运动员有氧耐力的单基因选材

林文弢，杨世东，郭 莹，林佳胤

（1.珠海科技学院，广东 珠海 519090；2.南京晓庄学院，江苏 南京 211171）

优秀运动员的运动能力受先天遗传因素和后天环境因素的共同影响，随着分子生物学的发展，运动员选材已深入到遗传学领域，加入一些基因指标，使选材更具科学性[1]。基因与人类运动能力的相关研究主要集中在耐力素质、力量速度素质和训练敏感性等方面[2]，其中有关耐力素质的研究最为深入和广泛[3]。

1 运动选材的理论基础

运动员科学选材是指根据不同运动项目的特点和要求，用科学、先进的手段和方法通过客观指标的测试进行全面综合评价和预测，把先天条件优越、适合从事某项运动的人选拔出来进行系统培养。科学的测试和预测方法是提高选材成功率的重要方法，也是选材研究的重点。近年，随着分子生物学、生物化学等研究的深入，特别是基因选材的出现，为运动选材奠定了科学基础。

运动员科学选材的理论基础主要取决于人体生长发育规律、人类遗传学原理和人类生存环境。人体生长发育规律是运动选材的重要依据，遗传决定运动员身体形状的发展潜力，环境是制约人体遗传潜力表达的主要因素。遗传是指性状从亲代传给子代，使亲子之间以及子代个体之间在性状方面存在相似性。人类遗传因素可用遗传度来衡量。遗传度可作为运动员初级选材时的主要依据。人体的身高、体重、最大摄氧量、力量、速度和耐力等都受基因控制，这些控制遗传的基因可以在对等染色体的不同位点，也可以分布于不同对的染色体，但控制效应是相同的，共同控制某一性状。

基因是DNA分子含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小单位，也是实现生物遗传与性状控制的基本功能单位。现代基因组学研究证实，人类个体间运动能力的先天差异，本质上产生于基因水平的变异，即进化过程中由于种种原因引起的DNA分子碱基对突变（缺失、插入）和DNA 分子结构重排造成的分子内核苷酸排列顺序的改变（转换、颠换、重复等）——基因多态性所造成的。到目前为止，在人类基因图谱上已经发现有160多个基因或基因标记可能与人类体质和运动能力发展有关，其中近20个与运动能力发展相关。例如：影响有氧运动能力的ACE（Angiotensin converting enzyme，血管紧张素转化酶）、CKMM（Muscle-specific creatine kinase，肌肉组织特异性磷酸肌酸激酶）；影响肌肉力量发展的GDF8（生长分化因子8）、CNTF（睫状神经营养因子）；影响速度发展的ACTN3（辅肌动蛋白-3）；等等。不同个体与运动能力相关的特异基因的基因类型不同，发展潜力也就不同。

2 单基因与耐力素质选材

以下基因与运动员的耐力素质具有显著的关联性。

2.1 ACE基因

ACE广泛分布在人体骨骼肌等各类组织中，主要使血管紧张素I转化为血管紧张素II[4]。ACE是最早被发现与人类运动能力有关联性的基因，有II、ID和DD等3种基因型。Montgomery等[5]最先报道了ACE基因与人类运动能力的关联性，ACE基因的II基因型与优秀耐力运动员具有显著关联性。

针对欧洲运动员如意大利、西班牙、土耳其、俄罗斯等国赛艇、长跑、滑冰项目运动员的研究发现，ACE基因的II基因型与耐力素质具有显著关联性。随着ACE基因研究增多，也出现一些不同的研究结果，如Hruskovicova等[6]认为ACE基因的I等位基因与马拉松运动员具有关联性，但Tobina等[7]认为日本最优秀的马拉松运动员没有II基因型，而耐力运动员中DD基因型显著多于II基因型，所以D等位基因与耐力素质具有关联性。对以色列马拉松运动员的研究也发现，DD基因型和D等位基因分布频率均显著高于对照组。对我国长距离游泳和赛艇运动员的研究[8-9]认为，ACE基因的II基因型和I等位基因分布频率显著高于对照组。可见，ACE基因可以作为耐力运动员的选材标记点，但这种标记点存在明显的种族和地区差异[10]。

ACE基因增强耐力素质的机制尚存在争议，Zhang等[11]认为I等位基因能增强肌肉对氧的吸收，有利于机体的有氧供能，进而增强运动员的耐力素质。研究[12-13]发现，经过11周训练后II基因型运动员的肌肉做功和能量消耗比值显著增长，比DD基因型运动员表现出更高的能量节省化。

2.2 线粒体DNA

线粒体DNA（Mitochondrial DNA，mtDNA）和ACE基因是较早被发现与人类运动能力有关联性的基因。2011年Nogales-Gadea等[14]认为，mtDNA与西班牙优秀耐力运动员具有显著关联性，而与优秀爆发力运动员不具有关联性。2014年Maruszak等[15]认为，mtDNA的H和HV单倍体与优秀耐力素质具有显著关联性，特别是与世界级耐力运动员的关联性最明显。Mikami等[16]认为，G1单倍体与日本耐力运动员具有关联性，而F单倍体与日本爆发力运动员具有关联性。Kim等[17]认为，mtDNA与耐力运动员具有显著关联性，而对爆发力运动员没有显著影响。

早在2001年我国学者[18]就认为，男性儿童的最大摄氧量（VO2max）可能与mtDNA 具有显著关联性。2006年高炳宏等[19]认为，mtDNA与我国优秀游泳运动员具有显著关联性。此外，他还认为，mtDNA与有氧耐力素质具有关联性，但不同项目之间存在一定的差异[20]。

2.3 NRF基因

核呼吸因子（Nuclear respiratory factor, NRF）是一种由核基因组编码的调控呼吸链亚基表达、线粒体DNA（mtDNA）转录和复制的核转录因子，包括NRF1和NRF2两种[21]。优秀耐力运动员的NRF1基因的GG基因型分布频率显著高于普通人，NRF1基因与最大摄氧量呈显著正相关[22]。不过，NRF2基因与耐力素质的关联性存在明显的人种差异，例如，NRF2（rs12594956）基因AA基因型与西班牙耐力运动员具有关联性[23]，而与以色列耐力运动员不具有关联性[24]。NRF2基因与我国耐力运动员具有显著的关联性，已作为我国优秀耐力运动员基因选材的分子标记[25]。

2.4 PPARs基因

过氧化物酶体增殖物激活受体（Peroxisome proliferator activated receptors，PPARs）对肌肉纤维组成有重要影响，共有PPARα、PPARβ/δ和PPARγ等3种亚型。PPARα内含的GG基因型和G等位基因与波兰赛艇运动员具有显著关联性[26]，PPARγ基因CC基因型可能与我国优秀女子耐力（＞5 000 m）运动员有关[27]。过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PPARGC1α）与我国优秀男子长跑运动员具有显著的关联性，可作为我国男子长跑运动员选材的基因标记点[28]。PPARδ基因与耐力素质不具有关联性[29]。

2.5 ADR基因

肾上腺素受体（Adrenaline receptor，ADR）是与肾上腺素和去甲肾上腺素激活的G蛋白偶联受体，ADR分为α和β两种类型。α型受体又分为α1和α2两种，β型受体分为β1、β2和β3等3种。α型受体抑制腺苷酸环化酶，β型受体刺激腺苷酸环化酶。ADR基因与耐力素质的关联研究主要集中在β2和β3受体。对欧洲耐力运动员的研究[30]认为，ADRβ2基因G等位基因与耐力素质有显著关联性，ADRβ3基因A等位基因与西班牙耐力运动员有显著关联性[31]。对我国耐力运动员的研究[32]表明，ADRβ2基因AA基因型和A等位基因分布频率显著高于对照组。杨若愚[10]认为，ADRβ3基因与我国优秀运动员的爆发力素质具有显著关联性。可见，ADRβ2基因AA基因型和A等位基因与耐力素质具有显著关联性。

2.6 GNB3基因

鸟嘌呤核苷酸结合蛋白亚基3（Guanine nucleotide binding protein β polypeptide 3，GNB3）是一种包含7个WD重复序列的螺旋形蛋白。近年研究[33]认为，GNB3基因与优秀耐力运动员具有关联性，GNB3基因TT基因型与以色列耐力运动员具有显著关联性。不过，Ruiz等[34]在重复研究中并没有发现GNB3基因与耐力运动员具有关联性。目前，有关我国运动员GNB3基因的研究鲜有见之。

2.7 NOS3基因

一氧化氮合酶3（Nitric oxide synthase 3，NOS3）可以调节血管的舒张，改善血流状况，促进对氧气的运输。Onkelinx等[35]认为，NOS3基因的C等位基因携带者在有氧训练后的最大摄氧量水平（VO2max）提高3.6%，高于TT基因携带者。对西班牙和意大利运动员的研究认为，爆发力运动员NOS3基因的TT基因型分布频率显著高于耐力运动员。一氧化氮能促进运动员骨骼肌增生，进一步增强运动员的力量素质，因此NOS3基因可能与爆发力素质有潜在的关联性。

2.8 FPN1基因

膜铁转运蛋白1（Ferroportin1，FPN1）主要分布在小肠绒毛上皮细胞的基底膜上，将二价铁离子（Fe2+）摄取进入血液。研究[36]认为，经过18周有氧训练后，FPN1（rs1123110）基因的CC基因型搏出量显著高于TT基因型，心力储备增加，FPN1rs4145237的 CG基因型携带者训练后心室舒张末期和心肌收缩力显著增加。

2.9 HIF-1α基因

低氧诱导因子1（Hypoxia-inducible factor-1， HIF-1）分为α和β两个亚单位。HIF1是感受低氧的关键调节物质，与体内的低氧反应单元结合，促使机体产生更多的红细胞、糖代谢等反应。刘海平等[37]认为，经过18周有氧训练后HIF1α基因GG基因型的血红蛋白（Hb）、最大摄氧量（VO2max）等指标的增加量显著高于CC和GC基因型。对欧洲人的研究发现，HIF1α与运动能力的研究结果一致性较差。

2.10 UCP3基因

解偶联蛋白（Uncoupling protein，UCP）是一种线粒体内的膜蛋白，分为1、2和3三个类型。耐力训练后UCP3 mRNA表达会短暂上调，这可能与游离脂肪酸的增加有关。邹恺等[38]认为，18周耐力训练后UCP3基因CC基因型对每博输出量的敏感性优于CT基因型。李燕春[39]发现，我国优秀中长距离游泳运动员UCP3基因的CC基因型分布频率显著高于对照组。

2.11 CKMM基因

CKMM主要分布在细胞质和线粒体中，是与细胞的转运能力、ATP再生等有直接关系的激酶。 研究[40]认为，CKMM基因AA基因与有氧耐力具有显著关联性，这可能是因为A等位基因表达导致肌细胞中肌酸激酶活性异构体减少，从而增强氧化磷酸化的激活和耐力的增加。对我国游泳运动员的研究[41-42]认为，CKMM基因GG基因型运动员对耐力训练不敏感，而AA和AG基因型对游泳耐力训练敏感，CKMM与有氧耐力素质具有关联性。

2.12 其他基因

除上述基因外，还有其他一些与耐力素质可能有关联性的基因。例如，生长激素1（GH1）基因、血管内皮生长因子及其受体（VEGF、VEGFR2）等基因。可见，相同位点的基因研究结果会存在不一致情况，主要是因为单个基因位点对运动能力的影响是有限的。例如，ACTN3基因R577x多态性对运动能力的贡献度仅有2.5%[43]，这是因为单个位点对运动能力的影响易受位点-位点间相互作用等因素的影响。

3 小 结

我国的运动员科学选材与科学训练等工作取得了丰硕成果，基因选材是目前最为科学的运动员选材方法。单基因选材简单易行且成本低，便于选拔出有氧耐力出色的运动员。