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[论文]面向21世纪的运动医学研究

 

面向21世纪的运动医学研究

 

 

常芸/

 

运动医学是一门研究运动及缺乏运动对机体生理、病理影响的综合性科学,属新兴的医学学科。从学科的目标与任务界定,运动医学通常可分为基础与临床两个方面。临床工作主要涉及到医务监督、运动创伤、运动员营养卫生、医疗体育以及兴奋剂检测几个学科领域。而基础性研究工作主要涉及到机体器官组织形态、结构、成份、功能及代谢对运动训练适应性或称生物学效应的研究;运动性伤病的组织、细胞及分子病理学研究;运动性疲劳与过度疲劳的发生机制、病生理改变以及消除疲劳手段的研究以及运动员科学选材等方面的研究,涉及的领域较广。这里,仅就运动医学应用基础性研究现状,新技术对运动医学研究的推动及运动医学研究领域的热点与前沿问题的研究与思考几个方面,综述运动医学的研究领域的现状与进展。

 

1 运动医学研究现状

 

运动医学研究是随着体育运动对人体运动能力需求的不断增加而发展进步的。同时,也与生物医学理论与技术的发展与进步,各学科间的相互渗透,新理论、新技术的不断应用息息相关。随着生物医学理论与技术的发展,运动医学研究领域不断扩展,研究水平不断提高。

目前,有关基础性研究已从整体、器官与系统水平拓展到组织与细胞水平,尤其电子显微镜、荧光显微镜、流式细胞仪的问世,使运动医学研究深化至亚细胞与分子水平,诸学者在各器官系统对于运动训练的适应性方面展开了广泛的研究,为运动员身体器官系统适应性改变的形态结构与功能代谢基础、运动肌肉纤维类型分类及运动性伤病的组织病理学特征方面的探索提供了重要的实验依据[1)[2][3][4][5]

20世纪80年代以来,随着细胞学研究方法的进展,计算机显微图像分析仪、显微分光光度仪、流式细胞仪的开发与应用,运动性组织细胞形态学研究从传统的定性研究跨入了定量研究阶段,尤其在运动性心肌与骨骼肌肥大及有氧运动的组织细胞学基础等领域的研究取得了可喜的进展,揭示了运动性心肌与骨骼肌肥大和有氧运动的定量组织细胞形态学基础[6][7][8][9][10][11]

20世纪90年代初,自动化激光扫描共聚焦显微镜,即“细胞工作站”的问世,使运动医学研究进一步深化,实现了运动性组织细胞形态学研究从死细胞到活细胞研究的飞跃,客观真实地反映了活细胞内亚结构、DNARNA、酶类、受体分子及离子研究的定量定位定时及动态变化。为运动性心肌与骨骼肌收缩功能增强的重要耦联因子及肌纤维收缩速率及输出功率的关键环节的揭示以及运动性心肌与骨胳肌肥大发生机制的探讨提供了可贵的实验依据[12][13][14][15]
  近年,随着基因重组与克隆等分子生物学理论与技术的发展,运动医学研究又从细胞、亚细胞研究扩展到分子与基因水平的研究,使运动医学研究取得了长足的进展,对于运动性心脏与肌肉肥大的发生、发展与转归有了新的认识,为揭示运动器官系统适应性的形态结构与功能代谢基础、运动器官系统适应性的发生机制、运动性伤病的组织病理与分子病理学特征以及运动员身体结构的机械运动规律及其体育运动技术关系作出了重要贡献,也为运动医学学科发展奠定了理论基础[16]

最近,在运动性微损伤的病因与病变的研究方面又提出了新的概念,认为运动性微损伤、运动性疲劳及过度疲劳的发生可能与细胞凋亡有关[17][18][19][20][21][22][23][24],为运动性微损伤、运动性疲劳及过度疲劳的进一步研究开拓了一条新思路,展示了广泛的研究前景。

运动员科学选材作为运动医学研究的重要部分已成为体育科学研究的热点。由于制约运动员成材的因素很多,因而选材研究的内容必然涉及到方方面面众多领域。目前,运动员选材已从单一方面研究深入到全面展示不同项目运动员身体形态、生理机能、生物力学及心理学方面的综合特征,尤其深入到运动员不同运动能力的遗传特征和家族聚集性等方面的研究,并已着手探讨体质与运动能力相关基因的分布特征、基因表达、变异状况等问题[24][25][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39][40]

相信不久的将来,经过科学选材及运动员身体形态结构与机能代谢诸方面的综合研究,必将把竞技体育运动向更高、更快、更强的方向推进。同时,随着社会体育的发展,运动医学研究亦将为大众健康的实现及全民身体素质的提高发挥重要作用。

 

2 新技术对运动医学学科发展的推动

 

一个世纪以来,运动医学研究颈域之所以取得了长足的进展,无不得益于现代细胞与分子生物学技术与方法的建立与发展。

2.1 从定性到定量研究的飞跃

17世纪显微镜用于医学诊断与研究以来,传统的显微形态学研究多采用定性观察与描述,少数显微形态计量分析也仅限于二维结构水平,很难客观反映细胞本来的三维结构。20世纪80年代以来,随着数学与计算机科学的进展,数学家与形态学家共同合作把显微镜直接观察的平面(二维)形态图像,通过数学方法推导衍化为三维空间结构,并建立了生物体视学(bio-sterology),用以进行细胞显微形态计量分析[41][42]。这是3个世纪以来细胞生物学研究技术的一项重大革命。

就形态特征而言,人体基本结构——细胞的有形成分主要分为3类:1)膜结构,包括质膜、核膜、线粒体膜、内质网膜、高尔基复合体膜、毛细血管内皮细胞膜等;2)颗粒结构,包括线粒体、溶酶体、微体、分泌颗粒等,3)纤维结构,包括微管、微丝。无论是膜、颗粒,还是纤维,任何一种结构在空间均占一定体积,均呈三维结构。因此,细胞形态计量学的内容就是将显微镜下所观察到不同形态(点、线、面)进行三维重现并数字化,定量反映出细胞结构特征[7]20世纪80年代以来,随着生物体视学的建立,显微形态计量技术的发展及自动显微图像分析系统的建立与应用,使各器官系统的运动适应性的显微形态学研究进入了一个精确、客观,并以量的概念反映形态结构变化的阶段,避免了以往定性观察难免的主观臆测和视觉误差。这也是运动医学学科创建近1个世纪以来运动医学研究领域的重大进展,揭示了机体运动的动力器官——心脏和直接运动器官——骨骼肌对运动训练适应性的定量形态结构基础,也为运动性心脏和骨骼肌问题的深入探讨与研究提供了理论依据[9][10][11]

2.2 从死细胞到活细胞的飞跃
  20世纪90年代初,激光共聚焦显微镜及其新型探针的问世,使我们能在不影响细胞活性的基础上观察与研究活细胞的形态、结构及成分[43][44][45]

激光共聚焦显微镜(laser confocal microsopy)是继计算机图像分析技术后现代细胞与分子生物学研究技术的又一项重大进展,它在光学显徽镜的基础上结合激光与计算机图像分析处理技术将光学成像的分辨率提高了3040%。激光共聚焦显微镜集图像分析仪、流式细胞仪及显微分光光度计之功能为一身,通过特异性荧光染色不仅可对细胞内线粒体、溶酶体、内质网、细胞骨架、结构蛋白、酶类、受体、DNARNA含量及分布进行定量与定性分析,还可对细胞内离子含量、分布及动态变化进行分析。因此,激光共聚焦显微镜又被称为“细胞工作站”[46][47]

我们知道,细胞内游离钙作为第2信使广泛参与细胞生理活动的调节过程。一方面,尤其在心肌和骨骼肌的细胞增殖过程中,胞内游离钙介导神经内分泌激素刺激细胞增殖基因的表达,诱发心肌细胞增殖肥大的发生;另一方面,在心肌收缩过程中,胞内游离钙作为耦联因子诱发心肌和骨骼肌细胞兴奋与收缩的耦联过程进而产生肌收缩。因此,肌细胞内游离钙的变化直接涉及到运动性心脏与骨骼肌结构与功能的重塑的发生过程。

近年,随着激光扫描共聚焦显微镜的问世,尤其新一代钙指示剂Fluo-3/AM的开发,在不影响细胞活性基础上对胞内游离钙进行动态分析,解决了多年来胞内游离钙研究的方法学问题,使活细胞内游离钙的研究得以实施。在激光共聚焦显微镜下通过图像扫描方式分析处理出静息与收缩状态下心肌和骨骼肌细胞内钙的荧光共聚焦图像,为运动心脏和肌肉肥大发生机制的研究提供了有效的手段,也使运动性心脏和肌肉肥大发生机制的探讨进一步深入[13][14][48][49][50][51]

2.3 从形态到功能的飞跃

多少年来,运动医学领域的组织细胞研究多以形态观察为主,通过细胞内结构的形态与数目的变化间接反映各功能结构的功能状态。然而,免疫组织细胞化学与原位杂交技术的发展,使人们能在组织细胞原位直接了解细胞结构的功能变化及特异性功能活性物质的活性与分布。免疫组织细胞化学与原位杂交技术是利用特异性抗原抗体反应与基因重组过程在组织细胞原位上显示和研究某特定物质的化学性质与功能特征的方法,其技术特点决定了它具有灵敏度高、特异性强、定位准确的优点。因此,该技术在20世纪80年代以来广泛应用于运动医学研究领域的组织细胞中蛋白质、多肽类、多糖类及核酸类活性物质的定位、定性与定量研究。

近年,应用胶体金免疫组织细胞化学技术,对运动心肌中心房利钠多肽功能活性进行了定量研究,展示了心源性激素的储存形式、功能结构及功能活性,为运动心脏内分泌功能的研究提供了实验依据[10][11]。在运动性伤病研究中,通过特异性胶元免疫组织细胞化学技术的应用,揭示了运动性关节末端病的病因与发病机制。此外,在运动性骨骼肌疲劳与损伤研究方面,应用DNA缺口末端标记(TUNEL)和酶联免疫分析技术,观察到在运动性骨骼肌微损伤时,有肌细胞凋亡复合物的存在,并有肌细胞染色体DNA断裂,核小体DNA与核心组蛋白H2AH2BH3H4紧密结合,形成复合物的情况,在组织细胞原位上确定凋亡细胞的存在,为运动性骨胳肌疲劳与损伤机制的探讨提供了实验依据[52],使运动性伤病的病理学研究定位更准确、更具特异性,实现了形态与功能的有机结合。

2.4 从细胞到基因的飞跃

20世纪中叶DNA双螺旋模板学说的提出、基因调控操纵子理论的问世以及DNA限制性内切酶的发现,奠定了现代分子生物学与基因工程技术的基础。目前,已建立了一整套DNA体外重组技术,尤其最近人类基因组序列草图的完成,使得生物技术与生命科学发生了划时代的突破和历史性的变革,这一科技进步震撼了人类社会。作为运动医学工作者,在以基因工程为主导的生物技术迅猛发展的今天,应用此项技术研究体育运动问题,责无旁贷。

近年来,在运动心脏重塑的发生与转归机制研究中,诸学者应用分子杂交技术(molecular hybridization)——遗传信息的载体DNAmRNA研究的有效工具,比如固相杂交、液相杂交和原位杂交技术,对运动心肌组织中初始应答基因(原癌基因,c-fos)和次级应答基因(心肌收缩蛋白基因α-MHCβ-MHCα-actinANF)的表达水平进行了定量分析,为运动心脏重塑发生机制的探讨提供了重要实验依据[53]

定量反转录聚合酶链反应技术(RT-PCR)也是近年来飞速发展并成熟的一项分子生物学技术,是检测mRNA的一种快速而方便的方法。由于其内参照与目的基因的共扩增而避免了操作中的系统误差,而且,针对每个目的基因的特异性引物使用又保证了此法具有较高的特异性,故特别适用于大规模基因表达的分析。目前,在运动医学研究领域已应用此项技术对运动心脏中心房和心室的初始应答基因(原癌基因myc)和次级应答基因(心肌收缩蛋白基因MLC-2)的表达水平进行了定量观察,使得运动心脏重塑发生机制的探讨又向前进了一步[54]。通过此项技术的应用,使运动性骨骼肌疲劳与恢复机制的研究也取得了显著的进展,为指导运动实践提供了新的理论依据。此外,应用此项技术对运动员性别的诊断与鉴别诊断上也有了明显的进展。

最近,基因芯片技术的建立又为我们提供了一项研究和探讨运动能力相关基因特征的有效手段,基因芯片技术通过微加工工艺在厘米见方的芯片上集成有成千上万个与生命相关的信息分子,将生命科学研究中所涉及的不连续的分析过程(如样品制备、化学反应和分析检测),利用微电子、微机械、化学、物理技术、计算机技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统,使之连续化、集成化、微型化,是一种高通量检测技术。因此,此项技术可以允许研究人员同时测定成千上万个基因的表达谱,变异谱及其作用方式,几周内能获得其它传统方法几年,乃至几十年才能得到的信息,其最大特点是大规模、高通量、灵敏性高、准确性高,快速简便,解决了以往基因研究技术的繁杂与效率低的问题[55]。目前基因芯片主要分为2类,寡核苷酸芯片和表达谱芯片,其中,寡核苷酸芯片可用于检测人类SNP。最近,国内学者已着手应用基因芯片技术探寻运动能力相关基因[56][57],期望在不久的将来我们能够在运动能力相关基因的诊断、运动员基因选材和运动性猝死的基因诊断方面有所突破,为我国优秀运动员的选择、培养及运动性猝死的防治提供有效的方法手段。

 

3 热点问题与前沿研究

 

3.1 运动员基因选材与基因诊断问题

所谓运动员科学选材,是根据不同运动项目的特点和要求,用科学的、先进的手段和方法,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从小选拔出来,进行系统培养,并且不断地监测其发展过程。这个过程的核心是预测。没有预测,就没有选材。

在过去相当长的一段时间里,我国基本上是凭教练员的经验,根据比赛中的成绩进行运动员选材的。这势必造成成材率低,人、财、物力的浪废。20世纪80年代初,原国家体委组织了几项大规模的研究课题(《优秀青少年运动员科学选材》和《儿童少年运动员选材标准的研究》等),获得了大量的指标数据,为我国青少年运动员科学选材提供了广泛的科学依据。此外,科研工作者还从运动员身体形态、机能、素质、心理以及遗传等不同方面进行了大量的科学选材研究,为运动员科学选材实践提供了广泛的理论依据和实际应用方法。
  在世界上许多国家,如前苏联、东欧、美国等竞技体育水平均处于世界领先地位,这与其对运动员运动能力的研究与挖掘的重视及较高的研究水平密不可分。尽管美国等西方国家主要是以“自愿原则”自然选拔,但在运动员科学选材方面,不仅探讨不同项目运动员身体形态、生理机能、生物力学及心理学方面的特征,而且进行运动员不同运动能力的遗传特征和家族聚集性研究,尤其是20世纪90年代以来,运动员选材的研究深入到分子遗传学领域,探讨具有不同运动能力者相关基因的分布特征、基因表达状况以及对运动训练的适应性等问题。总之,随着竞技运动水平的不断提高,科学选材的基础——人体运动能力的遗传性已经越来越被人们所重视。

组成运动能力的性状,无论是形态、生理还是素质性状,绝大多数均属数量性状,由多基因控制。在向后代传递过程中,由于微效基因的累加效应、基因传递与表达方式以及环境等因素的影响,可使运动能力性状发生不同程度的变异。因此,运动能力的遗传与变异具有连续性和相关性特征。在我国及世界许多国家中出现了体育世家现象。有研究发现,在运动能力的遗传中,只要具有卓越运动才能的亲代不是极端个体,其子代不但有50%以上的人具有优越的运动才能,而且还可能出现超越亲代的个体。此外,控制运动能力的基因有多效性,同时在向后代传递过程中又具有连锁性,从而使基因与性状纵横相关,它们之间既能相互促进,又可相互制约。研究发现,从选用足长、头围等形态指标预测身高,从体型到运动项目特点,从肌纤维类型、最大耗氧量等机能指标与身体素质的关系,以及从皮纹、血型甚至额部发际参差状况与人体运动能力、适宜运动项目之间的关系等等[58][59][60][61][62],研究均体现了基因与性状的关联,但目前尚缺乏基因与性状之间关系的机制及综合研究。

近年,随着分子生物学技术与理论的飞速发展,尤其是DNA重组技术的广泛应用,人们可以从基因水平上寻找决定人类运动能力的基因,在分子水平上探讨人体对长期训练的适应性变化,从而能更加科学而准确地评估个体的运动状态及运动潜力。由此可见,基因选材将成为未来运动员科学选材的主要研究内容
  任何遗传分析都是以遗传标记为基础的,遗传标记是一类用来区分不同个体或群体,同时又能稳定遗传的某些物质。目前,新型遗传标记的研究已转向遗传物质本身—DNA分子。由于各种遗传信息都蕴藏于DNA分子中,生物个体之间的差异,本质上是DNA分子的差异。不仅DNA编码序列比相应的蛋白质有更多的变异,而且DNA非编码列具有更广泛的多态性。限制性片段长度多态(RFLP)和单核苷酸多态(SNP)作为遗传标记有广阔的前途,其不仅可以用于遗传病的产前诊断、杂合子携带者的检出和亲子鉴定,还可以应用于运动能力相关基因的检测、天才运动员的基因组型鉴别以及基因在训练环境中的表达与变异状况的研究[63][64][65][66][67][68]

3.2 杰出的运动能力相关基因研究

运动能力很大程度上受控于基因的事实已为世人接受。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。目前研究发现,有氧能力有关基因有ACECKMMADRA2AmtDNAD-loopMTND5等;与肌肉力量有关的基因主要涉及GDF8CNTF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。

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[ ]-ATPaseα2基因以及线粒体基因(mt DNA)等。

3.2.1 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名英国优秀登山运动员的ACE/ID1906名健康男性对照的研究结果[69],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(P0.02P0.003),且登山运动员多为ACE-纯合子,而少见DD纯合子,尤其曾登上海拔8 000m高度的运动员中无1例为DD纯合子,有趣的是,前5名最优秀的运动员均为ACE-纯合子。George等研究发现[70],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[71],随着运动距离(200m4003 000m;>5 000m)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=0.000 9)[72]。赵云等的研究也发现,优秀长跑运动员ACE-I等位基因的频率显著高于常人对照组[73]

尽管目前多数研究认为优秀耐力运动员ACE-I等位基因的频率显著高于常人,但仍存在争议。分析争议的可能原因: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。分析认为单个运动项目的基因多态关联分析可能会更可靠。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,有氧能力是杰出耐力的重要限制因素。最近,有关与ACE插入/缺失(I/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[77]。家系研究发现,20周耐力训练后,在高加索人种的子代ACE-DD纯合子显著增高,父代则未见此现象[78]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力水平和运动成绩。也有研究显示,优秀登山运动员的静态的和动态的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1篇研究结果认为,肌肉作功与能量消耗的比值(DE)是评价肌肉效能最好的指标,其研究发现经过11周训练后仅ACE-II基因型的DE显著增高[79]。另1研究报道,ACE-II基因型群体较ACE-IDDD基因型群体表现出相对高的能量节省化状态,且去脂体重也高于其它基因型[80]。这些研究结果均支持I等位基因主要是通过肌肉效能影响运动能力。此外,与ACE-I等位基因关联的优秀耐力运动员群体血浆和心肌组织的ACE水平也高于其它基因型,如能进一步研究分析ACE I/D多态与肌肉中ACE的水平,肌纤维类型、体积,线粒体密度,毛细血管密度,底物利用等方面的关系,可能会得出更可靠的实验依据。

3.2.2 肌肉组织特异性磷酸肌酸激酶(CKMM)基因

CKMM基因位于19q13.2q13.3的染色体区域,其长度约有17.5kb,包含8个外显子和7个内含子。研究表明,肌肉中CKMM的功能在于生成肌球蛋白头部高浓度的ATP。不同肌纤维类型中的CKMM活性亦有差异,I型肌纤维中CKMM活性较II型纤维至少低2倍。研究认为,低CKMM活性是耐力运动员工作肌群的典型特征。有研究表明,遗传因素对肌纤维类型分布以及肌肉组织中酶类活性的变异有调控作用。动物实验显示,小鼠的CKMM基因被敲掉后,可观察到实验动物在低强度运动中,耐力水平有明显提高,抗疲劳能力增强,肌肉组织合成ATP的能力也明显增强[81]。人体实验显示,由于CKMM基因编码区域的突变而形成的变异基因型与耐力水平有一定关联[82]。此外,该变异基因型对耐力训练较未变异基因更为敏感。SaksWallimann等对CK在细胞内的作用作了综述,提出了两种假说,一是在高能量需求时CK作为“暂时的能量缓冲系统”保持ATP/ADP的比率;二是CK可作为能量转运单位,将能量从产生部位转运到利用部位。说明CK在能量代谢系统发挥重要作用。

Rivera等通过NcoITaqI酶切位点的基因多态分析(RFLPs)未发现这2个位点的单体型与优秀耐力存在任何关联[83]。但其在家系研究中报道,NcoI RFLPs在父代杂合子的附图显著大于纯合子;并且此多态与个体对耐力训练的反应呈显著性关联,未突变的纯合子对运动训练最不敏感,其训练增益显著低于其它基因型,其变化率在父代低于其它基因型3倍,子代低于其它基因型1.5倍,而在训练低反应群组中,CKMM纯合子竟占33%,其频率为其它基因型的3倍。而且,这类纯合子与训练高反应群组无缘,其多态分析解释了个体变化率差异大约在9%10%[84]。其后,Rivera等的连锁分析也证实了这一点[85]

3.2.3 组织相容性抗原(HLA)基因

HLA复合体位于6q21染色体区域,近年研究发现,该基因与人类运动能力有关。Rodas等对HLA复合体进行了基因多态分析,其中A2A11基因型可能为运动能力的遗传标记。通过双生子群体中HLA复合体与附图的关联分析发现,HLA基因A2A11群体附图平均值达到71±4ml/mim/kg,而未携带A2A11的群体附图平均值58±5ml/mim/kg,其差异达显著性水平(P0.001)。分析认为,携带A2A11的群体可能是为运动训练高敏感群体[86]。显然,HLA基因多态有望成为运动能力遗传标记。

3.2.3 肾上腺素能受体(ADRA2AADRB2)基因

近年研究发现,肾上腺素能受体基因ADRA2AADRB2与运动能力有关,ADRA2AADRB2基因分别位于10q24-265q31-32染色体区域。Wolfarth等对肾上腺素能受体基因Dral位点的多态分析发现,Dral RFLPs在优秀耐力运动员组和常人中存在显著差异(P=0.037),其中,6.7kb的等位基因在优秀耐力运动员中的分布显著高于常人。值得一提的是,此项研究中受试者是以>74ml/mim/kg作为优秀耐力运动员的标准的。[87]研究还发现,8对同卵双生子经过20周的耐力训练后,脂肪水解活性显著增高,其变化呈现同卵双生子内的高度一致性,而双生子间则呈异质性,表明训练引起的脂肪水解的变化主要由相关基因型决定,且ADRA2AADRB2结合位点的分布呈部位特异性,儿茶酚胺激活的脂肪水解的差异与肾上腺素能α-2受体的亲和性及数目有关。研究发现,马拉松运动员对脂肪的利用率就显著高于常人和其它运动项目,脂肪水解供能又是耐力运动的重要能量代谢途径,而肾上腺素能受体基因通过调控ADRA2AADRB2与儿茶酚胺的结合位点而发挥作用,也有望成为杰出耐力的遗传标记。

3.2.4 Na[ ]-K[ ]-ATPase α-2基因
  Rankinen等在家系研究中对Na[ ]-K[ ]-ATPase α-2基因多态进行了双生连锁分析,结果显示,Na[ ]-K[ ]-ATPase α-2单体型与运动最大输出功率变化率(Wmax)连锁(P=0.003),Bgl II RFLPs与附图和Wmax无连锁。结果提示Na[ ]-K[ ]-ATPase α-2基因的多态与运动训练敏感性关联[88]目前,相关文献还未见其与优秀耐力水平关联的报道,但目前实验研究支持Na[ ]-K[ ]-ATPase α-2基因在肌肉收缩、疲劳过程及运动能力中的作用。动物实验发现,抑制Na[ ]-K[ ]-ATPase活性引起骨骼肌运动能力降低。人体实验显示,有训练者股外侧肌的Na[ ]-K[ ]-ATPase活性显著高于常人对照,且其活性变化独立于肌肉氧化代谢变化。鉴于Na[ ]-K[ ]-ATPase是恢复Na[ ]-K[ ]电位梯度的关键酶,预测Na[ ]-K[ ]-ATPase α-2基因可成为评定运动能力的候选基因。
   3.2.5 线粒体(mtDNA)基因
  研究证实,骨骼肌ATP的再生能力是维持高水平运动能力的一个重要的限制因素,而线粒体是氧化磷酸化生成ATP的重要场所,线粒体作为核外惟一具有遗传效用物质(mtDNA)的细胞器,具有自我复制功能,并控制相当的遗传性状。

目前研究表明,mtDNA是基因组中惟一不遵循孟德尔遗传规则的基因序列,mtDNA16 569 bp构成的双链环状结构,可编码下列结构:1)NADT脱氢酶的7个亚基(MTND1,MTND2,MTND3,MTND4,MTND4L,MTND5,MTND6);2)ATPase合成酶的亚基6和亚基8;3)细胞色素bc1复合物的亚基;4)细胞色素c氧化酶复合物的亚基,包括呼吸链和氧化磷酸化过程67个酶中的13个;52rRNAs22tRNAs。此外,mtDNA还包括其中惟一的非编码区D-LoopD-Loop包括了重链及轻链的启动子区,重链的复制源区,调控mRNA表达的保守序列。目前研究认为,mtDNA中除D-Loop8 275 bp处的87 bp被认为是非编码核苷酸,其它区域都有编码功能。其mRNA可从单一位点转录,即所有tRNArRNAmRNA均由同一顺反子转录而来,并且有部分基因的重叠。因此,mtDNA任一位点发生变异都有可能影响线粒体蛋白质的表达和功能,或影响n DNAmtDNA的相互作用,继而影响线粒体的合成和功能。

研究曾发现,附图(ml/min/kg)母子存有显著相关(r=0.28),家系研究也表明附图的遗传因素中30%是由mtDNA遗传决定的[89]。陈青等报道mt DNA/D-Loop(Msp,Kpn,Hinf,Hae)RFLPs在优秀耐力运动员与常人的分布频率有显著性差异,其中,Morph为优秀耐力运动员所特有。此外,研究还发现,有氧耐力训练反应敏感的少年运动员中表现出较高的mt DNA/D-Loop基因多态变异型[90]。但Riveera等的研究未能证实上述结果,没有发现BamH,Nci,Kpn RFLPs在优秀耐力运动员与常人在分布频率的差异[91]分析比较有关结果差异的原因,可能与研究所选择的优秀耐力的标准(附图)和受试者来源(种族)不同有关。另有1项有意义的研究为mt DNA基因多态研究注入了活力,该研究用22种内切酶对mtDNA基因组3%的区域进行了切割扫描,结果发现:普通健康个体携带下列3种多态之一者具有较高的附图(ml/minkg):1)Bam HI-MTND5(13 364 bp);2)Nci I-MTND5(13 470 bp);3)Msp I-threonine tRNA (MTTT,15 925 bp)。携带Sca I-MT-ND5(12 406 bp)的群体附图(ml/min/kg)低于整个群体的平均值。若对受试者进行20周的有氧耐力训练,其附图(ml/min/kg)显著性增加,变化范围在220ml/min/kg之间,但携带Hinc -MTND5者附图(ml/min/kg)的变化值(0.28l/min)低于其它基因型携带群体(P0.05)。此外,目前研究还证实,mtDNA是惟一经过母系遗传的遗传物质。

3.2.6 基因组扫描

近年,人们通过基因组扫描技术来探讨运动能力的遗传性,Bouchard1997年对高家索系进行了基因组扫描研究,他们从受试者的22号常染色体长臂上7个基因多态标记与心肺机能(附图、HRmax、最大氧脉搏)以及对运动训练的敏感性入手,进行连锁分析,但分析结果未发现任何连锁,其所选7个多态标记分布在GLUT5MbnmMHCPKCPARVPPARαMitCPTII基因区域[92]。此后,该研究小组又对22对常染色体进行了连锁分析[93]。结果发现,D4S3248与附图有最强的连锁,其距β-sarcoglycan基因0.2cM,后者是肌质网蛋白-糖蛋白复合物的组成部分,能够通过增加肌膜的稳定性,维护肌细胞功能。此外,在基因组扫描中还发现,D8S592距肌钙蛋白合成复合物β-I基因5.9 cM;γ-sarcoglycan(13q12.11)dystrophin-associated glycoprotein 1(3p21.31)lamin A/C(1q21.2)分别与遗传标记距2.36.2cMD14S587在肝糖原磷酸化酶基因(0.6cM)GTP cyclohydrolase I(1.8 cM)基因附近。GTP cyclohydrolase I是四氢生物喋呤的限速酶,NO合成酶的重要辅助因子。在11P15.1在磺酰尿受体(SUR)基因内,与Kir 6.2构成ATP敏感性钾通道,并且SUR基因与Kir 6.2(KCNJ11)连锁不平衡,Kir存在于多种组织,在连接细胞代谢和膜电位中起重要作用。在11p14.1为钾离子通道基因(KCNA4)(0.1 cM);6p21.33为胰脂肪酶(CLPS,0.8 cM)和血色素基因位点(HFE1.3 cM);4q26为脂肪酸结合蛋白2(FABP0 cM)基因,长Q-T综合征(LQT4,4.0 cM)位点;2pl6.1为钙调蛋白2(CALM2 0.5 cM)和钙调蛋白B(PPP3R13.4cM)位点;1P11.23-β-羟兹类脱氢酶(HSD3B10.1 cM)和心肌收缩(CASQ5.5 cM)位点。这些基因与心脏收缩(KCNA4LQT4),长链脂肪酸氧化(CLPSFABP2),体内钙平衡、骨骼肌和心肌电信号传导递(CALM2PPP3R1CASQ2)以及固醇类激素合成(HSD3B1)有关,均可能构成运动能力相关基因。

 

4 新兴的基因克隆策略与研究前景

 

人类基因组全序列可望提前完成,而以功能鉴定为核心的功能基因组学及其相关技术应运而生,一系列全新概念的基因克隆策略与遗传学基因定位和克隆技术面世,在此作简介。

4.1 基因克隆策略

目前,人类基因克隆的主要策略有3种:1)反向遗传学定位克隆策略,它是通过基因多态分析,微卫星DNA等遗传标记,先获得某一表型在染色体上的定位,再在候选区域内选择已知基因,进行相关突变基因的筛选,以获得cDNA及全基因;2)从蛋白质功能入手的功能克隆策略,采用以削减杂交为思路的多种分子生物学手段,先通过削减获得特异性表达或缺失的基因片段,然后进行染色体定位乃至获得全基因。3)介于两者之间的候选克隆策略,包括定位候选克隆和功能候选克隆,前者是在将有关基因以连锁分析和染色体分析基本定位基础上,再在候选区域内选择所有已知基因进行相关突变基因的筛选。后者则根据相关基因的目标功能,检测基因库中的基因功能区域,将含有类似功能的基因用于相关基因的突变检测。目前,功能基因组研究的主要技术有下列10类:1)家系连锁分析法;2)等位基因共享法;3)人群关联分析法;4)cDNA筛选法;5)削减杂交法和抑制性杂交法;6)差示反转录PCR法和差异削减显示法;7)代表性差异分析法和SI核酸酶介导的缺失基因探针富集法;8)基因组错配扫描法;9)比较基因组杂交法;10)DNA芯片法。可喜的是目前我国学者马力宏、何子红、田振军、常芸等已通过人群关联分析法和DNA芯片法对杰出运动能力相关基因作了初步探讨。

4.2 杰出运动能力相关基因研究前景

遗传流行病学研究表明,杰出运动能力在很大程度上受控于基因,而遗传因素通过以下2个方面对人体运动能力产生影响1)与环境因素和生活方式无关的基因对人群的平均影响,即遗传度;2)基因与环境的相互作用,即存在对运动训练敏感的高反应群体和对训练不敏感的低反应群体。但以往有关运动能力的遗传流行学的研究方法无论是双生子分析、家族分析还是种族差异比较,所估算出的遗传度仅仅表明在某一群体中,某一性状由亲代向子代可传递的平均程度,仅描述群体趋势,而不能作为预测个体遗传潜力的量化指标。人类基因组计划的实施及其成果推进了分子生物学技术与理论的飞速发展,加速了基因密码的破译,如果我国运动科学工作者能利用现代理学、分子生物学、基因组学、生物信息学与生物芯片等技术,精细识别、克隆与人类运动能力有关的基因,了解其相关素质基因的结构和功能,对运动能力的预测、评定以及科学选材系统的建立将有十分重要的意义,有望从根本上解决竞技体育早期选材、早期培养和科学监控的难题。

目前研究显示,杰出运动能力是一复杂的多因子性状,是由多基因控制的,因此,寻找决定运动能力和运动成绩相关的生理性状的基因基础,确定与杰出运动能力生理功能有关的基因是当务之急。这一研究的实施必将带来中国乃至世界运动员科学监测和选材史上巨大的变革;同时,也将作为继人类基因组草图绘制成功之后,后基因组研究的重要组成部分,不仅可以丰富后基因组探讨的内容,而且对我国实施“奥运争光计划”,优秀运动员及后备人才的选拔具有很高的理论和实践意义。

 

 

   

 

发表日期:2011年6月12日    浏览次数:1836次
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