從FPN1基因篩選預(yù)測有氧耐力訓(xùn)練對左心室功能指標(biāo)影響的分子標(biāo)記

烏云格日勒,胡 揚,李燕春,聶 晶,席 翼,文 立

從FPN1基因篩選預(yù)測有氧耐力訓(xùn)練對左心室功能指標(biāo)影響的分子標(biāo)記

烏云格日勒1,胡 揚2,李燕春2,聶 晶3,席 翼4,文 立5

目的:通過膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白1(FPN 1)基因多態(tài)性與有氧耐力訓(xùn)練后左心室功能指標(biāo)訓(xùn)練效果的關(guān)聯(lián)性分析,以期能為預(yù)測有氧耐力訓(xùn)練效果和制定個性化有氧耐力訓(xùn)練方案提供科學(xué)依據(jù)。方法:對102名中國北方平原地區(qū)健康男子進行為期18周的有氧耐力訓(xùn)練,使用超聲心動儀測定其訓(xùn)練前后安靜狀態(tài)和遞增負荷運動下的左心室結(jié)構(gòu)功能指標(biāo),應(yīng)用PCR-RFLP技術(shù)解析受試者FPN 1基因rs1123110、rs4145237多態(tài)性。采用association studies with training response phenotypes方法,分析rs1123110、rs4145237多態(tài)性與訓(xùn)練前后左心室結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)變化的關(guān)聯(lián)性。結(jié)果:經(jīng)18周有氧耐力訓(xùn)練后,rs1123110的CC型群體100W/SV和100W/SV I的增加量顯著高于TT型群體、CO和COI的下降量顯著大于TT和TC型群體;rs4145237的CG型群體訓(xùn)練前安靜時CO和Re/EF的增加量顯著高于其他基因型。研究表明,rs1123110的CC型和rs4145237的CG型可以作為預(yù)測部分心室功能指標(biāo)訓(xùn)練效果的分子標(biāo)記。

膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白1;基因多態(tài)性;訓(xùn)練;左心室功能;分子標(biāo)記

研究表明,人類運動能力的個體差異[1,2]、有氧耐力訓(xùn)練效果[16,18]均與基因多態(tài)性關(guān)聯(lián)。因此,通過基因多態(tài)性與反映運動能力表型指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性研究,探尋影響人體有氧運動能力的基因標(biāo)記,從基因水平揭示人類不同個體間訓(xùn)練效果存在差異的本質(zhì),已成為運動生命科學(xué)重要的研究內(nèi)容之一。

膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白1(ferroportin1,FPN 1)是參與鐵代謝的一種鐵調(diào)節(jié)跨膜蛋白[14],FPN 1可促進鐵從小腸上皮細胞轉(zhuǎn)運進入血液,并參與巨噬細胞對鐵的再循環(huán)過程,對鐵循環(huán)再利用起著重要的作用,影響著機體鐵平衡狀態(tài)[13],進而影響人的運動能力。當(dāng)細胞內(nèi)鐵缺乏時,使FPN 1表達下降[21]。適度運動使十二指腸FPN 1的表達增強[3],而腓腸肌FPN 1表達則減少[4]。有研究發(fā)現(xiàn),FPN 1基因不同的變異體表現(xiàn)出不同的鐵輸出功能[19,20]。因此,推測FPN 1基因是與人體有氧運動能力相關(guān)的重要候選基因。本研究選取102名中國北方平原地區(qū)漢族男子,通過18周的有氧耐力訓(xùn)練,探討FPN 1基因rs1123110、rs4145237多態(tài)性與有氧耐力訓(xùn)練后左心室功能訓(xùn)練效果的關(guān)聯(lián)性,以期為預(yù)測耐力訓(xùn)練效果,制定個性化有氧耐力訓(xùn)練方案提供分子標(biāo)記。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

102名中國武裝警察某部隊新兵,籍貫為山東等北方平原地區(qū),全部為健康、漢族男性。入伍前均無訓(xùn)練史,也未進行長期耐力性活動,無家族疾病史。所有研究對象均知情同意。受試者平均年齡18.82±0.88歲,身高171.67 ±5.83 cm,體重60.27±6.54 kg。

1.2 研究方法

1.2.1 有氧訓(xùn)練計劃

每周進行3次5 000 m勻速跑有氧耐力訓(xùn)練,共持續(xù)18周。其訓(xùn)練強度通過個體無氧閾強度(VT)對應(yīng)的心率(HR)控制,由polar表(芬蘭)監(jiān)控(VTHR±3次/min)。前10周訓(xùn)練強度為95%個體VTHR,后8周訓(xùn)練強度為105%個體VTHR。正式訓(xùn)練前進行2周適應(yīng)性訓(xùn)練。訓(xùn)練期間,受試者作息時間、飲食條件、訓(xùn)練安排均保持一致。訓(xùn)練地點在部隊駐地,由專人負責(zé)整個訓(xùn)練過程。

1.2.2 左心室功能指標(biāo)的測定

a.測試方法:受試者靜坐10 min,測定安靜時心功能指標(biāo),然后以起始負荷50 W和60 rpm的頻率開始蹬車,每3 min增加50 W負荷,直至150 W負荷蹬踏3 min后結(jié)束,總負荷時間9 min,平臥恢復(fù)3 min。分別測定50 W、100W、150 W負荷的最后30 s和恢復(fù)期的最后30 s的左心室功能指標(biāo)。全部測試由同一實驗師完成。

b.測試儀器:ERICH JAEGER D-8700型臥式功率自行車(德國產(chǎn)),Aloka SSD-118型超聲心動儀(日本產(chǎn))。

c.測試指標(biāo):每搏輸出量(SV)和每搏輸出量指數(shù)(SI);心輸出量(CO)和心輸出量指數(shù)(CI);射血分?jǐn)?shù)(EF);心動周期(T)。

1.2.3 基因多態(tài)性分析

采用Promaga公司試劑盒提取全血DNA。人的FPN 1基因位于2號染色體上,全長約20 kb,含8個外顯子。rs1123110、rs4145237為NCBI的SNPs庫公布的FPN 1基因多態(tài)位點,位于intron2和intron5。HapMap-HCB顯示雜合度均>30%。Hapview分析表明,rs1123110和rs4145237位點是標(biāo)簽SNP位點。參考AC_000045序列,應(yīng)用Primer 5.0自行設(shè)計引物(上海生工生物工程有限公司合成),采用PCR-RFLP進行基因多態(tài)性分析。目前,國內(nèi)外尚無FPN 1基因多態(tài)性功能研究的相關(guān)報道。

rs1123110位點分型方法:

引物(5′→3′):上游5cgt tgt tta cat cga aga tct ttc cc,下游gct taa gtc agt cac tct acc att c;PCR反應(yīng)體系(15μl): DNA模板0.4μl,Taq酶(0.2μl,5 U/μl),dNTP(0.4μl, 10 mM),Mg2+(1.6μl,25 mM),上下游引物各2μl(0.05 μg/μl),PCR buffer2μl,滅菌雙蒸水補齊;PCR反應(yīng)條件: 95℃預(yù)變性10 min,變性95℃30 s,退火58℃30 s,延伸72℃30 s,共30個循環(huán),72℃延伸7 min;酶切條件:PCR產(chǎn)物3.5μl,內(nèi)切酶BstuⅠ(Bsh1236Ⅰ)3.5U,37℃水浴3 h。

rs4145237位點分型方法:

引物(5’→3’):上游atc tcc atc tca tct cat cac aac a,下游tgg aaa gca att gag gac cag g;PCR反應(yīng)體系(15μl):DNA模板0.4μl,Taq酶(0.2μl,5U/μl),dNTP(0.4μl,10mM), Mg2+(1.4μl,25mM),上下游引物各2μl(0.05μg/μl), PCR buffer2μl,滅菌雙蒸水補齊;PCR反應(yīng)條件:95℃預(yù)變性10 min,變性95℃30 s,退火62.5℃30 s,延伸72℃30 s,共30個循環(huán),72℃延伸7 min;酶切條件:PCR產(chǎn)物3.5 μl,內(nèi)切酶Rsa I 1U,37℃水浴3.5 h。

測試儀器:PCR擴增儀(PCR SYSTEM 2700、美國ABI公司);梯度PCR擴增儀(iCYCLER、美國Biorad公司);水平板電泳儀(DYY-8C、北京六一儀器廠);紫外凝膠成像系統(tǒng)(BIOSPECTRUM-AC、美國UVP公司)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用χ2檢驗確定受試者人群的基因型頻率是否符合H-W遺傳平衡定律。所有數(shù)據(jù)在K-S檢驗的基礎(chǔ)上,計算出變化量(△=訓(xùn)練后-訓(xùn)練前)?；蛐徒M間和組內(nèi)數(shù)據(jù)采用重復(fù)測量的雙因素方差分析和一元方差分析。數(shù)據(jù)處理采用SPSS 13.0軟件,數(shù)據(jù)均用±SD,顯著性水平為P<0.05。

2 實驗結(jié)果

2.1 FPN 1基因多態(tài)性分布特征

rs1123110位點在受試者人群中的分布為CC型:6 (0.06),TC型:32(0.31),TT型:64(0.63),經(jīng)卡方檢驗χ2=0.228,P>0.05,符合H-W遺傳平衡定律。rs4145237位點在受試者人群中的分布為CC型:4(0.04), CG型:33(0.33),GG型:65(0.63),經(jīng)卡方檢驗χ2= 0.130,P>0.05,符合H-W遺傳平衡定律。CC型只有4人(n<5),不做分析。

2.2 FPN 1基因多態(tài)性與心功能指標(biāo)訓(xùn)練效果的關(guān)聯(lián)性

2.2.1 與每搏量的關(guān)聯(lián)性

rs1123110、rs4145237位點各基因型在不同狀態(tài)下SV、SI初始值之間沒有顯著差異(P>0.05);經(jīng)18周耐力訓(xùn)練后,rs1123110位點CC型100 W/SV和100 W/SV I的增加量顯著高于TT(P<0.05),而rs4145237位點不同基因型變化量之間沒有顯著差異(P>0.05,表1)。

2.2.2 與心輸出量的關(guān)聯(lián)性

rs1123110位點各基因型在不同狀態(tài)下CO、CI初始值之間沒有顯著差異(P>0.05),但rs4145237位點CG型CO的初始值顯著高于GG型(P<0.05);經(jīng)18周耐力訓(xùn)練后,rs1123110位點CC型CO和CI的下降量顯著大于TT和TC型(P<0.05),而rs4145237位點不同基因型變化量之間沒有顯著差異(P>0.05,表2)。

2.2.3 與射血分?jǐn)?shù)的關(guān)聯(lián)性

rs1123110、rs4145237位點各基因型在不同狀態(tài)下EF初始值之間沒有顯著差異(P>0.05);經(jīng)18周耐力訓(xùn)練后,rs4145237位點CG型Re/EF的增加量顯著高于GG型(P<0.05),而rs1123110位點不同基因型變化量之間沒有顯著差異(P>0.05,表3)。

2.2.4 與心動周期的關(guān)聯(lián)性

rs1123110、rs4145237位點各基因型在不同狀態(tài)下T初始值之間沒有顯著差異(P>0.05);經(jīng)18周耐力訓(xùn)練后,不同基因型變化量之間也沒有顯著差異(P>0.05,表4)。

表1 FPN1基因多態(tài)性與每搏量的關(guān)聯(lián)分析一覽表Table 1 The association analysis of SVand FPN1 genotypes

表2 FPN1基因多態(tài)性與心輸出量的關(guān)聯(lián)分析一覽表Table 2 The association analysis of CO and FPN1 genotypes

續(xù)表2

表3 FPN1基因多態(tài)性與射血分?jǐn)?shù)的關(guān)聯(lián)分析一覽表Table 3 The association analysis of EFand FPN1 genotypes

表4 FPN1基因多態(tài)性與心動周期的關(guān)聯(lián)分析一覽表Table 4 The association analysis of T and FPN1 genotypes

3 討論

運動時心肌耗氧量增加,達安靜時的5倍左右,從而引起心肌細胞對鐵的需要量大幅增加。鐵是心肌細胞必需的微量元素,心肌細胞內(nèi)鐵的異?？芍苯佑绊懶呐K正常的生理功能。有研究表明,鐵缺乏大鼠心臟線粒體NADH細胞色素還原酶、琥珀酸細胞色素還原酶、琥珀酸脫氫酶和NADH鐵氰化物氧化還原酶活性顯著降低,嚴(yán)重影響其生存能力[11]。另外,缺鐵可影響大鼠骨骼肌和心肌的工作能力,并使骨骼肌和心肌線粒體鐵硫蛋白(Fe-S)下降[17],從而影響心肌的能量代謝過程。鐵缺乏也會影響人的運動和工作能力[7]。FPN 1在小腸和肝臟表達外,骨髓、脾紅髓內(nèi)的網(wǎng)狀內(nèi)皮巨噬細胞[15]、心臟等大部分組織內(nèi)也有表達[14]。運動或膳食引起的缺鐵均使FPN 1基因表達發(fā)生改變。細胞內(nèi)鐵缺乏導(dǎo)致FPN 1在十二指腸表達升高,在肝臟表達降低[10]。適度運動使大鼠十二指腸FPN 1的表達提高,可能通過HEPC來調(diào)節(jié)十二指腸FPN 1的表達增強[5]。而游泳訓(xùn)練大鼠體內(nèi)血清鐵及Hb含量和轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度增加,腓腸肌細胞膜上TfR和DM T1(IRE)的表達增加,FPN 1表達降低。認為游泳訓(xùn)練可以增加腓腸肌非血紅素鐵含量,促進機體鐵動員,可能與腓腸肌細胞膜上向胞內(nèi)轉(zhuǎn)運鐵的TfR和DM T1(IRE)蛋白表達增加,而向胞外轉(zhuǎn)運鐵的FPN 1表達下降有關(guān)[6]。采用不同濃度低鐵(DFO)處理大鼠心肌細胞,發(fā)現(xiàn)心肌細胞FPN 1表達量下降,FPN 1的表達呈劑量依賴性。低鐵(DFO)、高鐵(FeSO、FAC)可引起大鼠心肌細胞搏動頻率減慢,并且,隨濃度升高,心肌細胞收縮幅度逐漸降低,收縮力明顯減弱,呈濃度依賴性[8]。說明了心肌細胞鐵狀態(tài)與FPN 1的表達量的關(guān)系以及對心臟正常生理功能產(chǎn)生的重要影響。

本研究表明,rs1123110多態(tài)性與100W/SV、100W/ SV I、CO和CO I的訓(xùn)練效果關(guān)聯(lián)。經(jīng)過18周的耐力訓(xùn)練后,不同基因型之間100 W/SV和100 W/SV I的變化量有顯著差異,CC型的100 W/SV和100 W/SV I的增加量顯著高于TT型。SV是評價心臟泵血功能的重要指標(biāo),說明訓(xùn)練后CC型在完成等同負荷運動時心肌收縮力量顯著高于TT型。另外,18周的耐力訓(xùn)練后,不同基因型安靜時CO和COI的變化量也有顯著差異,CC型的下降量顯著大于TT和TC型。CO是每分鐘心室射入主動脈的血量,反映循環(huán)系統(tǒng)功能的重要指標(biāo)。由于訓(xùn)練后不同基因型之間的安靜時SV的變化量沒有差異,因此,訓(xùn)練后CC型CO和COI的減少與心率下降、心力儲備增加有關(guān)。

本研究表明,rs414523多態(tài)性與訓(xùn)練前安靜時CO和Re/EF的訓(xùn)練效果關(guān)聯(lián)。CG型訓(xùn)練前安靜時CO顯著高于GG型,而安靜時初始SV雖高于GG型,但沒有顯著差異。訓(xùn)練后CG型恢復(fù)期EF的增加量也顯著高于GG型。說明GG型心室功能指標(biāo)初始值高、訓(xùn)練效果顯著,訓(xùn)練后心室舒張末期容積和心肌收縮力顯著增加。

本研究通過關(guān)聯(lián)分析后發(fā)現(xiàn),FPN 1基因rs1123110和rs4145237多態(tài)性與18周耐力訓(xùn)練后的部分左心室功能指標(biāo)的訓(xùn)練效果關(guān)聯(lián),其原因可能是這兩個位點均位于內(nèi)含子區(qū),其多態(tài)性與FPN 1基因表達調(diào)控能力有關(guān)[9],進而影響蛋白質(zhì)的功能。另外,可能與有功能的多態(tài)位點連鎖不平衡[12],但具體的關(guān)聯(lián)機制需要進一步探討。

4 小結(jié)

1.rs1123110多態(tài)性與100W/SV、100W/SV I和安靜時CO和COI的訓(xùn)練效果關(guān)聯(lián),CC型群體的變化量顯著大于其他基因型群體。

2.rs4145237多態(tài)性與初始CO和Re/EF的訓(xùn)練效果關(guān)聯(lián),CG型群體的初始值和變化量顯著大于其他基因型群體。

因此,FPN 1基因rs1123110的CC型和rs4145237的CG型可能區(qū)分18周耐力訓(xùn)練后左心室功能訓(xùn)練效果的個體差異。

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Selecting the Genetic Markers for Response to Left Ventricular Functions for Aerobic Endurance Train ing from FPN1 Genetic Screen

WU YUN Gerile1,HU Yang2,L I Yan-chun2,N IE Jing3,XI Yi4,WEN Li5

Objective:To study the association between polymo rphism in FPN 1 gene and response to left ventricular functional parameters after aerobic endurance training,in order to screen genetic markers of aerobic endurance training and p rovide evidence to genetic individual p rogram.Methods:102 health males were comp leted 18-weeks aerobic endurance training. Echocardiography was used to measured parameters of left ventricular functions on resting state befo re and after training,and incremental exercise.The genotypes were examined in SNP rs1123110,rs4145237 by PCR-RFLP and association between gene polymorphism and parameters of left ventricular function were adop ted association studies w ith training response phenotypes.The increment of 100W/SV and 100W/SV Iw ith CC genotype in rs1123110 were significantly higher than TT genotype,and decrease in the amount of CO and COIwere significantly higher than TT and TC genotype.Result:The rs1123110 and rs4145237 polymorphism of FPN 1 gene can be used as genetic markers of the response to left ventricular function to aerobic training.

FPN1;geneticpolymorphism;training;leftventricularfunction;geneticmarker

G804.7

A

1000-677X(2010)10-0041-05

2010-06-02;

2010-07-05

科技部奧運攻關(guān)課題(2006BAK12B01)。

烏云格日勒(1963-),女,蒙古族,內(nèi)蒙古人,副教授,博士,研究方向為運動分子生物學(xué),E-mail:wy_grl@163com。

1.內(nèi)蒙古師范大學(xué),內(nèi)蒙古呼和浩特010022;2.北京體育大學(xué),北京100084;3.江西師范大學(xué),江西南昌330027;4.深圳大學(xué),廣東深圳518060;5.天津體育學(xué)院,天津300381 1.Inner Mongolia Normal University,Huhhot 010022,China;2.Beijing Sport University,Beijing 100084,China; 3.Jiang Xi Normal University,Nanchang 330027,China; 4.Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;5.Tianjing University of Sport,Tianjing 300381,China.