基因研究在体育中的应用进展

李涛

（上海体育学院武术学院，上海200438）

基因研究在体育中的应用进展

李涛

（上海体育学院武术学院，上海200438）

文章对竞技体育人才培养过程中选材和训练环节应用基因技术的研究进行了综述，对与选材有关的有氧能力、速度等运动能力相关基因研究及训练过程中训练效果与基因表达、运动员营养、运动损伤的基因治疗、基因兴奋剂等相关基因研究的最新研究动态和现阶段存在的不足进行了总结，对将来的研究趋势进行了展望。结论认为：基因技术应用于体育科研是体育发展新的动力和必然选择，完善研究的整体思路，建立健全运动能力最关键生理决定因子筛选的理论系统是基因技术服务于体育事业的基础。

体育基因选材训练监控基因治疗基因兴奋剂

1 运动员选材与基因

基因决定运动能力已成为事实，随着训练方法的完善和统一，许多运动训练专家已充分认识到，只有那些具有运动天赋的人才能取得最优秀的运动成绩。人们为了探明这些运动天赋有关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和从分子水平揭示人类运动能力的遗传机制进行了大量探索，其中有氧能力相关基因是研究热点。对力量，速度等相关基因也进行了一些研究，但尚处于探索起步阶段。

1.1 有氧运动能力相关基因的研究

人体有氧运动能力是多因子控制的，由肌肉、血液循环、呼吸等系统及决定每个系统能力的多个因素共同决定。目前还没有学者对其所有相关表型进行系统性的研究，仅对个别因素的部分相关基因进行了关联或连锁研究，主要有ACE基因、线粒体基因、肌肉组织特异性磷酸肌酸激酶（CKMM）基因、MB基因、PPARGC1基因、Na+-K+-Apa seA2基因、肾上腺A受体（ADRA2A）基因等。

1.1.1 血管紧张素转化酶基因（ACE基因）

ACE基因位于17q23,全长21 kb,含26个外显子和25个内含子,在第16号内含子处，以是否存在一段287 bp的重复序列为标记，构成ACE基因的插入（I）缺失（D）多态。

ACE基因是目前人们关注最多的基因，研究结果可分为两种观点。一种持肯定观点，认为ACE基因可作为人体优秀有氧运动能力的遗传标记基因。支持这一观点的研究主要有一下几项：英国科研人员以Montgomery为首的研究小组对33名全英国最优秀登山运动员进行ACE基因插入（I）缺失（D）多态性分析发现，登山运动员等位基因和基因型频率与对照组普通健康男子表现出显著性差异，运动员多为II纯合子，少有DD纯合子，并且前五名最优秀的运动员均为II纯合子。

席翼对中国100名汉族优秀长跑运动员的研究认为，I等位基因和II基因型在汉族优秀长跑运动员中的特异性存在，可支持其作为杰出耐力基因标记的观点，同时，可将DD型纯合子作为汉族非杰出耐力的基因标记，即视为汉族有氧耐力运动员选材的“门槛”。并且ACE基因I等位基因对训练具有敏感性，II基因型可能更敏感。

另一些研究持否定观点，认为ACE基因不是人体有氧运动能力的标记基因。支持这一观点的研究主要来自在对混合项目运动员的研究。Taylor等对120名运动员来自混合的运动项目（曲棍球26名、自行车25名、滑雪21名、田径15名、游泳13名、划艇7名、体操5名、其他项目8名）的运动员研究发现I等位基因与有氧能力没有关联。

1.1.2 线粒体DNA

线粒体是人体细胞产生ATP的场所，是人体的能量工厂。线粒体产生ATP的速度是人体运动能力的限制因素。同时，线粒体具有独立于细胞核的遗传系统，具有自我复制功能，控制一定性状，并完全来自母系遗传。因而近年来成为人们研究的热点。常芸等发现我国耐力运动员线粒体高变区1有8个特有的异质性多态位点。高变区1多态位点C16167A、C16085G及T16124A可作为良好的遗传标记,其多态性可能造成人类有氧代谢能力的个体差异。

1.2 速度相关基因

速度素质主要取决于肌纤维中快肌纤维和慢肌纤维的比例。因为两者的供能方式及收缩速度不同。2008年北京奥运会上，牙买加人独领短跑风骚。英国格拉斯哥大学和西印度大学的科学家研究了超过200名牙买加运动员，结果发现，有70%的人体内拥有一种名为Actinen的物质，这种物质可以改进与瞬间速度有关的肌肉纤维，而这些肌肉纤维可以使运动员跑得更快。Actinen也是有相应基因编码的。Yang对992名希腊青少年进行研究发现，ACTN3基因多态性与40m短速跑成绩有明显相关性。研究表明在奥运会选手中绝大多数短跑运动员的基因型为C/C纯合型。与其它运动能力相关基因一样，速度相关基因也需要多角度多基因综合分析。

1.3 其它相关基因的研究

这些研究包括：肌肉组织特异性磷酸肌酸激酶（CKMM）基因、PPARGC1基因、Na+-K+-Apa seA2基因、肾上腺A受体（ADRA2A）基因、人类白细胞抗原（HLA）基因等。国内外学者对这些基因与有氧能力及有氧能力训练敏感性进行了关联研究。研究结果显示这些基因与运动能力有一定关联，但关联性不大。说明这些基因不是有氧能力的主要标记基因。这提示我们，有氧能力性状是多基因控制的复杂表型，目前选择的性状相关基因进行的研究还远远不够。我们应该用更科学而客观的指标反映有氧能力的高低，从新的角度寻找对有氧能力起作用的相关基因，并对多个相关基因对有氧能力的综合影响进行系统研究。

2 训练监控与基因

对运动员进行科学的训练和监控是提高训练效果、防止过度疲劳、减少运动员损伤等的先决条件。训练过程中运动员的机能状态、疲劳程度、训练效果，营养状况等都可以在基因表达层次上检测到客观的指标，因而在训练监控过程中应用相关基因技术，可以高效准确地指导教练员制定训练计划和运动员训练。

2.1 训练效果与基因表达

陶占泉等对递增负荷训练对免疫细胞mRNA表达的研究表明，经过5周递增负荷运动训练使T-helper1/T-helper2细胞因子基因表达上调，机体免疫平衡协调能力提高。柯杰兵等也发现，系统规律的太极拳运动可使能量代谢，尤其是三羧酸循环相关酶基因表达上调，而使肌肉蛋白合成相关基因和神经鞘脂类相关基因表达下调。所以在基因水平检测训练效果是完全可行的。同样道理，过度疲劳可以首先在基因表达层次上得到检测，从而及时调整训练计划；也可以检测过度疲劳是否已经消除，从而及时进入正常训练。

2.2 运动员营养与基因

合理营养是运动员保持良好机能状态，取得良好训练效果，获得优秀运动成绩的前提条件。营养缺乏和过量都会直接影响运动员的身体机能。目前尚未发现对人体营养和基因相关性的研究，但此方面研究在其它生物群体中已经取得了一定成果，我们可以借鉴并应用到人体的研究之中。徐晓燕指出，水稻对Zn营养具有明显的基因型差异。对其它植物K、P、N等营养的研究也证明具有基因型差异。这提示我们，不同运动员个体的营养需求是有个体差异的，这些差异可以在基因水平上得到检测。可以通过基因检测避免运动员营养不足和营养过量对运动训练的不利影响。

2.3 运动损伤与基因

在运动训练及比赛过程中，骨骼，肌肉，韧带等组织易出现损伤，损伤的治疗和恢复的效果直接影响运动员的健康和运动寿命。1967年，诺贝尔奖得主Marshall Nirenberg首次提出利用合成信息加工处理细胞，并对其前景和危险性作了分析，从而拉开了人类基因治疗的序幕。基因治疗主要采取两条治疗策略，即体内途径和体外途径。基因治疗在关节炎和关节损伤的治疗所采用的是体外途径。当前研究证明，一些生长因子具有促进软骨细胞合成基质代谢的作用，主要有血小板衍生生长因子、成纤细胞生长因子、表皮生长因子和转移生长因子、胰岛素样生长因子和骨形态发生蛋白等。Bandar的研究显示，转移基因在膝关节中有较高量表达，五周后仍有检测到高浓度白细胞介素受体的竞争抑制蛋白，有效的抑制了炎症反应。Sergei等在鼠上进行的实验同样显示，利用转染细胞进行膝关节基因治疗，可以明显抑制关节炎的炎症反应。

2.4 基因兴奋剂

为了保证运动员的身体健康及竞技比赛的公正性，国际奥委会、世界反兴奋剂协会（WorldAnti-Dop ingAgency，WADA）和国际运动联盟已经将基因兴奋剂列入违禁药，禁止运动员使用。WADA将基因兴奋剂定义为非治疗目的应用能提高运动能力的基因、遗传元件或细胞。

基因兴奋剂可通过增加心肌收缩力、增加氧运输功能、增强肌肉收缩能力等而提高运动员的运动能力。申建勇指出可能用做基因兴奋剂的基因有促红细胞生成素（EPO）基因、胰岛素样生长因子-I（IGF-I）基因、ACE基因、机械生长因子（MGF）基因、血管内皮生长因子（VEGF）基因、肌抑制素（myostatin）基因等。1999年Maurice等通过动脉导管从冠状动脉内导入心肌β-肾上腺素能受体基因重组的腺病毒颗粒，使心肌内β-AR基因的表达增加5-10倍，心肌收缩力、射血分数、排血量和对异丙基肾上腺素的反应亦明显增加。

基因兴奋剂存在很多潜在的风险，危及运动员的健康和生命，并带来了一系列社会伦理问题。因此，规范基因治疗，禁止基因兴奋剂是竞技体育将要面临的重要难题。

3 结语

随着分子生物学的发展，将基因技术应用于体育科研是体育发展新的动力和必然选择。为使基因技术更好地服务于体育事业，我们尚需在以下几方面做出更大的努力：结合生理学和社会科学相关知识，从影响人体运动能力的局部和系统的点面结合的角度发现运动能力的限制因素相关基因。完善对运动能力相关基因研究的整体思路，既要研究与运动能力可能相关的个别基因特性，又要加强对如何确定运动能力相关基因系统理论的研究。因此，建立健全筛选运动能力最关键生理因素的理论系统将是进行运动能力相关基因定位研究的前提，也应是我们今后工作的重点。在基因治疗方面，通过立法规范基因研究在体育领域中的应用，合理合法地利用基因治疗，杜绝基因兴奋剂。使基因科技的这把双刃剑更好地服务于体育健康事业。

[1]MontgomeryHE,Marshall R,HemingwayH,et al.Human gene for physical performance[J].Nature,1998（5）：393-221．

[2]席翼．ACE基因多态性及与有氧运动能力的关联研究[D]．北京体育大学博士学位论文，2004．

[3]Taylor RR,Mamotte CDS,Fallon K,etal.Tlite athletes and gene for angiotensin2I2convertingenzyme gene[J]．J App l Physiol,1999（87）：1035-1037.

[4]常芸，等．中国耐力运动员线粒体DNA高变区Ⅰ单核苷酸多态性分析[J]．中国运动医学杂志，2004（3）．

[5]Moran CN,Yang N,Bailey ME,et al.Association analysis of the ACTN3 R577X polymorphism and complex quantitative body composition and performance phenotypes in adolescent Greeks.Eur J HumGenet 2007（1）：88-93

[6]何子红，等．中国北方地区汉族男性PPARGC1基因多态性与耐力训练效果的关联性研究[J]．中国运动医学杂志，2006（3）．

[7]Rankinen T,Perusse L,Bo reck i I,et al.The N a(+)2K(+)2 ATP ase alpha2 gene and trainability of cardio respiratory endurance: the HER ITA GE family study[J].J App l Physiol,2000（1）：346-351.

[8]陶占泉，陈佩杰，王茹，等．5周递增负荷运动训练过程中T-helper1和T-helper2相关细胞因子基因表达的变化[J]．中国运动医学杂志，2006（3）：271-275．

[9]柯杰兵，马文丽，等．太极拳运动对老年人骨骼肌全基因组表达的影响[J]．中国康复医学杂志，2007（4）．

[10]徐晓燕．水稻锌营养基因型差异的研究[J]．广东微量元素科学，2003（2）．

[11]王玉．竞技运动与基因兴奋剂[J]．成都体育学院学报，2006（1）．

[12]申建勇．对基因兴奋剂的体育伦理思考及对策[J]．北京体育大学学报，2008（9）．

[13]Maurice JP,Hata JA,Shah AS,et al.Enhancement of cardiac function after adenoviral——mediated in vivo intracoronary beta2 -adrenergic receptor gene delivery[J].Clin lnvest,1999（1）：21-29．

The Application of Gene Technology in Sport

Li Tao
（Wushu School of Shanghai University of Sport,Shanghai 200438）

The papers summarized the results ofresearches on the application of gene technology in sport talents training process.The selection of relevant aerobic capacity,speed and related gene research training process monitoring,athletes training effect gene nutrition,sports injury gene therapy,genes related gene study doping dynamic and the latest research existing deficiencies are summarized,and the research trend in the future was prospected.It believed that gene technology applied in physical research is the new motivation and inevitable choice for sport study, while improving the overall thinking research,establishing and perfecting the sport ability key decision factors of physiological theory system is the basis of gene technology serving sports study.

SportsGene Selection of athletesmonitoring of the trainingGene therapyGene doping

G807.2

A

1004—5643（2010）01—0089—03

李涛（1985～），男，在读硕士研究生。研究方向：运动人体科学。