多基因選材的概念、方法及展望

楊世東 ，林文弢

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

運動員的科學選材、科學訓練和科學管理是競技體育的三大要素， 而科學選材是科學訓練和科學管理的前提。近年來，分子遺傳學方法用于運動選材，可以彌補傳統運動選材預測性不強、個性化不夠和準確性不足等缺點。啟蒙訓練階段，可以通過基因檢測淘汰不適合運動項目的兒童青少年。國外研究[1]認為，通過基因遺傳學選材，在啟蒙訓練階段可以淘汰50%的兒童青少年，運動員成才率可以提高30%左右，基因用于運動選材可以為國家節省大量的人力、物力和財力。

1 多基因選材的概念、特點與意義

研究[2]表明，有近30 個基因與人類的運動能力有顯著的關聯性。單基因對人類運動能力的影響有一定的限度[3]，人類的運動能力受多基因影響較大，每個基因都會對特定運動能力產生影響，但貢獻度不同[1]。擁有一組與特定運動能力相關的等位基因是成為優秀運動員的基礎[4]。多基因運動選材是指在運動員選拔過程中結合多個基因位點，預測個人特定運動能力、訓練反應和運動損傷風險等，以提高選材準確率和培養成功率的方法。

與傳統選材相比，多基因選材有如下特點：首先，多基因選材有更高的預測性，通過基因檢測可以很好地預測運動員的運動能力、訓練反應和運動損傷風險，幫助教練更準確地選拔運動員或確定運動員適合從事的項目。雖然傳統的運動選材準確性不高，但能反映運動項目的競技能力特征[5]。其次，多基因選材的穩定性更高，傳統運動選材易受到發育成熟度、訓練環境等因素的影響[5]。 再次，可以根據運動員的基因組特點制定個性化的訓練方案，提高訓練效果和比賽表現。

雖然多基因選材有許多優點，但要注意兩點：一是多基因主要反映先天遺傳因素對運動能力的影響，并不能反映運動項目的特征，選材過程中還需考慮運動項目競技能力的需要，如籃球、足球、橄欖球等團隊項目；二是多基因選材會受到種族、自然環境、飲食等方面的影響[6]。國內研究[7-8]表明，多基因與傳統選材相結合可以提高運動選材的成功率。整體而言，多基因選材提高運動選材的效率和準確性，為教練團隊提供更全面、準確的參考依據，同時也為運動員的個性化訓練和科學管理提供了支持。

2 多基因選材指標

以耐力項目為例，耐力運動員的多基因選材通常涉及4 個方面：（1）與耐力素質具有關聯性的基因型組合；（2）與耐力運動訓練反應相關的基因；（3）與耐力運動員運動損傷具有關聯性的基因；（4）與耐力運動員身體成分、免疫反應等相關的基因。

2.1 耐力素質基因型組合選材

2008 年William 等[9]基于多基因對運動能力的影響，提出總基因得分算法，得分為0～100 分，100 分表示最好的多基因型組合，這是目前研究多基因對運動能力影響最適宜的方法之一。對西班牙自行車運動員的研究[10]表明，ACE DD 和ACTN3 RR/RX 基因型組合的呼吸代償水平顯著高于其他基因型組合。

研 究[7]發 現， 蛋 白 磷 酸 酶3 催 化（Protein phosphatase 3 catalytic，PPP3） 亞 基α3 和β 基 因 的C等位基因和T 等位基因對我國女子中長跑運動員的貢獻度最高（45%），其次是內向整流式鉀離子M道J11 基因（Potassium inwardly-rectifying channel, s ubfamily J, member 11,KCNJ11），貢獻度為20.2%，此外，KCNA7、EDN1 和EPO 基因對我國女子中長跑運動員的運動能力也有影響（貢獻度＜10%）。因此，我國女子中長跑運動員選材可以重點考慮這6 個基因的基因型組合。

李燕春[8]研究發現，輔肌動蛋白α3 基因（ACTN 3）CC 基因型和轉鐵蛋白基因（Tf）CC 基因型對我國中長距離游泳運動員的貢獻度最高，分別為23.61%和20.97%，鉀離子通道蛋白Kv1.7 基因（KCNA7）AA 基因型、解偶聯蛋白3 基因（UCP3）CC 基因型、低氧誘導因子1α 基因（HIF1α）CC 基因型和脂蛋白脂肪酶基因（LPL）對我國中長距離游泳運動員運動能力的貢獻度分別為14.46%、15.82%、12.69%和12.45%。可見，我國中長距離游泳項目可根據上述6 個基因的基因型組得分進行選材。

2.2 訓練對運動員基因表達的影響

長期高強度耐力訓練對運動員的心臟產生影響。Saber-Ayad 等[11]認為，攜帶ACE 基因D 等位基因運動員左心室的質量顯著高于II 基因型，其中DD 基因型運動員左心室質量最大。ACE 基因影響左心室質量可能是通過改變組織代謝或影響血管緊張素II 合成來介導，而血管緊張素II 合成是心室肌肥大刺激的限速步驟，因此，ACE 基因可能與心室質量具有關聯性[12]。

對巴西運動員的研究[13]表明，經過12 周訓練運動員的胰島素樣生長因子1（Insulin-like growth factor 1，IGF-1）水平顯著增高，IGF-1 具有促進糖原合成、乳酸分泌、抑制糖原分解、促進胰島素的作用；促進脂肪分解，降低血中總甘油三酯，達到降血脂的作用；舒張血管，促進生長發育，促進骨細胞的合成代謝，促進細胞分化及細胞修復的作用。此外，運動訓練對PPARAD基因表達有顯著影響。波蘭運動員8 周訓練后發現，PPARAD 與脂肪的絕對值含量呈負相關，但是，對膽固醇和甘油三酯沒有顯著影響[14]。簡言之，長期耐力訓練通過改變多種細胞和組織中大量基因的轉錄速率，誘導共同的代謝適應機制[15]。

2.3 運動損傷風險相關基因

雖然特定基因可能與人類運動能力具有關聯性，但這些基因可能會增加運動損失的風險。對巴西運動員的調查認為，比賽結束后ACTN3 基因RR 和RX 基因型運動員的磷酸肌酸水平顯著高于XX 基因型運動員，而且肌肉微損傷的程度也更高[16]。ACTN3 基因RR 基因型與運動員的力量/速度素質具有關聯性，而XX 基因型與耐力素質具有關聯性， 因此，X 等位基因可能與運動損傷具有關聯性[17]。

腺苷一磷酸脫氨酶1(Adenosine monophosphate deaminase1,AMPD1)是運動中骨骼肌能量代謝的重要調節因子，其中，TT 基因型可能導致運動員代謝性疾病，并伴有運動引起的肌肉癥狀，如運動早期疲勞、痙攣和/或疼痛，這些癥狀與損失風險有關[18-19]。研究[20]表明，COL1A1、COL2A1 和COL5A1 G/T 單倍體與降低運動員前交叉韌帶損傷具有關聯性，其中COL1A1 TT 基因型還可以預防韌帶和軟組織損傷。此外，MCT1、ACTN3、IGF2、ELN 和CCL2 基因多態性與足球運動員的肌肉損傷和損傷后的恢復時間具有關聯性。

此外，基因還與體成分、脂肪分布等具有關聯性。維生素D 受體（VDR）廣泛存在于人類骨骼肌中，影響青少年運動員的骨量、鈣調節和骨代謝。VDR Fok I 位點可能與股四頭肌力量有關，VDR Fok I 位點FF 基因型青少年運動員的骨密度含量最高[21]。UCP3 基因可以主動影響氧化和磷酸化的相互作用，因此可以增加運動時的能量消耗。

3 多基因選材的方法

3.1 全基因組關聯研究

目前，國內外有關單基因與運動能力關聯性的研究最多，但單基因對運動能力的貢獻度有限。因此，全基因組關聯研究和基于基因型得分算法的多基因研究是目前多基因選材的主要研究方法。全基因組關聯研究是對運動員進行全基因組水平的對照和關聯性研究，通過與對照組比較發現可能影響運動表現的基因型[22]。2011 年Bouchard等[23]通過全基因組分析首次確定了與最大攝氧量（VO2,max）訓練具有關聯性的21 個基因。

全基因組關聯研究是目前發現新的與運動能力具有關聯性基因最有效的方法，但是，該方法成本高、操作難度大，而且篩選出的與運動能力有關聯性的基因還需進一步驗證。

3.2 總基因型得分算法

近年來，基于基因型得分算法的多基因研究越來越受到關注。基因型得分（Genetypes score，GS）算法是將與運動能力具有關聯性的純合子基因型賦值2 分（即優勢基因型），雜合子基因型賦值1 分，無關聯性的純合子基因型賦值0 分，總基因型得分越高說明運動員的基因型組合越好[9]，選材時可以更加關注總基因型得分高的青少年。采用總基因型得分算法研究[24]發現，ACE DD 基因型、AMPD1 CC 基因型和MB AA 基因型是耐力運動員的優勢基因型，依據公式計算每名耐力運動員的得分，得分越高說明成為優秀耐力運動員的可能性越大。

4 多基因選材的困難

多基因用于運動選材主要存在以下幾個方面的困難。首先，相同基因型對男女運動員的影響可能存在差異。AMPD1 TT 基因型與女性力量/速度運動員具有關聯性，而與男性耐力素質具有關聯性；相反，MB AA 基因型與女性耐力運動員具有關聯性，而與男性力量/速度素質具有關聯性[24]。

其次，相同基因對不同種族（人群）運動能力的影響存在差異。Meta 分析認為，ACTN3 RR 基因型與白人（高加索人）足球運動員具有顯著關聯性，而RX 基因組與巴西足球運動員具有顯著關聯性，而ACTN3 基因與非洲黑人足球運動員不具有關聯性[25]。

優秀運動員大樣本量難以獲取是限制發現多基因與運動能力具有關聯性的最主要因素[26]。優秀運動員數量少，而影響運動表現的特定基因頻率較低，因此，無論是全基因組關聯分析，還是總基因型得分選材，其準確性都會降低。由于收集足夠數量的優秀運動員難度很大，很多研究都將同類型的運動員（通常分為耐力運動員和力量/速度運動員兩類）收集起來，對其運動能力進行關聯性研究。然而，研究[27]表明，同屬耐力運動項目的長跑和自行車運動員的ACE 基因分布存在差異。

綜上可見，多基因選材受到性別、種族（人群）、運動項目、樣本量等因素的影響， 而建立優秀專項運動員基因庫對運動選材極為重要。

5 多基因選材未來展望

隨著分子生物學和基因檢測技術的快速發展和應用，多基因選材將會在運動選拔中發揮越來越重要的作用。

第一，預測的準確性更高。隨著基因檢測技術的發展，將會發現更多與運動能力具有關聯性的基因，多基因選材的預測準確性會進一步提高，為運動員選拔提供更可靠的參考依據。

第二，多基因研究的應用更廣泛。多基因選材不僅適用于專業運動員，而且還能在普通人群中得到應用，可以幫助普通人更清楚地了解自身的運動能力、訓練反應及適應，提高運動效果和健康水平。

第三，制定個性化的訓練方案。特定運動能力是幾個基因型的組合，可依據運動員的基因型組合制定個性化的訓練方案，提高訓練效果和比賽表現，還可預防運動損傷的發生。

多基因選材需要跨學科合作和信息共享，包括生物學、醫學、心理學、運動生理學等領域。未來，會出現更多的跨界合作和信息共享平臺，推動多基因選材的發展和應用。