運動基因組學(xué)的研究進(jìn)展

1、運動基因組學(xué)的研究進(jìn)展摘 要：目的：回顧目前在理解運動員能力遺傳決定論方面的進(jìn)展，并描述一些新的、重要的、 可能成為精英運動員的差異標(biāo)記的基礎(chǔ)的DNA多態(tài)性。方法：通過文獻(xiàn)綜述和歸納分析法對 過去幾十年運動基因組學(xué)的研究進(jìn)展作了簡單的回顧。結(jié)果:運用全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)， 在過去幾年確定了 41種標(biāo)志物，這表明GWASs是一種有前景、富有成效的研究運動相關(guān)表 型的方法。結(jié)論：未來的研究，包括多中心GWAS和大群運動員的全基因組測序的驗證和復(fù) 制研究，將有助于發(fā)現(xiàn)大量能部分解釋運動能力和相關(guān)表型的遺傳力的遺傳變異(突變和DNA 多態(tài)性)。關(guān)鍵詞：DNA多態(tài)性；全基因組關(guān)聯(lián)研究；運動基因組

2、學(xué)；運動能力；遺傳因素Abstract: The main goal of this work was to review the current progress in the understanding of genetic determinism of athlete status and to describe some novel and important DNA polymorphismsthat may underlie differences in the potential to be an elite athlete. Methods: a brief review wa

3、s made on the progress of sports genomics in the past decades by means of literature review and inductive analysis.Result:41 markers were identified within the past few years by performing genome-wide association studies (GWASs), indicating that GWASs represent a promising and productive way to stud

4、y sports-related phenotypes .Conclusion:Future research, including multicentre GWASs and whole-genome sequencing in large cohorts of athletes with further validation and replication, will substantially contribute to the discovery of large numbers of the causal genetic variants (mutations and DNA pol

5、ymorphisms) that would partly explain the heritability of athlete status and related phenotypes.Key words: DNA polymorphism; Genome-wide association studies; Sports genomics; Athletic doility; Genetic factors遺傳因素被認(rèn)為在運動能力和相關(guān)表型（如力量、爆發(fā) 力、有氧能力、柔韌性、協(xié)調(diào)能力等）中起關(guān)鍵作用。盡管 運動能力1和中間表型2的遺傳度高達(dá)70% （視不同項目而 定），尋找具有遺傳傾向

6、性的特定運動項目的基因變異仍然 是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。運動基因組學(xué)是一門相對較新的 學(xué)科，關(guān)注精英運動員基因組的結(jié)構(gòu)和功能3。運動基因組 學(xué)始于21世紀(jì)初，發(fā)現(xiàn)了與運動能力相關(guān)的遺傳標(biāo)記（例 如 ACE, ACTN3, AMPD1 和 PPARGC1A 基因多態(tài)性）。隨 著基因分型，測序和DNA微陣列技術(shù)的使用越來越廣泛， 大量評估候選基因變異的遺傳學(xué)研究已經(jīng)發(fā)表，這些研究中 的變異大多與運動能力存在未經(jīng)證實的關(guān)聯(lián)性4。病例對照研究仍然是運動基因組學(xué)中最常見的研究設(shè) 計，通常涉及確定DNA序列的一個等位基因（基因或DNA 的非編碼區(qū)）在一群優(yōu)秀運動員中是否比在一般人群中更 常見，意味著該等位

7、基因提高了某種運動能力。為了避免 假陽性結(jié)果，病例對照研究應(yīng)該至少在不同人群（外部復(fù) 制）或同一群體的亞組（內(nèi)部復(fù)制）中復(fù)制1次5-7。識別 運動相關(guān)遺傳標(biāo)記的另一種方法是比較成績最好和最差的 運動員之間的基因型和等位基因頻率8,9。由于耐力和力量是肌肉運動能力的相反的性狀，因此 在耐力和力量運動員（或力量運動員與參加低強(qiáng)度運動的 運動員等）之間的等位基因或基因型頻率的比較也是一種 識別耐力、力量標(biāo)記的方法10橫截面研究是運動基因 組學(xué)中另一種類型的研究設(shè)計，檢驗具有特定DNA序列的 一種基因型（或等位基因）的運動員與其他人相比是否具 有不同的性狀測量值（例如VO2 max,跑步時間，快肌纖

8、維的百分比、心臟大小，乳酸閾等）以13。全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）是一種新的研究方法，它 通過許多人的微芯片快速掃描整套DNA中的數(shù)十萬（多達(dá) 500萬）標(biāo)記，以找到與特定性狀相關(guān)的DNA多態(tài)性。GWAS 方法的一個優(yōu)點是：與候選基因研究方法相比，它在基因 組結(jié)構(gòu)和先前的性狀知識方面沒有傾向性14。因此，通過 高通量基因分型技術(shù)實現(xiàn)的GWASs在鑒定與復(fù)雜性狀相 關(guān)的單核苷酸多態(tài)性（SNPs）方面取得了巨大成功。DNA多態(tài)性（在人群中頻率為1%或更高）和罕見突變 （在人群中頻率小于1%）大致可以分為耐力、速度、爆發(fā) 力（速度、爆發(fā)力相結(jié)合）運動能力相關(guān)的遺傳標(biāo)記。需要 指出的是，協(xié)調(diào)性、柔韌

9、性等運動能力的遺傳標(biāo)記還未被研 究。與一種特定運動相關(guān)的遺傳標(biāo)記的顯著性基于以下幾個 標(biāo)準(zhǔn)：多態(tài)性的類型（移碼突變、缺失、同義突變、375-UTR, 內(nèi)含子、非編碼RNA等）；在特定人群中的頻率；病例對照 和橫截面研究中陽性和陰性（有爭議）的結(jié)果數(shù)量；研究的 運動員的數(shù)量；功能研究的支持證據(jù)（過表達(dá)或基因敲除模 型、特定等位基因熒光素酶活性的分析等）15。盡管基因在人類運動能力中具有明顯的作用，但幾乎 沒有明確的證據(jù)證明特定的遺傳變異對一種相關(guān)表型具有 主要影響（至少在人類性狀分布的正常范圍內(nèi)）。這可能是 因為復(fù)雜性狀基本上是多基因影響的，也可能是因為研究 人員沒有考慮到全面的環(huán)境影響，或兩者

10、兼而有之。值得 注意的是，每個DNA基因座都可以解釋很小比例的表型變 異（例如0.1到1%）4。因此，需要非常大的樣本量來檢 測這種關(guān)聯(lián)性，并且應(yīng)該使用多種方法的組合。迄今為止，一些研究試圖定義或量化影響人體物理性 能的多種基因型組合的影響訴-34。文獻(xiàn)檢索顯示，至少有155個遺傳標(biāo)記（位于常染色 體基因，線粒體DNA，X和Y染色體內(nèi)）與精英運動員相 關(guān)。這些遺傳標(biāo)記中93個與耐力相關(guān)，62個與速度、爆發(fā) 力相關(guān)。重要的是，通過對非洲裔美國、牙買加、日本和 俄羅斯運動員的GWAS研究，在過去的兩年內(nèi)確定了 41 個與運動能力相關(guān)的遺傳標(biāo)記，表明了 GWAS是研究運動 相關(guān)表型的卓有成效的方法。

11、值得注意的是，31種遺傳標(biāo) 記（耐力標(biāo)記：ACE I，ACTN3 577X，ADRB2 16Arg，AQP1 rs1049305 C，AMPD1 Gln12, BDKRB2 -9, COL5A1 rs12722 T，GABPB1 rs12594956 A 和 rs7181866 G，HFE 63Asp， KCNJ11 Glu23， mtDNA H haplogroup, mtDNA K haplogroup（unfavourable）， PPARA rs4253778 G， PPARD rs2016520 C，PPARGC1A Gly482，UCP3 rs1800849 T；速 度、爆發(fā)力標(biāo)記

12、：ACE D，ACTN3 Arg577，AGT 235Thr， AMPD1 Gln12，CKM rs1803285 G，CREM rs1531550 A， GALNT13 rs10196189 G，HIF1A 582Ser，IL6 rs1800795 G， MTHFR rs1801131 C，NOS3 rs2070744 T，PPARA rs4253778 C，PPARG 12Ala，SOD2 Ala16）在至少2項研究中顯示 出與運動能力呈正相關(guān)，其中12項（耐力標(biāo)記：ACE I， ACTN3 577X，HFE 63Asp，PPARA rs4253778 G， PPARGC1A Gly482

13、；速度、爆發(fā)力標(biāo)記：ACE D, ACTN3 Arg577, AMPD1 Gln12, HIF1A 582Ser，MTHFR rs1801131 C，NOS3 rs2070744 T, PPARG 12Ala）在 3 項或更多研究 中與運動能力呈正相關(guān)。至少有1項研究無法重復(fù)29種遺 傳標(biāo)記的研究結(jié)果國，這增加了有的發(fā)現(xiàn)可能是假陽性結(jié)果 并需要進(jìn)一步驗證的可能性。有趣的是，幾乎所有染色體 （除了 20號染色體）都包含與運動相關(guān)的遺傳標(biāo)記。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，耐力素質(zhì)仍然是研究最多的特質(zhì)。由 于篇幅限制，本文無法描述所有155種DNA多態(tài)性，但應(yīng)注 意的是，這些遺傳標(biāo)記中的120種（主要通過候選基因方

14、法 鑒定）在最近的一篇綜述中進(jìn)行了全面的描述4。鑒于此， 在本綜述中，我們重點關(guān)注GWAS方法最近確定的新DNA 多態(tài)性的描述。1基因變異與耐力素質(zhì)文獻(xiàn)檢索顯示，至少有93種遺傳標(biāo)記與耐力素質(zhì)相關(guān)， 其中19種是通過使用微芯片技術(shù)發(fā)現(xiàn)的。最初，Ahmetov等 人7檢驗了80名國際級俄羅斯耐力運動員（46名男性和34名 女性）中1, 140, 419個SNP與相對最大攝氧量（VO2max）之 間的關(guān)系，確定了6個“耐力等位基因”（p 10-5至10-8）（結(jié) 果在男性和女性中都能被復(fù)制）。為了驗證獲得的結(jié)果，作者 進(jìn)一步通過比較218名耐力運動員（或100名精英耐力運動員） 和相反隊列（192

15、名俄羅斯對照組，1,367名歐洲對照組和230 名俄羅斯力量運動員）之間6個SNP的頻率進(jìn)行病例對照研 究。假設(shè)與耐力運動員相比，“耐力等位基因”應(yīng)該在至少一 個相反隊列（俄羅斯對照和俄羅斯力量運動員）中出現(xiàn)較少。 這一方法證實NFIA-AS2 rs1572312 C, TSHR rs7144481C, RBFOX1 rs7191721 G這3個SNP與耐力素質(zhì)相關(guān)。NFIA-AS2基因編碼未描述功能的長鏈非編碼RNA。長 鏈非編碼RNA反義鏈的基因從相同的基因組位點或遠(yuǎn)離產(chǎn) 生有義轉(zhuǎn)錄物對應(yīng)物的基因座位的位點開始轉(zhuǎn)錄。長鏈非 編碼RNA的反義鏈通過靶基因的基因組位點上的DNA甲基 化和染色質(zhì)

16、修飾等機(jī)制抑制（在某些情況下還可以激活） 靶向蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄。假設(shè)NFIA-AS2參與調(diào)節(jié)核因子 IA （NFIA）基因或紅細(xì)胞/骨髓特異性RNA的表達(dá)。NFIA 作為轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)紅細(xì)胞生成，而其沉默驅(qū)動粒細(xì)胞生成。 與該假設(shè)一致，作者還報道了C等位基因與紅細(xì)胞生成的激 活（高水平的血紅蛋白，大量的網(wǎng)織紅細(xì)胞和紅細(xì)胞）相 關(guān)，而A等位基因與激活的粒細(xì)胞生成有關(guān)（大量的中性粒 細(xì)胞和更高的白細(xì)胞/紅細(xì)胞比例）E。至于其他2個基因多態(tài)性，RNA結(jié)合蛋白，fox-1同源物 （Caenorhabditis elegans）1 （由RBFOX1 基因編碼）是心臟、 肌肉和神經(jīng)組織中調(diào)節(jié)發(fā)育和組織特異

17、性選擇性剪接的重要 剪接因子35。因此，RBFOX1涉及多種醫(yī)學(xué)病癥，包括肌營 養(yǎng)不良癥，癌癥，神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)精神病癥。由TSHR基因 編碼的促甲狀腺激素受體是促甲狀腺素（產(chǎn)生甲狀腺激素） 和甲狀腺激活素（激活TSHR蛋白）的膜受體，因此是甲狀 腺細(xì)胞代謝的主要控制者。甲狀腺激素被認(rèn)為是骨骼肌代謝 和收縮類型的決定因素。TSHR還通過cAMP-哺乳動物雷 帕霉素信號傳導(dǎo)靶點介導(dǎo)促甲狀腺激素對血管生成的影響 I。rs7144481多態(tài)性位于TSHR基因的調(diào)節(jié)區(qū)（3-UTR）。對于使用不同標(biāo)準(zhǔn)的相同運動員組和GWAS數(shù)據(jù)：（1） SNP和VO2max的關(guān)系在男性和女性中應(yīng)該被單獨研究（調(diào)整 性別后

18、的p10-3）；（2）相比普通人和力量運動員，耐力相關(guān) 等位基因頻率在耐力運動員中應(yīng)該更高。同一組作者確定了 另外6個等位基因（ZNF429 rs1984771 G，F(xiàn)MNL2 rs12693407 G，ACOXL rs13027870 G，ITPR1 rs2131458 A，GALM rs3821023 A，NATD1 rs732928 G）與耐力相關(guān)38。這些SNP 位于參與調(diào)節(jié)脂質(zhì)（ACOXL）和碳水化合物（GALM）代 謝，形態(tài)發(fā)生和胞質(zhì)分裂（FMNL2）,細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號傳導(dǎo) （ITPR1）和其他過程（ZNF429, NATD1）的基因中。在同1組科學(xué)家的第3項研究中，Galeev

19、a等39在俄羅斯 耐力運動員（n = 223；所有和精英長跑運動員，所有和精 英中長跑運動員）和對照（n = 173）的4個亞組中進(jìn)行了 GWAS研究，發(fā)現(xiàn)93個與耐力相關(guān)的SNP,并可在所有亞組 中復(fù)制（p 10-4），但沒有一個達(dá)到全基因組顯著性水平。 增加3個標(biāo)準(zhǔn)：（1）效應(yīng)等位基因的頻率增加，耐力運動員 的成績水平提高；（2） 56名精英耐力運動員和67名精英力 量運動員之間等位頻率的顯著差異；（3）效應(yīng)等位基因與 高VO2max值的正相關(guān)。則余下5個SNP （效應(yīng)等位基因： CAMK1D rs11257754 A，CPQ rs6468527 A，GRM3 rs724225 G, SG

20、MS1 rs884880 A，L3MBTL4 rs17483463 T）與優(yōu)秀耐 力素質(zhì)相關(guān)。這些SNP位于參與調(diào)節(jié)碳水化合物代謝 （CAMK1D），合成甲狀腺素（CPQ）,谷氨酸能神經(jīng)傳遞 （GRM3）,鞘磷脂和二酰基甘油代謝（SGMS1）和染色質(zhì) 修飾（L3MBTL4）的基因中。Gabdrakhmanova等40使用GWAS方法研究了俄羅斯耐 力運動員和力量運動員之間基因組圖譜的差異。在第1階段， 通過比較兩組精英運動員（171名精英運動員和56名精英耐 力運動員）的基因圖譜，作者確定了 13個有意義的SNP（p 值從10-5到10-6）。在第2階段，他們比較了223名耐力運動員 和173

21、名對照者之間以上SNP的等位基因頻率。最后，進(jìn)行 回歸分析以揭示與VO2max的關(guān)聯(lián)（n = 71）。通過這些分析， 只余下5個SNP（CLSTN2 rs2194938 A, TPK1 rs10275875 T, ITPR1 rs1038639 T, NALCN-AS1 rs4772341 A, SPOCK1 rs1051854 T）與耐力素質(zhì)相關(guān)。這些SNP位于參與調(diào)節(jié)神經(jīng) 元興奮性（CLSTN2, NALCN-AS1）,維生素B1 代謝（TPK1）, 肌肉收縮（ITPR1）和蛋白質(zhì)代謝（SPOCK1）的基因中。2基因變異與力量素質(zhì)文獻(xiàn)檢索顯示，至少有62種遺傳標(biāo)記與力量素質(zhì)相關(guān), 其中22

22、種是通過使用微芯片技術(shù)發(fā)現(xiàn)的。通過3項GWAS研 究（95個牙買加、108個美國非洲裔、54個日本的優(yōu)秀短跑 運動員和617個對照）和綜合分析，王41等人發(fā)現(xiàn)rs1531550 （G/A）多態(tài)性的CREMA等位基因和rs10196189 （A/G）多 態(tài)性的GALNT13 G等位基因在精英短跑運動員中的比例（p 2乂10-6）比對照組高。在俄羅斯短跑運動員和力量運動員 中，這些結(jié)果也能被復(fù)制（p 0.001）。在483名俄羅斯運動員和173個對照者的GWAS研究中 （49名力量運動員，103名耐力運動員和331名來自其他力 量相關(guān)項目的運動員：其中包括89名短跑運動員，38名力 量/速度運動員

23、，64名摔跤運動員，42名橄欖球運動員，98 名賽艇/皮劃艇運動員），Egorova等四首先確定了與精英力 量運動員狀態(tài)相關(guān)的43個SNP （p 10-5）（與對照組相比）， 但沒有一個達(dá)到全基因組顯著性水平。增加3個標(biāo)準(zhǔn)：（1） 效應(yīng)等位基因的頻率增加，力量運動員的成績提高；（2） 力量和耐力運動員之間等位基因頻率的顯著差異；（3）效 應(yīng)等位基因與力量相關(guān)運動傾向之間的關(guān)聯(lián)性至少可復(fù)制 1 次。余下的8個SNP SUCLA2 rs10397 A, MED4 rs7337521 T, GPC5 rs852918 T, GABRR1 rs282114 A, CACNG1 rs1799938 A

24、（196Ser）, ARHGEF28 rs17664695 G, WAPAL rs4934207 C, MPRIP rs6502557 A等位基因,p值為9.1x105 至3.1x10-6。這些SNP位于參與ATP產(chǎn)生（SUCLA2）調(diào)控， DNA轉(zhuǎn)錄（MED4），細(xì)胞分裂和生長（GPC5, ARHGEF28）, 神經(jīng)遞質(zhì)（GABRR1）,肌肉收縮（CACNG1, MPRIP）和 DNA修復(fù)（WAPAL）的基因中。在另一項研究中，Ischenko等人43在176名俄羅斯力量 （89名短跑運動員，38名速度/力量運動員和49名力量運動 員）運動員中，一組速度/力量項目的運動員（n = 204；

25、64 名摔跤運動員，42名橄欖球運動員，98名劃艇運動員/皮劃 艇運動員/運動員），223名耐力運動員和173名對照組進(jìn)行了 GWAS研究。最初，他們使用GWAS數(shù)據(jù)進(jìn)行了 7次分析（精 英力量運動員與對照組，所有短跑運動員與對照組，精英 短跑運動員與對照組，所有速度/力量運動員與對照組，精 英速度/力量運動員與對照組，所有力量運動員與對照組， 精英力量運動員與對照組）并發(fā)現(xiàn)68個與力量相關(guān)的SNP （p值從0.001到1.34乂10-5）并在所有3個亞組中都可復(fù)制。比較力量運動員（n=380；上速度/力量項目的運動員組）和 耐力運動員（作為第2對照組）之間這些SNP的等位基因頻 率導(dǎo)致剩下8個與力量素質(zhì)相關(guān)的SNP （ PPARGC1B rs10060424 C, NRG1 rs17721043 A, ZNF423 rs1186513 C,RC3H1 rs767053 G, IP6K3 rs6942022 C , HSD17B14