Abstract

PERSPECTIVES ON APPLICATION OF DNA TECHNOLOGIES IN SPORTS

V.A. Rogozkin, Dr. Biol., professor

I.I. Akhmetov, postgraduate

I.V. Astratenkova, Ph. D., associate professor

St Petersburg Research Institute of Physical Culture, St Petersburg

Key words: sports genetics, gene polymorphisms, DNA technologies, predisposition to physical performance.

It becomes evident that the process of physical activity involves a number of polymorphous genes and each of them, taken separately, insignificantly contributes into the overall development of human physical qualities. It is expedient to reveal the associations of individual gene polymorphisms as well as in combination with other polymorphisms in the process of the obtained data analysis; at the same time it is necessary to consider the impact of combinations of genotypes and alleles with homogeneous effects. In This paper the approaches and the perspectives on the application of DNA technologies in sports are discussed.

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДНК-ТЕХНОЛОГИЙ В СПОРТЕ

Ключевые слова: спортивная генетика, полиморфизмы генов, ДНК-технологии, предрасположенность к физической деятельности.

После успешной реализации многолетней международной программы "Геном человека" появилась возможность выявить гены, тесно ассоциированные с формированием, развитием и проявлением физических качеств человека. Выявление ассоциированного наследования двигательных качеств и наследственно устойчивых признаков, маркирующих индивидуальную конституцию человека, возможно на основе анализа полиморфизма специфических генов с использованием ДНК-технологий. Одним из главных итогов изучения генома человека стало появление и развитие качественно нового раздела - молекулярной генетики физической активности.

Характерной особенностью молекулярной генетики физической активности, основанной на данных о молекулярной структуре генома человека, является ее индивидуальный характер. В сфере спорта она направлена на спортивную ориентацию юных спортсменов или на коррекцию процесса профессиональной подготовки спортсменов с учетом уникальных особенностей их конкретных геномов.

Поиск полиморфных локусов, ассоциированных с физической деятельностью человека, ведется в двух направлениях. Одно из них предполагает сканирование всего генома с помощью набора генетических маркеров с известной хромосомной локализацией на предмет ассоциаций определенных локусов с различными количественными признаками. В дальнейшем предполагается прицельное секвенирование (определение нуклеотидной последовательности) участков, расположенных вокруг найденных локусов, и выявление в них полиморфизмов, сцепленных с известными генетическими маркерами [10]. Данный метод, именуемый как QTL-картирование (картирование локусов количественных признаков (Quantitative Trait Loci)), достаточно трудоемок и должен применяться в отношении близких родственников (например, монозиготных и дизиготных близнецов).

Несмотря на высокую эффективность метода QTL-картирования, все же самым распространенным методом обнаружения информативных полиморфных локусов считается анализ ассоциаций полиморфизмов геновкандидатов с различными физическими качествами человека. Поиск полиморфных генов-кандидатов и их использование в изучении генетической предрасположенности к выполнению различных физических нагрузок основан на знании молекулярных механизмов мышечной или любой другой деятельности и предположении, что полиморфизм данного гена может повлиять на уровень метаболических процессов в организме [6].

Исследование ассоциаций полиморфизмов генов-кандидатов основано на нескольких методических подходах: 1) выявление и сравнение частоты встречаемости генотипов и аллелей определенного гена у спортсменов и в контрольной группе. Если частота одного из аллелей встречается значительно чаще, например в группе стайеров, по сравнению с контрольной группой или со спринтерами, тогда данный аллель можно считать благоприятствующим проявлению выносливости (аллель выносливости); 2) корреляционный анализ между генотипами и уровнем физической подготовленности или соревновательной успешности. В данном случае определяются генотипы, ассоциированные с наивысшими, средними и наименьшими показателями. В дополнение к этому существует возможность выявления частоты встречаемости генотипов и аллелей у спортсменов с наивысшими и наименьшими показателями; 3) корреляционный анализ между генотипами и приростом различных показателей в процессе длительных тренировок (исследование в динамике).

Необходимо отметить, что данные, полученные в ходе исследований в области молекулярной генетики физической активности, свидетельствуют о вовлечении в процесс мышечной деятельности множества полиморфных генов, каждый из которых в отдельности вносит лишь небольшой вклад в общее развитие физических качеств человека [2, 9]. Следовательно, возникает необходимость в проведении геномного типирования большого количества полиморфных участков генома, выбранных с помощью подхода "ген-кандидат" и выявления суммарного вклада независимо действующих и взаимодействующих генов, число сочетаний которых растет экспоненциально по мере возрастания количества рассматриваемых локусов. Для анализа полученных данных необходимо использовать новые статистические подходы, позволяющие выявлять вклад как отдельных генов, так и их различных сочетаний в развитие определенного фенотипического признака [2,11].

Для комплексного анализа ассоциаций нескольких генов с физической деятельностью человека могут быть использованы различные подходы. Один из них предполагает выявление наиболее часто встречающихся комбинаций генотипов среди спортсменов и в контрольной группе [2]. При таком подходе в качестве маркеров рассматриваются не отдельные аллели генов, а комбинации генотипов. Здесь необходимо отметить различия не только в частоте встречаемости комбинаций генотипов по сравнению с контрольной группой, но и в уникальных комбинациях, которые встречаются чаще всего у спортсменов с различным типом энергообеспечения. Кроме того, существует возможность сравнения показателей различных физических качеств между носителями комбинаций генотипов с наибольшим генетическим потенциалом, например в проявлении скоростно-силовых качеств, и носителями противоположных по потенциалу комбинаций.

Данный подход можно использовать с ограниченным количеством исследуемых генов, поскольку частота самых часто встречающихся комбинаций генотипов будет резко уменьшаться при включении в анализ дополнительных генов. Так, теоретически возможное количество комбинаций генотипов по 4 генам составляет 34 - 81, по 13 генам (количество генов, анализируемых в лаборатории спортивной генетики СПбНИИФКа по состоянию на 2006 г.) - более 1,5 млн. При этом надо учитывать, что с использованием в комбинациях полиморфизмов генов, вариантные аллели которых являются редкими, число не встречающихся комбинаций резко возрастает.

Второй подход, который можно использовать для комплексной оценки ассоциации изучаемых полиморфизмов генов, основан на суммировании аллельных вариантов [2]. На примере пяти генов, чаще всего упоминающихся в литературе по спортивной генетике, - ангиотензин-превращающего фермента (АСЕ), альфа-актинина-3 (ACTN3), АМФ-дезаминазы (AMPD1), альфа-рецептора, активируемого пролифераторами пероксисом (PPARA) и 1-альфакоактиватора гамма-рецептора, активируемого пролифераторами пероксисом (PGC1A), можно предположить, что аллели I по ACE и G по PPARA могут рассматриваться как аллели, способствующие достижению высоких результатов в видах спорта на выносливость ("аллели выносливости"), а аллели D и C по тем же генам, как "аллели скорости и силы" [8,12,14,15]. К ним следует добавить благоприятные в любом отношении (как скорости/силы, так и выносливости) аллели R по ACTN3, Gly по PGC1A и C по AMPD1 (аллели X по ACTN3, Ser по PGC1A и T по AMPD1 ассоциируются с пониженной физической работоспособностью) [13,16,18]. Таким образом, представляется возможным проведение сравнений частоты сочетаний комплексов аллелей выносливости (I по ACE, G по PPARA, R по ACTN3, Gly по PGC1A и C по AMPD1) и скорости/силы (D, C, R, Gly и C по тем же генам) между группами спортсменов и контроля.

Для выяснения качественного состава комплексов аллелей выносливости либо скорости/силы у спортсменов и в контрольной группе можно использовать следующий принцип. Исходя из данных по вышеуказанным пяти генам, теоретически индивиды могут обладать от 0 до 10 аллелями, как выносливости, так и скорости/силы (нулевая комбинация по выносливости - DD (ACE)-CC (PPARA)-XX (ACTN3)Ser/Ser (PGC1A)-TT (AMPD1), комбинация с 10 аллелями выносливости - II-GG-RR-Gly/Gly-CC; нулевая комбинация по скорости/силе - II-GG-XX-Ser/Ser-TT и комбинация с 10 аллелями скорости/силы - DDCC-RR-Gly/Gly-CC). При анализе величин, например носителей аллелей скорости/силы у спринтеров и в контрольной группе, можно выявить преобладание количества спринтеров с 6 - 10 аллелями скорости/ силы по сравнению с контрольной группой.

Одним из преимуществ комбинационного подхода с учетом аллелей, а не генотипов, является возможность использования данных неограниченного количества генов, ассоциированных с физической деятельностью человека. По состоянию на 2005 г., таких генов уже обнаружено 101 (85 ядерных генов и 16 митохондриальных[17]. Несомненно, в будущем будет найдено гораздо больше ассоциаций полиморфизмов генов с развитием и проявлением различных физических качеств человека и для каждого из этих полиморфизмов будет установлен свой вклад в общее проявление какого-либо признака в зависимости от принадлежности к этносу, полу, возрасту и характеру физической деятельности.

Последние исследования в области молекулярной генетики физической активности показали необходимость использования комбинационного подхода (учет генотипов и групп аллелей) при анализе генотипических данных у спортсменов различного пола, специализаций и квалификаций [2 - 4, 9]. Анализ отдельно взятых полиморфизмов генов нечасто позволяет обнаружить ассоциации с проявлением физических качеств человека, что подтверждает явление множественного характера наследуемости комплексных признаков с преимущественным аддитивным действием генов.

Результаты проведенных исследований открыли возможность создания диагностических комплексов на основе ДНК-технологий для выявления индивидуальной наследственной предрасположенности человека к выполнению различных по энергетической обеспеченности физических нагрузок. В лаборатории спортивной генетики СПбНИИФКа разработаны оптимальные алгоритмы молекулярной диагностики и эффективные методы идентификации уже известных полиморфизмов. На их основе созданы диагностические комплексы для генетического тестирования предрасположенности к мышечной деятельности и коррекции тренировочного процесса спортсменов и людей, активно использующих физические нагрузки для сохранения здоровья и работоспособности [1 -  3, 5, 7]. Вместе с тем считаем необходимым еще раз подчеркнуть, что генетический анализ проявления физических качеств человеком непрерывно связан с фундаментальными исследованиями функций организма, и это - чрезвычайно сложный процесс. Здесь нет простых и быстрых решений и в практическом плане сделаны лишь первые шаги. Для внедрения ДНКтехнологий в спорт необходимы не только заинтересованность тренеров и руководителей спортивных учреждений, но и финансовая поддержка исследований в данном направлении.

Литература

1. Ахметов И.И. Влияние полиморфизмов генов на адаптационные изменения в мышечных волокнах при различных типах физических нагрузок // Сб. тр. СПБНИИФК. СПб., 2005, с.118-122.

2. Ахметов И.И., Астратенкова И.В., Дружевская А.М. и др. Значение комплексного анализа факторов генетической предрасположенности к мышечной деятельности человека // Медико-биологические технологии повышения работоспособности в условиях напряженных физических нагрузок. Вып. 2 / Сб. ст. М., 2006.

3. Ахметов И.И., Астратенкова И.В., Комкова А.И. и др. Использование ДНК-технологий для реализации концепции спортивно-ориентированного физического воспитания учащихся школ г. Набережные Челны // Физическая культура: воспитание, образование, тренировка. 2006, №1, с. 5 - 8.

4. Глотов А.С. Разработка и апробация тест-систем на основе гелевых биочипов для изучения генетического полиморфизма человека: Автореф. дис. канд. биол. наук. СПб. 2005? c.16.

5. Кочергина А.А., Ахметов И.И. Оптимизация тренировочного процесса юных лыжников с учетом их генетической предрасположенности // Физическая культура: воспитание, образование, тренировка. 2006, №1, с. 35-36.

6. Рогозкин В.А., Астратенкова И.В. Мышечная деятельность и полиморфизм генов // Медико-биологические технологии повышения работоспособности в условиях напряженных физических нагрузок / Сб. ст. под ред. А.И. Григорьева. М., 2004, с. 57-65.

7. Рогозкин В.А., Астратенкова И.В., Дружевская А.М. и др. Гены-маркеры предрасположенности к скоростно-силовым видам спорта // Теория и практика физ. культуры. 2005, №1, с. 2-4.

8. Ahmetov I.I., Mozhayskaya I.A., Flavell D.M., et al. PPARA gene variation and physical performance in Russian athletes // Eur. J. Appl. Physiol. -  28 Feb, 2006. - 10.1007/s00421-006-0154-4.

9. Blanchard B.E., Tsongalis G.J., Guidry M.A., et al. RAAS polymorphisms alter the acute blood pressure response to aerobic exercise among men with hypertension // Eur J Appl Physiol. - Feb 9, 2006. - 10.1007/s00421-006-0142-8.

10. Bouchard C., Leon A.S., Rao D.C., et al. The HERITAGE family study. Aims, design, and measurement protocol // Med. Sci. Sports Exerc. -  1995. - V. 27. - P. 721 - 729.

11. Favorov A.V., Andreewski T.V., Sudomoina M.A., et al. A Markov Chain Monte Carlo technique for identification of combinations of allelic variants underlying complex diseases // Genetics. - Aug 22, 2005. - 10.1534/ genetics.105.048090.2005.

12. Gayagay G., Yu B., Hambly B., et al. Elite endurance athletes and the ACE I allele - the role of genes in athletic performance // Hum. Genet. -  1998. - V. 103. - P. 48-50.

13. Lucia A., Gomez-Gallego F., Barroso I., et al. PPARGC1A genotype (Gly482Ser) predicts exceptional endurance capacity in European men. // J . Appl. Physiol. - 2005. - V. 99(1). - P. 344-8.

14. Myerson S., Hemingway H., Budget R., et al. Human angiotensin Iconverting enzyme gene and endurance performance // J. Appl. Physiol. -  1999. - V. 87. - P.1313-1316.

15. Nazarov I.B., Woods D.R., Montgomery H.E., et al. The angiotensin converting enzyme I/D polymorphism in Russian athletes // Eur. J. Hum. Genet. - 2001. - V. 9. - P. 797-801.

16. Rubio J.C., Martin M.A., Rabadan M., et al. Frequency of the C34T mutation of the AMPD1 gene in world-class endurance athletes: does this mutation impair performance? // J. Appl . Physiol. - 2005. - V. 98(6). - P. 2108-12.

17. Wolfarth B., Bray M. S., Hagberg J.M., et al. The human gene map for performance and health-related fitness phenotypes: the 2004 update // Med. Sci. Sports Exerc. - 2005. - V. 37(6). - P. 881-903.

18. Yang N., MacArthur D.G., Gulbin J.P., et al. ACTN3 genotype is associated with human elite athletic performance // Am . J. Hum. Genet. - 2003. - V. 73(3). - P. 627-31.