视作现代营养学的雏形,孕育了“药食同源”的独到食品营养学理念。这一理念不仅体现了食品与药物在起源上的紧密联系,更彰显了二者在功能上的高度共识。然而,随着近代食品工业化与药物开发的迅猛崛起,食品与药物逐渐分化,形成了各自固有的壁垒。合成药物在疾病治疗中发挥着关键作用,但同时也可能引发耐药性问题及诸多不良反应,例如抗生素耐药性的显著增加以及药物引起的各类不良反应[2-3]。与此相对,天然活性分子,尤其是食药物质中的功能因子,提供了一种更为温和且安全的替代方案[4]。尽管这些天然活性分子在长期使用中已被证实具有显著功效,但其作用靶点与机制尚未得到充分解析,缺乏直接的靶向证据[5]。因此,深入探究食物中功能因子如何精准地与机体内的靶点(如生物大分子中的蛋白质)相互作用,以及这些相互作用如何进一步影响细胞功能与信号传导,仍是当前研究领域面临的重大挑战。

化学生物学作为一门新兴的交叉学科,通过化学方法与技术解决生命科学中的复杂问题,尤其在揭示活性分子的作用靶点与作用机制方面展现出显著优势[6]。基于化学蛋白质组学技术揭示天然产物的靶点与分子机制,已在诸多研究中得到广泛应用[7]。然而,目前此类技术主要受到药学领域的青睐,尚未被分子营养学等相关领域的研究者充分采用。

本文主要阐述了近年来在靶点挖掘中常用的技术手段,以及利用化学生物学开展的分子机制研究;并提出了“食品营养化学生物学”的学科概念,旨在推动化学生物学中靶点挖掘技术在食品营养研究领域的应用,加速食源性功能因子的分子机制研究,进一步促进食品营养科学迈向微观、分子水平发展。

1 食药物质概述

食药物质,指传统作为食品,且列入《中华人民共和国药典》的物质。该类兼具食品和药品双重属性的天然物质,不仅能提供生命活动所需的营养素,还在人类健康领域中扮演着极为重要的角色,是传统医学与现代健康理念相结合的产物。截至2025年7月,食药物质的种类已扩大至106种,包括2002年首批确定的丁香、八角、茴香等87种;2019年新增的当归、山柰、西红花(又称“藏红花”)、草果、姜黄、荜茇等6种;2023年新增的党参、肉苁蓉(荒漠)、铁皮石斛、西洋参、黄芪、灵芝、山茱萸、天麻、杜仲叶等9种;以及2024年新增的地黄、麦冬、天冬、化橘红等4种[8-9]。

食药物质的明确药理作用及较低的副作用为疾病的治疗提供了新视角和潜在治疗策略。相较于化学药物具有更低的毒性副作用,食药物质对肝脏和肾脏等器官的损害更小,还能避免对胃肠道的刺激[10]。例如,山楂、金银花以及生姜等食物具有抗菌、抗炎和抗氧化等作用,相较乙酰水杨酸与布洛芬等药物具有更低的副作用与过敏反应[11-14]。黄芪及其产品可以用于癌症的治疗,减少化疗的副作用[15]。尽管在功能特性方面已经得到了确证,但较多食药物质的靶点仍缺乏直接的证据,导致临床转化时往往面临许多障碍[4]。因此,现阶段的研究重点陆续关注食药物质中活性分子的靶点挖掘,并进一步解析其作用机制。这不仅有利于对食药物质的开发应用,还能助力新药研发及新机制的发掘[16]。

2 常见的靶点挖掘技术

靶点挖掘与小分子探针的开发是实现疾病机制解析和药物研发的关键环节,旨在识别和验证与疾病相关的生物分子,并深入研究这些靶点的生物学功能和作用机制。近年来,随着生物技术的飞速发展,多种前沿技术被广泛应用于靶点挖掘,主要包括依赖化学修饰的标记法(引入生物素或点击反应基团构建探针)和无需化学修饰的非标记法(通过靶蛋白的热稳定性、氧化速率等性质差异鉴定等)[17]。

2.1 生物素-链霉亲和素系统介导的靶点挖掘技术

使用小分子进行亲和层析技术是化学蛋白质组学中重要的靶点识别方法,其核心流程为:将小分子药物或天然产物通过化学修饰引入活性基团,共价固定于固相载体(如磁珠),与细胞裂解液孵育后捕获靶蛋白,经洗涤去除非特异性结合物,最终通过酶切或变性释放目标蛋白并借助液相色谱串联质谱联用(liquid chromatography tandem-mass spectrometry,LC-MS/MS)鉴定[18]。该技术优势在于操作简便、样本适应性强,尤其适用于高亲和力小分子体系,通过优化磁珠材料与洗脱策略可提升特异性,能避免探针与载体在孵育过程中因非共价作用(如静电引力、氢键)脱落,从而减少对靶蛋白捕获的干扰。此外,结合定量蛋白质组学[如氨基酸稳定同位素标记(stable isotope labeling by amino acids in cell culture, SILAC)技术和串联质量标记(tandem mass tag, TMT)技术]还能提高结果可信度,适用于复杂基质(如组织裂解液)[19-20]。但仍需注意其局限性:小分子修饰可能破坏原始构象与活性,需引入柔性连接臂减少空间位阻,且对弱可逆性或隐蔽结合位点的靶蛋白捕获效率较低。

生物素标记技术是基于生物素与链霉亲和素之间超高亲和力的高特异性靶标富集技术。其基本流程为:在小分子探针结构中引入生物素基团(通常通过柔性链连接),使其在与靶蛋白结合后可借助链霉亲和素包被的磁珠或亲和柱实现高效富集[7]。随后,通过洗涤剔除非特异结合蛋白,富集产物可通过免疫印迹(Western blot, WB)和LC-MS/MS进行定性与定量分析。该技术因其反应体系温和、标签体积小、结合力强而成为最常用的探针捕获手段之一,尤其适合低丰度蛋白或弱信号系统中靶点的富集和鉴定。相比传统共价固定方法,生物素标记探针可在游离状态下与蛋白充分结合,极大地提升结合效率。但该方法同样存在限制,例如标记位点设计需精确,避免影响药物-靶点结合界面;复合物解离所需条件严苛,可能影响后续的质谱分析。此外,亲和素体系较容易富集某些背景蛋白,需借助非标记对照或竞争实验排查假阳性。迄今,这一经典的亲和层析策略仍是靶标鉴定中不可或缺的常规手段[21-23]。

2.2 点击化学介导的活性导向蛋白谱学技术

点击化学(click chemistry)是一类以高选择性、高效率、温和条件著称的反应体系。近年来,点击化学在化学生物学领域,尤其是在靶点标记方面,得到了极为广泛的应用。由于其独特的反应特性和高度的生物兼容性,被视为“生物正交化学”(bioorthogonal chemistry)领域的经典范例[24]。其中,一价铜催化的叠氮-炔烃环加成反应[copper (Ⅰ)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition, CuAAC]是应用最为广泛的一种反应类型[25]。然而,铜离子的细胞毒性限制了CuAAC在活细胞内的直接应用。为此,应变促进的叠氮-炔环加成反应(strain-promoted azide-alkyne cycloaddition, SPAAC)被开发,该反应通过环辛炔衍生物与叠氮反应形成稳定的三唑结构,无需金属催化剂,更适用于活细胞内的靶点标记[26]。点击化学在实际应用中多采用“两步法”策略:第一步,含炔基或叠氮基的小分子探针进入细胞,与靶蛋白结合;第二步,加入含有互补基团(如叠氮或炔基)的功能标签分子(如生物素或荧光染料),在点击反应条件下快速完成共价偶联。通过将炔基引入小分子探针,在与靶蛋白结合后,再引入带有叠氮基的荧光或亲和标签分子,实现探针-靶蛋白复合物的高效共价连接,进而实现标记、富集或成像。该方法又称为活性导向蛋白谱学技术(activity-based protein profiling, ABPP),相比传统共价固定策略具有更高的结构兼容性和反应效率,尤其适用于构象敏感或空间位阻大的小分子体系[27]。点击化学的主要优势包括:标签设计灵活、反应速率快、特异性强、操作简便,适用于蛋白质共定位成像、蛋白质组广谱标记等研究领域。作为ABPP的核心技术之一,点击化学已成为构建多功能化学探针平台的重要工具[28]。

对于一些与蛋白靶标亲和力较低的活性分子,通常会进一步引入光亲和标记(photoaffinity labeling, PAL)技术,PAL是一种基于光激活化学反应实现靶点识别的共价标记策略,特别适用于捕捉可逆性强、瞬时存在或亲和力较低的蛋白靶标[29]。该技术通过在光照条件下诱导探针与其靶标之间形成不可逆的共价键,从而稳定复合物并实现后续的富集与鉴定。经典的光亲和基团包括二苯甲酮(benzophenone)、芳基叠氮(aryl azide)、双吖丙啶(diazirine)等,在紫外光(一般为254～365 nm)照射下可生成高活性的中间体(如卡宾等)[30]。结合点击化学反应,可进一步增强标签引入的灵活性和检测灵敏度,提高整体实验效率和特异性[31]。然而,ABPP技术仍存在一定局限性:1)细胞内丰度较低或与探针结合较弱的蛋白难以识别;2)非特异性结合可能产生较多假阳性干扰;3)修饰的探针分子可能会影响其原有的生物活性和作用机制。

2.3 基于酶敏感性的靶点挖掘技术

药物亲和响应靶标稳定性(drug affinity responsive target stability,DARTS)技术是一种无需任何化学修饰即可实现靶标识别的方法[32]。该技术基于小分子与蛋白质结合后能够增强蛋白质结构稳定性的原理,特别适用于药物研发的早期筛选阶段,以及难以进行化学修饰的天然产物。DARTS技术的主要优势在于无需设计探针或引入标签,操作简便且成本较低,适合中高通量筛选及条件优化实验[33]。通过比较小分子处理组与对照组中蛋白对酶解的敏感性差异,可以推测潜在的结合靶点。标准实验流程包括以下步骤:首先,将候选小分子与细胞裂解液共孵育,使其与潜在靶蛋白结合;随后加入限制量的非特异性蛋白酶(如蛋白酶K或热蛋白酶),在特定时间和温度下进行部分酶解处理;最后通过WB或LC-MS/MS检测蛋白残留量,筛选在处理组中显著稳定的蛋白作为候选靶点。然而,DARTS技术也存在一些局限性。例如,蛋白酶的酶解条件需要精确控制,否则可能影响实验结果的准确性。此外,实验的重复性相对较弱,复杂的背景可能干扰低丰度或膜结合蛋白的识别。部分蛋白因自身的构象或复合物状态对酶解具有天然抗性,也可能导致假阳性的出现。因此,在使用DARTS技术时,需要谨慎优化实验条件,并结合其他方法进行验证,以确保靶点识别的准确性和可靠性。基于相同的原理,有学者还开发了精确定位结合肽段的蛋白有限水解质谱(limited proteolysis-mass spectrometry,LIP-MS),可用于结合位点的鉴定[34]。

2.4 基于热稳定性的靶点挖掘技术

细胞热迁移分析(cellular thermal shift assay,CETSA)技术是一种基于蛋白质热稳定性变化的原位靶标验证技术,能够在不改变小分子结构的前提下,在细胞甚至组织水平上评估小分子与蛋白质的结合能力[35]。其原理基于蛋白质在升温过程中因结构展开而逐渐发生热变性与沉淀的现象,当小分子与其靶蛋白结合后,通常会提高蛋白质的构象稳定性,表现为热变性温度(melting point, Tm)的上升[36]。在细胞裂解液中加入已知可与这些蛋白结合的药物时,观察到显著的熔解曲线偏移。该方法可直接检测药物在活细胞中是否与靶点结合,并可用于分析小分子药物在裂解液甚至完整组织细胞中的作用效果。CETSA通过检测配体诱导的靶蛋白热稳定性变化来识别潜在靶点,即当药物与靶蛋白结合时,会改变该蛋白的热稳定性。然而,CETSA技术也存在一定的局限性。热稳定性变化依赖于蛋白本身的构象特性,并非所有蛋白结合小分子后都会出现可检测的Tm变化[37]。此外,实验对样本处理、温度控制、检测抗体特异性等要求较高,实验重复性与数据解释性需要结合充分优化的实验方案。

在CETSA的基础上,蛋白质组热稳定性分析(thermal proteome profiling, TPP)技术进一步拓展了基于热稳定性的靶标验证方法,使其能够在蛋白质组水平上进行全面分析[38]。TPP 技术通过监测细胞或组织中整个蛋白质组的热稳定性变化,提供了一种高通量、系统性的方法来研究小分子与蛋白质的相互作用。其核心原理与CETSA类似,均基于蛋白质在升温过程中因结构展开而逐渐发生热变性与沉淀的现象。当小分子与蛋白质结合后,通常会提高蛋白质的构象稳定性,从而改变其Tm。通过在不同温度下对细胞或组织样本进行加热处理,并利用LC-MS/MS检测蛋白质的热稳定性变化,TPP 技术能够系统地分析整个蛋白质组中与小分子结合的潜在靶蛋白。TPP 技术的优势在于高通量、保持原位的系统性研究,但也存在适用范围窄、实验操作及数据分析复杂的局限性。CETSA和TPP技术在靶标验证和药物作用机制研究中具有互补性。CETSA技术适用于在活细胞或组织中直接检测小分子与靶蛋白的结合,能够提供实时的生物学信息;而TPP技术则能够在蛋白质组水平上进行全面分析,揭示小分子对整个蛋白质组的影响[39]。

2.5 基于氧化速率的靶点挖掘技术

基于氧化速率的蛋白稳定性测试(stability of proteins from rates of oxidation, SPROX)是一种用于鉴定靶蛋白的创新方法[40]。该技术的核心原理是,蛋白质在结合底物后,在氧化环境中表现出更高的稳定性,因此需要更多的氧化剂才能将其氧化。通过比较不同复合物在氧化到相同程度时所需的氧化剂量,可以衡量蛋白质与底物分子之间的相互作用强度。基于SPROX的质谱分析能够精确检测蛋氨酸残基的氧化状态,即使在低丰度蛋白质中也能检测到显著变化。此外,该方法还可与SILAC和TMT等技术结合,从而提升蛋白质组覆盖率。然而,SPROX方法存在明显的局限性:必须通过检测含有甲硫氨酸的多肽来进行定量分析,这限制了其无偏见性以及进一步应用的范围。

2.6 其他靶点挖掘技术

2.6.1 色谱共洗脱靶标识别技术

色谱共洗脱靶标识别(target identification by chromatographic co-elution, TICC)技术是一种基于色谱分离原理的靶标筛选方法,通过监测小分子配体与蛋白质复合物在高效液相色谱(high-perfor-mance liquid chromatography, HPLC)中的洗脱行为来识别潜在的靶蛋白[41]。该技术的核心在于利用HPLC分离技术的高分辨率和特异性,检测配体与蛋白质结合后在色谱系统中的物理化学性质变化,再通过LC-MS/MS对洗脱组分中的蛋白质进行精确定性与定量分析。TICC技术尤其适用于食药物质等多组分体系的靶点挖掘,能够同时识别多个成分所作用的靶蛋白,具备强大的并行识别能力。然而,TICC技术过于依赖配体-蛋白复合物的稳定性,若复合物解离过快或蛋白易聚集,可能导致共洗脱信号模糊。

2.6.2 靶向反应可及性分析技术

靶向反应可及性分析(target-responsive accessibility profiling,TRAP)技术是一种新兴的原位蛋白质组学技术,无需对小分子进行结构修饰,即可识别小分子与蛋白质的相互作用靶标[42]。TRAP通过检测蛋白质构象变化所引起的氨基酸残基可及性差异,精准识别小分子的作用靶点。与DARTS和CETSA等以蛋白稳定性变化为基础的技术不同,TRAP 并不依赖蛋白整体热稳定性的改变,而是基于特定位点上赖氨酸可达性的精细化变化,因此在识别构象依赖性较强的蛋白(如酶类、转录因子、膜受体等)方面更具敏感性。TRAP尤其适合研究天然产物及结构复杂的小分子化合物,以及活细胞及组织样本,操作条件接近生理状态,有助于提升靶标识别的生物相关性和适用范围。然而,尽管TRAP具备广泛的适用性和较高的灵敏度,但仍存在实验条件敏感、结果解释复杂及依赖氨基酸标记等局限性。

2.6.3 以肽段为中心的蛋白局部稳定性探测技术

肽段为中心的蛋白局部稳定性探测(peptide-centric local stability assay, PELSA)技术是由中国科学院大连化学物理研究所于2024年报道的一种前沿靶点挖掘技术[43]。该技术基于配体结合可改变蛋白质的热力学稳定性,从而影响其蛋白水解敏感性的原理。PELSA 技术通过有限的蛋白水解方法,检测配体诱导的局部稳定性变化,能够在几个小时内完成样品制备和实验操作。PELSA 本质上检测的是配体诱导的局部稳定性变化,除了直接的配体结合位点外,任何发生稳定性改变的蛋白质区域都可以被 PELSA敏感捕获。然而,该技术的主要局限性也在于其对蛋白质局部稳定性变化的高度依赖,难以检测到那些结构高度稳定或变化不显著的蛋白质的信号变化。此外,对于膜蛋白和难溶性蛋白质的应用也可能受到限制。

各类靶点挖掘技术因原理与适用范围不同而各具优势,其机制及简明示意图汇总于图1。

3 靶点挖掘技术解析食药物质与食品功能因子作用机制的研究进展

作用靶点的鉴定是连接活性分子与功能表型的关键环节,对于阐明食药物质及食品功能因子的作用机制具有重要意义。近年来,随着化学生物学和分子生物学技术的飞速发展,靶点挖掘技术已成为揭示活性分子作用机制的重要工具。通过这些技术,研究人员能够识别和验证体内生物大分子靶点,从而深入理解活性分子在细胞和生物体内的功能。

3.1 靶点挖掘技术在揭示食药物质作用机制中的应用

上海交通大学团队在《Nature》上报道,葛根中的天然产物葛根素(puerarin)可以通过抑制迷走神经背核(dorsal motor nucleus of vagus,DMV)活性达到减少脂肪吸收的效果,并进一步通过PAL-ABPP技术揭示了葛根素通过结合γ-氨基丁酸A型受体亚单位α1(gamma-aminobutyric acid type A receptor subunit alpha1,GABRA1)的别构调节位点,从而靶向抑制DMV[44]。针对多种食药物质(杜仲、金银花)中含量较高的绿原酸(chlorogenic acid)的靶点研究中,王继刚团队通过ABPP和CETSA技术发现其通过Cys399残基与烯醇化酶1(enolase 1, ENO1)共价结合,抑制ENO1蛋白的活性来阻断糖酵解途径,从而阻止UVA诱导的细胞衰老[45]。此外,另有研究利用PAL-ABPP、CETSA、DARTS及表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)等技术还发现线粒体乙酰辅酶A乙酰转移酶1(acetyl-CoA acetyltransferase 1,ACAT1)是绿原酸的主要靶蛋白,并证明其通过一种新的体外和体内作用方式抑制Y407残基上四聚体ACAT1的磷酸化,从而抑制癌细胞增殖[14]。黄芪中的黄芪甲苷Ⅱ(astragaloside Ⅱ)经DARTS-MS、CETSA及SPR等技术鉴定,被揭示与p75神经营养素受体(p75 neurotrophin receptor,p75NTR)的Pro253、Ser257位点结合,从而稳定其结构并促进髓鞘再生[46]。相似地,有研究称黄芪甲苷Ⅳ(astragaloside Ⅳ)抑制视网膜色素上皮细胞衰老的直接靶点为脂肪含量和肥胖相关蛋白(fat mass and obesity-associated protein,FTO)[47]。在姜黄的研究中,Wang等[48]结合ABPP技术对姜黄素(curcumin)进行原位HCT116结肠癌细胞系的特异性结合靶标分析,发现了197种靶蛋白广泛分布并富集于细胞核、线粒体和质膜中,揭示了姜黄素的多途径抗癌网络。最新的研究还通过ABPP、CETSA、DARTS及SPR等技术证实了四氢姜黄素(tetrahydrocurcumin)靶向甲状腺激素受体相互作用因子13(thyroid hormone receptor interactor 13,TRIP13),诱导外源性细胞凋亡,对三阴性乳腺癌具有特异抑制作用[49]。Zhou等[50]通过DARTS技术揭示了地黄根中梓醇(catalpol)分子是热休克蛋白90β (heat shock proteins 90β, Hsp90β)的直接抑制剂,并通过CETSA进一步验证了Hsp90β与梓醇之间的相互作用,发现该分子可能作为缓解骨关节炎炎症引起的软骨损伤的潜在治疗方法。Xia等[51]通过CETSA等技术揭示了山茱萸中的马钱苷(loganin)分子直接靶向组氨酸三聚体核苷结合蛋白1(histidine triad nucleotide-binding protein 1, HINT1),从而改善大脑海马结构的突触可塑性,在动物实验中缓解抑郁样行为。An等[52]通过DARTS和SPR等技术揭示了荷叶中荷叶碱(nuciferine)直接靶向热休克蛋白HSP90AA1,延缓癌症恶病质诱导的肌肉萎缩。基于DARTS和CETSA技术的靶点鉴定表明,茯苓中三萜类化合物ZQS5029-1可与半胱天冬酶1(Caspase-1)的H236位点特异性结合,阻断炎症小体组装,进而减轻非酒精性脂肪性肝炎[53]。食药物质健康调节的靶点挖掘技术研究概况汇总于表1。

3.2 靶点挖掘技术在揭示食品功能因子作用机制中的应用

靶点挖掘技术不仅在食药物质的机制研究中得到了充分应用,近年来也逐步扩展至对食品功能因子作用机制的解析。在对芹菜等食物中的天然黄酮芹菜素(apigenin)的研究中,Gu等[54]利用DARTS、CETSA及SPR等技术确定了芹菜素的直接靶点酪氨酸蛋白激酶FGR蛋白,阻止其对下游蛋白的磷酸化并增强巨噬细胞对细菌的吞噬作用。采用相同的靶点挖掘策略并结合生物素标记技术,新近研究进一步证实芹菜素可直接结合过氧化物还原蛋白6(peroxiredoxin-6,PRDX6),干扰衰老相关分泌表型及其下游信号传导[22]。对于辣椒中的经典抗炎分子辣椒素(capsaicin),王继刚团队通过ABPP及CETSA等技术,先后发现了其直接靶向结合脓毒症中的丙酮酸激酶(pyruvate kinase M2,PKM2)、乳酸脱氢酶A(lactate dehydrogenase A,LDHA)和环氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)以改善炎症,以及结合并抑制PRDX6改善类风湿性关节炎[55-56]。相似地,针对咖啡中富含的咖啡酸(caffeic acid)及代谢产物二氢咖啡酸(dihydrocaffic acid)也被揭示抗炎作用的直接靶点,分别为共价靶向乌头酸脱羧酶1(aconitate decarboxylase 1,ACOD1)治疗癫痫,以及靶向转醛缩酶1(transaldolase 1,TALDO1)改善急性肺炎[57-58]。大蒜来源的ajoene化合物在生物素标签化后,被用于MDA-MB-231乳腺癌细胞中进行靶点鉴定,确定了谷胱甘肽S-转移酶P 1(glutathione S-transferase pi 1,GSTP1)和蛋白质二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI) 是ajoene的S-硫醇化靶标,可作为大蒜中天然膳食亲硫剂广谱抗癌的潜在机制[21]。本课题组针对同样具有广谱活性的天然功能因子花色苷(cyanidin-3-O-glucoside)也开展了活性蛋白谱学分析,不仅揭示了黄烊盐结构在共价结合靶蛋白中的反应特性,还在HepG2及Hela细胞中鉴定到胰岛素降解酶(insulin-degrading enzyme,IDE)和阳离子转运蛋白ZIP14(metal cation symporter ZIP14,ZIP14)等多种靶点,为花色苷的广谱活性功能提供了创新分子机制[59]。食品功能因子靶点挖掘研究概况汇总于表2。

4 食品营养化学生物学的学科内涵和科学价值

随着食药物质作为天然资源在食品和医药领域的应用不断拓展,许多食品功能因子的显著活性作用已被证实。然而,针对这些功能因子的直接作用靶点和分子机制的研究手段却相对匮乏,成为制约该领域纵深发展的关键瓶颈。靶点挖掘技术的引入,为突破这一局限提供了核心工具,并催生了“食品营养化学生物学”这一新兴交叉方向。食品营养化学生物学融合了食品科学、营养学、化学生物学和分子生物学等多学科的理论与技术,以“结构—靶点—功能”的直接证据,在分子层面系统阐明食品营养成分与靶点蛋白的互作网络及其健康调控机制。依托化学生物学探针、组学整合分析及高分辨成像等前沿技术,该领域可精准定位功能因子的细胞内靶标、解析信号转导通路,并为功能性食品与保健品的循证设计与精准营养干预奠定坚实的科学依据。

5 展 望

近年来,靶点挖掘技术在食品营养化学生物学领域得到了广泛的应用,借助分子探针、化学蛋白质组学等前沿技术,精准鉴定食药物质中的生物活性成分及其作用靶点。尽管该领域已取得显著进展,但仍面临诸多挑战与机遇。未来,食品营养化学生物学将聚焦于靶点验证与功能因子开发,通过生物信息学和实验验证相结合的方法,高效鉴定和验证生物活性成分的作用靶点。同时,该领域将为个性化营养和精准健康提供科学支持,通过分析个体的多组学数据,预测个体对食药物质的反应,制定个性化营养方案。此外,食品加工与营养保留也是重要研究方向,开发高效加工技术以保留和增强食药物质的营养价值。跨学科合作与创新将推动食品营养化学生物学的发展,整合不同领域的技术和资源,开发更全面、更有效的研究方法和工具。

参考文献：

[1] COLLINGHAM L. Are you what you eat? How food shapes self-image[J]. Nature, 2025, 637(8044): 23-24.

[2] JOAKIM LARSSON D G, FLACH C F. Antibiotic resis-tance in the environment[J]. Nature Reviews Microbio-logy, 2021, 20(5): 257-269.

[3] EDWARDS I R, ARONSON J K. Adverse drug reactions: definitions, diagnosis, and management[J]. Lancet, 2000, 356(9237): 1255-1259.

[4] MENICHETTI G, BARABSI A L, LOSCALZO J. Chemical complexity of food and implications for therapeutics[J]. New England Journal of Medicine, 2025, 392(18): 1836-1845.

[5] SINGH N, YADAV S S. A review on health benefits of phenolics derived from dietary spices[J]. Current Research in Food Science, 2022, 5: 1508-1523.

[6] MEISSNER F, GEDDES-MCALISTER J, MANN M, et al. The emerging role of mass spectrometry-based proteomics in drug discovery[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2022, 21(9): 637-654.

[7] CHEN X, WANG Y T, MA N, et al. Target identification of natural medicine with chemical proteomics approach: probe synthesis, target fishing and protein identification[J]. Signal Transduction and Targeted Therapy, 2020, 5: 72.

[8] 余强, 郑冰, 聂少平, 等. “食药同源” 食品产业现状与发展趋势浅析[J]. 中国食品学报, 2023, 23(9): 1-11.
YU Q, ZHENG B, NIE S P, et al. An overview and analysis of the current status and trends in the ‘food and medicine homology’ food industry[J]. Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology, 2023, 23(9): 1-11.

[9] 孙欣缘, 郑雅萍, 孙康萌, 等. 我国食药物质名单梳理、修订与展望[J]. 中国中药杂志, 2025, 50(2): 346-355.
SUN X Y, ZHENG Y P, SUN K M, et al. Review, revision, and prospect of list of substances with both edible and medicinal values in China[J]. China Journal of Chinese Materia Medica, 2025, 50(2): 346-355.

[10] WANG L, ZHU X C, LIU H L, et al. Medicine and food homology substances: a review of bioactive ingre-dients, pharmacological effects and applications[J]. Food Chemistry, 2025, 463: 141111.

[11] AO N N, QU Y, DENG Y Y, et al. Chemical basis of hawthorn processed with honey protecting against myocardial ischaemia[J]. Food &Function, 2020, 11(4): 3134-3143.

[12] QIAN S Q, FANG H Y, ZHENG L, et al. Zingerone suppresses cell proliferationvia inducing cellular apoptosis and inhibition of the PI3K/AKT/mTOR signaling pathway in human prostate cancer PC-3 cells[J]. Journal of Biochemical and Molecular Toxicology, 2021, 35(1): e22611.

[13] LV Z G, CHEN L, OUYANG H Z, et al. Development, basic information, classifications, pharmacological activities, and underlying mechanisms of medicine food homology: a review[J]. Journal of Functional Foods, 2024, 122: 106552.

[14] WANG Q H, DU T T, ZHANG Z H, et al. Target fishing and mechanistic insights of the natural anticancer drug candidate chlorogenic acid[J]. Acta Pharmaceutica Sinica B, 2024, 14(10): 4431-4442.

[15] SHEIK A, KIM K, VARAPRASAD G L, et al. The anti-cancerous activity of adaptogenic herb Astragalus membranaceus[J]. Phytomedicine, 2021, 91: 153698.

[16] ZHU Y Y, OUYANG Z J, DU H J, et al. New opportunities and challenges of natural products research: when target identification meets single-cell multiomics[J]. Acta Pharmaceutica Sinica B, 2022, 12(11): 4011-4039.

[17] 周怡青, 肖友利. 活性天然产物靶标蛋白的鉴定[J]. 化学学报, 2018, 76(3): 177-189.
ZHOU Y Q,XIAO Y L. Target identification of bioactive natural products[J]. Acta Chimica Sinica, 2018, 76(3): 177-189.

[18] KAWATANI M, OSADA H. Affinity-based target identification for bioactive small molecules[J]. MedChemComm, 2014, 5(3): 277-287.

[19] ONG S E, BLAGOEV B, KRATCHMAROVA I, et al. Stable isotope labeling by amino acids in cell culture, SILAC, as a simple and accurate approach to expression proteomics[J]. Molecular &Cellular Proteomics, 2002, 1(5): 376-386.

[20] THOMPSON A, SCHFER J, KUHN K, et al. Tandem mass tags: a novel quantification strategy for comparative analysis of complex protein mixtures by MS/MS[J]. Analytical Chemistry, 2003, 75(8): 1895-1904.

[21] KUSZA D A, HUNTER R, SCHFER G, et al. Activity-based proteomic identification of the S-thiolation targets of ajoene in MDA-MB-231 breast cancer cells[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2022, 70(46): 14679-14692.

[22] ZHANG H W, XU Q X, JIANG Z R, et al. Targeting senescence with apigenin improves chemotherapeutic efficacy and ameliorates age-related conditions in mice[J]. Advanced Science, 2025, 12(20): 2412950.

[23] LIU Y, JIANG J J, DU S Y, et al. Artemisinins ame-liorate polycystic ovarian syndrome by mediating LONP1-CYP11A1 interaction[J]. Science, 2024, 384(6701): eadk5382.

[24] KOLB H C, FINN M G, SHARPLESS K B. Click chemistry: diverse chemical function from a few good reactions[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2001, 40(11): 2004-2021.

[25] SINGH G, MAJEED A, SINGH R, et al. CuAAC ensembled 1, 2, 3-triazole linked nanogels for targeted drug delivery: a review[J]. RSC Advances, 2023, 13(5): 2912-2936.

[26] YANG M Y, LI J, CHEN P R. Transition metal-mediated bioorthogonal protein chemistry in living cells[J]. Chemical Society Reviews, 2014, 43(18): 6511-6526.

[27] LIU Y, PATRICELLI M P, CRAVATT B F. Activity-based protein profiling: the serine hydrolases[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1999, 96(26): 14694-14699.

[28] WANG J G, ZHANG C J, CHIA W N, et al. Haem-activated promiscuous targeting of artemisinin in Plasmo-dium falciparum[J]. Nature Communications, 2015, 6: 10111.

[29] WEST A V, WOO C M. Photoaffinity labeling chemistries used to map biomolecular interactions[J]. Israel Journal of Chemistry, 2023, 63(1/2): e202200081.

[30] CHENG K, QI J Y, REN X J, et al. Developing iso-xazole as a native photo-cross-linker for photoaffinity labeling and chemoproteomics[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2022, 61(47): e202209947.

[31] DAI J Y, LIANG K, ZHAO S, et al. Chemoproteomics reveals baicalin activates hepatic CPT1 to ameliorate diet-induced obesity and hepatic steatosis[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2018, 115(26): e5896-e5905.

[32] LOMENICK B, HAO R, JONAI N, et al. Target identification using drug affinity responsive target stability (DARTS)[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(51): 21984-21989.

[33] REN Y S, LI H L, PIAO X H, et al. Drug affinity responsive target stability (DARTS) accelerated small molecules target discovery: principles and application[J]. Biochemical Pharmacology, 2021, 194: 114798.

[34] FENG Y H, DE FRANCESCHI G, KAHRAMAN A, et al. Global analysis of protein structural changes in complex proteomes[J]. Nature Biotechnology, 2014, 32(10): 1036-1044.

[35] MOLINA D M, JAFARI R, IGNATUSHCHENKO M, et al. Monitoring drug target engagement in cells and tissues using the cellular thermal shift assay[J]. Science, 2013, 341(6141): 84-87.

[36] JAFARI R, ALMQVIST H, AXELSSON H, et al. The cellular thermal shift assay for evaluating drug target interactions in cells[J]. Nature Protocols, 2014, 9(9): 2100-2122.

[37] DAI L Y, LI Z J, CHEN D, et al. Target identification and validation of natural products with label-free metho-dology: a critical review from 2005 to 2020[J]. Pharmacology &Therapeutics, 2020, 216: 107690.

[38] MATEUS A, MTT T A, SAVITSKI M M. Thermal proteome profiling: unbiased assessment of protein state through heat-induced stability changes[J]. Proteome Science, 2017, 15: 13.

[39] CHANG J, KIM Y, KWON H J. Advances in identification and validation of protein targets of natural products without chemical modification[J]. Natural Product Reports, 2016, 33(5): 719-730.

[40] WEST G M, TANG L J, FITZGERALD M C. Thermodynamic analysis of protein stability and ligand binding using a chemical modification- and mass spectrometry-based strategy[J]. Analytical Chemistry, 2008, 80(11): 4175-4185.

[41] CHAN J N Y, VUCKOVIC D, SLENO L, et al. Target identification by chromatographic co-elution: monitoring of drug-protein interactions without immobilization or chemical derivatization[J]. Molecular &Cellular Proteomics, 2012, 11(7): M111.016642-1-M111.016642-14.

[42] TIAN Y, WAN N, ZHANG H Q, et al. Chemoproteomic mapping of the glycolytic targetome in cancer cells[J]. Nature Chemical Biology, 2023, 19(12): 1480-1491.

[43] LI K J, CHEN S J, WANG K Y, et al. A peptide-centric local stability assay enables proteome-scale identification of the protein targets and binding regions of diverse ligands[J]. Nature Methods, 2024, 22(2): 278-282.

[44] LYU Q Q, XUE W Z, LIU R X, et al. A brain-to-gut signal controls intestinal fat absorption[J]. Nature, 2024, 634(8035): 936-943.

[45] HE X L, WANG C, ZHANG Q Y, et al. Identifying ENO1 as a protein target of chlorogenic acid to inhibit cellular senescence and prevent skin photoaging in mice[J]. Aging Cell, 2025, 24(4): e14433.

[46] YUAN J F, TAO Y L, WANG M X, et al.Astragaloside II, a natural saponin, facilitates remyelination in demyelination neurological diseases via p75NTR receptor mediated β-catenin/Id2/MBP signaling axis in oligodendrocyte precursor cells[J/OL]. Journal of Advanced Research, 2025[2025-07-01]. https:∥www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2090123225002735.

[47] WANG S W, LI P, LIU S Y, et al. Astragaloside IV inhibits retinal pigment epithelial cell senescence and reduces IL-1β mRNA stability by targeting FTO-mediated m6A methylation[J]. Phytomedicine, 2025, 138: 156408.

[48] WANG J G, ZHANG J B, ZHANG C J, et al.In situ proteomic profiling of curcumin targets in HCT116 colon cancer cell line[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 22146.

[49] SUN Y J, ZHANG Q, CAO S J, et al. Tetrahydrocurcumin targets TRIP13 inhibiting the interaction of TRIP13/USP7/c-FLIP to mediate c-FLIP ubiquitination in triple-negative breast cancer[J]. Journal of Advanced Research, 2025, 75: 591-605.

[50] ZHOU Z W, ZHANG B H, LIU L, et al. Inhibition of heat shock protein 90β by catalpol: a potential therapeutic approach for alleviating inflammation-induced cartilage injuries in osteoarthritis[J]. Advanced Science, 2025, 12(26): 2503909.

[51] XIA C Y, ZUO G Y, WANG M N, et al. Targeting HINT1 to improve synaptic plasticity: toward loganin as a new antidepressant strategy[J]. Molecular Psychiatry, 2025, 30(8): 3695-3707.

[52] AN X Y, MA L S, BAI Y L, et al. Nuciferine attenuates cancer Cachexia-induced muscle wasting in mice via HSP90AA1[J]. Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle, 2025, 16(2): e13777.

[53] XIA L Y, YU N R, HUANG S L, et al. Dehydrotrametenolic acid methyl ester, a triterpenoid of Poria cocos, alleviates non-alcoholic steatohepatitis by suppressing NLRP3 inflammasome activation via targeting Caspase-1 in mice[J]. Acta Pharmacologica Sinica, 2025: 1-17.

[54] GU P, WEI R J, LIU R F, et al. Aging-induced alternation in the gut microbiota impairs host antibacterial defense[J]. Advanced Science, 2025, 12(12): 2411008.

[55] ZHANG Q, LUO P, XIA F, et al. Capsaicin ameliorates inflammation in a TRPV1-independent mechanism by inhibiting PKM2-LDHA-mediated Warburg effect in sepsis[J]. Cell Chemical Biology, 2022, 29(8): 1248-1259.

[56] HE H K, HAO M J, LUO P, et al. Inhibition peroxiredoxin-2 by capsaicin ameliorates rheumatoid arthritis via ROS-mediated apoptosis in fibroblast-like synoviocytes[J]. MedComm, 2025, 6(6): e70209.

[57] LI G J, HUANG L, GU D, et al. Activity-based chemical proteomics reveals caffeic acid ameliorates pentylenetetrazol-induced seizures by covalently targeting aconitate decarboxylase 1[J]. Cell Communication and Signaling, 2025, 23(1): 62.

[58] LI G J, LI H Y, WANG P L, et al. Chemo-proteomics reveals dihydrocaffeic acid exhibits anti-inflammation effects via Transaldolase 1 mediated PERK-NF-κB pathway[J]. Cell Communication and Signaling, 2025, 23(1): 65.

[59] HU J, YU T X, HUANG K C, et al. Covalent interactions of anthocyanins with proteins: activity-based protein profiling of cyanidin-3-O-glucoside[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2024, 72(30): 16790-16800.

Advances in Target Identification Technologies of Health-Regulating Effects of Food and Medicinal Substance

BAI Weibin1, HU Jun2, LONG Yu1, MA Jiayi2, SUN Jianxia2

(1.College of Life Science and Technology, Jinan University, Guangzhou 510632, China;2.School of Light Industry and Chemical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Abstract：In recent years, with increasing attention to the health benefits of natural resources, food and medicinal substances—those possessing characteristics of both food and medicine—have become a research hotspot. These substances are widely used in traditional medicine and modern nutrition, and their bioactive components have shown great potential in regulating health. The development of target identification technologies has provided crucial support for elucidating the health-regulating mechanisms of food and medicinal substances. By utilizing cutting-edge technologies, such as biotinylated molecular probes and chemical proteomics, researchers could accurately identify the bioactive components in food and medicinal substances and their corresponding targets. The research that conducted in-depth analysis of nutritional components in food and their regulatory effects on health through chemical biology technologies formed a new interdisciplinary discipline: food nutrition chemistry and biology (FNChB). As an emerging interdisciplinary field, it integrated the theories and technologies of food science, nutrition, chemical biology, and molecular biology, offering new approaches and methods for exploring the functional factors and mechanisms of action in food and medicinal substances. The definition and characteristics of food and medicinal substances were systematically introduced, the principles and applications of target identification technologies were elaborated, and an in-depth analysis of the research progress on related targets and mechanisms was provided, aiming to offer new directions and theoretical support for the development and application of food and medicine substances.

Keywords：food nutrition chemistry and biology; food and medicinal substance; target identification; molecular nutrition; chemical biology

doi：10.12301/spxb202500404

文章编号：2095-6002(2025)05-0015-11

引用格式：白卫滨,胡俊,龙钰,等.食药物质健康调节的靶点挖掘技术研究进展[J]. 食品科学技术学报,2025,43(5):15-25.

BAI Weibin, HU Jun, LONG Yu, et al. Advances in target identification technologies of health-regulating effects of food and medicinal substance[J]. Journal of Food Science and Technology, 2025,43(5):15-25.

中图分类号：TS202.1

文献标志码：A

收稿日期：2025-07-31

基金项目：国家重点研发计划项目(2024YFD2101300);中国博士后科学基金项目(2024M760588)。

Foundation：National Key Research and Development Program of China (2024YFD2101300); China Postdoctoral Science Foundation (2024M760588).

第一作者：白卫滨,男,教授,博士生导师,主要从事食品加工与分子营养方面的研究。

(责任编辑：李 宁)