人类表型组学“一因多效”和“多因一效”研究

沈勋章

(上海市体育科学学会,上海 200030)

人类表型组学是研究人体除基因组外的另一半生命密码,其研究被Nature杂志评为新方向领域(图1)。2000年“人类基因组计划”宣告顺利完成后,国际科学界发现需全面研究人类表型组,补充所需要的另一半信息,并对基因、环境、表型之间开展多层次跨尺度关联性研究,为全面解读人类生命健康密码提供科技支撑[1]。2017年复旦大学金力院士发起“国际人类表型组学计划”,上海体育科学研究所积极参与,在优先启动项目“人类表型跨尺度关联及其遗传机制研究”结题时,中科院院士黄荷凤教授为组长的验收小组给予沈勋章研究团队的“游泳运动员表型组学研究”项目成果高度评价。

图1 国际人类表型组计划

基因组学和表型组学研究现象使然,互为因果,“因”“效”论证火热,完全基于基因组学和表型组学研究,基于科学研究和应用学研究等一系列科技重大专项立项[2]。一个人有数十万个基因,数万个表型,基因之间和表因之间关系错综复杂,存在“一因多效”“多因一效”、微效多基因、不完全表达、超表达等种种关联,要厘清千头万绪的基因和性状异常艰难。人类遗传学解释“一因多效(Pleiotropism)”是指由一个基因控制着多种不同的人体表型性状,而“多因一效(Multigenic effect)”是指由多个基因控制一种人体表型性状的不同现象[3-4]。无论“一因多效”还是“多因一效”均已被证实,一个基因可以影响多个遗传性状的表现,多个基因也可以影响同一单位性状的表现[5]。在生物界,“一因多效”现象非常多见,典型案例如控制豌豆的花色基因,该基因控制着植株色素,形成了一系列相关的生长反应,该基因还控制着种皮的颜色:C为灰色种皮,c为淡色种皮;C的叶腋呈现黑斑,c的叶腋无黑斑。在体育领域,AEC基因不仅与人体长时间耐久性工作有关,还涉及人体心血管功能,同时还与骨骼肌持续耐久力、心肺有氧能力、线粒体氧化代谢等运动能力相关。在医学界,“多因一效”现象亦非常普遍,典型案例如欧洲白种人眼巩膜颜色受60多种基因控制。在体育领域,决定人类身高的基因是含有DdFf的2对同位基因,而其他相关的等位基因还有数十对之多,近180个位点,有维生素D受体基因、雌激素受体基因、多巴胺D2受体基因、芳香化酶P450相关基因、高迁移率蛋白A2基因、IGF1 gene、GH gene、Golia1 gene、PTH/PTH1 gene、PPARD等基因[6],如此众多基因共同作用于身高的遗传性状表达,显示出“多因一效”多态性现象。

科学家已发现200多种与运动能力有关的基因,人类基因组学的“一因多效”或“多因一效”与人类表型组学存在密切不可分的关联性,开展了大量的跨尺度关联性研究[7]。研究[8-9]表明,人类运动能力和基因多态性的关联性研究将进一步深化生命奥秘,有些基因与肌肉快慢肌纤维比例有关,有些基因与骨密度和握力发展相关,有些基因与控制肌肉的供氧能力相关,有些基因与神经系统发育和功能相关,有些基因与运动代谢和营养补充有关,等等。“一因多效”或“多效一因”或“一因一效”及微效多基因研究势必大大提升运动员科学选材的成功率。

“一因多效”或“多因一效”甚至“一因一效”是生物在进化过程中自然形成的,在遗传和环境的共同作用下人体表型性状的表现过程[10]。基因的多态性(Gene polymorphism)表现为同一群体的某一基因存在着数种适合度相同的等位基因,譬如身高基因,其等位基因是同一对同源染色体相同位置上控制统一性状的基因,基因的存在往往成对又分显性和隐性。绝大部分运动相关的基因往往呈现多态性基因座,使得研究和应用工作更趋复杂。基因多效性(Pleiotropy)表现为一个基因可以决定或影响生物多种性状的形状,基因往往呈现“一因多效”或“多效一因”现象[11]。在生物体发育过程中,基因主效性的成因在于众多生理生化和酶化代谢过程相互依赖、相互制约,在于生物体的各种性状和各种生理生化过程相互依赖、相互制约,基因的作用也必然是相互关联、互为因果的。一种基因可以作用或影响某种性状,也会直接或间接地影响其他性状[12]。主效基因与功能基因的研究是关键。基因多效性表明单个基因可以使个体表现出多种生物学性状。同样,一个基因的异常所造成的基因产物的缺失,常常会在不同的组织内及个体的不同发育阶段引发一系列生理生化代谢不稳定或组织结构功能异常,使得个体表现出多种异化性状。白化病就是体内酪氨酸酶基因缺陷所致,患者除表现出皮肤白化、视力障碍症状外,还伴有各种免疫缺陷的表型[13]。基因的效能体现在生物体内多数性状是众多酶链共同作用的结果,在多基因控制下,通过控制体内细胞新陈代谢一系列酶链的生理生化反应影响整体的性状,从而决定性状的渐变。这些生理生化反应均按照特定的步骤进行,每一个基因控制一个或多个生理生化反应,呈现出基因多效性相互作用。因此,一个基因的变异有可能直接影响其他生理生化过程的正常进行,从而引起其他性状的相应改变。

以生物学研究方法为例,水稻分子育种采用比较基因组学研究,采用基因与QTL定位研究方法,建立育种性状GP模型(Genotype to phenotype)描述不同基因和基因型,以及基因和环境如何作用以产生不同性状的表型,从而可以鉴定出符合不同育种目标和生态条件需求的目标基因型,因此,GP 模型是分子设计育种的关键组成部分[11]。以运动训练学方法为例:以发掘人体运动天赋能力为突破口,采取全基因组关联分析(GWAS)或候选基因方法(Candidate gene),前者开展全基因组测序或扫描,操作平台复杂且科研费用高;后者通常所称的后选基因策略,在体育科学研究中较多采用。候选基因法原为一种多基因病研究方法,其分析原理是对疾病病理发生的各环节进行详细调查,确定或挑选一个或几个最有可能与疾病表现相关的功能蛋白,先对其基因和邻近的遗传标记做相关分析,进而找出与发病一致的突变,或将控制某些同类或相似性状的基因作为运动性状的候选基因。候选基因关联分析技术分型准确,通量较高,检测速度快,不受样本个数限制。采用无创性唾液基因技术方法在体育界大受欢迎,具有功能筛查、位点测序、成本较低、检测迅速等特点,与运动训练和选材育才的表型匹配度高,非常适合运动相关基因的因效关联性解析。

1 “一因多效”研究成果解析

“一因多效”可以简单地解读为人体单一基因参与多个生命活动过程。一个基因控制或影响众多性状发育,故称为“一因多效”。以卷毛鸡种为例,该鸡种含有一个卷羽基因,属于不完全显性基因:当性状为杂合(Ff)时,鸡身上的羽毛会向上翻卷,羽毛容易脱落;当性状为纯合(FF)时,鸡身上的羽毛外形翻卷更趋严重,全身几乎无毛,好似赤膊鸡。由于鸡身上的羽毛上卷并易脱落,就容易散热散温,因此,卷毛鸡的体温比一般鸡明显偏低,体温散失快,这促进了卷毛鸡种的新陈代谢,加快了心跳频率,增强了心脏功能,加大了血液流量,使得与血液循环关联的脾脏增大,卷毛鸡种的各种生理代偿功能显著增强,日食量大增,促进了消化器官、消化腺和排泄器官发生相应变化,能量代谢的变化影响到内分泌腺体分泌的肾上腺、甲状腺等激素,使得卷毛鸡种的生殖能力大为降低[14]。卷毛鸡种的基因变化引发的一系列的生理生化连锁反应,典型解析了“一因”引发一系列生理生化过程的“多效”性状现象。

在体育研究领域,由澳大利亚科学家首次发现的a-辅肌动蛋白基因(ACTN3,a-Actinin-3),是与运动能力相关的最热门基因,有“金牌基因”之美誉。ACTN3基因位点rs1815739,主要功能是辅助肌动蛋白收缩,使得骨骼肌更有质量地完成收缩,产生爆发力。ACTN3肌动蛋白结构仅存在于快肌纤维内,该基因有2个等位基因,分别为R与X,其R型变异可促进肌肉生成。按照蛋白结构编码,正常型为TT基因型,未接受来自父母的R型遗传,表现为肌肉纤维中不拥有ACTN3等位基因,肌肉中快肌纤维所占比例较低,肌肉快速收缩能力一般,相关速度力量的运动能力一般,在爆发力素质方面无遗传优势。CT基因型来自父或母的R型遗传,表现为肌肉纤维中含有一个ACTN3等位基因,肌肉中快肌纤维所占比例较高,肌肉快速收缩能力较强,相关速度力量的运动能力很强,在爆发力素质方面存在遗传优势。CC基因型分别来自父母双份R型的遗传,表现为肌肉纤维中拥有2个ACTN3等位基因,肌肉中快肌纤维所占比例很高,肌肉快速收缩能力非常强,相关速度力量的运动能力格外强大,在爆发力素质方面有遗传优势。ACTN3基因与径赛短跑、跨栏等项目所需的下肢肌群爆发力做功功率相关,与田赛铁饼、标枪等项目所需的上肢肌群爆发力做功功率相关,与举重、短距离游泳等项目所需的躯干肌肉群爆发力做功功率相关,也与排球、击剑等项目所需的全身肌肉爆发力做功功率相关,正因为“一因多效”与众多运动项目相关,该基因芯片盒的研发被教练员看好[15]。ACTN3基因CC基因型与人类肌肉爆发力高度关联,文献证实,参加奥运会并取得顶级运动成绩的短跑、举重选手ACTN3 CC基因型高达95%,女运动员中,CC基因型携带比例高达100%。统计资料表明,世界人口有1/6属于XX基因型,XX基因型不会得病,不会影响生活起居和工作劳动,只是身体运动时肌肉爆发力量稍差。

2 “多因一效”研究成果解析

遗传学把一个性状的发育受到众多基因控制或影响的现象称为“多因一效”。如果有2对或以上独立的遗传基因对人体表型产生相同的影响,只要有显性基因存在该性状就可表现。以豌豆为例,豌豆品种有C、R 2 个显性基因,正常态开放红色花瓣。将一株开红色花瓣的豌豆与基因型CcRr植株杂交后,子代约有3/8的个体开红花,若将此植株自花授粉,则后代开非红色植株约有7/16的比例。遗传学家把这类“多因一效”现象解读为众多基因影响或控制同一单位性状,一个性状的发育是由众多基因调控产生生理生化连续作用的结果[11]。需要指出的是,在众多基因中,主基因在多对基因中对某一性状发育起决定性作用。

以ADRB2基因和EPO基因研究为例,运动耐力在一定程度上受遗传因素影响,ADRB2基因A46G多态性与运动耐力相关,此外,运动耐力与ACE基因、mtDNA基因 E2a、ADRA2AE、ADRB215等耐力素质相关。G2肾上腺素受体亚型主要分布在人体肌肉组织、脂肪组织、心血管、支气管平滑肌等部位,ADRB2基因由于参加脂肪动员在能量代谢中起重要的调节作用,故可列为耐力项目运动员选材的候选基因之一[16]。此外。EPO基因位于7号染色体的长臂(7q11-22)上,由5个外显子和4个内含子组成,EPO基因编码193个氨基酸分子。EPO是促红细胞生成素(Erythropoietin),属于一种激素样物质,可促进体内新红细胞生成,目前已可以人工合成EPO基因。身体缺氧时,体内EPO被刺激分泌,导致血液RBC增生,携带氧气能力增加。EPO基因和EPO就扮演这种“氧气瓶”角色,从而有效地促进肌肉中氧气的持续供给,使得肌肉酸化过程延长,工作持续性长久。

3 “一因多效”或“多因一效”在选材育才中的应用

从人类遗传和科学进化来讲,“多因一效”促成了生物多样性,不同的生物多基因过程参与到同一种表型性状上,就出现了多态性,从而降低了单因素所带来的局限性。迄今为止,研究[16]发现有超过200多个基因与人类运动能力与体适能及健康状况有关,绝大多数基因呈多态性。运动实践证明,人类的基本身体素质和运动能力包括力量、速度、耐久力、灵敏性、柔韧性和平衡性等表型,力量素质居首。身体素质表型在很大程度上取决于遗传,CKMM 基因、GDF-8基因(Growth and differentiation factor-8)、CNTF基因(Ciliary neurotrophic factor,CNTF)、MSTN基因(肌肉生长抑制素)、IL-6基因(白介素6基因)、ACTN3基因(ACTN3,a-Actinin-3)、ACE基因(Angiotensin converting enzyme,ACE)等与人体肌肉力量相关,它们之间的因效和因果关联性非常强[17]。CKMM基因又称为肌肉组织特异性磷酸肌酸激酶基因,引起体育界的广泛注意,该基因表达蛋白为一种胞质酶,能维持能量代谢的动态平衡,肌肉中特异性磷酸肌酸激酶在肌球蛋白头部生成的三磷酸腺苷浓度非常高,显示出肌肉群持久工作能力。研究发现,Ⅰ型肌纤维和Ⅱ型纤维类型中的CKMM活性大有差异,Ⅱ型肌纤维中CKMM活性较Ⅰ型纤维至少高2倍,呈现出耐力项目运动员的CKMM 活性低的肌性特征。CKMM基因编码区域的突变而形成的变异基因型与耐力水平有一定关联,因此,对耐力训练来说,变异基因型比未变异基因型更趋敏感性。CKMM基因不仅可以解决优秀运动员早期的选材问题,还能从分子水平揭示人类运动能力的遗传生物学机制。GDF-8基因与TGF-β同属于超级家族成员,在胚胎期和骨骼肌增殖分化期的发育过程中起着至关重要的作用,其表达产物myostatin为肌肉生长抑制因子。比利时蓝牛和Piedmontese牛的超重肌肉(Double muscle)表型就是GDF-8基因序列发生种系突变的结果。CNTF基因又称纤毛神经营养因子,该基因与肌肉力量关联。研究发现,青春时期积极的体育锻炼和营养补充可降低肌肉发育产生纯合变异的概率促进肌肉系统的良性发育发展。IL-6基因研究表明,老年人骨骼肌量较大幅度减少的机制可能与年龄增加引起的IL-6水平异常有关[18-19]。IL-6基因与肌少症的关联主要表现在2个方面:一是参与骨骼肌分解,造成骨骼肌量流失;二是与低肌力有关。研究显示,IL-6可以破坏骨骼肌蛋白质的合成,直接参与骨骼肌蛋白质分解而导致骨骼肌量的减少,同时IL-6还可以抑制类胰岛素生长因子-I(IGF-I)对肌肉组织的促进作用[20]。ACTN3基因与肌纤维中快速收缩蛋白有关,天赋的特殊肌肉类型收缩可以产生巨大的爆发力量,ACE基因还具有影响肌肉氧气利用率和肌肉生长速度及肌肉在运动过程中合成吸收营养成分的能力。上述诸多基因表述都与人体骨骼肌力量的发生、发展相关。在青少年科学训练中开展“一因多效”或“多因一效”相关研究,促进人体运动训练学科的良性发展。

此外,儿童青少年生长发育过程中新陈代谢不仅与蛋白质代谢相关,与糖和脂肪代谢也关系密切,与脂质和类脂物质代谢相关的基因有NHF-1β基因、LEPR基因(Leptin receptor,LEPR)、瘦素基因、AK-4基因(AK4,Adenylate kinase)、LPL基因等,它们与有氧氧化过程和有氧训练能力相关,研究[21]发现,它们之间的因效和因果关联性非常强。肝细胞核因子1β基因(NHF-1β)多态性显示出与人体胰岛素分泌、作用及糖脂代谢的关系。瘦素受体基因(Leptin receptor,LEPR)研究体脂代谢水平和控制肥胖的基因,该基因编码的蛋白可以识别和转运瘦素。瘦素作为一种与肥胖密切相关的蛋白,能够调节人体体重、能量代谢和免疫应答等通路。瘦素基因(Leptin,LEP)是由白色脂肪分泌的一种蛋白质激素,作为一种肽类激素,在神经内分泌和外周调节中对身体能量平衡发挥着重要作用,反映出体重调节、体脂含量、摄食需求等重要信号因子[21]。AK4基因(AK4,Adenylate kinase)与腺苷酸激酶代谢有关,肌肉细胞中的腺苷酸激酶(Adenylate kinase)催化腺苷三磷酸(ATP)使腺苷酸(AMP)磷酸化而生成腺苷二磷酸(ADP)反应的酶,逆反应由2个分子ADP生成ATP和AMP。还有GSTP1基因(Glutathione S-transferase pi-1)、脂蛋白酯酶基因(LPL)等[22]。上述诸多基因都与人体新陈代谢和脂肪代谢相关,少年儿童开展有氧训练、监控体重、有效运动负荷等研究,可在“一因多效”或“多因一效”方面加大力度,破解运动员选材育才遗传学技术发展的瓶颈。

众所周知,β-catenin参与调控多个基因的表达,并将多种反应过程联系起来,从而形成生物反馈轴。任何生物活动均非单一过程支配,如激素分泌和表型性状就存在一些共同参与的基因表达过程,致力于形成技术动作的统一性,也有利于调节正负反馈以避免生理生化过程出现失稳,使人体的技术动作精准。多基因的作用方式并不存在冲突关系,而是从不同角度共同促进生命活动。总之,推行因效与因果效关系的研究为表型组学跨尺度关联性深化研究拓展了方法,开创了运动员科学选材的新路径。

4 小 结

“一因多效”“多因一效”“一因一效”,甚至是微效多基因等复杂性状是生物在进化过程中自然形成的。“一因多效”描述为一个基因可以影响许多性状的现象,“多因一效”描述为2对或多对等位基因控制或影响同一性状的现象。当今科学技术日新月异,在人类表型组学研究和运动员选材育才实践中,各种表型和基因型对运动相关性状的影响与表现呈现多态复杂性,研究方法和理论探索各有所长。无论是针对肌肉力量、肌肉爆发力或肌肉耐力基因的“一因多效”,还是与发展机体有氧能力对提升竞技运动水平基因的“多效一因”,无论是针对运动训练和体能恢复及超量恢复相关基因的“多效一因”,还是与体内新陈代谢、细胞内外代谢相关基因的“一因多效”,都需要大量文献资料论证和实验数据检验,更需要运动实践佐证。“一因多效”“多因一效”突破了天赋运动能力选拔和科学训练监控研究的传统思路,其成果初露端倪,须深入讨论。本文介绍人类表型组学跨尺度关联性的一些研究成果及“一因多效”“多因一效”概念,抛砖引玉,希望能拓展我国运动员科学选材研究内容。