表型組學研究進展及游泳運動員表型組學研究

蔡 廣

(上海體育科學研究所,上海 200030)

表型組學研究進展及游泳運動員表型組學研究

蔡 廣

(上海體育科學研究所,上海 200030)

運用文獻資料法，分析歸納表型組學研究在醫學和運動領域中的研究進展。認為研究人員對人類表型從蛋白質水平、細胞水平、代謝水平、各種表現形態方面進行系統化、跨尺度研究,通過多學科融合開創一種新研究模式。表型組學研究將對運動員的精準選材和科學訓練產生巨大的作用。

表型組;表型組學;游泳運動員;基因

近幾十年,在人類基因工程技術帶領下,各種高通量生物分析技術的高速發展,形成了系統生物學平臺,這些平臺的成熟與建設為基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學的研究和發展提供了良好的硬件條件[1-3]。表型組學便是在此背景下發展起來的一門新學科。表型組是指生物體從胚胎發育到出生、成長、衰老甚至死亡過程中,形態特征、功能、行為、分子組成規律等所有生物學性狀的集合,是基因與環境以及兩者互相作用產生的所有生物體表征[4-5]。表型組學是系統研究某一生物或細胞在不同環境條件下的物理、化學和生物特征從宏觀到微觀的系統測量學科,是聯系生物體基因型和表現型的橋梁[6-7]?！蹲匀弧冯s志將表型組學研究評為新方向領域,其發展前景非常光明,在醫療健康領域將發揮“點石成金”的作用。因此,表型組學研究已成為繼人類基因組計劃后的又一戰略制高點,為生物醫學研究提供了新的突破口,并將引領生物醫學發展。近年這些表型組學概念及研究也漸漸滲透到體育領域中[8-9]，可能對運動員的精準選材或者科學訓練產生顛覆性的影響。為此，就表型組學當前的發展和游泳運動員表型組學研究作一綜述。

1 表型組和表型組學研究現狀及意義

1.1 表型組和表型組學研究現狀

表型組學研究的重要性已引起全球的重視。2012年,在美國人類遺傳學年會(全球最大的人類遺傳學會議)上,明確了建立人類表型組計劃的必要性和可行性,并對如何整合現有的數據庫資源、計算及分析工具做了深入的探討[10]。2013年,在英國醫學研究理事會(MRC)和英國國家健康研究所(NIHR)5年共出資1 000萬英鎊的資助下[11],在帝國理工學院和倫敦國王學院建立MRC-NIHR表型組研究中心。這是國際上第1個表型組研究中心,該中心從對每年大約10萬人血樣和尿樣樣本的代謝分子表型測量出發,全面系統地研究人類表型組-基因組和環境因素及其相關性,為疾病生理病理機制研究、健康管理、早期防治和精準治療提供新思路。該中心將在全英國范圍內提供快速、高效和高質量的表型組分析服務,必將極大地推動英國健康與醫療領域的發展[12]。而人類蛋白質組作為人類表型組的重要組成部分,在近十年來也取得了長足的進步,對一個物種的蛋白組覆蓋深度可與RNA-seq技術為代表的轉錄組相媲美[1,13]。

我國表型組研究從20世紀80年代起步,經過多年的建設和積累，具備了良好的基礎。我國科學家系統收集了各民族人類遺傳資源和有代表性的亞洲人群遺傳資源;建立了系列人類表型測量方法,獲得了大量人群體質表型測量數據;研發了大型隊列關鍵技術,初步建立了70萬人規模的大型人群隊列;初步建立了高分辨無創的表型測量和影像學技術,發展了國際領先的高通量、高靈敏、高特異分子表型檢測技術,研發了全表型譜數據整合與分析技術;在這些工作基礎上已經產生了世界級的研究成果[14]。例如,通過對大型人群隊列的體質人類學和遺傳學檢測,金力等發現了使漢族人的皮膚、毛發、牙齒等一系列表型同時發生變化的基因變異,并由國際合作者在小鼠模型上重現了研究結論。同時,在代謝表型組研究方面,復旦大學已初步建立了國際領先的高通量、高覆蓋、超靈敏代謝組學技術體系及平臺[15-17]。此平臺包括代謝組綜合分析系統、目標代謝組精密測量系統及揮發性代謝物組精密測量系統等。該平臺有機結合代謝組全局刻畫、目標代謝組精密測量及揮發性代謝組精準測定,可以對涵蓋數十個代謝途徑的1 000余種小分子代謝物進行精準定量測量分析。

1.2 表型組和表型組學研究的意義

隨著人類社會日益快速的發展,以預防為主、關口前移的健康維護理念已全面普及。要真正實現預防,就要找到患病因素和疾病發生機制,提出針對性的健康維護方案。基于這一思想,在快速發展的技術推動下,生物醫學產生了多個研究熱點和創新方向,包括轉化醫學、精準醫學等,然而這些創新方向忽視了基因、環境、表型之間多層次的關聯、整合及三者整體性研究?？绯叨鹊谋硇徒M學可以在基因組水平上系統研究生物或細胞在各種不同環境條件下的體質、生理和行為等特征,借助高通量的表型分析技術與基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學結合,實現表型組數據與基因組信息的結合,進而開展從表型到基因與環境的“歸因”分析研究,從而快速發現疾病患病機制,為生物醫學提供了科學解決方案。因此,表型組學研究的開展將是全面解讀人類生命密碼所需的關鍵信息,探究健康辨識的基本依據和醫療干預的調控目標,通過歸因研究,厘清疾病發生發展機理,為疾病預防與干預提供關鍵線索與指引[18-20]。

2 表型組學研究促進運動員選材的發展

運動員選材伴隨著競技體育運動的產生而發展。在運動員選材發展開始階段,運動成績是唯一的選材標準,隨后由于教練員經驗的總結,開始了以經驗為主導的運動員選材,到現在由于科學技術的發展,開始以測試與經驗相結合的選材模式[21]。運動員選材的3個發展階段,其實都是以表型為基礎的運動員選材過程。運動成績是最直接的運動表型,教練員的經驗是非量化評估的表型。測試基于現代科學技術的發展而對人體進行精確測量的量化表型。運動員選材經過近一個世紀的發展,已形成一套較為完備的選材表型指標體系,包括生長發育水平、身體形態、生理機能、心理特征、生物化學、運動素質、教練員的非量化評估[22-23]。

但這些表型指標,往往更多地反映當前的狀態,在“超前性”和“精準性”上尚不足,影響著運動能力的預測和成才率。人體眾多運動能力的表型發育都蘊含著一定的敏感期,要在特定的年齡段與適合的訓練誘導才能逐漸地表現出來,譬如骨骼肌爆發力,需要等到肌肉和骨骼系統發育較成熟后,才能較準確地推測成年人水平,而肌肉爆發力的訓練卻在這之前就早已開始[24]。此外，同類表型由于個體發育的差異,也存在個性變化特點,這亦給預測準確性帶來很大干擾,影響了運動能力預測的精準性。由于當前運動員選材方法超前性與精準性兩方面的缺陷,影響了教練員對運動員的培養方向判斷,使教練員只能在實際訓練中通過訓練觀察不斷調整,這樣既耽誤運動員的最佳培養時間,又造成了大量人力、物力和財力的浪費。據統計,優秀運動員的成才率約為4.7%,因此,如何進一步完善運動員科學選材的理論與實踐,尤其是建立優秀運動員早期選材方法,盡早發現具有特殊運動潛質的人才，是競技體育亟需解決的瓶頸問題[25]。

鑒于近年來分子生物學取得的超乎尋常的發展,及其在人體科學領域全面而快速地滲透,體育科學也應乘勢將研究深入到基因水平,研究者想從更根本的層面上破解競技體育中篩選擇優的難題[26]。國內外研究者已發現眾多與運動能力相關的基因,與氧能力有關的基因有ACE、CKMM、ADRA2A及mtDNA的D-loop和MTND5等;家系研究還提示1p、2p、4q、6p、8q、11p、14q染色體區域可能有運動能力相關基因;與肌肉力量有關的基因主要涉及GDF8、CNTF、ACTN3等等[27-28]。人們試圖探明這些表型的基因標記或定位,以解決優秀運動員的早期選材問題,并從分子水平揭示人類運動能力的遺傳生物學機制。但國內外研究者經過多年的研究發現,僅從基因型數據入手分析與運動員遺傳度較高的運動能力的關系,尚存在一定的困難,預測準確度存在某些缺陷。隨著表型組研究的興起,充分利用表型組研究的技術方法,對表型、基因型數據和環境因素進行綜合分析,可能會獲得更好的運動實踐效果,對競技體育發展、運動員科學選材和運動醫學學科發展起到更好的優化作用。

3 游泳運動員表型組學的研究

游泳項目是競技體育中最重要也是開展最為普及的一個運動項目,其身體形態、生理機能、運動素質、心理心智、專項技術、教練員評定等方面表型組學研究已較完善。從身體形態表型看,世界優秀運動員的身材日趨大型化,男子平均身高都在186 cm以上,女子在173 cm以上[29-30]。指距是反映人體上肢長短和肩部寬窄的重要指標。世界優秀游泳運動員的指距普遍達到本人身高的104%～105%,指距長是世界優秀游泳運動員的共有特征。按照流體力學的原理,手臂長,向后劃水的截面積相對較大,獲得的有效推進力就增大。從生物力學的角度看,自由泳劃水時,手臂是在繞肩關節做近似的圓周運動。根據公式,線速度=半徑×角速度,若手臂劃水時的角速度相等,那么手臂長者獲得線速度必然比手臂短者大,這有利于游泳運動員劃水速度的提高。另外,手臂長還有利于增長劃水路線,提高劃水效果。指距超過身高值越大,對游泳技術的發揮就越有利。生理機能中表型指標有心功能指數和最大攝氧量2個重要的表型指標[31]。心功能指數越小越好,說明心血管系統功能的機能越好。而對于優秀游泳運動員來說,最大攝氧量是最直接的一項反映有氧能力的指標。優秀游泳運動員男子一般都在66 ml/kg·min,女子在55 ml/kg·min以上。運動素質表型主要有速度素質、柔韌素質、爆發力3種。其中速度素質和爆發力素質是影響運動成績的主要因素,速度素質主要通過專項測試進行評估,而爆發力素質應用較多的是縱跳方法?？v跳是反映運動員腿部爆發力的一個重要指標。游泳運動員腿部動作及出發、轉身蹬壁等都需要腿部的爆發力。成年優秀游泳運動員男性縱跳都在55 cm以上,女性在48 cm以上[32-33]。游泳運動員柔韌素質要求較高,需要較好的柔韌性。在專項技術表型方面,要求水感好,在水中表現漂、粘、輕、浮,技術符合水的特性,根據流體力學原理減小游進時的阻力,增大推進力。在心理特征表型方面,游泳運動屬于體能主導類運動項目,需要運動員集智慧、體能、技能、戰術、意志、心理品質于一體。另外,中長距離游泳項目還要求運動員具有高度發展的心理耐力,能承受生理上和心理上的極度疲勞,最大限度地動員體能的潛力。只有具備頑強的意志品質,才能滿足比賽競技的需要。在智力表型方面,優秀運動員需要具有高度自信、豐富的想象力和獨特的設計能力,以及在比賽場上創造性地解決技戰術的能力[34]。

代謝組學是一門新的系統生物學分支,它是通過考察生物體系受刺激或擾動前后代謝產物圖譜及其動態變化來研究生物體系代謝網絡的一種技術。國內近幾年已有學者對游泳運動員的代謝組學表型進行研究,但總體來說研究相對較少。王磊探討了游泳運動訓練過程中,不同訓練強度對代謝中間產物和終產物及其變化趨勢的影響,研究產物主要有能量代謝過程中的代謝產物、氨基酸及血常規,研究對象為17名優秀運動員,施加訓練負荷后,機體的代謝組產生了顯著變化,負荷越強,代謝組特征的偏移越明顯。單次負荷和累積負荷都會導致血清代謝組化合物濃度的變化:小分子有機酸僅在單次強度負荷后增高,單次強度負荷和累積負荷都會導致游離氨基酸增高,能量物質代謝中間產物在單次強度負荷后降低,而在訓練周期中,隨強度增加而升高。與現有的監控指標相比,無論單次課還是長周期,代謝組學指標對訓練的反映更敏感、更全面。在接受一段時間運動訓練的負荷積累時,男女運動員在代謝組特征上有著顯著的差異。女子游泳運動員代謝組受到訓練負荷的擾動較男子大[35]。李江華探討了用代謝組學預測高水平男子中短距離游泳成績的可行性,研究對象是18名優秀游泳運動員,檢測代謝物主要是尿液代謝物,模型的預測性能檢驗結果,對比賽中獎牌選手(進入前3名)與非獎牌選手(未進入前3名)、決賽選手(進入前8名)與非決賽選手(未進入前8名)的樣本預測準確率可達到90%以上,研究認為可以利用代謝組學模型預測高水平男子中短距離游泳比賽成績[36]。

4 游泳項目表型組學研究的展望

最近,復旦大學提出人類表型組學研究計劃。這是一個全球唯一的人類表型組檢測研究中心,一套國際領先的表型組測量技術平臺,一張首次覆蓋全年齡段的人類表型組全景參比圖譜,一套中國自然人群全表型組大數據,一個中國重大疾病人群和特殊才能人群的動態表型組數據庫,一系列人類健康、亞健康、疾病、特殊能力基因-表型標志物,一個全球人類表型組研究聯盟,一個貫穿基礎研究、臨床、醫藥、全民健康的人類表型組全鏈條的產業,通過不同人群的表型組學研究從而實現精準醫療。2006年上海體育科學研究所選材研究中心完成了“春芽行動計劃”,開展了《全國中級游泳項目選材標準》的系統研究,建立了青少年游泳運動員表型指標測評體系。近年來,隨著基因與運動能力關系研究的深入,在青少年運動員群體選材中逐步加入了基因選材的內容,但僅從基因型數據入手,分析與運動員遺傳度較高的運動能力的關系尚存在一定的困難,預測準確度存在某些缺陷。隨著當前表型組研究的興起,充分利用表型組研究的技術方法,對表型、基因型數據和環境因素進行綜合分析,可能會獲得更好的運動實踐效果,對競技體育發展、運動員科學選材和運動醫學學科發展起到更好的優化作用。當前，上海體育科學研究所選材研究中心通過參與復旦大學人類表型組基因計劃,以優秀游泳運動員和青少年游泳運動員為研究對象,通過身體形態特征、發育過程特征、運動功能特征、優異行為特征及體能代謝特征的測量與分析,建立優秀游泳運動員表型池和基因型大數據庫及可識別的表型組特征譜,探索游泳運動員表型跨尺度關聯及其遺傳機制。該研究突破傳統的運動員選材研究方法,將有可能徹底改變當前傳統運動員選材方法,大大提高運動員選材技術水平,同時提升運動員成才率,節省大量的人力、物力成本,在國內乃至國際上都具有極大的創新意義,也可以給其他運動項目運動員的表型組研究提供指導和借鑒。

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上海市科委項目(16JC1400503)