表型组学研究进展及游泳运动员表型组学研究

蔡 广

(上海体育科学研究所,上海 200030)

表型组学研究进展及游泳运动员表型组学研究

蔡 广

(上海体育科学研究所,上海 200030)

运用文献资料法，分析归纳表型组学研究在医学和运动领域中的研究进展。认为研究人员对人类表型从蛋白质水平、细胞水平、代谢水平、各种表现形态方面进行系统化、跨尺度研究,通过多学科融合开创一种新研究模式。表型组学研究将对运动员的精准选材和科学训练产生巨大的作用。

表型组;表型组学;游泳运动员;基因

近几十年,在人类基因工程技术带领下,各种高通量生物分析技术的高速发展,形成了系统生物学平台,这些平台的成熟与建设为基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学的研究和发展提供了良好的硬件条件[1-3]。表型组学便是在此背景下发展起来的一门新学科。表型组是指生物体从胚胎发育到出生、成长、衰老甚至死亡过程中,形态特征、功能、行为、分子组成规律等所有生物学性状的集合,是基因与环境以及两者互相作用产生的所有生物体表征[4-5]。表型组学是系统研究某一生物或细胞在不同环境条件下的物理、化学和生物特征从宏观到微观的系统测量学科,是联系生物体基因型和表现型的桥梁[6-7]。《自然》杂志将表型组学研究评为新方向领域,其发展前景非常光明,在医疗健康领域将发挥“点石成金”的作用。因此,表型组学研究已成为继人类基因组计划后的又一战略制高点,为生物医学研究提供了新的突破口,并将引领生物医学发展。近年这些表型组学概念及研究也渐渐渗透到体育领域中[8-9]，可能对运动员的精准选材或者科学训练产生颠覆性的影响。为此，就表型组学当前的发展和游泳运动员表型组学研究作一综述。

1 表型组和表型组学研究现状及意义

1.1 表型组和表型组学研究现状

表型组学研究的重要性已引起全球的重视。2012年,在美国人类遗传学年会(全球最大的人类遗传学会议)上,明确了建立人类表型组计划的必要性和可行性,并对如何整合现有的数据库资源、计算及分析工具做了深入的探讨[10]。2013年,在英国医学研究理事会(MRC)和英国国家健康研究所(NIHR)5年共出资1 000万英镑的资助下[11],在帝国理工学院和伦敦国王学院建立MRC-NIHR表型组研究中心。这是国际上第1个表型组研究中心,该中心从对每年大约10万人血样和尿样样本的代谢分子表型测量出发,全面系统地研究人类表型组-基因组和环境因素及其相关性,为疾病生理病理机制研究、健康管理、早期防治和精准治疗提供新思路。该中心将在全英国范围内提供快速、高效和高质量的表型组分析服务,必将极大地推动英国健康与医疗领域的发展[12]。而人类蛋白质组作为人类表型组的重要组成部分,在近十年来也取得了长足的进步,对一个物种的蛋白组覆盖深度可与RNA-seq技术为代表的转录组相媲美[1,13]。

我国表型组研究从20世纪80年代起步,经过多年的建设和积累，具备了良好的基础。我国科学家系统收集了各民族人类遗传资源和有代表性的亚洲人群遗传资源;建立了系列人类表型测量方法,获得了大量人群体质表型测量数据;研发了大型队列关键技术,初步建立了70万人规模的大型人群队列;初步建立了高分辨无创的表型测量和影像学技术,发展了国际领先的高通量、高灵敏、高特异分子表型检测技术,研发了全表型谱数据整合与分析技术;在这些工作基础上已经产生了世界级的研究成果[14]。例如,通过对大型人群队列的体质人类学和遗传学检测,金力等发现了使汉族人的皮肤、毛发、牙齿等一系列表型同时发生变化的基因变异,并由国际合作者在小鼠模型上重现了研究结论。同时,在代谢表型组研究方面,复旦大学已初步建立了国际领先的高通量、高覆盖、超灵敏代谢组学技术体系及平台[15-17]。此平台包括代谢组综合分析系统、目标代谢组精密测量系统及挥发性代谢物组精密测量系统等。该平台有机结合代谢组全局刻画、目标代谢组精密测量及挥发性代谢组精准测定,可以对涵盖数十个代谢途径的1 000余种小分子代谢物进行精准定量测量分析。

1.2 表型组和表型组学研究的意义

随着人类社会日益快速的发展,以预防为主、关口前移的健康维护理念已全面普及。要真正实现预防,就要找到患病因素和疾病发生机制,提出针对性的健康维护方案。基于这一思想,在快速发展的技术推动下,生物医学产生了多个研究热点和创新方向,包括转化医学、精准医学等,然而这些创新方向忽视了基因、环境、表型之间多层次的关联、整合及三者整体性研究。跨尺度的表型组学可以在基因组水平上系统研究生物或细胞在各种不同环境条件下的体质、生理和行为等特征,借助高通量的表型分析技术与基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学结合,实现表型组数据与基因组信息的结合,进而开展从表型到基因与环境的“归因”分析研究,从而快速发现疾病患病机制,为生物医学提供了科学解决方案。因此,表型组学研究的开展将是全面解读人类生命密码所需的关键信息,探究健康辨识的基本依据和医疗干预的调控目标,通过归因研究,厘清疾病发生发展机理,为疾病预防与干预提供关键线索与指引[18-20]。

2 表型组学研究促进运动员选材的发展

运动员选材伴随着竞技体育运动的产生而发展。在运动员选材发展开始阶段,运动成绩是唯一的选材标准,随后由于教练员经验的总结,开始了以经验为主导的运动员选材,到现在由于科学技术的发展,开始以测试与经验相结合的选材模式[21]。运动员选材的3个发展阶段,其实都是以表型为基础的运动员选材过程。运动成绩是最直接的运动表型,教练员的经验是非量化评估的表型。测试基于现代科学技术的发展而对人体进行精确测量的量化表型。运动员选材经过近一个世纪的发展,已形成一套较为完备的选材表型指标体系,包括生长发育水平、身体形态、生理机能、心理特征、生物化学、运动素质、教练员的非量化评估[22-23]。

但这些表型指标,往往更多地反映当前的状态,在“超前性”和“精准性”上尚不足,影响着运动能力的预测和成才率。人体众多运动能力的表型发育都蕴含着一定的敏感期,要在特定的年龄段与适合的训练诱导才能逐渐地表现出来,譬如骨骼肌爆发力,需要等到肌肉和骨骼系统发育较成熟后,才能较准确地推测成年人水平,而肌肉爆发力的训练却在这之前就早已开始[24]。此外，同类表型由于个体发育的差异,也存在个性变化特点,这亦给预测准确性带来很大干扰,影响了运动能力预测的精准性。由于当前运动员选材方法超前性与精准性两方面的缺陷,影响了教练员对运动员的培养方向判断,使教练员只能在实际训练中通过训练观察不断调整,这样既耽误运动员的最佳培养时间,又造成了大量人力、物力和财力的浪费。据统计,优秀运动员的成才率约为4.7%,因此,如何进一步完善运动员科学选材的理论与实践,尤其是建立优秀运动员早期选材方法,尽早发现具有特殊运动潜质的人才，是竞技体育亟需解决的瓶颈问题[25]。

鉴于近年来分子生物学取得的超乎寻常的发展,及其在人体科学领域全面而快速地渗透,体育科学也应乘势将研究深入到基因水平,研究者想从更根本的层面上破解竞技体育中筛选择优的难题[26]。国内外研究者已发现众多与运动能力相关的基因,与氧能力有关的基因有ACE、CKMM、ADRA2A及mtDNA的D-loop和MTND5等;家系研究还提示1p、2p、4q、6p、8q、11p、14q染色体区域可能有运动能力相关基因;与肌肉力量有关的基因主要涉及GDF8、CNTF、ACTN3等等[27-28]。人们试图探明这些表型的基因标记或定位,以解决优秀运动员的早期选材问题,并从分子水平揭示人类运动能力的遗传生物学机制。但国内外研究者经过多年的研究发现,仅从基因型数据入手分析与运动员遗传度较高的运动能力的关系,尚存在一定的困难,预测准确度存在某些缺陷。随着表型组研究的兴起,充分利用表型组研究的技术方法,对表型、基因型数据和环境因素进行综合分析,可能会获得更好的运动实践效果,对竞技体育发展、运动员科学选材和运动医学学科发展起到更好的优化作用。

3 游泳运动员表型组学的研究

游泳项目是竞技体育中最重要也是开展最为普及的一个运动项目,其身体形态、生理机能、运动素质、心理心智、专项技术、教练员评定等方面表型组学研究已较完善。从身体形态表型看,世界优秀运动员的身材日趋大型化,男子平均身高都在186 cm以上,女子在173 cm以上[29-30]。指距是反映人体上肢长短和肩部宽窄的重要指标。世界优秀游泳运动员的指距普遍达到本人身高的104%～105%,指距长是世界优秀游泳运动员的共有特征。按照流体力学的原理,手臂长,向后划水的截面积相对较大,获得的有效推进力就增大。从生物力学的角度看,自由泳划水时,手臂是在绕肩关节做近似的圆周运动。根据公式,线速度=半径×角速度,若手臂划水时的角速度相等,那么手臂长者获得线速度必然比手臂短者大,这有利于游泳运动员划水速度的提高。另外,手臂长还有利于增长划水路线,提高划水效果。指距超过身高值越大,对游泳技术的发挥就越有利。生理机能中表型指标有心功能指数和最大摄氧量2个重要的表型指标[31]。心功能指数越小越好,说明心血管系统功能的机能越好。而对于优秀游泳运动员来说,最大摄氧量是最直接的一项反映有氧能力的指标。优秀游泳运动员男子一般都在66 ml/kg·min,女子在55 ml/kg·min以上。运动素质表型主要有速度素质、柔韧素质、爆发力3种。其中速度素质和爆发力素质是影响运动成绩的主要因素,速度素质主要通过专项测试进行评估,而爆发力素质应用较多的是纵跳方法。纵跳是反映运动员腿部爆发力的一个重要指标。游泳运动员腿部动作及出发、转身蹬壁等都需要腿部的爆发力。成年优秀游泳运动员男性纵跳都在55 cm以上,女性在48 cm以上[32-33]。游泳运动员柔韧素质要求较高,需要较好的柔韧性。在专项技术表型方面,要求水感好,在水中表现漂、粘、轻、浮,技术符合水的特性,根据流体力学原理减小游进时的阻力,增大推进力。在心理特征表型方面,游泳运动属于体能主导类运动项目,需要运动员集智慧、体能、技能、战术、意志、心理品质于一体。另外,中长距离游泳项目还要求运动员具有高度发展的心理耐力,能承受生理上和心理上的极度疲劳,最大限度地动员体能的潜力。只有具备顽强的意志品质,才能满足比赛竞技的需要。在智力表型方面,优秀运动员需要具有高度自信、丰富的想象力和独特的设计能力,以及在比赛场上创造性地解决技战术的能力[34]。

代谢组学是一门新的系统生物学分支,它是通过考察生物体系受刺激或扰动前后代谢产物图谱及其动态变化来研究生物体系代谢网络的一种技术。国内近几年已有学者对游泳运动员的代谢组学表型进行研究,但总体来说研究相对较少。王磊探讨了游泳运动训练过程中,不同训练强度对代谢中间产物和终产物及其变化趋势的影响,研究产物主要有能量代谢过程中的代谢产物、氨基酸及血常规,研究对象为17名优秀运动员,施加训练负荷后,机体的代谢组产生了显著变化,负荷越强,代谢组特征的偏移越明显。单次负荷和累积负荷都会导致血清代谢组化合物浓度的变化:小分子有机酸仅在单次强度负荷后增高,单次强度负荷和累积负荷都会导致游离氨基酸增高,能量物质代谢中间产物在单次强度负荷后降低,而在训练周期中,随强度增加而升高。与现有的监控指标相比,无论单次课还是长周期,代谢组学指标对训练的反映更敏感、更全面。在接受一段时间运动训练的负荷积累时,男女运动员在代谢组特征上有着显著的差异。女子游泳运动员代谢组受到训练负荷的扰动较男子大[35]。李江华探讨了用代谢组学预测高水平男子中短距离游泳成绩的可行性,研究对象是18名优秀游泳运动员,检测代谢物主要是尿液代谢物,模型的预测性能检验结果,对比赛中奖牌选手(进入前3名)与非奖牌选手(未进入前3名)、决赛选手(进入前8名)与非决赛选手(未进入前8名)的样本预测准确率可达到90%以上,研究认为可以利用代谢组学模型预测高水平男子中短距离游泳比赛成绩[36]。

4 游泳项目表型组学研究的展望

最近,复旦大学提出人类表型组学研究计划。这是一个全球唯一的人类表型组检测研究中心,一套国际领先的表型组测量技术平台,一张首次覆盖全年龄段的人类表型组全景参比图谱,一套中国自然人群全表型组大数据,一个中国重大疾病人群和特殊才能人群的动态表型组数据库,一系列人类健康、亚健康、疾病、特殊能力基因-表型标志物,一个全球人类表型组研究联盟,一个贯穿基础研究、临床、医药、全民健康的人类表型组全链条的产业,通过不同人群的表型组学研究从而实现精准医疗。2006年上海体育科学研究所选材研究中心完成了“春芽行动计划”,开展了《全国中级游泳项目选材标准》的系统研究,建立了青少年游泳运动员表型指标测评体系。近年来,随着基因与运动能力关系研究的深入,在青少年运动员群体选材中逐步加入了基因选材的内容,但仅从基因型数据入手,分析与运动员遗传度较高的运动能力的关系尚存在一定的困难,预测准确度存在某些缺陷。随着当前表型组研究的兴起,充分利用表型组研究的技术方法,对表型、基因型数据和环境因素进行综合分析,可能会获得更好的运动实践效果,对竞技体育发展、运动员科学选材和运动医学学科发展起到更好的优化作用。当前，上海体育科学研究所选材研究中心通过参与复旦大学人类表型组基因计划,以优秀游泳运动员和青少年游泳运动员为研究对象,通过身体形态特征、发育过程特征、运动功能特征、优异行为特征及体能代谢特征的测量与分析,建立优秀游泳运动员表型池和基因型大数据库及可识别的表型组特征谱,探索游泳运动员表型跨尺度关联及其遗传机制。该研究突破传统的运动员选材研究方法,将有可能彻底改变当前传统运动员选材方法,大大提高运动员选材技术水平,同时提升运动员成才率,节省大量的人力、物力成本,在国内乃至国际上都具有极大的创新意义,也可以给其他运动项目运动员的表型组研究提供指导和借鉴。

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上海市科委项目(16JC1400503)