FECH基因rs1787997多態(tài)性與有氧耐力訓(xùn)練后左心室結(jié)構(gòu)功能關(guān)聯(lián)性研究

許亞麗，胡 揚(yáng)，文 立

(1.上海體育學(xué)院，上海 200438;2.河南大學(xué)體育學(xué)院，河南 開封 475000;3.北京體育大學(xué)科學(xué)研究中心，北京 100084;4.天津體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)系，天津 300381)

亞鐵螯合酶(FECH)是血紅素合成的最后一個(gè)酶，主要存在于骨髓、血液的網(wǎng)狀細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中。如果FECH缺乏或功能受損，血紅素合成不足，不僅會(huì)導(dǎo)致貧血等血液病的發(fā)生，還引起線粒體功能衰退、能量產(chǎn)生障礙和氧化應(yīng)激增強(qiáng)等細(xì)胞病理學(xué)變化［1-5］，使機(jī)體的氧供與存儲(chǔ)、能量代謝、抗氧化等能力下降，并由此妨害機(jī)體的運(yùn)動(dòng)能力。

心臟是機(jī)體內(nèi)嚴(yán)格需氧代謝的器官，耗氧量巨大，極易受到缺氧的影響，心肌氧氣的供應(yīng)及利用、線粒體能量代謝及抗氧化損傷能力將直接影響到心臟的正常功能發(fā)揮。而心臟功能的強(qiáng)弱又是人體體能和運(yùn)動(dòng)能力的重要基礎(chǔ)，直接影響著訓(xùn)練計(jì)劃的制訂及訓(xùn)練效果的取得。因此，F(xiàn)ECH與心臟的功能、運(yùn)動(dòng)能力等關(guān)系密切。

有氧耐力運(yùn)動(dòng)可以顯著增強(qiáng)心臟和血管對(duì)機(jī)體各器官、組織的供血功能，并且在對(duì)心血管疾病的防治上具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，心臟的解剖結(jié)構(gòu)域生理機(jī)能對(duì)耐力訓(xùn)練效果存在明顯的個(gè)體差異，且這種個(gè)體差異與基因多態(tài)性有關(guān)［6］。

為此，本研究選取FECH基因位于第六內(nèi)含子中的rs1787997多態(tài)，觀察其與耐力訓(xùn)練前后左心室結(jié)構(gòu)、功能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，探討其能否作為預(yù)測(cè)有氧耐力訓(xùn)練后左心室結(jié)構(gòu)、功能指標(biāo)適應(yīng)性改變的分子標(biāo)記，為個(gè)性化訓(xùn)練方案的制訂及心血管防治的運(yùn)動(dòng)處方提供重要參考和依據(jù)。目前，該基因多態(tài)性與關(guān)聯(lián)性研究國(guó)內(nèi)外未見報(bào)道。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選取102名中國(guó)北方漢族(東北三省、河北、山東等淮河以北平原地區(qū))健康男性受試者，且其雙親、祖輩雙親均為漢族，受試者為中國(guó)武裝警察8631部隊(duì)的新兵(均為2003年1月入伍，3月參加本實(shí)驗(yàn))。所有士兵入伍前均無(wú)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練史及家族史，體檢合格，其基本情況見表1。所有研究對(duì)象均填寫知情同意書。

表1 士兵組基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 有氧耐力訓(xùn)練方案

具體訓(xùn)練方案如下:

訓(xùn)練方式 5000米勻速跑訓(xùn)練周期 18周訓(xùn)練頻率 每周三次訓(xùn)練強(qiáng)度 95%-105%個(gè)體通氣無(wú)氧閾時(shí)的心率(HRVT)±3 b/min訓(xùn)練安排 前2周:適應(yīng)性訓(xùn)練第3-11周:強(qiáng)度為95%HRVT±3 b/min第12-18周:強(qiáng)度為105%HRVT±3 b/min強(qiáng)度監(jiān)控 由芬蘭產(chǎn)的Polar心率表實(shí)施監(jiān)控運(yùn)動(dòng)中HR其他訓(xùn)練 參加訓(xùn)練的士兵不再進(jìn)行額外的2000m以上的長(zhǎng)跑訓(xùn)練，只進(jìn)行一般軍事和力量訓(xùn)練備注 所有受試者作息時(shí)間、飲食條件、訓(xùn)練安排均一致如因氣候和軍事行動(dòng)等原因而被迫停訓(xùn)，則擇日補(bǔ)訓(xùn)

1.2.2 左心室結(jié)構(gòu)與功能的測(cè)定

測(cè)定方式為臥式蹬車的極限下遞增定量負(fù)荷運(yùn)動(dòng)。

受試者靜坐10min后平臥，測(cè)定安靜狀態(tài)下的左心室結(jié)構(gòu)、功能指標(biāo)，接著用50W的起始負(fù)荷以60 r/min的頻率蹬車，每3min增加50W，直至150W蹬滿3min后停止，平臥恢復(fù)3min。測(cè)定50W、100W、150W負(fù)荷的最后30s和恢復(fù)期最后30s的左心室結(jié)構(gòu)、功能指標(biāo)。

測(cè)定的左心室結(jié)構(gòu)、功能指標(biāo)有:左室舒張末內(nèi)徑(EDD)、左室收縮末內(nèi)徑(ESD)、左室舒張末后壁厚度(PWD)、左室收縮末后壁厚度(PWS)、室間隔舒張末厚度(IVSD)、室間隔收縮末厚度(IVSS)、每博輸出量(SV)、每博輸出量指數(shù)(SVI)、心輸出量(CO)、心輸出量指數(shù)(CI)、射血分?jǐn)?shù)(EF)和心動(dòng)周期(T)等。

各指標(biāo)在18周訓(xùn)練前后各測(cè)定1次。每次測(cè)試由同一名工作人員完成，并且前后測(cè)試中的時(shí)相(上午、下午、晚上)全部一致。

1.2.3 基因多態(tài)性分析

用Promega試劑盒提取全血 DNA，設(shè)計(jì)引物后(上引物:5’-ctt cac aac aac aga tga cag gt-3’，下引物:5’-agt ata aga cga aag aaa gcc cc-3’，)，使用15μl PCR 反 應(yīng) 體 系 (10 × PCR buffer 2μl，25mM MgCl21.02ul，dNTP 2 ul，上下引物各 2ul，滅菌雙蒸水7.38μl，5U/ul Taq 酶 0.2ul，DNA 200ng)進(jìn)行 PCR 擴(kuò)增(95℃預(yù)變性 5min;94℃變性 30s，62℃退火 30s，72℃延伸30s，共30個(gè)循環(huán);最后72℃延伸7min)，取3.5μl PCR擴(kuò)增產(chǎn)物，經(jīng)電泳分析后紫外光成像，出現(xiàn)243bp即為FECH基因擴(kuò)增成功。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

用指標(biāo)前后數(shù)值的變化率即△=(訓(xùn)練后-訓(xùn)練前)/訓(xùn)練前來(lái)表示對(duì)耐力訓(xùn)練的敏感性。

用Finetti軟件檢驗(yàn)Hardy-Weinberg平衡。用K-S檢驗(yàn)訓(xùn)練前生理指標(biāo)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布，各基因型之間各生理指標(biāo)的初始值及基因型之間的訓(xùn)練敏感性用單因素方差分析。所有數(shù)據(jù)處理均由SPSS11.5軟件包完成，顯著性水平設(shè)為P＜0.05，非常顯著性水平設(shè)為P＜0.01。

2 研究結(jié)果

2.1 rs1787997多態(tài)性解析及分布特征

rs1787997多態(tài)經(jīng)過(guò)RT-PCR和測(cè)序兩種方法解析后，共得到三種基因型即CC型、CG型、GG型(見圖1)。其中CC型21人，分布頻率為21%;CG型53人，分布頻率52%;GG型28人，分布頻率為27%。經(jīng)檢驗(yàn)，該人群基因型分布符合H-W平衡(X2=0.19，df=1，p=0.66)，具有群體代表性。電泳圖及測(cè)序圖見圖1、圖2。

圖1 FECH基因rs1787997多態(tài)位點(diǎn)PCR-RFLP瓊脂糖凝膠分型

圖2 FECH基因rs1787997多態(tài)位點(diǎn)測(cè)序圖

2.2 rs1787997多態(tài)性與有氧耐力訓(xùn)練前后左心室結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)

有氧耐力訓(xùn)練前，CG基因型受試者在安靜狀態(tài)下的室間隔收縮末厚度(IVSS)、左室后壁收縮末厚度(PWS)均顯著性高于CC型或GG型(P＜0.05);其余指標(biāo)的初始值在不同基因型間均沒(méi)有顯著差異。

有氧耐力訓(xùn)練后，各指標(biāo)的變化率在不同基因型間均沒(méi)有顯著差異(表2)。

表2 FECH基因rs1787997多態(tài)性各基因型與左心室結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)

續(xù)表2

2.3 rs1787997多態(tài)性與有氧耐力訓(xùn)練前后左心室功能的關(guān)聯(lián)

有氧耐力訓(xùn)練前，CG基因型受試者在100W負(fù)荷下的心動(dòng)周期(100W/T)顯著性高于CC型(P＜0.05)。

有氧耐力訓(xùn)練后，CG基因型受試者在150W負(fù)荷、恢復(fù)期時(shí)心動(dòng)周期增加的幅度(△150W/T、△reT)均顯著性高于GG型(P＜0.05)(見表3)。

其余心功能指標(biāo)即每搏輸出量、每搏輸出量指數(shù)、心輸出量、心輸出量指數(shù)、射血分?jǐn)?shù)等在有氧耐力訓(xùn)練前后，其初始值及變化率在不同基因型間均沒(méi)有顯著差異，因該部分?jǐn)?shù)據(jù)龐大，本文只列舉有關(guān)心動(dòng)周期的數(shù)據(jù)。

表3 FECH基因rs1787997多態(tài)性與T(s)的關(guān)聯(lián)

3 討論

心臟泵血功能的強(qiáng)弱是影響人體體能和運(yùn)動(dòng)能力的重要基礎(chǔ)，也是人體健康水平的重要標(biāo)志，其在運(yùn)動(dòng)員的比賽和訓(xùn)練、大眾健身中起到關(guān)鍵作用。因此，改善心血管系統(tǒng)機(jī)能，增強(qiáng)機(jī)體各器官、組織的供血，對(duì)于保障運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果和比賽成績(jī)、提高國(guó)民體質(zhì)、防治心血管疾病等均具有重大意義。

長(zhǎng)期有氧運(yùn)動(dòng)可使心肌增厚、收縮力量增強(qiáng)，泵血功能提高，表現(xiàn)為安靜時(shí)每搏量增大、心率減慢，從而降低心肌耗氧量，改善心臟功能。研究發(fā)現(xiàn)心臟的解剖結(jié)構(gòu)、生理機(jī)能對(duì)耐力訓(xùn)練的效果存在很大的個(gè)體差異［7-8］，且這種差異與基因多態(tài)性有關(guān)［9］。因此，要想保證耐力訓(xùn)練效果，必須從個(gè)體遺傳特點(diǎn)出發(fā)，尋找與其身體機(jī)能水平相適應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方案，才能達(dá)到提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)、增強(qiáng)體質(zhì)或治療心血管疾病的目的，

本研究首次報(bào)道了FECH基因rs1787997多態(tài)與左心室結(jié)構(gòu)、功能等指標(biāo)的起始值和耐力訓(xùn)練敏感性的關(guān)聯(lián)，，并發(fā)現(xiàn)三種基因型與相關(guān)指標(biāo)的起始水平及訓(xùn)練敏感性方面均存在顯著性差異，具體表現(xiàn)為:有氧耐力訓(xùn)練前，CG型在安靜狀態(tài)下的室間隔收縮末厚度(IVSS)、左室后壁收縮末厚度(PWS)、在100W負(fù)荷下的心動(dòng)周期(100W/T)均顯著性高于CC型或GG型(P＜0.05)。經(jīng)過(guò)18周有氧耐力訓(xùn)練后，CG型在150W負(fù)荷、恢復(fù)期時(shí)心動(dòng)周期增加的幅度(△150W/T、△reT)均顯著性高于GG型(P＜0.05)。

心臟的形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是心臟泵血功能的基礎(chǔ)，更是對(duì)耐力訓(xùn)練能否產(chǎn)生良好適應(yīng)性應(yīng)答的先決條件。IVSS是指室間隔收縮末期的厚度，PWS是左心室后壁收縮末期的厚度，二者反映的都是心肌的收縮能力。由結(jié)果可知，在耐力訓(xùn)練前:CG型在安靜狀態(tài)下的IVSS和PWS均大于CC型或GG型，說(shuō)明CG型在安靜狀態(tài)下的心肌收縮能力、心臟泵血功能均強(qiáng)于其他基因型，具有先天遺傳優(yōu)勢(shì)。另外，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，CG型在100W負(fù)荷下的心動(dòng)周期(T)也顯著性大于其他型，T越長(zhǎng)則心率越慢，此結(jié)果說(shuō)明在完成同樣的定量負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，CG型以更低的心率即可滿足運(yùn)動(dòng)時(shí)的氧供需要，大大降低心臟的工作負(fù)擔(dān)，而這恰恰也是建立在CG型具有先天較好的心肌收縮力和泵血功能優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上。經(jīng)過(guò)18周的耐力訓(xùn)練后，CG基因型在心動(dòng)周期指標(biāo)的變化上又表現(xiàn)出明顯的訓(xùn)練敏感性。雖然經(jīng)過(guò)耐力訓(xùn)練后，三種基因型的心動(dòng)周期都有所增加，但不同基因型間的變化幅度存在明顯不同。尤以CG型在150W負(fù)荷下、恢復(fù)期時(shí)其心動(dòng)周期增加的幅度(△150W/T、△reT)顯著性高于GG型，說(shuō)明經(jīng)過(guò)耐力訓(xùn)練后，不管是在定量運(yùn)動(dòng)負(fù)荷下還是在運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期，CG型均能比訓(xùn)練前以更低的心率即可滿足機(jī)體對(duì)氧的需求和血液供應(yīng)，心臟出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)節(jié)省化現(xiàn)象，表現(xiàn)出較高的心功能改善效果。從整體上看，在三種基因型中，CG基因型不僅在左心室結(jié)構(gòu)與功能的初始水平上面不僅具有較高的遺傳優(yōu)勢(shì)，還具有較高的耐力訓(xùn)練敏感性。

目前，有關(guān)FECH基因多態(tài)性與心臟結(jié)構(gòu)與功能的研究未見報(bào)道。本研究結(jié)果中rs1787997多態(tài)性與左心室結(jié)構(gòu)與功能及與耐力訓(xùn)練效果存在關(guān)聯(lián)的可能機(jī)制是:(1)FECH是血紅素合成的最后一個(gè)酶，直接決定血紅素的質(zhì)量。而血紅素又是Hb、Mb、線粒體細(xì)胞色素、過(guò)氧化物酶等血紅素類蛋白質(zhì)的輔基，與氧氣的轉(zhuǎn)運(yùn)利用、線粒體能量產(chǎn)生及抗氧化損傷等功能直接關(guān)聯(lián)。眾所周知，心肌是體內(nèi)耗氧量最多的組織，心肌細(xì)胞中含有大量的毛細(xì)血管，Mb含量很高，線粒體數(shù)量很多且體積大、細(xì)胞色素等氧化酶活性高等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的有氧氧化能力。因此，F(xiàn)ECH酶的活性通過(guò)影響血紅素質(zhì)量與心臟功能產(chǎn)生直接關(guān)聯(lián)。(2)基因多態(tài)性可影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。rs1787997多態(tài)位于FECH基因第6內(nèi)含子中，內(nèi)含子中堿基的變化可能會(huì)影響到FECH mRNA的剪接，使其mRNA穩(wěn)定性改變，由此導(dǎo)致該酶的結(jié)構(gòu)或活性出現(xiàn)改變。由本研究結(jié)果推測(cè)，在rs1787997多態(tài)的三種基因型中，CG型編碼的FECH酶活性可能高于其他基因型，從而產(chǎn)生出更高質(zhì)量的血紅素，使相應(yīng)血紅素類蛋白諸如Hb、Mb、線粒體細(xì)胞色素、過(guò)氧化物酶等具有更優(yōu)的功能，從而使CG型的個(gè)體表現(xiàn)出更強(qiáng)的心臟結(jié)構(gòu)機(jī)能狀態(tài)和對(duì)耐力訓(xùn)練的敏感性。

4 結(jié)論

在FECH基因rs1787997多態(tài)性中，CG基因型在左心室結(jié)構(gòu)與功能的初始水平上面不僅具有較高的遺傳優(yōu)勢(shì)，還具有較高的耐力訓(xùn)練敏感性，可以作為預(yù)測(cè)有氧耐力訓(xùn)練后心臟機(jī)能適應(yīng)性改變的分子標(biāo)記。

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