FECH基因rs1787997多态性与有氧耐力训练后左心室结构功能关联性研究

许亚丽，胡 扬，文 立

(1.上海体育学院，上海 200438;2.河南大学体育学院，河南 开封 475000;3.北京体育大学科学研究中心，北京 100084;4.天津体育学院运动人体科学系，天津 300381)

亚铁螯合酶(FECH)是血红素合成的最后一个酶，主要存在于骨髓、血液的网状细胞和成纤维细胞中。如果FECH缺乏或功能受损，血红素合成不足，不仅会导致贫血等血液病的发生，还引起线粒体功能衰退、能量产生障碍和氧化应激增强等细胞病理学变化［1-5］，使机体的氧供与存储、能量代谢、抗氧化等能力下降，并由此妨害机体的运动能力。

心脏是机体内严格需氧代谢的器官，耗氧量巨大，极易受到缺氧的影响，心肌氧气的供应及利用、线粒体能量代谢及抗氧化损伤能力将直接影响到心脏的正常功能发挥。而心脏功能的强弱又是人体体能和运动能力的重要基础，直接影响着训练计划的制订及训练效果的取得。因此，FECH与心脏的功能、运动能力等关系密切。

有氧耐力运动可以显著增强心脏和血管对机体各器官、组织的供血功能，并且在对心血管疾病的防治上具有重要意义。研究发现，心脏的解剖结构域生理机能对耐力训练效果存在明显的个体差异，且这种个体差异与基因多态性有关［6］。

为此，本研究选取FECH基因位于第六内含子中的rs1787997多态，观察其与耐力训练前后左心室结构、功能指标的关联性，探讨其能否作为预测有氧耐力训练后左心室结构、功能指标适应性改变的分子标记，为个性化训练方案的制订及心血管防治的运动处方提供重要参考和依据。目前，该基因多态性与关联性研究国内外未见报道。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取102名中国北方汉族(东北三省、河北、山东等淮河以北平原地区)健康男性受试者，且其双亲、祖辈双亲均为汉族，受试者为中国武装警察8631部队的新兵(均为2003年1月入伍，3月参加本实验)。所有士兵入伍前均无系统运动训练史及家族史，体检合格，其基本情况见表1。所有研究对象均填写知情同意书。

表1 士兵组基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 有氧耐力训练方案

具体训练方案如下:

训练方式 5000米匀速跑训练周期 18周训练频率 每周三次训练强度 95%-105%个体通气无氧阈时的心率(HRVT)±3 b/min训练安排 前2周:适应性训练第3-11周:强度为95%HRVT±3 b/min第12-18周:强度为105%HRVT±3 b/min强度监控 由芬兰产的Polar心率表实施监控运动中HR其他训练 参加训练的士兵不再进行额外的2000m以上的长跑训练，只进行一般军事和力量训练备注 所有受试者作息时间、饮食条件、训练安排均一致如因气候和军事行动等原因而被迫停训，则择日补训

1.2.2 左心室结构与功能的测定

测定方式为卧式蹬车的极限下递增定量负荷运动。

受试者静坐10min后平卧，测定安静状态下的左心室结构、功能指标，接着用50W的起始负荷以60 r/min的频率蹬车，每3min增加50W，直至150W蹬满3min后停止，平卧恢复3min。测定50W、100W、150W负荷的最后30s和恢复期最后30s的左心室结构、功能指标。

测定的左心室结构、功能指标有:左室舒张末内径(EDD)、左室收缩末内径(ESD)、左室舒张末后壁厚度(PWD)、左室收缩末后壁厚度(PWS)、室间隔舒张末厚度(IVSD)、室间隔收缩末厚度(IVSS)、每博输出量(SV)、每博输出量指数(SVI)、心输出量(CO)、心输出量指数(CI)、射血分数(EF)和心动周期(T)等。

各指标在18周训练前后各测定1次。每次测试由同一名工作人员完成，并且前后测试中的时相(上午、下午、晚上)全部一致。

1.2.3 基因多态性分析

用Promega试剂盒提取全血 DNA，设计引物后(上引物:5’-ctt cac aac aac aga tga cag gt-3’，下引物:5’-agt ata aga cga aag aaa gcc cc-3’，)，使用15μl PCR 反 应 体 系 (10 × PCR buffer 2μl，25mM MgCl21.02ul，dNTP 2 ul，上下引物各 2ul，灭菌双蒸水7.38μl，5U/ul Taq 酶 0.2ul，DNA 200ng)进行 PCR 扩增(95℃预变性 5min;94℃变性 30s，62℃退火 30s，72℃延伸30s，共30个循环;最后72℃延伸7min)，取3.5μl PCR扩增产物，经电泳分析后紫外光成像，出现243bp即为FECH基因扩增成功。

1.3 统计学方法

用指标前后数值的变化率即△=(训练后-训练前)/训练前来表示对耐力训练的敏感性。

用Finetti软件检验Hardy-Weinberg平衡。用K-S检验训练前生理指标数据的正态分布，各基因型之间各生理指标的初始值及基因型之间的训练敏感性用单因素方差分析。所有数据处理均由SPSS11.5软件包完成，显著性水平设为P＜0.05，非常显著性水平设为P＜0.01。

2 研究结果

2.1 rs1787997多态性解析及分布特征

rs1787997多态经过RT-PCR和测序两种方法解析后，共得到三种基因型即CC型、CG型、GG型(见图1)。其中CC型21人，分布频率为21%;CG型53人，分布频率52%;GG型28人，分布频率为27%。经检验，该人群基因型分布符合H-W平衡(X2=0.19，df=1，p=0.66)，具有群体代表性。电泳图及测序图见图1、图2。

图1 FECH基因rs1787997多态位点PCR-RFLP琼脂糖凝胶分型

图2 FECH基因rs1787997多态位点测序图

2.2 rs1787997多态性与有氧耐力训练前后左心室结构的关联

有氧耐力训练前，CG基因型受试者在安静状态下的室间隔收缩末厚度(IVSS)、左室后壁收缩末厚度(PWS)均显著性高于CC型或GG型(P＜0.05);其余指标的初始值在不同基因型间均没有显著差异。

有氧耐力训练后，各指标的变化率在不同基因型间均没有显著差异(表2)。

表2 FECH基因rs1787997多态性各基因型与左心室结构的关联

续表2

2.3 rs1787997多态性与有氧耐力训练前后左心室功能的关联

有氧耐力训练前，CG基因型受试者在100W负荷下的心动周期(100W/T)显著性高于CC型(P＜0.05)。

有氧耐力训练后，CG基因型受试者在150W负荷、恢复期时心动周期增加的幅度(△150W/T、△reT)均显著性高于GG型(P＜0.05)(见表3)。

其余心功能指标即每搏输出量、每搏输出量指数、心输出量、心输出量指数、射血分数等在有氧耐力训练前后，其初始值及变化率在不同基因型间均没有显著差异，因该部分数据庞大，本文只列举有关心动周期的数据。

表3 FECH基因rs1787997多态性与T(s)的关联

3 讨论

心脏泵血功能的强弱是影响人体体能和运动能力的重要基础，也是人体健康水平的重要标志，其在运动员的比赛和训练、大众健身中起到关键作用。因此，改善心血管系统机能，增强机体各器官、组织的供血，对于保障运动员训练效果和比赛成绩、提高国民体质、防治心血管疾病等均具有重大意义。

长期有氧运动可使心肌增厚、收缩力量增强，泵血功能提高，表现为安静时每搏量增大、心率减慢，从而降低心肌耗氧量，改善心脏功能。研究发现心脏的解剖结构、生理机能对耐力训练的效果存在很大的个体差异［7-8］，且这种差异与基因多态性有关［9］。因此，要想保证耐力训练效果，必须从个体遗传特点出发，寻找与其身体机能水平相适应的运动方案，才能达到提高运动成绩、增强体质或治疗心血管疾病的目的，

本研究首次报道了FECH基因rs1787997多态与左心室结构、功能等指标的起始值和耐力训练敏感性的关联，，并发现三种基因型与相关指标的起始水平及训练敏感性方面均存在显著性差异，具体表现为:有氧耐力训练前，CG型在安静状态下的室间隔收缩末厚度(IVSS)、左室后壁收缩末厚度(PWS)、在100W负荷下的心动周期(100W/T)均显著性高于CC型或GG型(P＜0.05)。经过18周有氧耐力训练后，CG型在150W负荷、恢复期时心动周期增加的幅度(△150W/T、△reT)均显著性高于GG型(P＜0.05)。

心脏的形态结构特点是心脏泵血功能的基础，更是对耐力训练能否产生良好适应性应答的先决条件。IVSS是指室间隔收缩末期的厚度，PWS是左心室后壁收缩末期的厚度，二者反映的都是心肌的收缩能力。由结果可知，在耐力训练前:CG型在安静状态下的IVSS和PWS均大于CC型或GG型，说明CG型在安静状态下的心肌收缩能力、心脏泵血功能均强于其他基因型，具有先天遗传优势。另外，在运动状态下，CG型在100W负荷下的心动周期(T)也显著性大于其他型，T越长则心率越慢，此结果说明在完成同样的定量负荷运动时，CG型以更低的心率即可满足运动时的氧供需要，大大降低心脏的工作负担，而这恰恰也是建立在CG型具有先天较好的心肌收缩力和泵血功能优势的基础上。经过18周的耐力训练后，CG基因型在心动周期指标的变化上又表现出明显的训练敏感性。虽然经过耐力训练后，三种基因型的心动周期都有所增加，但不同基因型间的变化幅度存在明显不同。尤以CG型在150W负荷下、恢复期时其心动周期增加的幅度(△150W/T、△reT)显著性高于GG型，说明经过耐力训练后，不管是在定量运动负荷下还是在运动后恢复期，CG型均能比训练前以更低的心率即可满足机体对氧的需求和血液供应，心脏出现运动节省化现象，表现出较高的心功能改善效果。从整体上看，在三种基因型中，CG基因型不仅在左心室结构与功能的初始水平上面不仅具有较高的遗传优势，还具有较高的耐力训练敏感性。

目前，有关FECH基因多态性与心脏结构与功能的研究未见报道。本研究结果中rs1787997多态性与左心室结构与功能及与耐力训练效果存在关联的可能机制是:(1)FECH是血红素合成的最后一个酶，直接决定血红素的质量。而血红素又是Hb、Mb、线粒体细胞色素、过氧化物酶等血红素类蛋白质的辅基，与氧气的转运利用、线粒体能量产生及抗氧化损伤等功能直接关联。众所周知，心肌是体内耗氧量最多的组织，心肌细胞中含有大量的毛细血管，Mb含量很高，线粒体数量很多且体积大、细胞色素等氧化酶活性高等特点，具有很强的有氧氧化能力。因此，FECH酶的活性通过影响血红素质量与心脏功能产生直接关联。(2)基因多态性可影响蛋白质的结构和功能。rs1787997多态位于FECH基因第6内含子中，内含子中碱基的变化可能会影响到FECH mRNA的剪接，使其mRNA稳定性改变，由此导致该酶的结构或活性出现改变。由本研究结果推测，在rs1787997多态的三种基因型中，CG型编码的FECH酶活性可能高于其他基因型，从而产生出更高质量的血红素，使相应血红素类蛋白诸如Hb、Mb、线粒体细胞色素、过氧化物酶等具有更优的功能，从而使CG型的个体表现出更强的心脏结构机能状态和对耐力训练的敏感性。

4 结论

在FECH基因rs1787997多态性中，CG基因型在左心室结构与功能的初始水平上面不仅具有较高的遗传优势，还具有较高的耐力训练敏感性，可以作为预测有氧耐力训练后心脏机能适应性改变的分子标记。

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