心肺健康特征指标有氧耐力训练效果的遗传预测标记研究进展

周文婷

心肺健康特征指标有氧耐力训练效果的遗传预测标记研究进展

周文婷

运动训练后个体的机能水平受多种因素影响，其中环境和遗传因素在很大程度上起决定作用。某一群体可能因携带特定基因型对运动训练具有更高的敏感性，从而表现出更好的训练效果。训练效果的遗传学研究已开展40余年，在有氧耐力训练效果的个体差异领域，研究最系统，成果也最丰富，但有关心肺健康特征指标有氧耐力训练效果的遗传预测标记研究方兴未艾。为此，综述了迄今为止该领域的候选基因法及全基因组研究进展，旨在为相关研究的开展提供参考和研究方向。综述后发现，40余个基因的愈百位点/单体型与我国北方汉族人的有氧耐力训练敏感性相关，血管紧张素转化酶基因等18个候选基因的作用则有待商榷。在全基因组研究中，训练后在50W功率输出水平下每搏量（SV50）和亚极量运动心率（HR50）分别与驱动蛋白家族成员5B基因编码区内的rs211302和位于cAMP反应元件连接蛋白1基因座5’区的rs2253206及rs2360969相关联；通过将转录物组学与基因组学技术结合，获得了11个可共同影响23%VO2max训练效果变化量的SNPs；而在多个HERITAGE项目研究中，则分别发现了与45%的VO2max训练效果个体差异显著相关的16个SNPs，100%影响HR50训练效果个体异质性的9个SNPs，以及20%影响20周标准耐力训练后60%VO2max强度运动下摄氧量（△VO260）的13个SNPs及单体型。

心肺健康；特征；有氧耐力；训练效果；遗传预测标记

运动能力是遗传与环境因素共同作用的结果[1]，而携带某一基因型的群体亦可能对运动训练敏感性不同，表现不同的训练效果[2]。训练效果的遗传学研究历经40余年，其中有氧耐力训练效果的个体差异研究最系统，成果最丰富[3-16]，尤其在训练后心肺健康特征指标的适应性变化方面，多个种族人群内均发现显著的个体差异[17-19]。为系统阐述心肺健康特征指标有氧耐力训练效果的遗传预测标记，本文拟综述迄今为止该领域的相关研究，为其未来研究提供有益的资料。

1 候选基因法研究

遗传和环境均影响训练效果表型，而经典的双生子研究及HERITAGE Family Study研究表明，有氧耐力训练效果的个体差异主要决定于遗传因素，训练等环境因素次之[3，5，8-9，20-21]。迄今为止，多个DNA标记被纳入心肺健康特征指标有氧耐力训练效果预测指标研究，其中胡扬团队以102名我国北方汉族男性新兵为对象，在18周的有氧耐力训练前后分别测试了VO2max、跑节省化、心脏结构及其衍生的心脏功能相关指标等，并与不同的基因位点多态性分布进行了关联分析[22-24]，发现，与北方汉族人有氧耐力训练敏感性相关的40余个基因的愈百位点/单体型，为运动员个性化训练方案的制定提供了指标，为全民健身制定个性化运动处方亦提供了依据[22]。

除上述基因，各国其他研究者还先后对血管紧张素转化酶基因、阿朴脂蛋白基因、C反应蛋白基因、缓激肽β2受体基因、肌酸激酶同工酶基因等18个基因与心肺健康特征指标耐力训练效果间的相关性进行了研究[2，25-26]，但结果差异均较大，推测样本量小、种族及地域差异大、统计学功效差可能是造成此结果的主要原因。一旦综合当前基因/位点功能研究相对滞后及结果假阳性比例较大等问题，就能愈加清楚地发现，研究单一基因/位点的候选基因法正陷入瓶颈，全基因组研究等其他方法则是解决以上问题的必由之路[1]。

2 全基因组研究

过去的10年间，以微阵列技术为基础的高通量技术的飞速发展已经使在一个反应中完成几十万个单核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphisms，简称SNPs）分析或同时对数千个转录基因的表达水平定量成为可能[20，27]。得益于这些进步，通过将全基因组的多态标记分析与信息学、统计学的结合，进而获得生理表型遗传标记的全基因组扫描连锁（genome-wide scan linkage，简称GWSL）和全基因组关联研究（genome-wide association studies，简称GWAS）正取代单一基因/位点研究成为近年来遗传学研究的主流。与先前大行其道的候选基因法相比，由于GWSL和GWAS无假设前提，对候选基因阳性关联多态性的功能无需提前鉴定，而是通过对有亲缘关系个体的全基因组进行筛查来获得与表型或相关性状连锁的染色体区域，继而发现新的遗传位点，而此后一旦在独立样本中对该阳性位点获得验证，就能为后续的基因表达和功能研究奠定基础[28]。对于当前优秀运动能力遗传学研究中普遍存在的研究结果仅基于观测数据，目的基因通常功能不明、样本量小、重复性差、统计学功效低、测试表型质量各异、新基因/新位点发现少等情况无疑是极大的福音[29]。但即便如此，有关心肺健康特征指标训练效果的GWLA或GWAS研究仍然有限。

采用GWLA技术探寻运动训练效果关联基因的研究始于RANKINEN领导的研究团队在HERITAGE项目中的杰出工作[11-14，30]。研究者发现，位于染色体10p11和2q31-q32的数量性状多态位点（quantitative trait loci，简称QTLs）与训练后的50 W功率输出水平下每搏量（SV50）变化有关[11]，位于2q31-q32内的丝联蛋白是SV50的候选关联基因[30]，而定位于染色体2q33.3-q34的QTLs与50 W功率输出水平下的亚极量运动心率（HR50）变化相关[12]。其中，位于10p11的SV50关联QTLs处于该染色体的30～37 Mb内[13]，位于染色体2q33.3-q34的HR50关联QTLs则定位于205～37 Mb区间内[14]。研究者发现，在众多的阳性连锁基因家族中，位于驱动蛋白家族成员5B（kinesin family member 5B，简称KIF5B）基因编码区的SNPs与SV50训练效果相关性最大，而由于rs211302可作用于该基因的启动子，继而对其活性进行调节，因此被认为对SV50训练效果影响最显著[13]。反观染色体2q33.3-q34，HR50训练效果的主要关联位点为位于cAMP反应元件连接蛋白1（cAMP-responsive element binding protein 1，简称CREB1）基因座5’区的rs2253206和rs2360969，其中，前者作用最显著，影响5%的HR50训练效果。而且，由于该SNP位于CREB1基因第1外显子的上游2.6kb处，因此该突变也同样可对该基因的启动子活性加以调节，其高分布等位基因G的纯合型和杂合型携带者与AA型携带者相比，HR50则分别低57%和20%[14]。在以上研究中，研究者还在C2C12细胞内分别对KIF5B基因和CREB1基因的不同启动子单体型/基因型进行了抑制和超表达分析。结果表明，由KIF5B基因各SNP高表达等位基因组成的单体型2启动子活性最高，这种差异导致的KIF5B基因表达水平变化可改变线粒体的活性及合成，并由此可能对训练效果产生影响[13]；而在C2C12细胞内，表达CREB1/rs2253206等位基因A比表达等位基因G具有更高的启动子活性，但其效应尚不明确，需进一步加以研究[14]。

2010年和2011年，2项首次应用密集全基因组测序技术进行的心肺健康特征指标训练效果研究先后发表[15-16]。二者均以VO2max为研究对象，其中TIMMOSNS等[15]将转录物组学与基因组学技术结合，采用2组不同受试者对其训练前的骨骼肌样本进行了RNA表达分析。在首轮试验中获得了29个与VO2max训练效果潜在关联的RNA转录本，并在随后的试验中对其预测效果进行了检验。然后，上述转录本被基因分型和记录为一组标签SNPs，并与HERITAGE项目定位克隆研究中发现的SNPs共同进行多变量回归分析。结果发现，11个可共同影响23%VO2max训练效果变化量的SNPs，其中7个是RNA表达分析的结果，其他的则来自定位克隆研究，从而表明，将转录物组学与基因组学研究结合对于提高新遗传预测标记的发现率大有裨益，对优秀运动能力的遗传标记研究而言亦不失为一个有力工具。但一个不容忽视的问题也随之出现，即此方法能够确认的与训练效果差异相关的基因型群均在骨骼肌纤维中表达，对不在骨骼肌中表达的SNPs，该方法则无能为力。

与该研究不同，2011年BOUCHARD等[16]对HERITAGE项目中的白人进行了GWAS分析。结果表明，在分析的324 611个SNPs中，39个与VO2max训练效果的个体差异显著相关，其中酰基辅酶A合成酶长链家族成员1基因的rs6552828影响最显著，达到约6%。多变量回归分析后发现，其中9个SNPs对VO2max训练效果变化量的影响＞2%，7个SNPs的影响＞1%，全部SNPs的综合影响则高达45%，与先前对其遗传度47%的预测水平一致[3]。最后，研究者对纳入回归分析的21个预测标记SNPs根据拥有的高VO2max训练效果等位基因数量进行了评分，并以0、1和2分别代表低反应等位基因纯合子、杂合子和高反应纯合子。最终发现，受试者的得分介于7～31，其中最低得分者（≤9，n=36）的VO2max训练效果（平均增量为221 ml/min）仅为得分最高者（≥19，n=52）的36.6%，表明未来可通过一组基因标记来预测久坐者的VO2max训练效果大小[16]。值得一提的是，这些结果与上述TIMMONS等[15]对同一组受试者采用RNA表达分析获得的结果（11个SNPs可共同影响23%VO2max训练效果变化量）相比，无疑差异较大，故未来需要进一步对不同方法、人群及运动训练开展重复性研究，以明确各SNPs的具体影响。

2012年，2项针对HERITAGE项目中472名白人亚极量运动能力训练效果预测指标的GWAS分析先后见于报端[31-32]。RANKINEN等[31]在前期GWLA研究的基础上[12，14]，进一步对HR50的训练效果预测指标展开了探索，由此发现了40个关联SNPs，并在其中确定了影响最显著的酪氨酸3-单氧酶/色氨酸5-单氧酶活化蛋白θ多肽基因（tyrosine 3-monooxygenase/tryptophan 5-monooxygenase activation protein，theta polypeptide gene，简称YWHAQ）rs6432018和rs12692388。在回归分析和遗传分析后终发现，9个SNPs可100%影响HR50的训练效果个体异质性，其中也包括YWHAQ/rs6432018和前面提到的CREB1/rs2253206。与BOUCHARD等[16]相同，Rankinen等[31]根据个体可能携带的9个位点“优势”等位基因数计算了其SNP总分，并以0、1和2分别代表不利等位基因纯合子、杂合子和优势纯合子。结果发现，得分＜10的受试者训练后其HR50并不下降，得分≥16的个体训练后的HR50平均下降量则超过20次/min。

与前面的研究均不同，RICE等[32]测试了受试者20周标准耐力训练后60%VO2max强度运动下的摄氧量（△VO260）、功率输出（△WORK60）及心输出量（△Q60），并对其第13号染色体进行了GWAS分析。结果发现，13q12内的1个QTL与△VO260显著相关，可作为亚极量运动训练效果的预测标记，而该区间内的线粒体中间肽酶基因和γ肌糖基因是潜在的预测候选基因。研究者用约1 800个SNPs对该QTL所在的7.9 Mb范围进行了定位和单体型分析，发现与△VO260显著相关的几个单体型位于ATP酶铵磷脂转运体1级8A型成员2基因和GS同源盒蛋白1基因编码区。随后，他们计算了13个SNPs及单体型对△VO260的影响水平，发现其影响可达20%，与其先前23%的预测基本一致[32]。虽然上述SNP位点与HR50及△VO260间的关联究竟是偶然事件还是功能确切相关目前尚不明确，以上结果在其他独立人群中亦未被验证。但不可否认的是，这2项研究先于基因功能的确定，即筛选出与心血管运动适应潜在相关的多个基因，与传统的候选基因法相比已经是巨大的突破，对于后续的基因功能研究而言，效果也事半功倍。然而，需要注意的是，全基因组研究的迅猛发展虽然大大促进了新基因（新位点）的发现，越来越多的大样本量全基因组研究和meta分析又在很大程度上解决了样本量和统计学功效带来的难题，以上所有全基因组研究中发现的SNPs位点却可能仅是解释复杂性状的小部分遗传度，由于全基因组研究基于无假说的试验设计，阳性位点的确定仅依赖于统计学上的切点（P<10-8），因此，可能会导致很多微效的常见SNPs丢失，使结果出现很大的假阴性。另外，由于目前的全基因组研究芯片只包含常见突变SNPs，故大部分因未被分型到的低频、功能性变异的遗失就很可能引起遗传度的丧失[28]。因此，未来可考虑在全基因组研究中辅以新兴的新一代测序技术，从而对可能与人类训练效果表型相关的常见突变、低频突变、拷贝数变异及其他结构性变异进行检测[33-34]。

3 结语与展望

训练效果的差异是影响运动能力的重要因素。与运动能力相同，个体的训练效果也受到遗传的影响，且遗传度甚至可达43%[35]。虽然上述研究未被完全检验，它们却为心肺健康特征有氧耐力训练效果的遗传预测标记的研究提供了资料。当然，目前仍有许多亟待解决的问题，如个体针对特定的运动模式和方案是否会给出不同的应答模式？运动干预/训练计划的持续时间是否会影响训练效果？如果训练计划持续数年而非数月，个体的心肺机能指标是否会出现差异？若出现差异，遗传在其中又扮演了何种角色？它与训练的影响又孰轻孰重？要解决上述问题，显然并非一朝一夕，但得益于生物技术的快速发展，当前的遗传学研究已突破了仅能对单个或少数几个基因/位点进行研究的技术壁垒，开启了全基因组学研究的时代，走上了高速发展的轨道。因此，本文综述了迄今为止的心肺健康特征有氧耐力训练效果遗传预测标记研究进展，力求为更好地理解训练效果遗传本质提供资料，同时为其研究者开展深入研究提供参考。

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Advances in the Genomic Predictors of the aerobic endurance Trainability for Cardiorespiratory Fitness Traits

ZHOU Wenting
（Dept.of Human Sport Science，Harbin Institute of Physical Education，Harbin 150001，China）

Personal exercise performance response to exercise training is multifactorial and in large extent determined by a range of environmental and genetic factors.One group may be more sensitive to exercise training because of carrying some particular genotypes，as well as showing a better trainability.Genomic research of trainability has been carried out for 40 years.The most comprehensive data on the individual differences in trainability come from the field of aerobic endurance，while the genomic predictor of the aerobic endurance trainability for cardiorespiratory f i tness just been studied decades ago.Therefore，the purpose of the current review article was to update and evaluate recent candidate gene literature as well as genome-wide researches relevant to the advances in this field，so as to provide references and new directions for future research.In a series of experimental studies with candidate genes，about 100 SNPs/haplotypes in almost 40 genes were found associated with the aerobic endurance trainability of northern Chinese Han origin lowlanders，while the function of other 18 genes，including ACE，were still not sure.In GWSL and GWAS researches，rs211302 in the kinesin family member 5B gene locus，as well as rs2253206 and rs2360969 located in the 5’-region of the cAMP-responsive element binding protein 1 gene locus，were found associated with the training-induced changes in submaximal exercise（50 W）stroke volume（SV50）and heart rate（HR50），respectively.Using phenotype linked to gene expression analysis strategy，a set of 11 SNPs that explained about 23%of the variance in VO2max training response were identified.In a series of HERITAGE projects，16 SNPs were found accounting for 45%of the variance in VO2max trainability，9 SNPs were found accounting for all of the heritable interindividual variability of the response to endurance exercise training and 13 SNPs/haplotypes were identified consistent with maximal heritability estimates of 23%of the phenotypic variance in the responses of oxygen consumption（ΔVO260）to a standardized 20-week endurance exercise training program.

cardiorespiratory f i tness;trait;aerobic endurance;trainability;genomic predictor

G 80-05

A

1005-0000（2014）03-264-04

2014-0126；

2014-05-07；录用日期：2014-05-08

周文婷（1979-），女，黑龙江哈尔滨人，博士后，副教授，研究方向为基因技术与运动员选材。

哈尔滨体育学院运动科学与健康系，黑龙江哈尔滨 150001。