基因芯片技术及其在运动人体科学中的应用与展望

邢维新

自1995年斯坦福大学的Schena等人在Science上报道了基因芯片对拟南芥菜不同组织中基因表达的情况进行研究之后[1]，基因芯片技术因其高通量、大规模、微型化、自动化、平行性和快速准确等特点迅速引起世界各国专家学者的极大关注。近年来，基因芯片技术在基因表达分析、新基因发现、基因测序、基因突变及多态性分析、疾病的基因诊断和预测、药物筛选、新药开发和个体化医疗等多个领域广泛应用，并显示出重要的理论和应用价值[2]。目前，基因芯片技术在体育科学领域的应用也迅速发展起来。国内学者田振军等人于2002年应用cDNA基因芯片技术首次对运动性心肌肥大和运动性疲劳小鼠的相关基因进行了筛选研究[3，4]；同年，何子红等应用寡核苷酸芯片技术对运动能力相关基因进行了初步探索性研究，并对筛选结果进行了报道[5]。笔者在查阅国内外相关文献的基础上从基因芯片及其技术原理出发，对基因芯片技术在运动能力相关基因筛选、运动心脏生物学研究和运动疲劳及其药物筛选等问题中的研究进展进行综述，展望基因芯片在运动人体科学研究领域中的应用前景。

1 基因芯片及其技术原理

基因芯片(gene chip)，又称DNA芯片(DNA chip)或cDNA微矩阵(cDNA Microarray)，其实质是在芯片上按照特定的排列方式固定上大量的探针，形成一种DNA探针微阵列，将样品DNA/RNA通过PCR/RT-PCR扩增、体外转录等技术掺入荧光标记分子后，与位于芯片上的固相探针杂交，然后通过荧光扫描器与计算机进行综合分析后，即可获得样品中大量基因序列及表达的信息[6]。基因芯片分类方法多，种类也多。根据芯片上的探针种类不同基因芯片可分为寡核苷酸芯片、cDNA 芯片和基因组芯片；按用途基因芯片可分为表达谱芯片、测序芯片、诊断芯片与毒理芯片等[6，7]。

基因芯片是按照碱基互补原理，标记待测样本的DNA与芯片上特定位置的探针杂交，通过分析处理芯片的杂交检测图像确定靶DNA序列，从而对组织、细胞中的基因信息进行分析[8]。基因芯片技术主要包括芯片制备、样品制备、杂交反应、信号检测与结果分析4个技术环节[9]。基因芯片制备方法有原位合成法和直接点样法两类。原位合成法是直接在芯片上用四种核苷酸合成所需的目标探针。其优点是可以用很少的步骤合成大量的探针阵列。该方法目前主要有原位光刻合成和原位喷印合成等几种；直接点样法是指将已经合成好的探针、cDNA或基因cDNA通过特定的机械手直接点在芯片上。目前已有商品化的美国Cartesian Technologies公司的Pix Sys NQ/PA系列产品出售。样品制备是指待分析的基因在与芯片上的探针杂交之前必须先进行分离、扩增和标记。由于样品来源、基因含量及检测方法和分析目的的不同，采用的基因分离、扩增及标记方法也各异。最普遍的是荧光标记方法是Cys3-dUTP或Cys5-dUTP[10]。目前，荧光素种类很多，可以满足不同来源样品的大规模平行性分析。基因芯片的杂交反应过程也非常简便。根据研究目的与选择的杂交条件，将制备的荧光探针与芯片进行杂交，洗去未结合的探针，即可进行芯片荧光信号的扫描与分析[11]。用计算机控制的高分辨荧光扫描仪可获得结合于芯片上目标探针中目的基因的荧光信号，通过计算机处理即可给出目的基因的结构或表达到的定量信息[12]。

2 基因芯片技术在运动人体科学领域中的应用进展

近年来，基因芯片技术在体育科学研究方面运用迅猛，其运用主要集中在运动能力相关基因筛选、运动心脏生物学研究领域和运动性疲劳及抗疲劳药物筛选等方面。

2.1 基因芯片技术在运动能力相关基因筛选中的应用进展

众所周知，在竞技体育运动中，不是每一个健康适龄者经过刻苦训练都可以成为世界冠军。只有那些天赋异禀的运动员，才能登上竞技体育的领奖台。可见，对运动员进行科学选材是竞技体育中最重要的一个环节。它是运用运动形态学、运动生理学、运动心理学及遗传学、人类学、生物学和数理统计等学科的相关理论将那些具有运动才能遗传特征的运动员选拔出来。我国早期的运动员选材工作经历了以运动成绩作为选拔标准的自然选材和以教练员的经验总结为依据的经验选材两个阶段。随着竞技体育竞争的日趋激烈和科学技术的快速发展，运动员科学选材工作引起了广大体育工作者的高度关注。近年来，运动员科学选材也从身体形态、生理功能、运动素质到人体运动时的生物力学、心理学及遗传学特征等方面广泛开展起来，尤其是20世纪90年代以来，其研究已深入到分子遗传学领域。随着现代分子生物学理论与技术的快速发展，基因芯片技术在体育科学研究中的应用也逐渐广泛，尤其在人类运动能力相关基因的筛选方面取得了较大进步。截至2000年，人们共发现29个与运动能力和体质相关的基因位点；到了2005年，与运动能力和体质相关的基因位点的数量达到了140多个常染色体位点和4个X染色体位点，且在线粒体基因中还发现了16个与运动能力和体质相关的基因位点。近年来，vanDeursen，Bouchard，Rankinen等人研究认为，有氧耐力素质是受多基因控制的，主要相关ACE、ADRA2A、ADRB2、NA+-K+-ATPaseα2、CKMM和mtDNA、MTND5、HLA及低氧适应基因等[13—17]；2013年，Woldt E等研究发现，REV-ERB-α是一个重要的运动耐力基因[18]；Ferrel，Thomis等研究证实，与肌肉力量素质相关基因主要有GDF8、VDR 、IGF和CNTF等[19，20]；常芸等应用寡核苷酸芯片证实了IGF-Ⅱ是研究运动能力的一个很好的候选基因[5]。目前，已筛查到的与运动能力关联的基因及其位点在不断增加。相信在不久的将来，随着基因组学、生物信息学及生物芯片等理论与技术的发展与应用，人们有可能筛选出与人类杰出运动能力关联的基因群，从而为解决优秀运动员的早期选材问题、运动能力的预测与评定以及揭示人类运动能力的遗传生物学机制提供重要的理论依据。

2.2 基因芯片技术在运动心脏生物学研究中的应用进展

目前，运动性心肌肥大与病理性心肌肥大的本质区别、运动性心律失常的发生机制、运动猝死的早期基因诊断与预防、运动心脏的基因调节网络、运动与心肌缺血的保护策略研究及心血管疾病的运动辅助逆转等问题一直是运动心脏生物学研究领域中广大学者关注的热点问题，尤其是运动性心肌肥大的发生机制研究更是吸引了众多专家的眼球。近年来，Baldwin KM、Jin H和国内学者常芸等应用RT-PCR、Soethern等相关分子生物学技术对运动性心肌肥大的原癌基因及次级应答基因MHCs、MLC-2和a-MHC的表达状况进行了研究，并著文论述[21—23]。基因芯片技术因其高通量、大规模、平行性和快速准确等优势可以对成千上万个基因同时进行研究。目前，基因芯片技术在运动性心肌肥大基因筛选研究方面已有文献报道。Fridddle等于2000年首次应用cDNA芯片技术对AngⅡ和去甲肾上腺素诱导的心肌肥大小鼠的研究发现，在4 000条靶基因筛选中，有55条基因在心肌肥大中起作用。同时首次确定了25条已知基因和30条新基因。通过对心肌肥大发展期和恢复期的基因表达分析研究发现，有8条基因发生在恢复期，为病理性心肌肥大的逆转提供了基因治疗和药物干预的分子生物学依据[24]；国内学者田振军等应用cDNA基因芯片对安静组和运动性心肌肥大组小鼠心肌组织的基因表达差异进行筛选的结果表明，在2 201条基因中，具有显著性表达差异的基因有71条，其中上调表达的有37条，下调表达的有34条。这些基因包括肿瘤相关基因、细胞骨架蛋白基因、代谢相关酶的基因、酪氨酸磷酸酶基因、心肌结构蛋白基因等多种多基因家族编码的基因[3]；Iemitsu等2005年对运动训练导致左心室壁增厚小鼠用含3 800个基因的基因微阵列研究发现，有75个基因发生了改变，包括33个上调基因和42个下调基因，其中糖原合成激酶3β(GSK-3β)基因的表达水平明显下降，钙调神经磷酸酶抑制子和ET-1的表达水平明显上升，而脑钠素、ACE、IL-6、血管细胞粘附分子-1无明显改变[25]。

综上可见，运动心脏的基因调节网络、运动猝死的早期基因诊断与预防及运动性心肌肥大的发生机制研究等问题均是目前运动心脏生物学研究领域中亟待解决的重大课题。利用基因芯片技术从分子生物学层面研究诸多运动心脏生物学中相关问题的基因表达情况，揭示它们的发生与发展机制，为进一步研究运动性心脏肥大和运动猝死的预防提供理论依据。

2.3 基因芯片技术在运动性疲劳基础研究中的应用进展

自1982年运动性疲劳的概念统一以来，有关运动性疲劳及其发生机制研究一直都是运动人体科学研究领域的重大热点问题之一。近年来，众多学者从机体的能量供应、中枢神经递质、离子代谢、自由基等方面进行研究并提出若干疲劳学说。但从分子生物学层面研究运动性疲劳的发生机制文献报道尚缺。基因芯片技术是新近出现的一种基因结构分析和基因表达研究技术。利用基因芯片技术有可能从基因层面上全面揭开运动性疲劳产生机制的神秘面纱。目前，国内应用基因芯片技术筛选运动性疲劳相关的易感基因已有文献报道。唐量等应用基因芯片技术对疲劳小鼠脑组织中基因表达进行分析发现，疲劳性运动小鼠脑组织中与脂肪酸代谢相关的基因 Scd-2 和 B-FABP 显著差异表达[26]；史晓红等2006年用涵盖了14 000个明晰基因的Afrymetrix基因表达谱芯片分析发现，一次性力竭运动组小鼠与正常对照组相比，共筛选出差异表达基因189条，78条基因表达增加，111条基因表达降低[27]；田振军等运用基因芯片技术筛选运动性疲劳的相关基因发现，在待研究的2 20l 条基因中，与中枢疲劳相关的117 条基因具有显著性表达差异，其中上调表达的基因有63 条，下调表达的基因有54条[4]。同时发现了参与运动性中枢疲劳的基因有代谢相关类基因、细胞信号转导类基因、蛋白激酶类基因线粒体相关基因、神经递质和氨基酸类基因和免疫相关类基因等[4]；2013年，张婧等应用基因芯片技术初步筛选出安静组与运动疲劳组大鼠脑组织与运动能力相关的糖代谢和脂肪酸代谢有关基因分别为4和8条，且均表达下调[28]；唐量等应用基因芯片技术对碳酸酐酶Ⅱ(CAⅡ)在运动性疲劳小鼠股四头肌中的表达进行分析，结果表明，CAⅡ在大强度训练大鼠股四头肌中表达明显增加[29]。

从目前的研究进展来看，运动性疲劳的产生是由能量供应不足、中枢神经递质改变、离子代谢紊乱、自由基产生过多等多种因素引起，受到代谢相关类基因、细胞信号转导类基因等多基因的调控。利用基因芯片技术有可能从基因层面上全面揭开运动性疲劳产生机制的神秘面纱。

2.4 基因芯片技术在抗运动性疲劳药物筛选中的应用进展

近年来，消除运动性疲劳的方法学研究在体育科学领域中受到广大专家、学者们的高度关注，尤其是抗疲劳药物的筛选已成为运动医学专家、药理学家共同关注的重大课题之一。药物筛选是对可能作为药用的物质进行初步药理活性的检测和试验，以求发现其药用价值和临床用途，为发展新药提供最初始的依据和资料[30]。目前用于药物筛选的靶标主要有膜受体和靶基因。膜受体应用于药物筛选有许多优点，但并非所有的受体与药物特异性结合后均可引起细胞内的信息传递变化；利用药物作用的靶基因进行运动性疲劳物质的筛选不仅可以解决药物作用的分子机理，同时还可提高药物筛选的可信度。传统药物筛选方法不但速度慢、所获信息少、耗资巨大，而且不能有效地利用化合物资源。基因芯片技术具有高通量、并行性、快速准确等优点，利用基因芯片技术可以首先了解正常组织与运动疲劳组织基因表达谱的变化，并与组织学、生理学和生物化学变化联系起来，因为基因表达的增加或降低可能是疲劳生理学的原因或结果，引起疲劳的多个基因产物均可作为药物的作用靶标[31]。总之，基因芯片技术在抗运动疲劳的药物筛选方面具有不可估量的作用。

3 基因芯片技术在运动人体科学研究领域中的应用展望

近年来，基因芯片技术因其高通量、大规模、平行性和快速准确等优势在体育科学研究领域展现出广阔的应用前景。

3.1 基因芯片技术在运动人体科学基础研究中的应用展望

近年来，基因芯片技术在运动人体科学研究领域的应用广泛开展。国内外学者已经应用基因芯片技术初步筛选出了运动性心肌肥大、优秀运动员运动能力相关基因和运动性疲劳的基因群。相信随着研究的进一步深入，利用基因芯片技术将会从基因层面全面揭示运动性心肌肥大的发生机制、运动心脏的基因调节网络、运动性心律失常的发生机制和运动猝死的诊断与预防等重大问题的神秘面纱。另外，应用基因芯片技术将会把更多的与人类运动能力相关基因筛选出来，同时，也可以把优秀运动员各个组织、器官的基因表达特征收集起来，以此建立基因表达库，从而得出能取得优异成绩的基因的平均表达水平，为中国乃至世界优秀运动员的选拔、培养及运动能力的预测与评定带来新的历史革命。应用基因芯片技术还有可能把运动训练引起机体应激反应的各种表现及其机制，从分子水平上全面揭开，从而筛选出疲劳易感基因群及其他们的影响因素和药物作用靶标，为深入探讨运动性疲劳产生的规律和发展机制、运动疲劳的临床诊断和加速疲劳的消除方法与手段提供科学的研究与应用尝试。

3.2 基因芯片技术在运动伤病的基因检测中的应用展望

在运动医学领域，运动性肌损伤、运动性贫血、运动性腹痛和运动性胃溃疡等一直是影响运动员运动成绩的重大伤病。近年来，针对上述运动伤病学者们开展了大量的研究工作，但运动分子生物学层面研究文献报道尚缺。利用基因芯片技术可以开展上述运动伤病的基因诊断和治疗。不仅可以明晰运动伤病的分子生物学机理，而且对它们的防治具有重要意义。同时，基因芯片技术还可以应用于长期困扰运动员和教练员的十字韧带断裂、跟腱断裂、半月板损伤、软骨损伤以及疲劳性骨折等运动伤病的基因诊断和治疗。这样可以有效延长运动员的运动寿命，对于竞技体育的发展具有促进作用。

运动猝死也是运动医学领域面临的最严重的重大问题之一。近年来，在国内外各类各级比赛中运动员猝死屡见不鲜。目前国内外报道与运动猝死有关的常见疾病有肥厚性心肌病、马方氏综合症及冠心病等。应用基因芯片技术进行运动猝死常见疾病的基因检测与诊断，可以揭示运动猝死发生的分子生物学机理，从而找出运动员猝死发生的原因和相关影响因素。这对于运动猝死的预防和全民健身活动的开展均具有重要意义。

3.3 基因芯片技术在运动员身体机能评价中的应用展望

运动员训练的科学化是实现竞技体育目标的最重要途径。实时准确地掌握运动员的身体机能状态是运动员科学化训练的重要组成部分，也是决定运动员能否在比赛中取得优异成绩的重要因素之一。近年来，广大运动员、教练员和体育工作者根据运动人体科学的原理，运用一些生理、生化指标来评定运动员的机能状态和运动训练的效果，取得了丰硕的成果。然而，运动员的机能评定是一个复杂、多因素、多指标、多层次的综合体系，而且很多生理、生化指标的检测对人体具有不同程度的损伤，效率不高，不能实时、准确地反映运动员的机能状态。应用基因芯片技术的原理与方法可以开发出高通量、快速准确、微量、无损伤且具有遥测功能的微型诊断器，可以对批量运动员进行现场机能评定，同时，也可以实时动态地监测运动员血液中多种蛋白和酶的变化情况，为运动训练的医务监督、身体机能评定及相关病理性变化带来革命性变革。

3.4 基因芯片技术在兴奋剂检测中的应用展望

兴奋剂检测是竞技体育的重要组成部分。传统兴奋剂检测方法费时、费力、费财。基因芯片技术能够在短时间内对运动员进行全员检测，极大提高了检测效率，且基因芯片技术在检测兴奋剂时灵敏度高，有望成为今后各种比赛兴奋剂检测的主导方法。积极开展基因芯片技术在兴奋剂检测中的应用，不仅可以维护运动员公平参与竞争的良好秩序，而且对于保护运动员自身的健康也具有重要意义。

3.5 基因芯片技术在运动营养补剂开发中的应用展望

随着现代竞技体育的快速发展，竞争亦日趋激烈，竞技体育对运动员的体力、体能、能量动员等要求越来越高。运动员在进行大负荷运动训练过程中消耗了大量的能源物质和各种营养素，及时补充营养补剂对于运动员疲劳恢复、提高运动能力均具有重要意义。近年来，随着基因芯片技术在植物学中的广泛应用，以及分子营养学的快速发展，基因芯片技术应用于运动员营养补剂的开发研究将大有可为。通过基因杂交、基因配对、转基因食品开发等科技方法，运用基因芯片技术开发出能够增强运动员力量和耐力的强化食品补剂，并针对不同运动专项，如力量、速度、耐力、柔韧、灵敏等，及时补充运动员的能量，从而为运动员创造优异的运动成绩提供重要保证。

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