分子診斷技術應用于運動分子生物學科研的研究進展

王曉紅，張冠男，張　棟，王　清，邢麗麗

(1.河北省體育局 田徑運動管理中心，石家莊　050000；2.河北省體育科學研究所，石家莊　050000)

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分子診斷技術應用于運動分子生物學科研的研究進展

王曉紅1，張冠男2，張棟2，王清2，邢麗麗2

(1.河北省體育局 田徑運動管理中心，石家莊050000；2.河北省體育科學研究所，石家莊050000)

摘要：近年來，隨著新的分子診斷技術的不斷發(fā)展，從分子水平上評價運動員在調整期、訓練期和比賽期的體質、狀態(tài)已成為可能。分子診斷技術早在2000年就應用于國內的競技體育科研中，其主要應用在運動員選材、運動疲勞機理、運動誘導骨骼肌適應、基因治療技術、基因興奮劑檢測等幾方面?？偨Y了各種新的分子診斷技術在運動分子生物學科研中的應用原理及優(yōu)缺點，并指出未來其發(fā)展方向將側重于以下幾方面：①快速、簡便的等位基因檢測方法在運動員選材和運動遺傳病篩查中的應用；②應用基因技術對運動員選材的地域和種族多態(tài)性進行劃分；③基因興奮劑檢測技術的革新。

關鍵詞：分子診斷；基因選材；疲勞機理；基因興奮劑

1分子診斷及運動分子生物學

分子診斷技術是應用分子生物學方法檢測患者體內遺傳物質的結構或表達水平的變化而做出診斷的技術，分子診斷是預測診斷的主要方法，其對象主要包括DNA、RNA和蛋白質。

分子生物學的研究對運動生命科學的發(fā)展起著巨大的推動作用，在此基礎上發(fā)展起來的運動分子生物學，是通過運用分子診斷技術，闡釋運動過程中各種生命現(xiàn)象的機理，了解運動對機體影響的實質的科學。通過分子診斷技術基因多態(tài)性的研究可以盡早發(fā)現(xiàn)具有特殊競技能力的人才，提高優(yōu)秀運動員選材的準確性；還可以借此了解個體對運動訓練的適應能力，制訂個性化運動處方，提高訓練的科學性；可以從分子水平上了解運動性疲勞產(chǎn)生的規(guī)律，開發(fā)用于預測運動員過度疲勞的基因芯片；轉基因技術可以改造營養(yǎng)補充劑，使其更符合運動項目特點，實施運動營養(yǎng)藥物的創(chuàng)新；基因治療技術將用于運動損傷的治療，加快運動損傷的康復，減少損傷的復發(fā)；對蛋白質的診斷有助于了解運動對蛋白三維結構和功能的影響，采用人工手段干預蛋白質的結構和功能，達到提高運動能力的目的?？傊?，分子診斷技術的發(fā)展必將大大推動運動分子生物學的進步，為運動訓練科學化做出貢獻。

2分子診斷在運動分子生物學中的應用

2.1運動相關疾病的臨床預防診斷

近年來，隨著新的基因擴增技術不斷發(fā)展，NASBA、3SR、SDA、RT-PCR、nest-PCR、multiplex PCR、PCR-RFLP、IEXPAR、AS-PCR、cDNA等新的特定基因檢測技術不斷涌現(xiàn)。隨著運動分子生物學的不斷發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)，一些運動相關疾病是由特定基因的多態(tài)性引起的，具有顯著的遺傳性，如心源性猝死、肌腱炎、手指腱鞘炎、韌帶斷裂等，這些運動損傷和疾病的發(fā)生不僅影響運動員的競技能力和運動職業(yè)生涯，甚至危及健康和生命。

BMP4由腱細胞產(chǎn)生，為肌腱提供穩(wěn)定的定位點，能夠降低過度運動對軟組織產(chǎn)生的壓力[1]，F(xiàn)GF3、FGF10和FGFR1相互作用有促進有絲分裂、細胞遷移、分化和傷口愈合等多種生物學功能[2]。Salle等人[3]研究了138名18歲和35歲之間、每天接受4-5小時訓練的排球運動員的肌腱狀況，通過核磁共振成像觀察有疼痛反應的運動員的肌腱髕骨、腳踝、肩胛和髖外展肌等處的肌腱，并從其中提取唾液樣本的DNA，使用TaqMan實時定量PCR比較組間基因型差異。發(fā)現(xiàn)BMP4和FGF3基因單倍型與運動員肌腱病變高度相關，F(xiàn)GF10基因參與肌腱病變過程，F(xiàn)GFR1基因多態(tài)性與肌腱病變無相關性。

前交叉韌帶斷裂(ACL)是最嚴重的骨骼肌軟組織損傷之一，然而產(chǎn)生這種傷病的機制尚未明確。Posthumus等人[4]發(fā)現(xiàn)存在間質金屬蛋白酶的染色體11q22片段與ACL 的發(fā)病有密切關系。Raleigh等人[5]通過研究126名歐洲人種ACL病患者和214名對照者發(fā)現(xiàn)，GDF5基因的多態(tài)性位點(rs143383)和ACL跟腱病變的風險相關。Posthumus等人[6]對129名(女性38名)ACL疾病患者組和216名(女性83名)正常對照者進行研究，所有參與者進行COL12A1基因分型ALU1和BSRI限制性片段長度多態(tài)性(RFLP)分析。研究結果表明，ALU1限制性片段長度多態(tài)性的AA基因型與女性患ACL疾病的風險相關聯(lián)，與男性無關聯(lián)性；BSRI限制性片段長度多態(tài)性基因表達與ACL疾病風險不相關。

扳機指的發(fā)病往往歸因于第一環(huán)狀韌帶損傷，但Lundin等人[7]發(fā)現(xiàn)，其病變部位出現(xiàn)與跟腱炎或肌腱炎類似的變化，因此，推測手指肌腱在病變時會和跟腱炎出現(xiàn)相似的基因表達差異。對13名病患者及13名正常對照者的10組(膠原蛋白型1a1、 collagen 3a1、MMP-2、MMP-3、ADAMTS-5、TIMP-3、雙鏈蛋白聚糖、雙糖鏈蛋白多糖、核心蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖)基因表達進行差異化分析，在病患的手指肌腱，膠原蛋白型1a1和3a1、雙鏈蛋白聚糖和雙糖鏈蛋白多糖均顯著性上調，MMP-3和TIMP-3顯著性下調，其余四個基因沒有顯著改變，這種基因表達的改變支持扳機指屬于肌腱病變的理論，為臨床上應用外科手術治療肌腱病變提供了參考。

運動猝死與多種遺傳性心臟疾病有關。Shah 等人[8]以2 847名實驗參與者為模型，研究了NOS1AP基因28個SNPs位點，結果表明，歐洲人的NOS1AP基因與QT間期的關聯(lián)性比其他種族更為顯著，每一次rs1932933等位基因的復制都會相應延長QT間期(4.9 msec,P=7.20×10-7)。黃京璐等人[9]通過研究60例不明原因猝死人群和80例正常人群的NOS1AP 部分SNP位點，發(fā)現(xiàn)NOS1AP第6外顯子區(qū)域的s3751284 位點可能是不明原因猝死的易感基因位點。Koskela等人[10]通過對1 963例芬蘭志愿者進行運動測試，發(fā)現(xiàn)體育運動對心源性猝死有一定的誘導作用。

2.2運動誘導骨骼肌適應及相關疾病的診斷

表1　與miRNAs相關的骨骼肌疾病[13]

骨骼肌功能疾病主要包括肌營養(yǎng)不良癥、多發(fā)性肌炎、線粒體肌病、肌肉萎縮、肌肉肥大、肌強直、炎癥性肌肉疾病及先天性肌病等，近年研究發(fā)現(xiàn)，miRNAs異常可能是引發(fā)或延緩這些疾病的原因。

McCarthy等人[11]通過誘導小鼠骨骼肌肥大試驗，發(fā)現(xiàn)在小鼠的跖肌和比目魚肌特異性miRNAs中，miR-206的表達不變，miR-1和miR-133的表達卻都下降了50%，首次證明了肌肉特異性miRNAs對骨骼肌肥大有一定作用。

肌肉萎縮癥是一類以消瘦虛弱肌肉為特征的遺傳疾病，McCarthy等人[12]通過后肢懸掛誘導肌肉萎縮研究大鼠比目魚肌miRNAs的表達變化，實驗后發(fā)現(xiàn)18種miRNAs的表達有明顯變化，推測其機制可能為通過miRNA-499間接調控b-肌球蛋白抑制子(sox6)的表達。

肌營養(yǎng)不良癥是一種原發(fā)于肌肉的遺傳性變性疾病，組織學特征為肌纖維壞死、再生和脂肪及結締組織增生。Greco等人[14]通過比較mdx小鼠與野生型小鼠、Duchenne型肌營養(yǎng)不良患者與正常人骨骼肌組織中表達改變的miRNA，發(fā)現(xiàn)有11個miRNA在mdx小鼠和Duchenne 型肌營養(yǎng)不良患者中有類似的表達改變。

肌萎縮側索硬化癥(漸凍人癥)是運動神經(jīng)元病的一種，在ALS動物模型運動元再生過程中，miR-206調控HDAC4發(fā)揮著關鍵作用。Williams等人[15]發(fā)現(xiàn)在ALS模型小鼠中miR-206表達顯著增加。Velleca等人[16]發(fā)現(xiàn)在骨骼肌發(fā)育過程中，miR-206分子的前體在運動終板形成區(qū)域呈現(xiàn)優(yōu)勢表達分布。

2.3運動員選材

運動能力受遺傳因素影響很大。當前，有超過200個染色體位點和18個線粒體DNA多態(tài)性位點被發(fā)現(xiàn)與人的肌肉力量、體力活動水平、耐力水平和個人訓練效果相關。

De Moor等人[17]通過GWAS分析研究了荷蘭及美國人的體力活動水平，發(fā)現(xiàn)位于3’-磷酸腺苷5’-磷酰硫酸合成酶2基因的rs10887741與體力活動水平關聯(lián)最大。夏小慧[18]發(fā)現(xiàn)AMPKa2基因rs2796516位點G等位基因、rs2746342-rs11206889位點AC單體型等基因可能是優(yōu)秀長跑運動員的分子標記。

對著名的“冠軍基因”α-輔肌動蛋白3(ACTN3)基因第577密碼子進行的多態(tài)分析是肌肉力量遺傳學研究中的經(jīng)典。陳偉民等人[19]采用等位基因特異性PCR 法擴增目的基因, 建立了靈敏、快速的ACTN3-C17基因多態(tài)性檢測方法。

人類最大有氧耐力的遺傳度為30%—80%，目前被細致描述的與耐力素質相關的基因位點共有49個，但由于受樣本量、種族差異、地域差異等影響，大部分位點的確切效應并不明確。鄧瀟瀟等人[20]發(fā)現(xiàn)12 722位點T等位基因與馬拉松跑能力有關聯(lián)。Thomaes等人[21]發(fā)現(xiàn)GPS對預測冠心病患者最大攝氧量訓練效果增加與否效果顯著，而位于AMP脫氨酶1基因、睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子基因和糖皮質激素受體基因的rs1800169、rs17602729、rs6190與耐力水平變化有關。楊曉琳等人[22]發(fā)現(xiàn)G1357A多態(tài)位點GG基因型可以作為中國女性優(yōu)秀舉重運動員選材用候選分子遺傳學標記。吳劍[23]發(fā)現(xiàn)UCP2基因3’-UTR 45bp Ins/Del DD型與有氧運動能力有關；OGDHL基因rs 1268722 AA型與超長跑有氧運動能力有關；ACSL4基因rs5943427 GG型、rsl324805 TT型、rs5943427-rsl324805(GT)單體型與男子長跑運動員有氧運動能力有關。

表2　目前發(fā)現(xiàn)的一些可能用于運動員選材標記的基因

續(xù)表

2.4基因興奮劑的檢測

表3　目前發(fā)現(xiàn)的可能被用于興奮劑基因的種類、蛋白表達、作用及檢測方法

Else：Transcription factor Pax7 gene(Pax7 protein:One paired domain made up with 128 amino acids)，F(xiàn)ATP1 gene(FATP)，CD36 gene，Insulin receptor gene，GLUTs gene(Glucose transport protein).

國際反興奮劑組織將基因興奮劑定義為以非治療目的用于提高運動員運動能力的基因、遺傳元件和(或)細胞。利用基因治療的手段可以使運動員獲得競技優(yōu)勢。但由于基因治療技術尚不成熟，基因興奮劑無法控制插入的目的基因，導致細胞的某些機能失常，因此存在很多危害。例如EPO的使用可導致高血壓，hGH過量可導致腫瘤，IGF-I可導致肌肉過度生長、結締組織損傷等癥狀。還有一類基因興奮劑為重組蛋白，其與內源蛋白結構極為相似，造成檢測非常困難。目前發(fā)現(xiàn)的有EPO、HIFs、CERA、ACE、hGH、IGF-I、MGF、FGF、VEGF、PPAR-δ、Myostatin Leptin、Follistatin等90余個潛在具有興奮劑作用的基因。檢測基因興奮劑的方法主要是檢測常規(guī)生化指標、導入基因和表達蛋白質等方法，以及用基因表達譜、蛋白質譜、代謝譜、活體成像等新技術檢測目的基因及蛋白質。

肖衛(wèi)華等人[24]通過常規(guī)PCR多管擴增技術建立了實時定量RT-PCR法檢測機械生長因子(MGF)基因表達。結果表明，熒光定量RT-PCR法能絕對定量MGF興奮劑基因表達水平，相關系數(shù)大于0.99。

呂國平等人[25]建立了PPAR-δ高通量篩選模型，通過檢測螢光素酶基因表達狀況評價化合物對目的基因的激動活性，此模型方法靈敏穩(wěn)定，可用于篩選PPAR-δ的激動劑。

重組人促紅細胞生成素(rhEPO)和重組人生長激素(rhGH)等已被國際奧委會禁用，通過免疫分析法可以測定血清中的EPO 濃度，其中以酶聯(lián)免疫分析、化學發(fā)光免疫分析和放射免疫分析為主。

Kawasaki等人[26]將 LC-MS及石墨化碳柱結合，可對 CHO細胞表達的rhEPO各種糖基化位點、與位點特異性直接相關的糖微觀不均一性、糖的結構進行分析，以及鑒別出BHK細胞表達的rhEPO所特異具有的硫酸化N-連接多糖部分。

3結論與展望

在運動相關疾病的臨床預防診斷中，我們發(fā)現(xiàn)某些特定基因的多態(tài)性能夠引起一些運動相關疾病，然而，還需要進行大量不同種族、不同人群、不同運動方式的研究，包括檢測方法的研究、功能學研究等，以闡明蛋白質在筋腱修復過程中的機制、筋腱的衰退過程等。這項工作的開展能夠提供分子生物學科研的新視角，為發(fā)掘副作用小、療效好的新型治療方法提供參考，一旦發(fā)現(xiàn)運動員有潛在傷病危險，教練和隊醫(yī)可以通過外部干預和調整訓練計劃來規(guī)避風險。

骨骼肌疾病是世界性健康問題，近年來很多研究闡明了一些miRNAs在骨骼肌疾病中的作用機制，大部分集中在遺傳和神經(jīng)性骨骼肌疾病中，而對其他骨骼肌疾病研究很少，我們應該更進一步地探索miRNAs對骨骼肌疾病的作用，使得科研覆蓋面更廣、醫(yī)療應用性更強。

分子診斷技術在運動能力遺傳學上應用的研究越來越多，人們對運動遺傳學的理解也不斷加深，但多數(shù)研究都僅針對不同種族、不同人群中已知基因位點與運動能力關聯(lián)性的重復檢驗，而新基因、新位點的探索卻漸入瓶頸。在對基因多態(tài)性影響運動能力的研究中，一些基因可以作為預測某種運動能力強弱的遺傳標記，但其基因型影響人體運動能力的機制尚不明確，如ACE基因就是現(xiàn)在國內外研究比較深入的基因之一，很多研究表明ACE基因與人體有氧運動之間存在顯著相關性，但是也有很多研究不支持此觀點，J. R. Ruiz[1]等人通過研究發(fā)現(xiàn)，并沒有充分的證據(jù)表明ACTN3基因能夠促進西班牙游泳運動員的運動能力，GUAN WANG等人[2]也持同樣觀點。另有一些研究表明，某種運動的優(yōu)勢基因，對于另一種運動可能是劣勢基因，Sigal Ben-Zaken[27]等人研究發(fā)現(xiàn)，IGF-IR AA基因多態(tài)性有利于耐力型運動，但對于力量型運動則表現(xiàn)出不利的影響。筆者相信，隨著各種分子生物學技術的日益成熟、國際間合作的不斷增多及統(tǒng)計學方法的不斷創(chuàng)新，與運動能力有關的新基因、蛋白及機制研究將大量涌現(xiàn)，人們將能夠更系統(tǒng)、全面地描繪運動能力的遺傳圖譜。

反基因興奮劑需要不斷關注基因治療技術的研究進展，及時對基因興奮劑檢測研究制訂針對性目標，才能最大限度地縮小兩者出現(xiàn)的時間差。同時，基因興奮劑的檢測涉及化學、醫(yī)學、生物學等多個研究領域，針對基因興奮劑檢測中的系列問題，需要充分利用光譜和電化學、免疫技術、核酸雜交技術結合質譜等手段，不斷發(fā)展新的技術應用于基因興奮劑的檢測，例如分子成像技術、生物傳感器技術以及更先進的分析軟件等，才能不斷更新高靈敏度的分析方法，并建立檢測新型基因興奮劑的方法。

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收稿日期：2016-03-09

基金項目：河北省體育局體育科技項目(20151011；20151015)

作者簡介：王曉紅(1978-)，女，河北趙縣人，助理研究員，研究方向為運動醫(yī)學和運動訓練。

中圖分類號：G804

文獻標志碼：A

文章編號：1008-3596(2016)04-0089-08

Research Progress of the Application of Molecular Diagnostic Techniques in Sports Molecular Biology

WANG Xiao-hong1, ZHANG Guan-nan2, ZHANG Dong2, WANG Qing2, Xing Li-li2

(1.Track and Field Sports Management Center, Sports Bureau of Hebei Province, Shijiazhuang 050000, China;2.Sports Science Institute of Hebei Province, Shijiazhuang 050000, China)

Abstract：In recent years, with the continuous development of new molecular diagnostic techniques, it has become possible to evaluate physique and athletic state of athletes at the molecular level during the adjustment, training, and competition periods. Molecular diagnostic techniques were applied to domestic sports scientific research as early as the year of 2000, and its application mainly lie in athlete selection, mechanism of sports fatigue, exercise-induced skeletal muscle adaptation, gene therapy, gene doping detection. This article summarizes a variety of application principles of new molecular diagnostic techniques and their advantages and disadvantages in sport molecular biology researches, and puts forward that in the future, the following directions of its development should be focused on: (1) Application of rapid and easy allelic gene detection method in athlete selection and sports genetic disease screening; (2) Application of gene techniques in dividing the regional and ethnic polymorphism of athlete selection; (3) Innovation of gene doping detection techniques.

Key words：molecular diagnostics; athlete selection by gene; fatigue mechanism; gene doping