运动能力相关基因研究进展

2021年2月28日发(作者：哈尔滨人流哪家好)

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,L R)
，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
mtDN A
的
D-loop
和
MTND5
等；家系研究还提示，
1p
、
2p
、
4q
、
6p
、
8q
、< br>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< br>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。< br>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
(2 9%~65%)
。说明肌肉力量由多效性基因调控。

1

Myostatin
基因

1997
年
,McPherro n
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 (GDF 8)
。
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
Myostat in
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< br>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< br>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
Myostat in
基因在内含子
1
第
5
碱基位点
(1+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
1+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< br>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。

2

ACTN3
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< br>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
,< br>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
ACTN 3
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
)< br>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
ACTN 2
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. vskaya
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< br>/
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，< br>ACTN3
蛋白的缺乏尽管有利于速
度
/
力量能力的表现
,< br>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
, ACTN 3
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
体的功能、血红蛋白的浓度及质量更为密切。
2007
年
, Zanoteli Edmar
不仅检测了
6
名马
拉松运动员的
AC TN3
基因类型
,
同时分析他们股外侧肌群肌肉纤维百分比的组成
,
发现只有
1
名马拉松运动员在Ⅰ型
(
慢肌
)
肌纤维比例上占 有优势
,
同时也只有一名运动员缺少
ACTN3
蛋
白。说明这种虽然 在人体内不是必须的蛋白
,
在高水平运动中还是具有相当重要性的。该实
验慢肌纤维比 例的结果
,
也说明了耐力性项目的复杂性
,
要求运动员需要同时具备一定的慢
肌比例、较好的心肺功能、较高线粒体酶活性、较强的血红蛋白载氧能力等
,
才可能创 造好
的耐力成绩
,
而不能单靠某一方面的超凡能力。

科学选材就是 根据不同运动项目的特点和要求
,
用现代科学的手段和方法
,
通过客观指标的测试
,
全面综合评价和预测
,
把先天条件优越、适合从事某项运动的 人才从小选拔出来
,
进行系统的培养
,
并且不断地监测其发展趋势的一个过程 。从大量的研究实验结果来
看
,ACTN3
基因多态性的确可以影响人体的运动能力< br>,
特别是表现在速度和力量素质上。
研究
证实
,
带有
R
等位基因的个体具有爆发力的优势
,
而带有
X
等位基因的个体无论 在爆发力还是
耐力上
,
都没有显现出任何特别之处。爆发力又是个遗传度较高的身体素 质。因此
,ACTN3
基
因可以应用在爆发力项目的运动员选材上
,
从小挑选具有
RR
型的队员
,
进行与专项特点一致
的训练
,
从生理、
生化等方面挖掘爆发力的潜能。
运用生物科技手段
,
采取基 因检测技术较早
地把爆发力较好的天赋苗子挑选出来进行系统训练
,
无论对国家还是对 个人都能达到事半功
倍的效果。同时
,ACTN3
基因型也可以作为耐力项目选材的辅 助指标
,
在其他形态、机能、生
理生化等指标均符合耐力项目特点的情况下
, RR
型个体可能会有比
XX
型个体更好的冲刺能
力。

3

其他基因

通过对睫状神经生长因子
(CNTF)基因
G/A
多态与肌肉力量进行了关联分析发现，膝伸肌
(KE)
和膝屈 肌
(KF)
在
3.14rad/s
的向心峰力矩，
G/A
杂 合子群体显著大于
G/G
纯合子
(P<0.05)
，
此外，
KE
的肌肉质量在
G/A
杂合子也显著高于
G/G
纯合子
( P<0.05)
，
G/A
纯合子
KE
和
KF
在0.52rad/s
的离心峰力矩也显著高于
AA
，
研究还表明，
随肌肉收缩速度增高，
G/A
基因群体肌肉力量和质量显著高于
G/G
群体 的肌肉力量和质量。最近，
Folland
等对常人群
体的研究表明，
ACE
I/D
多态与等长肌肉训练相关，携带
D
等位基因的群体训练后股四头肌的等长收缩力量显著增高( ±s，Ⅱ：9.0±1.7%，
ID
：17.6±2.2%；
DD
：14.9±1.3%)。目
前，一些研究也表明，不少基因可能与肌肉力量关联 ，甚至是肌肉力量的一个累效基因，比
如，
IGF-I
，
VDR
基因 等。

二、
杰出耐力相关基因研究

耐力素质是运动能力的重要组成 部分，
也是运动能力相关基因研究最活跃的领域。
目前
研究发现，
耐力素质为 多因子的复杂表型，
受到多基因控制，
涉及到耐力素质的基因有血管
紧张素转化酶(ACE)
、肌肉组织特异性磷酸肌酸激酶
(CKMM)
、肾上腺素能
α
受体
(ADRA2A)
、
Na
-K
-ATPase
α
2
基因以及线粒体基因
(mt DNA)
等，以下对有关基因研究作一概述。

1.

血管紧张素转化酶
(ACE)
基因

ACE
基因位于
17q23
染色体区域，全长
21 kb
，含
26
个外显子和
25
个内含子，在第
16
号内含子以一段
287 bp
的重复序列为标记构成
ACE
基因的插入
/
缺失
(I/D)
多态。
Montgomery
为首的研究小组最先报道了
33< br>名英国优秀登山运动员的
ACE/ID
与
1906
名健康
男性 对照的研究结果，
发现登山运动员与常人不论在基因型频率还是等位基因频率上均有显
+
+
著差异
(P< 0.02
和
P< 0.003)
，且登山运动员 多为
ACE-
Ⅱ纯合子，而少见
DD
纯合子。尤其
曾登上
8 000 m
高度的运动员中无一例为
DD
纯合子，有趣的是前
5
名最 优秀的运动员均为
ACE-
Ⅱ纯合子。
George
等研究发现，在普通海拔 训练的
64
名参加奥运会选拔赛的澳大利亚
划艇运动员中
ACE-I
等位基因的频率显著高于常人水平。
Myerson
等对
79
名奥运会参赛的
田径运动员的分析也显示，随着运动距离
(<200m
；
400~3000m
；
>5000m)
的增加，
ACE -I
等
位基因的频率增加
(P
=0.009)
，而其他
401
名非耐力项目运动员中未发现
ACE
I/D
分布与常
人的差别。西班牙一研究小组也曾报道，
ACE-I
等位基因在优秀耐力运动员中
(
自行车、长
跑
)
的分布频率高于常人 对照组
(P
=0.0009)
。赵云等的研究也发现，优秀长跑运动员
AC E-I
等位基因的频率显著高于常人对照组。


尽管目前多数研究认为优秀耐力运动员
ACE
3/I
等位基因的频率显著高 于常人，
但仍存
在争议，
Taylor
等人的研究就未发现
ACE- I
等位基因与优秀耐力运动员的关联；同样，
Karjalainen
等人对
80
名芬兰国家队优秀耐力运动员
(
包括长跑、越野滑雪、铁人三项
)
的
研究也未得出
ACE-I
等位基因与优秀耐力相关联的结果；此外，
Ra nkinen
等的研究也无肯
定结果。争议的可能原因：
(1)
由于基因多态 关联分析是检验在一个种群中带有性状的无关
个体与不带有性状的无关个体在某一遗传标记位点处是否会 出现不同的频率，
关联存在表明，
所选基因可能是控制性状的基因，或在控制性状的位点，或与 控制性状的基因连锁不平衡，
因此，
表型微小的差异即可能造成关联结果的明显差异。
优秀耐力作为运动素质表型，
在不
同运动项目可能就存有差异。
单个运动项目的基因多 态关联分析可能会更可
*
。
(2)
运动员经
过长期不同环境和不同方 式的训练，其基因与环境的相互影响和作用也是不可忽视的因素。


一般认为 ，
有氧能力
(VO
2
max)
是杰出耐力的重要限制因素。
最近，
有关
VO
2
max
与
ACEI/D
多态关系 的研究已有报道，但研究结果并不完全支持这一观点。家系研究发现，
20
周耐力
训练 后，
在高加索人种的子代
ACE-DD
纯合子
VO
2
max
显著增高，
父代则未见此现象。
Rankinen
等研究结果也不支持在普通 海拔携带
ACE-I
等位基因的群体的耐力天赋是由心肺功能的改
善引起的，认为VO
2
max
可能决定在耐力运动中能量产生的上限，并不完全主宰运动员的耐< br>力水平和运动成绩。
也有研究显示，
优秀登山运动员的静态、
动态肺活量和心脏 结构与功能
参数与常人对照无显著差异，
推测携带
ACE-I
等位基因的优秀 登山运动员的天赋并不完全取
决于心肺功能的改善，
而运动员肌肉毛细血管与其横截面积比率的 增加以及高动静脉氧差更
能解释
ACE-I
等位基因的优秀登山运动员对高海拔训练的 适应机制。最近，
Williams
等发
表在
《
Nature
》
杂志上的一篇研究结果认为，
肌肉作功与能量消耗的比值
(DE)
是评价 肌肉效
能的最好指标，其研究发现经过
11
周训练后仅
ACE-
Ⅱ基 因型的
DE
显著增高。另一研究报