ACTN3基因rs1815739多态性与中国青少年100 m短跑运动员运动能力的关联分析

陈文佳，章碧玉，李燕春，梁泽敬

近年，伴随基因多态性与运动能力功能学研究的深入，分子遗传学的选材得到广泛关注，探寻与项目特征相符的有效分子标记成为运动员选材的重要方式（金晶等，2018；Brooks et al.，2011）。传统结合分子标记技术逐渐成为速度/力量型项目运动员选材的重要手段（杨若愚，2017；Orysiak et al.，2014；Yang et al.，2003）。

ACTN3基因（α-辅肌动蛋白3），是骨骼肌快肌纤维Z线的结构蛋白，通过与细肌丝相结合维持肌纤维的有序排列和正常收缩（杨晓琳 等，2010；Macarthur et al.，2004）。ACTN3基因rs1815739多态性是第16号外显子上存在的 C/T 多态（Mills et al.，2001；North et al.，1999）。Yang等（2003）研究发现，优秀速度力量运动员ACTN3基因rs1815739多态位点RR型分布频率显著高于耐力运动员及非运动员，自此学者们在世界各种族中反复验证R等位基因和RR基因型与人类速度、爆发力和力量素质间的关联（李燕春 等 ，2016；Clarkson et al.，2005；Kikuchi et al.，2015；Moran et al.，2007；Vincent et al.，2007；Walsh et al.，2008；Yang et al.，2017），学者普遍支持ACTN3基因rs1815739多态位点RR基因型可作为速度力量型项目运动员基因选材的候选位点之一。近年，也有学者探讨该位点与个体运动适应性（Erskine et al.，2013）、运动恢复（Djarova et al.，2011；Kim et al.，2014）和运动损伤风险（Coso et al.，2019；Jun et al.，2014）等方面的关联性。

目前，关于ACTN3基因rs1815739多态位点与速度/力量型（爆发力）运动员运动能力的关联性研究较多，主要以高加索人种（杨贤罡等，2011），以及田径（短跑、跳跃、投掷等混合项目受试者）（Papadimitriou et al.，2008）、排球（Ruiz et al.，2011）、游泳（李燕春 等，2016）、体操（Massidda et al.，2009）和举重（杨晓琳 等，2010）等项目运动员为受试对象，鲜见针对我国青少年短跑项目（100 m为主项）运动员ACTN3基因rs1815739多态位点与运动素质关联的整体性研究。全面综合评价和预测具有运动天赋的短跑青少年，实现早期精准选材，提高100 m运动员的成才率，逐渐成为体育科学研究中亟待思考和研究的关键。鉴于此，本研究选取ACTN3基因rs1815739多态位点，对我国12～17岁和优秀成年100 m短跑运动员中的基因分布频率及特征进行分析，探讨青少年与优秀成年100 m短跑运动员ACTN3基因rs1815739多态性基因型和等位基因频率分布的一致性情况；对优秀青少年100 m短跑运动员不同基因型运动素质进行比较，探讨ACTN3基因rs1815739多态性与速度和下肢爆发力素质指标的关联性；检验ACTN3基因rs1815739多态位点作为分子标记在我国优秀100 m短跑运动员科学选材中应用的可行性。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取参加2017和2018年全国奥林匹克短跨训练基地苗子集训营内102名青少年短跑运动员［主项100 m，年龄（15.19±1.47）岁，运动健将4人，一级运动员50人，二级运动员48人］和68名优秀成年短跑运动员［主项100 m，年龄（23.27±6.39）岁，国际级运动健将4人，运动健将16人，一级运动员48人］为测试对象，均为北方汉族，来自黑龙江、北京、内蒙古、河北、山东和河南等省域。对照组为206名在校大学生［（21.53±1.30）岁］，均为北方汉族，来自黑龙江、吉林、辽宁、北京和河北等省域，未经任何专业训练，无家族运动训练史，能正常参加体育活动，体检合格，无家族疾病史，均知情同意。

1.2 实验方法

常规方法抽取外周静脉血提取DNA。依据美国国家生物技术信息中心（National Center for Biotechnology In‐formation，NCBI）网站公布的人类ACTN3基因序列，以Primer 5.0软件设计PCR引物，引物序列为：上引物（5’-CAg CAg CAT TCT CCT GTC A-3’）；下引物（5’-CCC TTA CCT CCA CCT TCg-3’）。PCR 扩增片段长度为 350 bp。PCR产物经DdeI内切酶（NEB）消化后经2%的琼脂糖凝胶电泳分型，引物由生工生物工程（上海）股份有限公司合成。

受试者基因型分析采用飞行时间质谱方法，飞行时间质谱分析由上海邃志生物科技有限公司完成。为了确认ACTN3基因rs1815739位点PCR-RFLP和飞行时间质谱结果，取每一基因型各3份标本聚合酶链反应产物进行序列分析，由生工生物工程（上海）股份有限公司检测，此结果与PCR-RFLP分析、飞行时间质谱检测结果一致。

1.3 运动素质测试法

选取参加2017年（7月26日—8月4日，江苏如皋）和2018年（8月6日—8月18日，山东日照）两届全国田径高水平后备人才基地训练营的102名青少年短跑运动员（主项100 m，二级运动员及以上）进行测试。使用电子秒表、2 kg实心球、钢尺、皮尺对受试者进行30 m、60 m、100 m、后抛实心球（2 kg）、立定跳远、立定三级跳远素质测试。

1.4 统计方法

采用SPSS 22.0统计软件对优秀短跑运动员和对照组ACTN3基因rs1815739多态位点基因型分布进行分析。1）采用χ2检验基因型频率和等位基因频率判断其是否符合Hardy-Weinberg遗传平衡定律和计算各基因型的优势比（OR值）；2）基因型分布及等位基因频率的组间比较和基因优势比（OR）的分析均采用χ2检验；3）青少年运动员运动素质指标数据采用单因素协方差分析（ANCOVA），差异性检验结果显著性水平分为P＜0.05和P＜0.01。

2 结果

2.1 运动员ACTN3基因rs1815739多态性位点基因型解析结果

ACTN3基因R577X位点的扩增片断长度为350 bp。PCR产物经DdeI内切酶酶切消化后，出现3种类型条带：有DdeI酶切位点的纯合型TT（XX型）、没有DdeI酶切位点的纯合型CC（RR型）和杂合型TC（RX型）。本研究中，rs1815739位点实际成功检测102例，成功率为100%。

2.2 基因多态性分型结果

χ2检验结果显示，102名青少年运动员（χ2=0.324，df=2，P=0.85）和 68名优秀成人运动员（χ2=0.254，df=2，P=0.881）rs1815739多态位点的基因分布符合Hardy-Wein‐berg平衡。对照组经Hardy-Weinberg平衡检验（χ2=0.661，df=2，P=0.718）显示，具有群体代表性（表1）。

表1 不同组别ACTN3基因多态性分型结果及组间比较Table 1 Polymorphism of ACTN3 Gene in Different Groups and Comparison among Groups

基因型的分布：青少年运动员组与对照组之间有显著差异（χ2=9.264，P=0.01）；优秀运动员组与对照组之间有非常显著性差异（χ2=11.317，P=0.003）；青少年运动员组与优秀运动员组无显著差异（χ2=0.399，P=0.819），优秀运动员组在RR基因型的分布频率上高于青少年组（52.9%＞48%）；青少年运动员组、优秀运动员组和对照组男、女基因型分布无显著差异（P＞0.05）。

等位基因频率分布：青少年运动员组与对照组有显著差异（χ2=8.286，P=0.004）；优秀运动员组与对照组有显著差异（χ2=9.903，P=0.002）；青少年运动员组与优秀运动员组无显著差异（χ2=0.390，P=0.532），优秀运动员组和青少年运动员组R等位基因频率分布均高于对照组（71.32%＞68.14%＞56.07%），对照组X等位基因频率分布高于青少年运动员组和优秀运动员组（43.93%＞31.86%＞28.68%）（图1）。

图1 ACTN3基因rs1815739等位基因频率的组间比较Figure 1. Intergroup Comparison of Allele Frequencies of rs1815739 in ACTN3 Gene

青少年运动员组和对照组RR/XX OR=2.463（95%CI：1.17，5.21），RR/（RX+XX）OR=2.099（95%CI：1.29，3.42）；优秀运动员组与对照组RR/XX OR=3.102（95%CI：1.26，7.66），RR/（RX+XX）OR=2.554（95%CI：1.46，4.47）；青少年运动员和优秀运动员组与对照组在RR+RX/XX比较中均无显著差异（P＞0.05）；青少年运动员与优秀运动员组在3种基因型优势比较中均无显著差异（P＞0.05，表2）。

表2 不同组别ACTN3基因组间比较的基因型优势比Table 2 Genotype Dominance Ratio of ACTN3 Genomes in Different Groups

2.3 青少年100 m短跑运动员ACTN3基因rs1815739多态性位点不同基因型携带者运动素质比较

在速度素质测试中，主体间效应无显著差异，即交互项（基因型×性别，30 m，P=0.886；60 m，P=0.909；100 m，P=0.986）不显著，满足回归方差齐性假定。不同基因型青少年运动员30 m测试存在显著差异（F=7.005，P=0.001），RR基因型成绩显著优于RX和XX基因型（P＜0.01），RX与XX基因型无显著差异（P＞0.05）；不同基因型青少年运动员60 m测试存在显著差异（F=9.607，P=0.000 1），RR与XX基因型具有非常显著性差异（P＜0.01），RR与XX基因型间具有显著性差异（P＜0.05），RX与XX基因型无显著性差异（P＞0.05）；不同基因型青少年运动员100 m测试存在显著差异（F=12.878，P=0.001），RR与XX基因型具有非常显著性差异（P＜0.01），RR与XX基因型具有显著性差异（P＜0.05），RX与XX基因型无显著性差异（P＜0.05，图2）。

图2 青少年100 m短跑运动员不同基因型之间运动素质的比较Figure 2. Comparison of Sports Quality between 100 m Sprinters with Different Genotypes

在爆发力素质测试中，主体间效应的检验中除后抛2 kg实心球外（F=3.591，P=0.031），交互项（基因型×性别，立定跳远，P=0.166；立定三级跳远，P=0.990）均不显著。RR基因型青少年运动员立定跳远、立定三级跳远和后抛2 kg实心球测试成绩均显著优于XX基因型（P＜0.01）；RR与RX基因型立定跳远和立定三级跳远测试成绩有显著差异（P＜0.05），后抛2 kg实心球测试成绩比差异更显著（P＜0.01）；RX与XX基因型立定跳远、立定三级跳远和后抛2 kg实心球测试成绩均无显著差异（P＞0.05，图2）。

3 分析与讨论

本研究发现，青少年运动员组和优秀运动员组ACTN3基因rs1815739多态性位基因型的分布频率、等位基因分布频率和RR基因型与XX、RX+XX基因型的优势比值（OR值）与对照组相比均存在显著性差异，其中RR基因频率分别为48.0%、52.9%和30.6%，R等位基因频率分别为71.32%、68.14%和56.07%，提示，ACTN3基因rs1815739多态性位点RR基因型与其他基因型相比是优势速度基因。此结果与已有研究结果一致（Eynon et al.，2009；Moran et al.，2007；Papadimitriou et al.，2008；Yang et al.，2003）。Scott等（2010）研究发现，田径项目中精英力量型运动员ACTN3基因RR基因型频率与普通人群分别为47.94%和25.97%，其中短跑运动员与普通组人的这一差异更为显著，提示，RR基因型的存在与精英力量表现之间有很强的相关性。分析其背后机制可能源于R等位基因Ⅱ型肌纤维中的表达量较高（Judson et al.，2011）和更好的运动适应性（Erskine et al.，2013）有关。Vincent等（2007）发现，RR型受试者Ⅱ型肌纤维比例显著高于XX型受试者，ACTN3蛋白在快肌纤维中的表达有益于肌肉收缩。然而，也有研究未能发现该多态位点是速度/力量项目运动员的阳性标记。Ruiz等（2011）研究发现，优秀排球运动员与普通人群R577X多态性（rs1815739）的基因型频率相似（P=0.095）。造成研究结果不同的原因可能与受试人群的样本量、年龄范围、运动水平的界定、种族或地域差异有关。

本研究还发现，青少年运动员组与优秀运动员组该位点基因型、等位基因频率分布，以及RR/XX、RR/（RX+XX）、（RR+RX）/XX OR值的差异均无显著性，提示，我国青少年和优秀成年100 m短跑运动员ACTN3基因rs1815739多态位点基因型和等位基因频率分布存在一致性特点。杨若愚（2017）研究发现，我国青少年运动员人群中该位点基因多态性与爆发力素质存在关联性，与以优秀运动员为受试者的研究结果基本一致，而且等位基因分布中未出现显著差异。提示，应尽早识别和选拔具备天赋的短跑青少年，教练员及科研人员应注重青少年100 m运动员加速能力、最大速度能力、下肢反应力量素质的测试和训练，在发展的“敏感期”重视发展肌肉的收缩速度和力量素质的平衡发展与转化，注重专项身体素质能力培养的同时，兼顾间接身体素质能力的提升。

从某种意义上讲，短跑运动员速度能力的建立是力量与协调相结合的产物，而高度发展的专项运动素质又是提高短跑运动员建立神经支配功能与肌肉收缩相互协调、交互活动的基础（陈文佳等，2019；郑桂海等，2007）。本研究发现，携带RR基因型青少年100 m短跑运动员在30 m、60 m、100 m、立定跳远、立定三级跳远和后抛2 kg实心球测试成绩上均明显优于RX和XX基因携带者，提示RR基因型和R等位基因有利于速度力量型项目。这与Orysiak等（2014）的研究结果一致，ACTN3基因rs1815739多态位点与短跑运动员的速度能力和下肢爆发力存在高度相关性。Yang等（2017）研究发现，ACTN3基因rs1815739多态位点与我国短跑运动员的速度能力和下肢爆发力存在高度相关，RR基因型运动员跳跃测试得分显著高于RX或XX基因型运动员，而且国际级运动健将中RR基因型携带者较高。此外，杨若愚（2017）和高鹏华等（2015）同样发现，ACTN3基因rs1815739多态性R等位基因与速度/力量型运动员下肢爆发力显著相关，提示，其可作为预测腿部爆发力的基因标记。这可能由于R等位基因携带者爆发力训练后会发生更多的mTOR和p70S6k磷酸化，进而诱导骨骼肌肥大，更易获得力量素质有关（Nor‐man et al.，2014）。类似研究同样发现，日本优秀短跑/力量型运动员的RR+RX基因型频率更高，具有RR+RX基因型的短跑运动员［（10.42±0.05）s］100 m测试成绩明显快于 XX 基因型［（10.64±0.09）s，P=0.042］（Mikami et al.，2013）。

对于短跑项目而言，人体需要在短时间内在缺氧情况下完成极限强度的高速运动，机体在较短时间内动员发挥出较大机能潜力、恢复期心血管系统恢复速度能力及骨骼肌能量代谢能力是直接影响其训练和参赛的重要因素。已有研究认为，XX基因型可潜在增加脂肪酸氧化和糖原储存，进而抑制神经系统突触部位的兴奋传递和肌肉的能力代谢过程，并在ACTN3基因敲除小鼠中得到验证（Macarthur et al.，2007）。对于快速力量为特点的运动项目，肌肉的收缩力值和收缩速度对专项成绩的贡献度更高（陈小平等，2005）。100 m是以速度为核心连续周期性的以快步频直线方向移动的运动项目，肌肉持续向心和离心的交替收缩能力、肌组织耐受能力等因素都制约着运动员在跑动中动作环节的动作速度和幅度以及技术的完成质量。然而，也有研究发现，ACTN3基因rs1815739多态性R等位基因与运动员反跳实验和短距离冲刺能力（30 m）没有关联性（Rodríguez-Romo et al.，2010）。Ruiz等（2011）研究发现，ACTN3 R577X多态性不会影响优秀排球运动员爆发性腿部肌肉力量。速度/力量型运动员与普通对照组在基因型频率上无显著差异，但与耐力组运动员基因型频率存在显著差异（Nan et al.，2003）。造成研究结果不同的原因可能与本研究中以青少年运动员为受试者、运动项目不同和对运动水平的界定差异有关。

此外，本研究存在一定的研究局限，受试者样本量相对不足（采样的难度较大，如果盲目扩大样本量可能会降低纳入标准或增加其他人种的数据）和优秀青少年100 m运动员的界定将影响结果的可靠性，且选取的速度和下肢爆发力力量素质指标有待进一步完善。建议后续研究扩大杰出青少年和优秀成年100 m短跑运动员的样本量，采用三维测力台、等速肌力、红外运动捕捉系统和表面肌电分析等运动生物力学测试手段，进一步探讨青少年100 m短跑运动员ACTN3基因R基因多态性与速度和爆发力素质的关联性。

4 结论

我国青少年和优秀成年100 m短跑运动员在ACTN3基因rs1815739多态位点基因型和等位基因频率分布上存在一致性特点；ACTN3基因rs1815739多态性与我国优秀青少年和优秀成年100 m短跑运动员速度和爆发力素质存在显著关联；RR基因型可以作为我国该项目优秀运动员选材分子标记，但仍需扩大杰出运动员的样本量，进一步验证其科学性和可行性。