中国北方汉族男子FECH基因－252A/G多态与耐力训练敏感性的关联研究

许亚丽，胡 扬，李厚林，席 翼，文 力，何子红

（1.河南大学体育学院，河南开封 475000;2.北京体育大学体育科学研究中心，北京 100084;3.西安体育学院田径教研室，陕西西安 710068;4.深圳大学体育系，广东深圳 518060;5.天津体育学院运动人体科学系，天津 300381;6.国家体育总局体育科学研究所，北京 100763）

◂博士论坛

中国北方汉族男子FECH基因－252A/G多态与耐力训练敏感性的关联研究

许亚丽1，胡 扬2，李厚林3，席 翼4，文 力5，何子红6

（1.河南大学体育学院，河南开封 475000;2.北京体育大学体育科学研究中心，北京 100084;3.西安体育学院田径教研室，陕西西安 710068;4.深圳大学体育系，广东深圳 518060;5.天津体育学院运动人体科学系，天津 300381;6.国家体育总局体育科学研究所，北京 100763）

目的:探讨中国北方汉族男性亚铁螯合酶（FECH）基因－252A/G多态性与耐力训练敏感性的关联，寻找与有氧耐力训练效果的分子标记。方法:选取102名中国北方汉族男性健康受试者，以95% ～105%个体无氧阈强度进行5 000米跑训练，每周3次，共18周，训练前后测定VO2max、RE等指标。使用PCR－RFLP和测序方法解析该基因多态性的分布特征，并进行该多态与上述生理指标进行关联性分析。结果:1）耐力训练前，AA基因型跑节省化时的心率（RE/HR）、跑节省化时的最大摄氧量（RE/rVO2）起始值均显著性低于GG基因型（P＜0.01）;2）有氧耐力训练后，AA基因型通气阈时的摄氧量（△VT/VO2）增加的幅度显著性高于GG基因型（P＜0.05）;AA基因型在跑节省化时的心率（△RE/HR）下降的幅度显著性高于GG基因型（P＜0.05）。结论:在FECH基因－252A/G多态性中，AA基因型耐力训练具有较高的训练敏感性，可作为预测有氧耐力训练敏感性的分子标记。

亚铁螯合酶;基因多态性;有氧运动能力

基因多态性与人体的运动能力及运动训练敏感性存在关联。亚铁螯合酶是生物体中血红素合成的最后一个酶，与人体有氧运动能力密切相关。基因多态性与不同人群的体制特征、运动能力、运动训练的敏感性等诸方面相关。通过基因多态性的研究，不仅可将运动员选材提高到分子水平，而且可以为个性化训练方案的制定提供分子指标，另外还可为全民健身人群制定个性化运动处方提供依据。

血红素是人体内具有重要功能蛋白质如血红蛋白、肌红蛋白、线粒体细胞色素、过氧化物酶、鸟苷酸环化酶、细胞色素P450酶等的辅基，因此在运输和储备氧气、电子传递及能量生成、抗氧化、细胞信号转导及药物代谢等方面发挥重要功能。另外，血红素还参与珠蛋白mRNA转录和翻译以及红系分化的调节等［1－4］。如果体内血红素合成受限或缺乏时，会导致血液系统病症，如贫血和白血病，还引起线粒体功能衰退、能量产生障碍和氧化应激增强等细胞病理学变化［5－6］，因此血红素的代谢与机体的运动能力尤其是耐力密切相关。

亚铁螯合酶（ferrochelatase，FECH）是生物体中血红素合成的最后一个酶，催化亚铁离子嵌入原卟啉Ⅸ形成血红素，主要存在于骨髓、肝脏、血液的网状细胞和成纤维细胞中，如果FECH缺乏或功能受损，会导致原卟啉在红细胞内、肝内大量蓄积引发红细胞肝性卟啉病，对机体造成极大损害［7－9］。因此，FECH活性与有氧运动能力密切相关。

目前，该基因多态性与运动能力的关联性研究国内外未见报道。研究选取位于启动子区的－252A/G多态作为标记，观察该多态性与有氧耐力训练敏感性的关联性，探寻预测有氧运动能力的分子遗传学标记。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

选取102名中国北方（东北三省、河北、山东等淮河以北平原地区）汉族健康男性受试者，年龄（18.82±0.88）岁，身高（171.67±5.83）cm，体质量（60.27±6.54）kg。均为中国武装警察某部队的新兵（2003年1月入伍，3月参加实验），且其双亲、祖辈双亲均为汉族，入伍前均无系统运动训练史及家族史，体检合格。实验取得了所有受试者的知情同意。

1.2 研究方法

1.2.1 有氧耐力训练方案 受试者进行18周、每周3次的5 000 m匀速跑训练。具体训练及监控方案请参看参考文献［10］。

1.2.2 指标与测试方法 分别于18周训练前后各进行一次VO2max、VT、跑节省化（RE）等测试。具体测试仪器和方法请参看参考文献［10］。

1.2.3 基因多态性分析 用Promega试剂盒提取全血DNA，PCR扩增:1）使用Primer Premier 5.0软件自行设计引物，上引物:5’－gga gaa ctg agg caa aag c－3’，下引物:5’－cgc tcc ctg cgt gaa aat g－3’，经blast比对后具有很高的特异性（引物由上海生工合成），PCR产物目的片段长度220bp。2）PCR 扩增体系（15μL）:10×PCR buffer 2μL，25mM MgCl20.78μL，dNTP 2μL，5uM 的上下引物各 2μL，Taq 酶 0.2μL（5U/μL）（上海生工），DNA 模板 100ng，双蒸水补齐至15μL。3）PCR扩增条件:95℃预变性10min;95℃变性45s，61.4℃退火 45s，72℃延伸 45s，35 个循环;最后 72℃延伸7min经2%琼脂糖凝胶电泳（100V跑5分钟，出孔后调成80V跑30min），荧光染料（Sybgreen，0.5ug/mL）染色检测PCR产物。4）限制性片段长度多态分析:限制性内切酶为Alu I，反应体系为 8μL:10ⅹT Buffer 0.7μL，双蒸水 2.7μL，Alu 10.1μL（1U），PCR 产物 3.5μL，37℃水浴5h。

1.3 数理统计法

以各指标训练前后数值的变化率即△=（训练后－训练前）/训练前，表示有氧耐力训练敏感性。

应用Finetti软件计算Hardy-Weinberg平衡;训练前数据的正态分布情况用K-S检验方法。符合正态分布，基因型之间各生理指标的初始值及基因型之间的训练敏感性采用单因素方差分析。不符合正态分布或方差不齐，采用非参数检验。所有数据处理均采用SPSS 11.5软件包完成，P＜0.05为差异具有显著性意义。

2 结果

2.1 参与者数量分析

纳入的102名受试者均进入结果分析。

2.2 －252A/G多态性解析及分布特征

FECH基因－252A/G多态位点的PCR产物经Alu I限制性内切酶消化后用2%琼脂糖凝胶电泳（80V跑45min），荧光染料（Sybgreen，0.5ug/mL）染色后紫外光成像，共得到三种条带:有酶切位点的纯合型有187bp和33bp两条带（为AA型，但33bp条带很短，已经跑出胶外），没有酶切位点纯合型为220bp一条带（为GG型），而杂合型有262bp、184bp和33bp三条带（为AG型，33bp条带很短，已经跑出胶外）。电泳图及测序图见图1－2。

图1 FECH基因－252A/G多态位点PCR-RFLP琼脂糖凝胶分型

图2 FECH基因－252A/G多态位点测序图

经统计，－252A/G多态性在受试者人群中的分布为:AA基因型共51人，分布频率为50%;AG基因型共42人，分布频率为41%;GG基因型为9人，分布频率为9%。经计算，基因型分布符合 H－W 平衡（X2=0.007，df=1，p=0.93），所以具有群体代表性。

2.3 －252A/G多态性与VO2max的关联

耐力训练前，最大摄氧量、通气阈各个指标的起始水平在不同基因型之间均无显著性差异;耐力训练后，VT/VO2的变化率在不同基因型之间存在显著性差异，表现为AA型增加的幅度非常显著性高于AG型（P＜0.01）;其余指标训练前后的变化率在不同基因型之间均没有显著性差异（表1）。

表1 FECH基因－252A/G多态性与VO2max的关联

2.4 －252A/G多态性与RE的关联

耐力训练前，RE/HR、RE/rVO2的初始值在不同基因型间存在显著差异，均表现为AA型、AG型非常显著性低于或显著性低于GG型（P＜0.01，P＜0.05），其余指标没有显著性差异;耐力训练后，RE/HR的变化率在不同基因型间存在显著性差异，表现为AA型下降的幅度显著性低于AG型（P＜0.05）;其余指标的变化率均没有显著差异（表2）。

表2 FECH基因－252A/G多态性与RE的关联

3 讨论

有氧运动能力与人体的健康关系最为密切，对运动员来说，它不但是体能类项目必须具备的能力和素质，也是提高训练效果和比赛成绩的重要保障。遗传学表明，有氧运动能力遗传度高达75%以上。另外，不同的个体对有氧运动产生的训练效果也存在差异［11－12］。而进一步研究发现，引起不同人群运动能力及运动训练敏感性的差异与基因多态性有关［13］。因此，通过基因多态性的研究，不仅可为全民健身人群制定个性化运动处方提供依据，而且可将运动员选拔提高到分子水平，还可为个性化训练方案的制定提供分子指标。本研究首次报道了FECH基因 －252A/G多态在中国北方汉族人群中的分布特点，及该多态与有氧运动能力表型指标VO2max、跑节省化（RE）等起始值和训练敏感性的关联，并发现三种基因型在上述指标的起始水平及训练敏感性方面均存在显著性差异，具体表现为:在耐力训练前，AA、AG基因型的RE/HR、RE/rVO2起始水平显著性均低于GG型。经过18周耐力训练后，AA基因型在达到通气阈时的摄氧量增加幅度（△VT/VO2）显著性高于AG基因型，AA基因型在达到跑节省化时的心率的下降幅度（△RE/HR）显著性低于GG型。

VO2max是反映人体有氧运动能力的重要指标，高水平最大摄氧量是高水平有氧运动能力的基础，其高低标志着人体有氧运动能力的潜力。通气阈（VT）是无损伤测定乳酸阈常用的指标。跑节省化（RE）是评价受试者在定量的次最大负荷跑速下能量消耗的指标，通常以次最大强度下稳态的摄氧量表示，是目前公认的描述亚极限负荷运动的心肺机能的最佳指标，并且在评价有氧耐力训练的感敏性方面较VO2max有更明显的可塑性［10］，更多地反映肌肉摄取和利用氧的能力。由此可知，在耐力训练前，AA、AG基因型的RE/HR、RE/rVO2起始水平显著性均低于GG型，说明在完成相同亚极量负荷运动时，AA、AG基因型以更低的心率及摄氧量即可完成运动时的能量需要，表现出较强的跑节省化能力，具有较好的有氧运动能力遗传优势。经过18周耐力训练后，AA基因型△VT/VO2的增加显著性高于AG基因型，说明AA基因型的乳酸阈值得到明显提高，有氧运动能力明显增进。另外，AA基因型△RE/HR的下降显著性低于GG型，说明AA基因型经过耐力训练后，在完成相同负荷运动时，能较以前以更低的心率即可满足机体对氧的需求，跑节省化水平得到提高，表现出较高的训练敏感性。从整体上看，在三种基因型中，AA基因型的有氧运动能力起始水平不但具有较强的遗传优势，并且对该耐力训练方案还具有很高的训练敏感性。

目前，有关FECH基因多态性与运动能力的研究未见报道，－252A/G多态性与有氧运动能力及耐力训练敏感性存在关联的可能机制是:－252A/G多态位点位于FECH基因上游启动子区，Di Pierro等［14］研究发现等位基因G可能会改变核染色质的结构并破坏SP1和其他转录因子的内在相互作用，而使启动子转录活性明显下降，引起FECH酶活性下降，表现为AA型＞GG型。而FECH为血红素合成的最后一个酶，直接决定血红素的质量，而血红素又是Hb、Mb、线粒体细胞色素等与氧气转运、氧气利用及能量产生直接相关的血红素类蛋白的辅基，与有氧运动能力有直接关系。可能通过上述机制，使得AA基因型表现出更为优秀的有氧运动能力水平及较高的耐力训练敏感性。具体机制有待于更深一步研究。在后续研究中，课题组将通过更多的评定指标体系在分子和基因水平上更深层次的探讨该基因多态性与有氧运动能力的关联机制。

4 结论

在FECH基因 －252A/G多态性中，AA基因型不仅具有较高的有氧运动能力起始水平，还具有较高的耐力训练敏感性，可以作为预测有氧耐力训练敏感性的分子标记。

［1］Tsiftsoglou AS，Tsamadou AI，Papadopoulou LC.Heme as key regulator of major mammalian cellular functions:Molecular，cellular and pharmacological aspects［J］.Pharmacol Ther，2006，111:327 －345.

［2］Ponka P.cell biology of heme［J］.Am J Med Sci，1999，318:241 －256.

［3］Ogawa K，Sun J，Taketani S.Heme mediates derepression of Maf recognition element through direct binding to transcription repressor BachI［J］.EMBO J，2001，20:2835 －3843.

［4］Sassa S.Heme stimulation of cellular growth and differentiation［J］.Semin Hematol，1988，25:312 －326.

［5］Tsiftsoglou AS，Tsamadou AI，Papadopoulou LC.Heme as key regulator of major mammalian cellular functions:Molecular，cellular and pharmacological aspects［J］.Pharmacol Ther，2006，111:327 －345.

［6］Gatta，L.B.Inhibition of heme synthesis alters Amyloid Precursor Protein processing［J］.J Neural Transm，2009，116（1）:79 －88.

［7］Navarro S，Del Hoyo P，Campos Y.Increased mitochondrial respiratory chain enzyme activities correlate with minor extent of liver damage in mice suffering from erythropoietic protoporphyria［J］.Exp Dermatol.，2005，14（1）:26 －33.

［8］Bloomer，J.Molecular studies of liver disease in erythropoietic protoporphyria［J］.J Clin Gastroenterol，2005，39（4 Suppl 2）:S167 －175.

［9］Lyoumi S，A.M.，Andrieu V.Increased plasma transferrin，altered body iron distribution，and microcytic hypochromic anemia in ferrochelatase － deficient mice［J］.Blood ，2007，109（2）:811 －818.

［10］席 翼，张得保，王国军，等.跑节省化评价有氧耐力及其训练效果实验研究［J］.中国运动医学杂志，2008，27（1）:15 －19.

［11］Timmons JA，Jansson E，and Fischer H.Modulation of extracellular matrix genes reflects the magnitude of physiological adaptation to aerobic exercise training in human［J］.BMC Biol，2005（3）:19.

［12］TImmons JA，Larsson O，and Jansson E.Human muscle gene expression responses to endurance training provide a novel perspective on Duchenne muscular dystrophy［J］.FASEB J，2005，19:750 －760.

［13］Shastry，B.S.SNP alleles in human disease and evolution［J］.J Hum Genet，2002，47（11）:561 －566.

［14］Di Pierro，E.A point mutation affecting an SP1 binding site in the promoter of the ferrochelatase gene impairs gene transcription and causes erythropoietic protoporphyria［J］.Exp Hematol，2005，33（5）:584－591.

Association between-252A/G Polymorphism of FECH Gene and Endurance Training Response in Men of HAN Nationality in Northern China

XU Yali1，HU Yang2，LI Houlin3，XI Yi4，WEN Li5，HE Zihong6
（1.Physical Education College of Henan University，Kaifeng，475000，Henan，China;2.Research Center of Sports Science，Beijing Sport University，Beijing 100084，China;3.Faculty of Track and Field，Xi’an Physical Education University ，Xi’an 710068，Shaanxi，China;4.Physical Education Department，Shenzhen Universeity，Shenzhen 518060，Guangdong，China;5.Department of Human Sports Science，Tianjin Institute of Physical Education，Tianjin 300381，China;6.Institute of Sports Science，General Administration of Sport of China，Beijing 100763，China）

Introduction:To investigate the association betweem-252A/G polymorphism of FECH Gene and aerobic ability in men of Han nationality in Northern China.Methods:102 healthy young male soldiers of Han Nationality in Northern China were recruited to undergo 18-week 5000m running 3 times a week.The VO2max、RE were measured before and after protocol.GeneScan and gene sequencing was used to analyse the-252A/G polymorphism.The association of the polymorphism with initial endurance capacity and endurance training response was analysed.Result:1）Before endurance training ，the running economy baseline（RE/HR、RE/rVO2）in AA genetype was significantly lowerer than in GG genetype（P＜0.01）;2）After endurance training ，the changing rate of VO2（△VT/VO2）in AA genetype was significantly higher than in GG genetype（P ＜0.05），the changing rate of running economy（△RE/HR）in AA genetype was significantly lower than in GG genetype（P ＜0.05）.Conclusion:The AA genetype of-252A/G polymorphism inFECH Gene has association not only with initial aerobic capacity but also with the sensibility to endurance training，so it could be the genetic marker in predicting endurance training response.

ferrochelatase;gene polymorphism;endurance training

G804.23

A

1004－0560（2012）03－0001－04

2011-06-12;

2011-07-16

国家科技部课题（2003BA904B04）。

许亚丽（1979－），女，副教授，博士，主要研究方向为运动员基因选材、低氧训练。

责任编辑:乔艳春