运动能力相关基因研究进展

基因选材的最新研究

0841023 韩弘毅

早年研究表明，杰出的运动能力很大程度上受控于基因，在人类存有对运动训练敏感的高反应群体(high responder,HR)和对训练不敏感的低反应群体(low responder,LR)，其遗传特征可能存有母系遗传。近年，随着分子遗传学的进展及其对运动医学领域的渗透，国内外学者尝试着探讨与运动能力相关的基因。目前发现，有氧能力有关基因有ACE、CKMM、ADRA2A及mtDNA的D-loop和MTND5等；家系研究还提示，1p、2p、4q、6p、8q、11p、14q 染色体区域可能有运动能力相关基因；与肌肉力量有关的基因主要涉及Myostatin基因、ACTN3基因、GDF8、CNTF等，人们试图探明这些表型的基因标记或定位，以解决优秀运动员的早期选材问题，并从分子水平揭示人类运动能力的遗传生物学机制。目前，在这一研究领域，诸学者已展开相当规模的实验研究，取得了一些令人鼓舞的研究成果。

一、杰出力量相关基因

目前对肌肉力量素质基因的研究很少。Thomis等以双生子为研究对象，对其进行了为期10周的肘屈肌的阻抗训练。结果发现，最大等长肌肉力量和肌肉横截面积84%~90%是由遗传因素决定的。最大力量和等长力量对训练敏感的双生子对内相关系数分别为0.46和0.30。经过相关训练后，这些基因30%~77%有异于训练前表型的基因，说明力量素质基因受后天训练等环境因素影响，即力量素质是由基因-环境相互作用决定的。此外，肌肉力量的遗传度也因测定时选取的角度、收缩方式、收缩速度而异。比如，肘屈肌的离心收缩时的遗传度(62%~82%)大于向心收缩时的遗传度(29%~65%)。说明肌肉力量由多效性基因调控。

1Myostatin基因

1997年,McPherron等在研究转化生长因子β(TGF-β)时发现了一种新的生长分化因子,通过蛋白质同源性比较,证明是TGF-β超家族的新成员,被命名为生长/分化因子8 (GDF8)。该因子具有TGF-β家族共有的结构特征,对骨骼肌的生长具有负调控作用,基因突变小鼠的体型显著大于野生型小鼠,骨骼肌质量增加200%~300%,肌纤维的数量较野生型小鼠高86%,呈现“双肌”症状(double muscling),所以,将该分子又命名为Myostatin。目前,有关Myostatin基因多态性与肌肉质量和力量的相关性已受到广泛重视,并成为分子遗传学领域一个新的研究热点。

Myostatin基因在胚胎发育过程和成年个体骨骼肌中均有表达,在胚胎发育早期,该基

因的表达局限在发育体节的肌节区;在成年个体,几乎所有骨骼肌组织中Myostatin基因都有表达。Myostatin基因多态性具有明显的地域性和人种差异白种人与美洲黑人在握力、屈髋力等肌肉表型方面有显著的差异。

Myostatin是骨骼肌生长发育的负调控因子,Myostatin基因多态性对人体骨骼肌的质量和力量有没有影响,这方面的研究对于Myostatin基因多态性在运动领域中的应用具有重要参考价值。2004年,Schuelke等报告了1例2条2号染色体Myostatin基因在内含子1第5碱基位点(g.IVS1+5)G→A均发生突变,而非基因编码区突变影响了3个外显子的剪接,Myostatin基因剪接后70%以上蛋白无活性,这使得他肌肉中Myostatin蛋白含量很低,在血清中完全缺失。该基因缺失的结果是出生时肌肉异常发达,胳膊和双腿的长短是同龄儿童的两倍,脂肪含量却只有一半,到4岁左右,双臂平伸能同时举起3 kg的哑铃。而孩子的祖父、曾祖父都是体格强健的人,母亲是一位专业短跑运动员,在1条染色体上Myostatin基因在g.IVS1+5位点G突变为A,证明Myostatin突变基因在后代可稳定遗传。这项研究为Myostatin基因突变在增加人体骨骼肌质量和力量方面提供了直接依据,并为从分子遗传学角度进行杰出运动员的选材提供了新思路和新方法。

2ACTN3基因

“金牌基因”(ACTN3基因),第一个被公布于众的运动基因。自从2003年报道后,便引起了全世界体育研究者的极大兴趣,大量的实验研究在不同国家、不同人种和不同项目中开展起来。“金牌基因”是一个与爆发力相关的基因,爆发力有多种定义,简单地说就是人体的功率,即力量乘以速度。短距离跑、短距离游泳、跳跃、投掷、场地自行车、举重和棒球的投手等几组项目都需要很好的爆发力。它们的突出特点是要求运动员在短暂的时间内,最大限度地募集肌肉收缩力量,发挥出体能潜力,运动员需要有较高的速度素质和速度力量。速度素质与神经系统的反应速度、灵敏、协调和肌肉系统、肌纤维类型有关,受先天性遗传的影响较大,发展敏感期早,因此可以较早地运用表象指标进行测试评价,为早期选材提供依据。速度力量发展敏感期较晚,到青春期后期才能达到较高水平。因此,利用ACTN3基因在早期准确预测个体爆发力的水平,无疑可以提高速度力量性项群人才培养的成功率。

对ACTN3基因多态性与运动能力相关性的研究报道最早来自于澳大利亚。2003年Yang 等人通过对优秀运动员与普通健康人之间的基因检测结果进行分析,得出ACTN3R577X的RR 基因型有利于速度/力量性运动能力,并推测XX基因型可能有利于耐力运动。优秀耐力运动员组与对照组相比,XX基因型的频率稍高(24%vs18% )。这说明速度/力量型运动员和耐力型运动员的等位基因频率具有相反的趋势,并且男女还有一定的差异性。从遗传学来说,出现这种男女差异可能自然选择的结果,而从生理学来说,雄性激素(睾酮)具有维持肌肉强度和质量的作用,有利于速度/力量能力的发挥。2004年DanielG. MacArthur等人发表了一篇关于ACTN3蛋白功能进化的文章,作者从肌肉结构及肌肉收缩的生理学基础阐述了ACTN2和ACTN3的生理功能。人类的ACTN2可以补偿ACTN3的缺失,但是缺少了ACTN3仍能对肌肉功能产生微妙的变化。而老鼠体内的这两种蛋白是完全独立表达的,其快肌纤维中的ACTN3不能被ACTN2所取代。2008年, A. M.Druzhevskaya等人对俄罗斯486名国家级或区级爆发类项目运动员和1 197名健康人进行了ACTN3的基因检测。实验数据显示,爆发类项目的运动员XX 基因型明显较普通人低,且X等位基因的频率也低。作者还根据运动成绩将运动员进行等级划分,发现极高水平、高水平和一般优秀运动员的XX基因型不仅比普通人低,其三组内部呈递增的趋势,即极高水平运动员的XX基因型最低。以上的研究实验,基本肯定了ACTN3RR基因型对速度/力量型运动能力的促进作用。发现的两个特殊案例,说明基因是决定人体运动能力的基础,通过后天的努力及环境的影响,

LuciaA验证Yang推测的XX基因型与耐力之间的关系，ACTN3蛋白的缺乏尽管有利于速度/力量能力的表现,但与耐力之间并无明显的相关性。从肌肉收缩的生理学角度分析,无论是爆发力还是耐力,肌纤维最基础的滑行能力是必须的,而ACTN3蛋白对肌肉收缩/舒张的调节作用正式促进了这种能力。所以, ACTN3蛋白的存在不仅有利于爆发力,也有利于耐力。至于和耐力的相关性,是因为耐力的生化影响因素更多,与运动员心肺功能的高低,以及线粒