ACTN3基因C1747T多态位点作为举重运动员选材用分子标记的可行性研究

杨晓琳,胡 扬,李燕春,魏悦爽

ACTN3基因C1747T多态位点作为举重运动员选材用分子标记的可行性研究

杨晓琳,胡 扬,李燕春,魏悦爽

目的:选取ACTN3基因C1747T多态位点进行解析,筛选中国举重运动员选材用分子标记。方法:提取94名中国北方汉族优秀举重运动员全血DNA,应用 PCR-RFLP方法解析C1747T多态位点,通过χ2检验与206名普通对照组进行分析。结果:94名中国北方汉族优秀举重运动员的C1747T多态位点的基因型分布经χ2检验符合 H-W平衡(χ2=2.04; df=2;P>0.05)。优秀举重运动员组与普通对照组ACTN3基因C1747T多态位点的基因型分布具有显著性差异(P=0.031,P<0.05),等位基因分布也具有显著性差异(P= 0.022,P<0.05)。与普通对照组(CC基因型:31%;C等位基因:56%)相比,举重运动员组CC基因型(47%)以及 C等位基因(66%)的出现频率较高。结论:我国北方汉族人群ACTN3基因C1747T多态位点的CC基因型和C等位基因与优秀的力量素质显著相关。可以将ACTN3基因C1747T多态位点的CC基因型作为中国北方汉族举重运动员的选材用分子标记。

ACTN3;力量素质;单核苷酸多态;基因型;快肌纤维;举重

1 前言

在竞技举重运动中,力量对举重成绩起着关键作用,其他运动素质主要起保障作用[2]。与此同时,在举重运动员选材中,力量素质的好坏也是选择“力量型苗子”的主要依据[2]。以往研究多集中在针对形态、机能、素质等测试指标的研究方面[5],如何更加科学地在青少年中选出“力量型苗子”是亟待研究的问题。众多研究表明,杰出运动能力很大程度上受控于相应基因[1],力量素质也不例外,这就为举重运动员的选材开辟了新的途径。

α -辅肌动蛋白分布在骨骼肌 Z线,是肌动蛋白的结合蛋白,它通过与细肌丝相结合维持着肌纤维的有序排列和正常收缩。α -辅肌动蛋白家族在人体中以α -辅肌动蛋白-2和α -辅肌动蛋白-3两种方式存在。其中,α -辅肌动蛋白-2存在于所有肌纤维类型中,而α -辅肌动蛋白-3则仅存在于骨骼肌的快肌纤维中[11,12,15]。

α -辅肌动蛋白-3基因ACTN3上的 R577X(C1747T)位点存在单核苷酸多态,该位点的C-T突变会造成577位的氨基酸由精氨酸(577R)变为终止蛋白(577X),由此造成α -辅肌动蛋白-3的缺失[15]。但是,该蛋白的缺失并没有造成任何表型上的疾病[15,18]。在关于ACTN3基因的报道中,Yang对澳大利亚优秀男女速度力量型运动员的研究发现,577R等位基因在速度力量组的频率显著高于对照组,提示ACTN3基因的577R等位基因对于力量素质和速度素质来说是优势等位基因[16]。在众多对抗阻训练效果的研究中,也均发现R等位基因携带者的训练敏感性更高[7,8,13,14,17]。但是,近年来也出现一些不同的观点,对中国汉族男性军人ACTN3基因C1747多态位点的研究发现,基因型为 TT的汉族男性军人100 m速度明显快于基因型为CC和CT者[3]。由此看来,种族的差异以及研究群体的差异对ACTN3基因多态性的影响颇大。尽管研究结果各异,但是,ACTN3基因的多态性与力量素质密切相关不容置疑。因此,本研究选取 ACTN3基因的C1747T单核苷酸多态位点,对我国北方汉族优秀举重运动员进行基因解析,以期为中国优秀举重运动员的选材提供分子标记。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

优秀举重运动员94名,均为汉族,来自东北三省、北京、天津、内蒙河套地区和山东等省(市)的平原地区,其中,国际健将 17名,健将 66名,国家一级运动员11名。普通对照组206名,均为汉族,来自东北三省、北京、天津、内蒙河套地区和山东等省(市)的平原地区,未经任何专业训练,且体育活动正常,体检合格,并无家族运动史。

2.2 实验方法

常规方法抽取外周静脉血并提取DNA。依据 NCBI网站公布的人类ACTN3基因序列,用 Primer 5.0软件设计PCR引物。引物由上海生工生物工程有限公司合成。引物序列为:上引物:5’-CAg CAg CAT TCT CCT GTC A-3’;下引物:5’-CCC TTA CCT CCA CCT TCg-3’。PCR扩增片段长度为350 bp。PCR产物经DdeⅠ内切酶消化后用2%的琼脂糖凝胶电泳分型。

2.3 统计方法

本实验数据处理采用 SPSS 13.0 for Windows,计算各组人群的等位基因频率和基因型频率,通过χ2检验计算两组人群的基因型频率是否符合 Hardy-Weinberg遗传平衡定律。组间等位基因频率和基因型频率分布采用χ2检验,显著性水平定为0.05。

3 结果

扩增ACTN3基因C1747 T位点片断长度为350 bp。由于DdeⅠ酶识别C↓TNAG序列,而在 PCR产物中,在145 bp处有此序列,且没有多态,必然切开。位于 48 bp处的该多态位点则会产生有酶切位点和无酶切位点两种情况。因此,PCR产物经DdeⅠ内切酶酶切消化后,出现3种类型条带:有DdeⅠ酶切位点的纯合型 TT被切为47 bp、97 bp和206 bp 3条带;没有DdeⅠ酶切位点的纯合型 CC为144 bp和206 bp 2条带;杂合型 TC为 47 bp、97 bp、144 bp和206 bp 4条带(图1)。

图1 ACTN3基因C1747T多态位点PCR-RFLP琼脂糖分型图Figure 1. The PCR-RFLP Products of C1747T Polymorphism in ACTN3 G ene

94名中国北方汉族优秀举重运动员的C1747 T多态位点的基因型分布符合 H-W平衡(χ2=2.04;df=2),男、女举重运动员组的基因型分布也均符合 H-W平衡(分别为χ2=0.24,df=2;χ2=2.07,df=2)。普通对照组数据为本实验室前期实验所得[4],数据见表1和图2。

表1 ACTN3基因C1747T多态位点基因型及等位基因分布频率一览表Table1.The Distribution of G enotype and Allele Frequencies of C1747T Polymorphism in the ACTN3 G ene

优秀举重运动员组与普通对照组的 ACTN3基因C1747 T多态位点的基因型分布具有显著性差异(P= 0.031,P<0.05),等位基因分布也具有显著性差异(P= 0.022,P<0.05)。与普通对照组相比,举重运动员组的CC基因型(47%、31%)以及C等位基因(66%、56%)的出现频率显然较高。

当把男性和女性分开后,男性对照组与男性举重运动员组之间无论基因型分布还是等位基因分布均无显著性差异,女性对照组与女性举重运动员组之间也没有显著性差异。但是,CC基因型在男性举重运动员组中的分布频率仍然高于男性对照组(44%、30%),C等位基因的分布频率也呈现此情况(65%、55%)。女性举重运动员组的CC基因型和C等位基因的分布频率也高于女性对照组(48%、33%;66%、58%)。

图2 各组基因型频率分布情况示意图Figure 2. The Distribution of G enotype of C1747T Polymorphism in Each G roup

4 分析与讨论

Michelle等人通过对不同物种α -辅肌动蛋白家族中的α -辅肌动蛋白-2和α -辅肌动蛋白-3的研究发现,ACNT3的作用机制独立于ACTN2,而且它的序列在进化进程中具有高度的保守性。在胚胎发育过程中,无论是时间上还是空间上,ACTN2和ACTN3基因的表达都相互独立[11]。因此,单独研究ACTN3基因多态性与运动能力的相关性有重要意义。通过 Haploview 4.1分析得知,ACTN3基因C1747 T多态位点属于标签SNP,该位点的分布情况可以代表 rs618838、rs540874、rs1671064、rs509556、rs677488几个SNP位点的遗传信息(图3)。

本研究发现,中国北方汉族优秀举重运动员ACTN3基因C1747T多态位点的基因型频率分别为CC为47%、TC为38%、TT为15%,等位基因分布频率分别为C为66%、T为34%。普通对照组的基因型频率分别为CC为31%、TC为51%、TT为18%,等位基因分布频率分别为C为56%、T为44%。其中,我国优秀举重运动员该位点CC基因型分布频率显著高于普通对照组(P=0.031、P= 0.022)。此结果与 Yang在2003年首次报道的对澳大利亚优秀速度力量型运动员的研究结果相一致。他们的研究发现,与普通人相比,力量速度组运动员的ACTN3基因R577X(C1747 T)多态位点的 XX(TT)基因型较少,尤其是在奥运级别的运动员中没有XX(TT)基因型[16]。Anastasiya等人对486名俄罗斯力量运动员的研究也表明,该位点在优秀力量运动员中XX(TT)基因型和X(T)等位基因的分布频率显著低于普通对照组,优秀运动员组 XX (TT)基因型频率最低[6]。近年来多数研究均得到了与此一致的结果[8,14,17]。

图3 标签SNP分析图Figure 3. The Analysis of the Tagger SNP

多数研究表明,ACTN3基因的577R(C)等位基因对于力量素质和速度素质运动员来说是优势等位基因。在进行力量性运动时,ACTN3蛋白在快肌纤维中的表达有益于肌肉收缩,但是,携带 TT或者 TC基因型也可能成为优秀力量运动员。Lucia等人曾报道,一位获得过两次奥运会奖牌的西班牙优秀跳远运动员是 XX(TT)型[10]。对俄罗斯力量运动员的研究也发现,一位高水平链球运动员是XX(TT)型[6]。而且,近年来也有研究得到了与本研究不同的结论。对中国汉族男性军人ACTN3基因C1747多态位点的研究发现,TT基因型的汉族男性军人100 m速度明显快于基因型为CC和 TC者[3]。但是,该研究对象是普通人群,不是优秀运动员,即使百米成绩在各基因型中存在差异,也不能直接用于优秀力量运动员选材。

Vincent等人按照ACTN3基因R577X位点多态将90名健康男性分为 XX(TT)型和 RR(CC)型两组,每组22人。通过肌肉活检和免疫组化的方法,对受试者的肌纤维类型分布、ACTN3蛋白含量进行分析。结果表明,RR (CC)型受试者的Ⅱx型肌纤维(快肌、糖酵解型)的横截面积和数量的比例显著高于 XX(TT)型受试者[7]。该研究为RR(CC)基因型有益于快肌纤维的形成提供了实验依据。当然,也不排除其他信号通路和酶类对肌纤维类型的调节作用[12]。

Delmonico等人发现,性别与该基因多态相关,女性XX (TT)基因型携带者的膝关节伸肌的峰值力显著大于 RX(TC)以及RR(CC)基因型携带者[9]。但本研究发现,男性运动员组、女性运动员组与男、女对照组的基因型分布和等位基因分布没有显著性差异。研究结果的差异一方面来源于受试人群不同,即 Delmonico的研究以普通人群为受试者,本研究以优秀力量运动员为受试者;另一方面,也可能来源于受试者种族的不同。此外,Yang的研究[16]发现女性速度或力量型运动员中没有 TT型,与本研究中女性力量运动员组中有9人(16%)是 TT型不同。但 Yang的研究中运动员组的项目众多,有200 m以内游泳项目、800 m以内跑项目,还有速滑项目,与本研究单一的举重运动员有所不同。而且,Yang的研究中,女性速度力量型运动员组只有7人,本研究女性举重运动员有58人,人数的差异也可能导致结果的不同。此外,种族或地域因素也是差异产生的来源。

5 结论

研究表明,优秀举重运动员中携带CC基因型和C等位基因者显著多于普通人群对照组,ACTN3基因C1747T多态位点的CC基因型可以作为我国北方汉族优秀举重运动员选材用分子标记。

[1]常芸,何子红.运动能力相关基因研究进展[J].中国运动医学杂志,2002,21(2):173-178.

[2]桂来堂,马永红,彭根萍,等.论各种运动素质在竞技举重中的作用[J].山西体育科技,2007,27(3):11-13.

[3]黄昌林,尚旭亚.ACTN3、ADRA2A、睫状神经营养因子基因多态性与士兵速度、耐力、力量素质的相关性[J].中国组织工程研究与临床康复,2008,37(12):1236-1237.

[4]鲁政,胡扬.中国北方汉族人群ACTN3基因多态性与有氧耐力关联研究[J].中国运动医学杂志,2009,28(2):147-149.

[5]杨永亮,郑伟.青少年男子举重运动员形态、机能、素质指标的选材研究[J].中国体育科技,1999,35(6):21-23.

[6]ANASTASIYA M,DRUZHEVSKAYA IIDUS,I AHMETOV IRINA V,et al.Association of the ACTN3 R577X polymorphism with power athlete status in Russians[J].Eur J Appl Physiol,2008,103(6):631-634.

[7]BARBARA VINCENT,KATRIEN DE BOCK,MONIQUE RAMAEKERS,et al.ACTN3(R577X)genotype is associated with fiber type distribution[J].Physiol Genomics,2007,32(1):58-63.

[8]C SANTIAGO,M GONZALEZ-FREIRE,L SERRATOSA,et al.ACTN3 genotype in professional soccer players[J].Br J Sports Med,2008,42(1):71-73.

[9]DELMONICO M J,KOSTEK M C,DOLDO N A,et al.Alphaactinin-3(ACTN3)R577X polymorphism in influences knee extensor peak power response to strength training in older men and women[J].J Gerontol A Biol Sci Med Sci,2007,62(2):206-212.

[10]LUCIA A,OLIVAN J,GOMEZ-GALLEGO F,et al.Citius and longius(faster and longer)with no alpha-actinin-3 in skeletal muscles?[J].Br J Sports Med,2007,41(9):616-617.

[11]MICHELLE A MILLS,NAN YANG,RON P WEINBERGER, et al.Differential expression of the actin-binding proteins,α -actinin-2and-3,in different species:implications for the evolution of functional redundancy[J].Hum Mol Genet,2001,10(13): 1335-1346.

[12]MACARTHUR D G,NORTH K N.A gene for speed?The evolution and function ofα -actinin-3[J].Bioessays,2004,26(7): 786-795.

[13]NORMAN B,ESBJORNSSON M,RUNDGVIST H,et al. Strength,power,fiber types,and mRNA expression in trained men and women with different ACTN3 R577X genotypes[J].J Appl Physiol,2009,106(3):959-965.

[14]NIEMI A K,MAJAMAA K.Mitochondrial DNA and ACTN3 genotypes in Finnish elite endurance and sprint athletes[J].Eur J Hum Genet,2005,13(8):965-969.

[15]NORTH K N,YANG N,WATTANASIRICHAIGOON D,et al.A common nonsense mutation results in alpha-actinin-3 deficiency in the general population[J].Nat Genet,1999,21(4): 353-354.

[16]NAN YANG,DANIEL G,MACARTHUR,et al.ACTN3 genotype is associated with human elite athletic performance[J]. Am J Hum Genet,2003,73(3):627-631.

[17]ROTH S M,WALSH S,LIU D,et al.The ACTN3 R577X nonsense allele is under-represented in elite-level strength athletes[J].Eur J Hum Genet,2008,16(3):391-394.

[18]SUMINAGA R,MATSUO M,TAKESHIMA Y,et al.Nonsense mutation of thealpha-actinin-3 gene is notassociated with dystrophinopathy[J].Am J Med Genet,2000,92(1):77-78.

Feasible Research of the Gene Mark for Chinese Weightlifting Athlete Selection through the SNP C1747T in ACTN3 Gene

YANG Xiao-lin,HU Yang,LI Yan-chun,WEI Yue-shuang

Abstract:The purpose of this study is to filter the genetic mark for Chinese weightlifting athlete selection through analyzing the single nucleotide polymorphism C1747 T in ACTN3 gene.Methods:94 elite weightlifting athletes of Han nationality from northern part of China were selected and distribution of genotype was got using PCR-RFLP.ACTN3 genotype and allele frequencies were compared to 206 controls.Results:The frequencies of the ACTN3 CC genotype(47 vs.31%;P=0.031;P<0.05)and C allele(66 vs.56%;P=0.022;P< 0.05)were significantly higher in weightlifting athletes compared to controls.In conclusion, ACTN3 C1747 T polymorphism was associated with weightlifting athlete status in Chinese. Conclusion:The SNP C1747 T could be one of the genetic marks for Chinese weightlifting athlete selection.

α -actinin-3;strength f itness;single nucleotidepolymorphism;genotype;f asttwitch f ibers;weightlif ting

G804.7

A

1000-677X(2010)01-0070-04

2009-07-02;

2009-12-30

科技部支撑计划(2005DKA21300-9)。

杨晓琳(1984-),女,河南郑州人,在读硕士研究生,研究方向为运动分子生物学及低氧训练,Tel:(010) 62989306,E-mail:yxl_lyn@163.com;胡扬(1958-),男,江苏扬州人,教授,博士,博士研究生导师,研究方向为运动分子生物学及低氧训练,Tel:(010)62989208,E-mail:hyyr1@163.com。

北京体育大学,北京100084

Beijing Sport University,Beijing 100084,China.