運動員有氧耐力的單基因選材

林文弢，楊世東，郭 瑩，林佳胤

（1.珠海科技學院，廣東 珠海 519090；2.南京曉莊學院，江蘇 南京 211171）

優秀運動員的運動能力受先天遺傳因素和后天環境因素的共同影響，隨著分子生物學的發展，運動員選材已深入到遺傳學領域，加入一些基因指標，使選材更具科學性[1]?；蚺c人類運動能力的相關研究主要集中在耐力素質、力量速度素質和訓練敏感性等方面[2]，其中有關耐力素質的研究最為深入和廣泛[3]。

1 運動選材的理論基礎

運動員科學選材是指根據不同運動項目的特點和要求，用科學、先進的手段和方法通過客觀指標的測試進行全面綜合評價和預測，把先天條件優越、適合從事某項運動的人選拔出來進行系統培養。科學的測試和預測方法是提高選材成功率的重要方法，也是選材研究的重點。近年，隨著分子生物學、生物化學等研究的深入，特別是基因選材的出現，為運動選材奠定了科學基礎。

運動員科學選材的理論基礎主要取決于人體生長發育規律、人類遺傳學原理和人類生存環境。人體生長發育規律是運動選材的重要依據，遺傳決定運動員身體形狀的發展潛力，環境是制約人體遺傳潛力表達的主要因素。遺傳是指性狀從親代傳給子代，使親子之間以及子代個體之間在性狀方面存在相似性。人類遺傳因素可用遺傳度來衡量。遺傳度可作為運動員初級選材時的主要依據。人體的身高、體重、最大攝氧量、力量、速度和耐力等都受基因控制，這些控制遺傳的基因可以在對等染色體的不同位點，也可以分布于不同對的染色體，但控制效應是相同的，共同控制某一性狀。

基因是DNA分子含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列，是遺傳物質的最小單位，也是實現生物遺傳與性狀控制的基本功能單位?，F代基因組學研究證實，人類個體間運動能力的先天差異，本質上產生于基因水平的變異，即進化過程中由于種種原因引起的DNA分子堿基對突變（缺失、插入）和DNA 分子結構重排造成的分子內核苷酸排列順序的改變（轉換、顛換、重復等）——基因多態性所造成的。到目前為止，在人類基因圖譜上已經發現有160多個基因或基因標記可能與人類體質和運動能力發展有關，其中近20個與運動能力發展相關。例如：影響有氧運動能力的ACE（Angiotensin converting enzyme，血管緊張素轉化酶）、CKMM（Muscle-specific creatine kinase，肌肉組織特異性磷酸肌酸激酶）；影響肌肉力量發展的GDF8（生長分化因子8）、CNTF（睫狀神經營養因子）；影響速度發展的ACTN3（輔肌動蛋白-3）；等等。不同個體與運動能力相關的特異基因的基因類型不同，發展潛力也就不同。

2 單基因與耐力素質選材

以下基因與運動員的耐力素質具有顯著的關聯性。

2.1 ACE基因

ACE廣泛分布在人體骨骼肌等各類組織中，主要使血管緊張素I轉化為血管緊張素II[4]。ACE是最早被發現與人類運動能力有關聯性的基因，有II、ID和DD等3種基因型。Montgomery等[5]最先報道了ACE基因與人類運動能力的關聯性，ACE基因的II基因型與優秀耐力運動員具有顯著關聯性。

針對歐洲運動員如意大利、西班牙、土耳其、俄羅斯等國賽艇、長跑、滑冰項目運動員的研究發現，ACE基因的II基因型與耐力素質具有顯著關聯性。隨著ACE基因研究增多，也出現一些不同的研究結果，如Hruskovicova等[6]認為ACE基因的I等位基因與馬拉松運動員具有關聯性，但Tobina等[7]認為日本最優秀的馬拉松運動員沒有II基因型，而耐力運動員中DD基因型顯著多于II基因型，所以D等位基因與耐力素質具有關聯性。對以色列馬拉松運動員的研究也發現，DD基因型和D等位基因分布頻率均顯著高于對照組。對我國長距離游泳和賽艇運動員的研究[8-9]認為，ACE基因的II基因型和I等位基因分布頻率顯著高于對照組。可見，ACE基因可以作為耐力運動員的選材標記點，但這種標記點存在明顯的種族和地區差異[10]。

ACE基因增強耐力素質的機制尚存在爭議，Zhang等[11]認為I等位基因能增強肌肉對氧的吸收，有利于機體的有氧供能，進而增強運動員的耐力素質。研究[12-13]發現，經過11周訓練后II基因型運動員的肌肉做功和能量消耗比值顯著增長，比DD基因型運動員表現出更高的能量節省化。

2.2 線粒體DNA

線粒體DNA（Mitochondrial DNA，mtDNA）和ACE基因是較早被發現與人類運動能力有關聯性的基因。2011年Nogales-Gadea等[14]認為，mtDNA與西班牙優秀耐力運動員具有顯著關聯性，而與優秀爆發力運動員不具有關聯性。2014年Maruszak等[15]認為，mtDNA的H和HV單倍體與優秀耐力素質具有顯著關聯性，特別是與世界級耐力運動員的關聯性最明顯。Mikami等[16]認為，G1單倍體與日本耐力運動員具有關聯性，而F單倍體與日本爆發力運動員具有關聯性。Kim等[17]認為，mtDNA與耐力運動員具有顯著關聯性，而對爆發力運動員沒有顯著影響。

早在2001年我國學者[18]就認為，男性兒童的最大攝氧量（VO2max）可能與mtDNA 具有顯著關聯性。2006年高炳宏等[19]認為，mtDNA與我國優秀游泳運動員具有顯著關聯性。此外，他還認為，mtDNA與有氧耐力素質具有關聯性，但不同項目之間存在一定的差異[20]。

2.3 NRF基因

核呼吸因子（Nuclear respiratory factor, NRF）是一種由核基因組編碼的調控呼吸鏈亞基表達、線粒體DNA（mtDNA）轉錄和復制的核轉錄因子，包括NRF1和NRF2兩種[21]。優秀耐力運動員的NRF1基因的GG基因型分布頻率顯著高于普通人，NRF1基因與最大攝氧量呈顯著正相關[22]。不過，NRF2基因與耐力素質的關聯性存在明顯的人種差異，例如，NRF2（rs12594956）基因AA基因型與西班牙耐力運動員具有關聯性[23]，而與以色列耐力運動員不具有關聯性[24]。NRF2基因與我國耐力運動員具有顯著的關聯性，已作為我國優秀耐力運動員基因選材的分子標記[25]。

2.4 PPARs基因

過氧化物酶體增殖物激活受體（Peroxisome proliferator activated receptors，PPARs）對肌肉纖維組成有重要影響，共有PPARα、PPARβ/δ和PPARγ等3種亞型。PPARα內含的GG基因型和G等位基因與波蘭賽艇運動員具有顯著關聯性[26]，PPARγ基因CC基因型可能與我國優秀女子耐力（＞5 000 m）運動員有關[27]。過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（PPARGC1α）與我國優秀男子長跑運動員具有顯著的關聯性，可作為我國男子長跑運動員選材的基因標記點[28]。PPARδ基因與耐力素質不具有關聯性[29]。

2.5 ADR基因

腎上腺素受體（Adrenaline receptor，ADR）是與腎上腺素和去甲腎上腺素激活的G蛋白偶聯受體，ADR分為α和β兩種類型。α型受體又分為α1和α2兩種，β型受體分為β1、β2和β3等3種。α型受體抑制腺苷酸環化酶，β型受體刺激腺苷酸環化酶。ADR基因與耐力素質的關聯研究主要集中在β2和β3受體。對歐洲耐力運動員的研究[30]認為，ADRβ2基因G等位基因與耐力素質有顯著關聯性，ADRβ3基因A等位基因與西班牙耐力運動員有顯著關聯性[31]。對我國耐力運動員的研究[32]表明，ADRβ2基因AA基因型和A等位基因分布頻率顯著高于對照組。楊若愚[10]認為，ADRβ3基因與我國優秀運動員的爆發力素質具有顯著關聯性?？梢?，ADRβ2基因AA基因型和A等位基因與耐力素質具有顯著關聯性。

2.6 GNB3基因

鳥嘌呤核苷酸結合蛋白亞基3（Guanine nucleotide binding protein β polypeptide 3，GNB3）是一種包含7個WD重復序列的螺旋形蛋白。近年研究[33]認為，GNB3基因與優秀耐力運動員具有關聯性，GNB3基因TT基因型與以色列耐力運動員具有顯著關聯性。不過，Ruiz等[34]在重復研究中并沒有發現GNB3基因與耐力運動員具有關聯性。目前，有關我國運動員GNB3基因的研究鮮有見之。

2.7 NOS3基因

一氧化氮合酶3（Nitric oxide synthase 3，NOS3）可以調節血管的舒張，改善血流狀況，促進對氧氣的運輸。Onkelinx等[35]認為，NOS3基因的C等位基因攜帶者在有氧訓練后的最大攝氧量水平（VO2max）提高3.6%，高于TT基因攜帶者。對西班牙和意大利運動員的研究認為，爆發力運動員NOS3基因的TT基因型分布頻率顯著高于耐力運動員。一氧化氮能促進運動員骨骼肌增生，進一步增強運動員的力量素質，因此NOS3基因可能與爆發力素質有潛在的關聯性。

2.8 FPN1基因

膜鐵轉運蛋白1（Ferroportin1，FPN1）主要分布在小腸絨毛上皮細胞的基底膜上，將二價鐵離子（Fe2+）攝取進入血液。研究[36]認為，經過18周有氧訓練后，FPN1（rs1123110）基因的CC基因型搏出量顯著高于TT基因型，心力儲備增加，FPN1rs4145237的 CG基因型攜帶者訓練后心室舒張末期和心肌收縮力顯著增加。

2.9 HIF-1α基因

低氧誘導因子1（Hypoxia-inducible factor-1， HIF-1）分為α和β兩個亞單位。HIF1是感受低氧的關鍵調節物質，與體內的低氧反應單元結合，促使機體產生更多的紅細胞、糖代謝等反應。劉海平等[37]認為，經過18周有氧訓練后HIF1α基因GG基因型的血紅蛋白（Hb）、最大攝氧量（VO2max）等指標的增加量顯著高于CC和GC基因型。對歐洲人的研究發現，HIF1α與運動能力的研究結果一致性較差。

2.10 UCP3基因

解偶聯蛋白（Uncoupling protein，UCP）是一種線粒體內的膜蛋白，分為1、2和3三個類型。耐力訓練后UCP3 mRNA表達會短暫上調，這可能與游離脂肪酸的增加有關。鄒愷等[38]認為，18周耐力訓練后UCP3基因CC基因型對每博輸出量的敏感性優于CT基因型。李燕春[39]發現，我國優秀中長距離游泳運動員UCP3基因的CC基因型分布頻率顯著高于對照組。

2.11 CKMM基因

CKMM主要分布在細胞質和線粒體中，是與細胞的轉運能力、ATP再生等有直接關系的激酶。 研究[40]認為，CKMM基因AA基因與有氧耐力具有顯著關聯性，這可能是因為A等位基因表達導致肌細胞中肌酸激酶活性異構體減少，從而增強氧化磷酸化的激活和耐力的增加。對我國游泳運動員的研究[41-42]認為，CKMM基因GG基因型運動員對耐力訓練不敏感，而AA和AG基因型對游泳耐力訓練敏感，CKMM與有氧耐力素質具有關聯性。

2.12 其他基因

除上述基因外，還有其他一些與耐力素質可能有關聯性的基因。例如，生長激素1（GH1）基因、血管內皮生長因子及其受體（VEGF、VEGFR2）等基因。可見，相同位點的基因研究結果會存在不一致情況，主要是因為單個基因位點對運動能力的影響是有限的。例如，ACTN3基因R577x多態性對運動能力的貢獻度僅有2.5%[43]，這是因為單個位點對運動能力的影響易受位點-位點間相互作用等因素的影響。

3 小 結

我國的運動員科學選材與科學訓練等工作取得了豐碩成果，基因選材是目前最為科學的運動員選材方法。單基因選材簡單易行且成本低，便于選拔出有氧耐力出色的運動員。