Реферат: Гены-маркеры предрасположенности к скоростно-силовым видам спорта
Реферат: Гены-маркеры предрасположенности к скоростно-силовым видам спорта
Доктор биологических наук, профессор В.А. Рогозкин
Кандидат биологических наук И.В. Астратенкова Бакалавры А.М. Дружевская , О.Н.
Федоровская, Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт физической
культуры, Санкт-Петербург
Успешная
реализация многолетней международной программы "Геном человека"
оказала огромное влияние на фундаментальную и прикладную медико-биологическую
науку, на многие социальные аспекты жизни. Она позволила выявить специфические
гены, тесно связанные с развитием и проявлением наследственных болезней, а
также определить гены, ответственные за выполнение нормальных физиологических и
метаболических функций человека. В частности, возникла возможность выявить
генетические маркеры, или гены предрасположенности, тесно ассоциированные с
развитием и проявлением различных физических качеств [1, 2]. Основным
генетическим маркером, связь которого со спортивными результатами в разных
видах спорта убедительно доказана в исследованиях последних лет, остается ген
ангиотензин превращающего фермента (ACE) [3, 6]. Наряду с этим наиболее
вероятными кандидатами на роль генетических маркеров в спорте являются гены,
определяющие функции сердечно-сосудистой системы: ангиотензиногена (AGT),
ангиотензин-II -рецептора 1-го типа (AGT2R1), b2-рецептора брадикинина (b2BKR)
и эндотелиальной NO-синтазы (eNOS). Определенные генотипы этих генов в той или
иной степени ассоциированы с проявлением качества выносливости и указывают на
предрасположенность к выполнению длительной физической работы. В то же время
поиск генетических маркеров, определяющих предрасположенность человека к
выполнению скоростно-силовых физических нагрузок, пока не привел к убедительным
и достоверным результатам.
Цель
исследования состояла в выявлении и анализе полиморфизма трех генов:
a-актинина-3, АМФ-дезаминазы и ангиотензин превращающего фермента у
представителей скоростно-силовых видов спорта
Методика
. Работа выполнена на образцах геномной ДНК 97 учащихся ГУСПО СПбУОР № 2,
специализирующихся в пяти скоростно-силовых видах спорта: дзюдо, вольной
борьбе, греко-римской борьбе, боксе, тяжелой атлетике, а также
конькобежцев-спринтеров и гребцов на короткие дистанции. ДНК выделяли из клеток
букального эпителия ротовой полости. Полученную ДНК использовали в качестве
матрицы в полимеразной цепной реакции (ПЦР) в присутствии двух-трех праймеров.
После амплификации генов продукты ПЦР подвергали расщеплению эндонуклеазами
рестрикции. Затем проводили разделение фрагментов ДНК с использованием
вертикального электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии маркерных
красителей. Для визуализации полученных фрагментов ДНК после электрофореза их
окрашивали флюоресцентным красителем - бромистым этидием и просматривали в
ультрафиолетовом свете в трансиллюминаторе. Регистрацию полученных результатов
проводили после фотографирования фрагментов ДНК. В качестве популяционного
контроля использовали образцы ДНК, полученные у 111 жителей Санкт-Петербурга.
Результаты
и обсуждение. Первым изученным геном у спортсменов был ген a-актинина-3
(ACTN3). Известно, что в скелетных мышцах существуют две изоформы белка
a-актинина: изоформа a-актинин-2 (ACTN2) и изоформа a-актинин-3 (ACTN3),
которые имеют высокую степень гомологичности, но различаются по локализации в
мышечных волокнах. Все мышечные волокна содержат a-актинин-2, тогда как белок
a-актинин-3 локализован только в быстросокращающихся волокнах скелетных мышц. Оба
гена a-актининов (ACTN2 и ACTN3) экспрессируются в скелетных мышцах человека.
Ген a-актинина-3 - ACTN3 находится в длинном плече 11-й хромосомы (11q13-q14).
Результаты
анализа показали, что в скелетной мышце a-актинины-2 и -3 относятся к главным
компонентам Z-дисков, где они связывают тонкие актиновые филаменты. Эти белки
выполняют статическую функцию в организации тонких филаментов и взаимодействии
между саркомерным цитоскелетом и саркоплазмой, тем самым обеспечивая
упорядочение массива миофибрилл. Изоформы a-актининов в скелетных мышцах кроме
статической выполняют и регуляторную функцию, принимая участие в регуляции
дифференциации и сокращении миофибрилл. Дефицит a-актинина-3 в
быстросокращающихся мышечных волокнах может снижать скоростно-силовые показатели
физической работоспособности человека. Причиной такого недостатка ACTN3 у
человека является однонуклеотидная замена цитозина на тимин в 577-м нуклеотиде
кодирующей последовательности, который находится в 16-й экзоне. В результате
этого кодон, кодирующий аминокислоту аргинин, превращается в стоп-кодон и
останавливается синтез полипептидной цепи белка a-актинина-3. Нуклеотидная
форма записи этой мутации - R577X. Наличие полиморфизма в гене ACTN3 позволяет
выявить три генотипа: RR-гомозиготы по нормальному аллелю, RX-гетерозиготы,
XX-гомозиготы по мутантному аллелю. Около 16% мировой популяции гомозиготны по
X-аллелю, и их мышцы не содержат белка a-актинин-3. Однако патологии мышц у
таких людей не наблюдается, так как a-актинин-2 компенсирует его отсутствие в
Z-дисках быстросокращающихся мышечных волокон. Вместе с тем наличие 577R
аллеля, свидетельствующего о присутствии в скелетных мышцах белка a-актинина-3,
дает индивидуумам преимущество в проявлении скоростно-силовых физических
качеств.
На
первой стадии настоящего исследования необходимо было получить информацию о
распределении полиморфизма гена АСТN3 в нормальной популяции жителей
г.Санкт-Петербурга и провести сравнение с популяцией жителей Европы. Как
показывают результаты исследований, частоты встречаемости полиморфизмов гена
АСТN3 у жителей Санкт-Петербурга распределились следующим образом: по Х-аллелю
- 40 %, по R-аллелю - 60%, а частоты встречаемости генотипа ХХ составляют 17%.
Как в российской, так и в европейской популяции доминирующим оказался R-аллель
(60%), что хорошо согласуется с аналогичными показателями для жителей других
стран [5]. Затем было проведено сравнение генотипов гена АСТN3 среди жителей
Санкт-Петербурга и спортсменов. Различия между частотой встречаемости R- и
Х-аллелей в популяции жителей Санкт-Петербурга и спортсменов оказались
недостоверными. Частота мутантного аллеля Х в контрольной группе составила 40%,
а в группе спортсменов - 37%. При рассмотрении трех вариантов генотипа гена
АСТN3 обнаружены отличия между группами. Среди спортсменов выявлено достоверное
снижение частоты встречаемости гомозигот генотипа ХХ (7%) по сравнению с
контрольной группой (17%) (р < 0,05). Смещение распределения генотипов в
сторону ХХ произошло не за счет увеличения частоты генотипов RR, указывающего
на наличие в мышечных волокнах II типа полноценного белка a-актинина 3, а
вследствие более высокой частоты встречаемости гетерозиготного генотипа RX
(60%). При сравнении этих данных с частотой обнаружения RX у жителей
Санкт-Петербурга (45%) также выявлено достоверное различие (p<0,05). Анализ
распределения генотипов гена АСТN3 среди спортсменов, специализирующихся в
различных скоростно-силовых видах спорта, позволил выявить наличие мутантного
генотипа ХХ у нескольких человек.
Мы
сочли возможным в группу "борьба" включить спортсменов, занимающихся
дзюдо, вольной борьбой и греко-римской борьбой, что повысило надежность
результатов благодаря увеличению численности исследованной выборки.
Наличие
генотипа ХХ у спортсменов свидетельствует об отсутствии у них структурного
белка a-актинина-3 в быстросокращающихся мышечных волокнах. Этот факт
существенно снижает показатели скоростно-силовой работы и ограничивает
возможности достижения высоких результатов в скоростно-силовых видах спорта.
Выявленная в результате исследования сравнительно невысокая частота генотипа ХХ
гена АСТN3 у спортсменов указывает на естественный спортивный отбор в процессе
многолетней подготовки спортсменов.
Таким
образом, высоких спортивных результатов в скоростно-силовых видах спорта
добиваются спортсмены, имеющие генотипы RR и RX гена ACTN3, тогда как
спортсмены с генотипом ХХ будут существенно ограничены в достижении высоких
спортивных результатов. Следовательно, тестирование RR аллеля гена АСТN3, равно
как и анализ на наличие генотипа ХХ гена АСТN3, уже сегодня можно рекомендовать
в качестве прогностического теста на выявление предрасположенности к скоростно
-силовой работе.
Вторым
изученным у спортсменов геном был ген аденозин-монофосфат дезаминазы (АМФД).
Известно, что существует три изоформы АМФД: изоформа М (мышечная, ген АМФД1),
изоформа L (печеночная, ген АМФД2), изоформа Е (эритроцитарная, АМФД3).
Изоформы АМФД различаются молекулярной массой, иммунологическими,
каталитическими и регуляторными свойствами. По данным иммунофлюоресцентного анализа
изоформа М АМФД локализована в быстросокращающихся мышечных волокнах скелетных
мышц. Эта изоформа АМФД кодируется геном АМРД1, локализованным в коротком плече
первой хромосомы (1p13.1).
Результаты
анализа активности АМФД в скелетных мышцах показали, что индивидуумы, имеющие
пониженную активность фермента, испытывают слабость, быструю утомляемость или
мышечные судороги даже после средней по интенсивности физической нагрузки.
Недостаток фермента в скелетных мышцах является одной из наиболее распространенных
причин метаболической и вызванной физическими упражнениями миопатий у человека.
Причиной такого недостатка АМФД у человека является однонуклеотидная замена
цитозина на тимин в 34-м нуклеотиде кодирующей последовательности, которая
находится во втором экзоне. В результате этого глутаминовый кодон превращается
в стоп-кодон и прекращается синтез полипептидной цепи. Нуклеотидная форма
записи этой мутации - С34Т, а форма записи мутации с использованием
однобуквенного аминокислотого кода - Q12X. В случае присутствия в
последовательности гена этой точечной мутации происходит терминация цепи белка
и продукт становится каталитически неактивным. Это определяет существование
полиморфизма гена АМРД1. Методами молекулярной биологии можно проанализировать
ДНК на наличие С34Т полиморфизма в гене АМРД1 и выявить три генотипа: СС -
гомозиготы по нормальному аллелю, СТ - гетерозиготы, ТТ - гомозиготы по
мутантному аллелю. Результаты анализа полиморфизма С34Т в гене АМPД1 показали,
что среди обследованных спортсменов 75% принадлежали к генотипу СС, 22,6%
являлись носителями гетерозигот СТ и лишь у 2 человек была выявлена
принадлежность к мутантному аллелю-ТТ. Спортсмены, принадлежащие к генотипу СС,
доминируют в тяжелой атлетике (92%), в борьбе (92%) и гребле (70%). Спортсмены,
принадлежащие к гетерозиготному генотипу СТ, в большей степени представлены
среди боксеров (36%) и конькобежцев (36%). Наконец, спортсмены, принадлежащие к
мутантному генотипу ТТ, обнаружены (по одному человеку) только среди гребцов и
тяжелоатлетов. Наличие генотипа ТТ у спортсменов свидетельствует о низкой
активности фермента АМФД в быстросокращающихся мышечных волокнах и будет
ограничивать рост спортивных результатов в избранном спортсменами виде спорта.
Следует отметить, что такое небольшое количество спортсменов с наличием
принадлежности к мутантному аллелю гена АМРД1 свидетельствует о весьма
эффективном отборе для занятий такими скоростно-силовыми видами спорта.
Третьим
изученным у спортсменов геном был ген ангиотензин превращающего фермента (ACE).
Это ключевой фермент ренин-ангиотензиновой системы - важнейшего гуморального
регулятора артериального давления. ACE катализирует превращение ангиотензина I
в ангиотензин II - наиболее активный сосудосуживающий гормон, кроме того ACE
способен катализировать деградацию брадикинина - важнейшего сосудорасширяющего
гормона. Ген ACE локализован в 17-й хромосоме, локус q23. Структурный
полиморфизм гена ACE носит название инсерционно-делеционного (I/D) и
заключается в наличии (insertion) или отсутствии (deletion) фрагмента ДНК
длиной 287 пар нуклеотидов в 16-м интроне. Применение реакции ПЦР позволяет
выявить в гене ACE три генотипа: II-гомозиготы по I-аллелю, ID-гетерозиготы,
DD-гомозиготы по D-аллелю. Существует тесная связь между генотипом ACE и
активностью фермента, который регулирует содержание ангиотензина II. Этот
гормон не только регулирует состояние гемодинамики человека, но и как фактор
роста усиливает синтез структурных белков в клетках миокарда, что приводит к
гипертрофии сердечной мышцы.
На
основе анализа полиморфизма гена ACE популяция обследуемых может быть
распределена на три группы: носители генотипа II, генотипа ID и генотипа DD. В
начале работы с геном ACE было проведено сравнение генотипов среди жителей
Санкт-Петербурга и спортсменов. Результаты анализа частоты распределения по
генотипам среди жителей города (16% - II, 51% - ID, 33% - DD) и спортсменов
(14% - II, 39% - ID, 47% - DD) были весьма близки. В то же время в группе
спортсменов можно отметить увеличение частоты встречаемости гомозигот генотипа
DD, которое произошло за счет снижения количества генотипа гетерозигот ID.
Анализ распределения генотипов гена ACE среди спортсменов, специализирующихся в
различных скоростно-силовых видах спорта и видах спорта с длительной физической
нагрузкой, позволил выявить существенные различия в частоте I- и D-аллелей.
Так, у представителей скоростно-силовых видов спорта частота D-аллеля составила
0,72, а I-аллеля - 0,28. У спортсменов, выполняющих длительную физическую
работу, это соотношение было изменено и частота I-аллеля была 0,63, а D-аллеля
- 0,37 [6].
Таким
образом, полученные результаты доказывают наличие достоверной корреляции
развития определенных физических качеств с различными генотипами гена ACE.
Спортсмены, имеющие генотип DD гена ACE, в большей степени предрасположены к
развитию скоростно-силовых физических качеств. Носители другого генотипа - II,
напротив, в большей степени предрасположены к выполнению длительной физической
работы [4]. Следовательно, тестирование X-аллеля гена ACTN3, равно как и анализ
на наличие T-аллеля гена AMPD1, наряду с определением DD генотипа гена ACE уже
сегодня можно рекомендовать в качестве прогностического теста на выявление
генетической предрасположенности к развитию и проявлению у спортсмена
скоростно-силовых физических качеств.
На
основании результатов настоящего исследования впервые получена развернутая
картина генетической предрасположенности человека к выполнению скоростно
-силовой физической работы и определен спектр генов, которые могут быть
использованы в диагностическом комплексе для отбора в скоростно-силовые виды
спорта. Использование полученных данных в практической работе тренеров позволит
повысить результативность спортивного отбора и сохранит здоровье спортсменов
при реализации учебно-тренировочной программы подготовки и в стрессовых
ситуациях, с которыми сопряжены занятия спортом.
Авторы
благодарят д.п.н. В.И. Криличевского и к.п.н. И.И. Комарова (ГУСПО СПб УОР-2)
за плодотворное научное сотрудничество и помощь в организации исследования
Список литературы
1.
Рогозкин В.А. Расшифровка генома человека и спорт //Теория и практика физ.
культуры. 2001, № 6, с. 60-63.
2.
Рогозкин В.А. Спортивная генетика: состояние и перспективы // VII Международный
научный конгресс "Современный олимпийский спорт и спорт для всех".
М., 2003, т. 3, с. 265-269.
3.
Рогозкин В.А., Назаров И.Б., Казаков В.И. Генетические маркеры физической
работоспособности человека //Теория и практика физ. культуры. 2000, № 12, с.
33-36.
4.
Рогозкин В.А., Назаров И.Б., Казаков В.И. //Способ выявления
предрасположенности к длительной физической работе. Патент РФ № 2194982, выдан
20.12.2002. Бюл. № 35.
5. Mills M.A.; Nan Yang, Weinberger
R.P. // Differential expression of the actinbindind proteins, a-actinin-2
and-3, in different species: implications for the evolution of functional
redundancy// Human Molecular Genetics. 2001. v. 10(13) p.1335-1346.
6. Nazarov I., Woods D., Montgomery
H., Schneider O., Kazakov V., Tomilin N., Rogozkin V.// The angiotensin
converting enzyme 1/D polymorphism in Russian athletes. Europian Journal
of Human Genetics. 2001. - V .9. - P. 797-801.
|