人类运动能力相关的线粒体基因标记

常芸

国家体育总局体育科学研究所

Chang Yun

China Institute of Sport Science，General Administration of Sport

Abstract

It is well known that trainability of exercise training widely differs from one person to another. This individual difference is evidently determined not only by environmental factors, but also by genetic factors. In other words, some human genotype carriers were more sensitive to aerobic or anaerobic training than others. It is hypothesized that there are genes affecting endurance capacity and their responses to regular exercise. Searching the factors that cause such individual difference is considered meaningful for how to forecast and evaluate the exercise capacity. Because mtDNA codes a mitochondrial respiratory chain and subunits in enzyme complexes of the oxidative phosphorylation system for ATP generation, it is very likely that the polymorphisms in mtDNA relate to human aerobic endurance capacity. Dionne et al. previously reported that the polymorphism in mtDNA related to the individual differences in endurance capacity and trainability by used of RFLPs.  Murakami et al. reported that the Japanese polymorphism of mtDNA regulatory region might relate to individual differences in endurance capacity and trainability. Recently, Chang Yun et al determined the SNPs of mtDNA and the VO2max of Chinese elite endurance athletes and analyzed the relationship between VO2max and SNPs in the Chinese endurance athletes and their controls, and also compared with Revised Cambridge Reference Sequence. The results suggested that several SNPs of mtDNA may relate to aerobic endurance capacity. SNPs at nucleotide positions of 16298, 16129, 16362, 16085 and 16297, as gene markers, determine individual difference of human aerobic endurance and their trainability. As a rare unique heteroplasmic SNP site in Chinese endurance athletes, the SNP at nucleotide position 16085 is a great important gene marker. Those mtDNA markers are significant for forecasting and assessing the athletic capability, and also provide some experimental evidence for further research on molecular genetic mechanism in individual differences of human aerobic capability.

众所周知，人类骨骼肌ATP的再生能力是维持高水平运动能力的一个重要的限制因素，而线粒体是氧化磷酸化生成ATP的重要场所。线粒体作为核外唯一具有遗传效用物质(mtDNA)的细胞器，具有自我复制功能，并控制相当的遗传性状。目前研究表明，mtDNA是人类基因组中唯一不遵循孟德尔遗传规则的基因序列，具有严格的母系遗传特征，其基因组可进行自身DNA的复制、转录和翻译，可以编码自身的rRNA、tRNA以及部分蛋白质，并以一定方式影响核基因的表达^[2]，目前在法医学、群体遗传学、群体进化及人类生态学等方面开展了大量的研究，被认为是很好的分子遗传学标记。线粒体基因组作为人类基因的重要组成部分，其全序列和基本结构已由剑桥分子生物学研究所F.Sanger实验室阐明，通过分子遗传学信息学来分析评估群体多样性也较容易，成为目前群体和个体遗传学研究的热点。研究表明，杰出的运动能力很大程度上受控于基因，在人类存有对运动训练敏感的高反应群体（high responder, HR）和对训练不敏感的低反应群体（low responder, LR），其遗传特征存有母系遗传。近年，随着分子遗传学的进展及其对运动医学领域的渗透，国内外学者尝试着探讨与运动能力相关的基因标记，并定位这些基因，以解决优秀运动员的早期选材和运动能力诊断问题，并从分子水平揭示人类运动能力的遗传生物学机制。目前，这一领域已展开了一系列实验性研究工作，并取得了一些令人鼓舞的研究成果^[1]。下面对近年有关mtDNA与运动能力的最新研究进展作一概述。

一、mtDNA与运动能力研究现状

（一）运动员 mtDNA多样性

mtDNA作为良好的遗传标记进行基因分型和个体识别有其独特的优势，人类单一细胞中含有1000－10000个mtDNA拷贝，进化速率快，多态性高，相对核DNA而言，其检验灵敏性更高，加上特有的母系遗传方式，重组几率低，存在于单倍体中，避免了核DNA一条染色体为杂合子时的相互干扰，进行DNA分型简单，无需进行Hardy-Weinberg平衡分析，使统计分析和个体识别标记更容易。在一个群体中，应用基因多态性进行mtDNA分型和个体识别，首先要评估该群体的基因多样性，还要对群体中无关个体mtDNA单倍型的偶合概率进行分析。研究发现，人类mtDNA的多样性很高，一个群体中个体间mtDNA单倍型的差异很大,尤其欧亚大陆人群mtDNA单倍型频率分布较高^[3-6](详见表1)。

表1. 不同人群mtDNA高变区I单倍型的情况

最近，国家体育总局科研所常芸等研究发现^[7]，我国汉族耐力运动员mtDNA多样性(P)高达99.95%，两无关个体间偶合概率(h)很小。与顾明波等人对我国汉人的研究结果非常一致^[8]，说明无论汉人还是汉族运动员mtDNA基因多样性都非常高。与日本、台湾、俄罗斯及西班牙人群进行对比分析，也进一步说明mtDNA多样性的差异主要分布在群体内的个体间，而群体间的差异较小(表2.)。

表2  不同群体mtDNA基因多样性

（二）运动员mtDNA多态性特征

研究表明^[9，10]，伴随复制分离和遗传漂变的发生，人类mtDNA在无关个体间存有大量变异，其中，一些mtDNA突变对机体选择作用不明显的，也被称为“中性突变”，逐渐建立起同质体（homoplasmic），即同一个体细胞内存在同一种结构的mtDNA，即或为野生型，或为突变型，并以一定频率保留于人群中，形成mtDNA某些区段的多态性，比如mtDNA D-loop的高变区(HV)就存在大量多态位点。最近，常芸等对187名我国汉人及其耐力运动员mtDNA高变区特异性片段进行测序及其多态性分析，并与剑桥序列对比，结果发现^[11]，我国汉人及其耐力运动员mtDNA高变区I总共测得140个多态位点，其中，同质性多态位点113个，包括碱基替换多态位点90个，其中有单点碱基替换和多点碱基替换，单点碱基替换以T－C和C－T最为常见，多点碱基替换以CC－TT和TT－CC最为常见。碱基缺失的多态位点7个；碱基插入位点16个，缺失和插入多态位点均为单点碱基缺失或插入改变，无多点连续缺失或插入改变。我国汉族运动员的多态位点有84个，包括碱基替换多态位点68个；缺失多态位点5个；位点16228碱基缺失为运动员独有；插入多态位点11个，位点16113-16114和16335-16336碱基插入为运动员独有，但上述3个独特的缺失和插入位点在运动员群体中的频率分布均不高，未超过mtDNA高变区I总体多态的10%，能否作为人类运动能力相关的基因标记，还有待进一步探讨，还需要与运动能力表型进行关联分析研究来证实。在同质性碱基变异类型和频率变化方面，我国汉族耐力运动员与常人mtDNA高变区I主要表现为碱基转换、颠换、缺失及插入四种类型，其中，碱基转换发生率最高，碱基颠换发生率其次，碱基缺失及插入频率最低，进一步证实碱基转换高于颠换是人类mtDNA的特征之一。此外。研究还发现，我国汉人及其耐力运动员mtDNA高变区I异质性多态位点总共有27个，其中，运动员有20个，常人对照有19个，耐力运动员独有的位点8个（A16132C，A16135C, C16085G, T16144A, C16111T, C16107T,C16108T，T16189C）。上述8个独特的异质性多态位点在运动员群体中的频率分布均不高，也未超过mtDNA高变区I总体多态的10%，目前还不能作为人类运动能力相关的基因标记，有待进一步研究探讨。此外, 我国汉人及其耐力运动员mtDNA高变区观察到的异质性位点均属点异质型多态，未见长度异质型改变，而且，异质性多态是以碱基颠换高于转换为特征的^[12]。所谓异质体（heteroplasmic）是指同一个线粒体、同一细胞或同一个体内存在2个或2个以上mtDNA亚群，即野生型与突变型mtDNA共存，异质性多态通常包括点异质和长度异质两种类型^{[27，33，34]}。

此外，我国汉人mtDNA高变区C16223T和T16362C两个位点的多态类型和频率分布与剑桥序列有明显区别，其中，np16223以C－T转换为主，np16362以T-C转换为主，在位点C16223T，汉族运动员多态频率达80.30％，在位点T16362C，汉族运动员达47.62％，说明国人此二位点为高频SNPs位点。与不同地区人群进行比较也发现，mtDNA高变区I SNPs在不同地域人群间存在明显差异。其中，位点C16223T多态频率韩国人为80%，日本人为75.7%，位点T16362C多态频率韩国人为39.9%，日本人为50%，与中国汉族人群的资料十分相近，提示亚洲人群mtDNA高变区多态性位点及其频率差异不大。而德国高加索人在C16223T和T16362C的多态频率分别为44.2%和15.3%^[19，20]，与中国、日本、韩国等亚洲人群SNPs频率差异较大，提示在不同地域人群间mtDNA高变区I多态性存在明显差异。有人认为地域与人群间差异产生的原因可能与mtDNA的高进化率有关，但至今还没有确切的实验依据支持。总之，mtDNA独特的高频率多态性及其群体内个体间的明显差异，使其成为良好的种族遗传标记，尤其通过对第三代遗传标记SNPs的分析及其与运动能力表型的关联研究，对于运动能力相关遗传标记的筛选有重要的意义。但应当注意的是单核苷酸多态性标记的产生有赖于基因测序的正确率，不仅测序要达到99.99%的正确率, 还要经过后期细微的人工修正过程。而SNPs分析及其与运动能力表型的关联研究，对于人类运动能力的分子遗传学探讨和应用于科学选材有重要的实践意义和研究前景。

（三）运动能力相关的mtDNA标记

目前研究认为，mtDNA多态性可能造成群体中有氧代谢能力的个体差异，成为决定有氧能力和训练敏感性的可能分子机制之一。Dionne等曾对46名普通受试者进行耐力训练，观察训练前后mtDNA限制性片段多态（RFLPs）与最大摄氧量变化的关系^[13]，结果发现带型Bam HI-MTND5，Nci I-MTND5及Msp I-tRNAthrMTTT携带者的最大摄氧量初始值显著高于非携带者初始值的平均值。携带HincII-MTND5者训练后VO₂