ACTN3 R577X基因多態(tài)性與北方大學(xué)生運(yùn)動(dòng)能力的關(guān)聯(lián)研究

孫廣豐 劉洪富 王楊 李思瑤

Study on Association Between ACTN3 R577X Gene Polymorphism and Exercise Capacity

SUN Guang-feng 1，LIU Hong-fu 2，WANG Yang 1，LI Si-yao 3

摘 要： 目的： R577X錯(cuò)義基因多態(tài)性可引起ACTN3基因中577位的精氨酸（R）轉(zhuǎn)化為終止密碼子（X）。結(jié)合ACTN3的生物學(xué)研究，我們推測(cè)ACTN3的R577X基因多態(tài)會(huì)影響人群的運(yùn)動(dòng)能力。方法：采用PCR產(chǎn)物限制性?xún)?nèi)切酶的方法，我們對(duì)384名中國(guó)北方漢族大學(xué)生的ACTN3的R577X基因多態(tài)進(jìn)行分型研究。同時(shí)，結(jié)合研究對(duì)象的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)能力評(píng)分，分析R577X基因多態(tài)對(duì)人群運(yùn)動(dòng)能力的影響。結(jié)果：研究對(duì)象的ACTN3的R577X基因型分布均符合Hardy-Weinberg平衡定律，不存在選擇偏倚。受試者基因型分布結(jié)果（RR-22.04%;RX-53.17%;XX-24.79%）。在運(yùn)動(dòng)能力關(guān)聯(lián)分析中，我們發(fā)現(xiàn)只有50m短跑運(yùn)動(dòng)能力在A(yíng)CTN3 R577X各組基因型中分布存在顯著差異（P=0.004），其他各組運(yùn)動(dòng)能力與ACTN3 R577X基因型分布不存在相關(guān)性。結(jié)論：ACTN3 R577X基因可影響人群的短跑運(yùn)動(dòng)能力，攜帶RR和RX基因型人群具有更好的短跑速度。

關(guān)鍵詞： α-肌動(dòng)蛋白3;R577X單核苷酸多態(tài)性;基因分型

中圖分類(lèi)號(hào)：G804

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-2808（2020）06-0086-05

Abstract：

Purpose： R577X missense polymorphism can cause the conversion of 577 site arginine （R） in the ACTN3 gene to the stop codon （X）. In combination with the biological studies of ACTN3， we hypothesized that the polymorphism of ACTN3 gene in R577X may affect the exercise ability of the population. Methods： The R577X polymorphism of ACTN3 gene in 384 Han Chinese university students in northern China was detected by PCR restriction enzyme assay. At the same time， the effects of R577X gene polymorphism on the exercise ability of the subjects were analyzed with various motor ability score of the subjects. Results：The distribution of R577X genotype of ACTN3 in the study was consistent with the Hardy-Weinberg equilibrium law， there was no selection bias.Results of genotype distribution of subjects showed that RR-22.04%， RX-53.17% and XX-24.79%.In the correlation analysis of exercise ability， we found only 50 meters sprint ability there were significant differences in the distribution of ACTN3 genotypes in R577X group （P=0.004）， and which was no significant difference in other exercise ability items.Conclusion：The ACTN3 R577X gene can affect the populations ability of sprint exercise， and the RR and RX genotypes have better sprint speed.

Key words：

ACTN3;R577X Gene Polymorphism;Genotype

已有研究表明肌肉功能表型具有高度遺傳性? [1-3] ，并且在對(duì)多個(gè)候選基因的研究中，也觀(guān)察到在這些表型中個(gè)體之間具有較高的變異性，例如肌肉生長(zhǎng)抑制素基因（MSTN）、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶基因（ACE）、過(guò)氧化物酶增殖物激活受體-γ激活因子1α（PGC-1α）和缺氧誘導(dǎo)因子-1（HIF-1）等? [4] 。然而在上述基因中，只有少數(shù)基因的單核苷酸多態(tài)性（SNPs）被鑒定可用于解釋這種遺傳變異性? [5] ，其中α-肌動(dòng)蛋白-3基因（ACTN3）已受到人們的廣泛關(guān)注。

α-肌動(dòng)蛋白是一種的肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白家族? [6-7] ，在細(xì)胞骨架組織中起著結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)作用。在骨骼肌中有兩種α-輔肌動(dòng)蛋白（α-輔肌動(dòng)蛋白-2和α-輔肌動(dòng)蛋白-3），它們可錨定肌動(dòng)蛋白細(xì)肌絲，有助于維持肌原纖維的排列? [8-9] 。除了它們的機(jī)械作用，肌節(jié)α-肌動(dòng)蛋白還參與了許多細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)，同時(shí)還可以與多種蛋白質(zhì)相互作用參與細(xì)胞代謝途徑? [10-11] 。α-輔肌動(dòng)蛋白-2在所有類(lèi)型的肌纖維中均有表達(dá)，而α-輔肌動(dòng)蛋白-3的表達(dá)只局限于快速及糖酵解II型肌纖維? [12] 。早在1999年，有研究者發(fā)現(xiàn)ACTN3基因中一個(gè)常見(jiàn)的多態(tài)性位點(diǎn)（dbSNP rs1815739），其多態(tài)性變異導(dǎo)致全球超過(guò)10億人缺乏α-輔肌動(dòng)蛋白-3的表達(dá)。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)ACTN3基因在人類(lèi)進(jìn)化過(guò)程中高度保守，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種遺傳變異與任何已知的疾病表型之間存在顯著關(guān)聯(lián)，但α-輔肌動(dòng)蛋白-3的缺失可導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)力量和短跑速度的不足。α-輔肌動(dòng)蛋白-3缺失人群被認(rèn)為不具備競(jìng)技級(jí)運(yùn)動(dòng)的能力。Yang等? [13] 人指出ACTN3基因的R577X 多態(tài)性和人群動(dòng)力能力顯著相關(guān)。國(guó)內(nèi)研究中，雖然魯政等人? [14] 研究分析了431名中國(guó)北方漢族人的ACTN3基因的多態(tài)性與運(yùn)動(dòng)能力間的關(guān)系。ACTN3基因的R577X三種基因型的比例在對(duì)照組 （普通人群） 、優(yōu)秀長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員組和健將組之間差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)意義，但不能排除其他混雜因素尤其是人群隨機(jī)性對(duì)結(jié)果的影響。

ACTN3編碼序列核苷酸1747位的變異R577X（C>T，rs1815739）將殘基577處的精氨酸（R）轉(zhuǎn)化為終止密碼子（X）? [6] 。這種變異產(chǎn)生了兩種不同的α-輔肌動(dòng)蛋3編碼蛋白，其中577R

等位基因是常見(jiàn)的，編碼產(chǎn)生功能性α-輔肌動(dòng)蛋白-3蛋白;而577X等位基因含有阻止編碼產(chǎn)生功能性α-輔肌動(dòng)蛋白-3蛋白的序列變化? [15] 。到目前為止，許多報(bào)道表明ACTN3的存在可能對(duì)骨骼肌功能產(chǎn)生有益的影響，特別是在高速產(chǎn)生強(qiáng)大的收縮的情況下? [16] 。如上所述，α-輔肌動(dòng)蛋白-3是肌細(xì)胞α-肌動(dòng)蛋白的一部分、Z線(xiàn)的主要成分，其功能具有雙重性：與肌動(dòng)蛋白絲連接、維持肌絲的順序和協(xié)調(diào)肌絲的收縮? [13] 。Z線(xiàn)是肌節(jié)內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)，功能表現(xiàn)為肌纖維激活時(shí)為力量傳遞提供結(jié)構(gòu)支撐? [17] 。有研究者提出α-肌動(dòng)蛋白-3可以被進(jìn)一步優(yōu)化，以減少由偏心肌肉收縮引起的運(yùn)動(dòng)損傷? [12] 。此外，還有研究指出577R等位基因與高功率肌肉收縮能力存在正相關(guān)。Vincent等? [18] 認(rèn)為年輕健康男性的577R純合組中高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)能力，如100m沖刺等的表面百分?jǐn)?shù)和數(shù)量顯著高于577X純合組。基于A(yíng)CTN3 R557X多態(tài)性在骨骼肌功能中的作用，我們假設(shè)ACTN3的遺傳多態(tài)性也可以影響中國(guó)人群個(gè)人運(yùn)動(dòng)能力，分析ACTN3 R577X基因型與各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)能力的相關(guān)性。

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象共包含363例吉林警察學(xué)院公安專(zhuān)業(yè)學(xué)員，全部來(lái)自吉林省各地，均為中國(guó)漢族，且無(wú)血緣關(guān)系，以確保不存在種族偏倚以及各種潛在的人群分層問(wèn)題。體能檢測(cè)依據(jù)國(guó)家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分，其中包括女性106名，男性257名，平均年齡21歲。

2 材料與方法

2.1 DNA提取和基因分型

經(jīng)研究對(duì)象知情同意后，拭子刮取口腔粘膜后，放置在含有DEPC水的采集管中，在管壁外側(cè)標(biāo)明研究對(duì)象的姓名及信息。采用納川科技發(fā)展有限公司的血液基因組提取試劑盒（離心柱型）來(lái)提取全部研究對(duì)象的基因組DNA。通過(guò)PCR擴(kuò)增ACTN3基因的外顯子15的290bp片段：上游引物：5-CTGTTGCCTGTGGTAAGTGGG-3;下游引物：5-TGGTCACAGTATGCAGGAGGG-3。PCR反應(yīng)MIX（共10ul）含有1.5 mM MgCl2，0.75mM 脫氧核苷三磷酸，各種引物各4pM，0.5U

Taq DNA聚合酶和1μl（30-50ng）的DNA。PCR反應(yīng)條件：95℃預(yù)變性5min，95℃變性30s，60℃退火30s，72℃延長(zhǎng)進(jìn)行35個(gè)循環(huán)的擴(kuò)增30s，最后一個(gè)循環(huán)72℃ 10min。隨后用DdeI內(nèi)切核酸酶消化擴(kuò)增的PCR產(chǎn)物。等位基因577R和577X由Dde I限制位點(diǎn)的存在（577X）或不存在（577R）來(lái)區(qū)分。消化577X等位基因的PCR產(chǎn)物產(chǎn)生108，97和86bp的條帶，而消化577R等位基因的PCR產(chǎn)物產(chǎn)生205和86bp的條帶。消化產(chǎn)物用3%瓊脂糖凝膠電泳分離，用溴化乙錠染色，并在紫外光下觀(guān)察。

2.2 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

本研究采用Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入與整理，采用SPSS 17.0軟件和SNPStats在線(xiàn)數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)R557X在受試人群中進(jìn)行哈迪溫伯格檢驗(yàn);使用單因素方差分析或非參數(shù)檢驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)SNP與各運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，P值小于0.05的被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 研究結(jié)果

受試者的ACTN3基因型分布均符合Hardy-Weinberg平衡定律，不存在選擇偏倚。受試者基因型分布結(jié)果（RR-22.04%;RX-53.17%;XX-24.79%）與以前期中國(guó)漢族人群的研究報(bào)道相似（見(jiàn)表1）。

對(duì)所有受試者進(jìn)行了體重評(píng)分（BMI）、肺活量、50m短跑、立定跳遠(yuǎn)、坐位體前屈和 1 000m、 800m長(zhǎng)跑測(cè)定。根據(jù)國(guó)家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分匯總（見(jiàn)表2）。

在受試者運(yùn)動(dòng)能力與ACTN3的 R577X基因多態(tài)關(guān)聯(lián)研究中，我們發(fā)現(xiàn)只有50m短跑運(yùn)動(dòng)能力評(píng)分在A(yíng)CTN3的 R577X三組基因型中存在顯著差異（P=0.004），其他各組運(yùn)動(dòng)能力與ACTN3 R577X基因型分布不存在相關(guān)性（見(jiàn)表3）。

如圖1所示，50m短跑運(yùn)動(dòng)評(píng)分在基因型R577R組中最高，X577X組中最低。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)坐位體前屈評(píng)分與50m短跑運(yùn)動(dòng)評(píng)分具有相同的趨勢(shì)，而立定跳遠(yuǎn)評(píng)分與上述趨勢(shì)相反，在基因型R577R組中立定跳遠(yuǎn)評(píng)分最低。雖然坐位體前屈評(píng)分和立定跳遠(yuǎn)評(píng)分沒(méi)有出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，我們推測(cè)是較大的個(gè)體差異造成了這種結(jié)果，但亦顯示了R577X基因多態(tài)對(duì)運(yùn)動(dòng)能力影響。

4 討 論

黃呂林等人? [19] 在113名西北地區(qū)中國(guó)漢族軍人中研究了的ACTN3基因R577X的分布情況，發(fā)現(xiàn)RR、RX、XX三種基因型的比例分別為40%、43%、17%。經(jīng)過(guò)18周訓(xùn)練后在對(duì)他們的速度素質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，XX型的軍人速度素質(zhì)好于其他兩型的軍人，與國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道的不一致;Yang等? [13] 研究結(jié)果顯示澳大利亞優(yōu)秀的短跑運(yùn)動(dòng)員中只有6%的577X基因型是純合的。這個(gè)結(jié)論得到了Druzhevskaya等? [8] 人的支持，Druzhevskaya等對(duì)俄羅斯486名精英體育運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明ACTN3基因的變異與俄羅斯精英運(yùn)動(dòng)員的狀態(tài)密切相關(guān)。同時(shí)，Eynon? [20] 等人發(fā)現(xiàn)與耐力運(yùn)動(dòng)員（19%）和對(duì)照組（20%）相比，短跑運(yùn)動(dòng)員的557R等位基因純合子的比例顯著增高（50%）。除此之外，在以色列運(yùn)動(dòng)員中進(jìn)行的研究也證實(shí)這一觀(guān)點(diǎn)。表明該等位基因在發(fā)展沖刺能力中的關(guān)鍵作用。在芬蘭短跑運(yùn)動(dòng)員中也體現(xiàn)了ACTN3的RR基因型與精英運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)之間的聯(lián)系。耐力和短跑運(yùn)動(dòng)員的比較結(jié)果顯示ACTN3的XX基因型頻率較低，短跑運(yùn)動(dòng)員的RR頻率高于耐力跑步者（P = 0.03）? [21] 。另一項(xiàng)研究表明，α-輔肌動(dòng)蛋白-3蛋白的存在對(duì)力量性能有積極的影響。Papadimitriou等? [22] 研究顯示精英力量型運(yùn)動(dòng)員與對(duì)照組之間的等位基因頻率（P=0.017）和基因型（P=0.016）存在顯著性的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。值得一提的是，所有被調(diào)查的奧運(yùn)/歐洲級(jí)短跑運(yùn)動(dòng)員有至少存在一個(gè)ACTN3的577R等位基因。

然而，ACTN3 R577X多態(tài)性在運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)中的作用尚未得到充分的闡明。Norman等? [23] 人指出，ACTN3中的R577X多態(tài)性與個(gè)體的功率輸出或疲勞或力-速度特征的差異無(wú)關(guān)。此外，Norman等人還提出α-肌動(dòng)蛋白在確定肌纖維類(lèi)型組成中沒(méi)有起到重要作用。此外，McCauley? [10] 等人指出，ACTN3 R577X多態(tài)性不影響高速度下的絕對(duì)或相對(duì)扭矩或抽搐反應(yīng)。Delmonico等? [4] 人在老年女性（64歲）中發(fā)現(xiàn)，與攜帶RR基因型個(gè)體相比，攜帶577X等位基因純合子的膝關(guān)節(jié)伸肌功率更高。Clarkson等? [12] 對(duì)等長(zhǎng)肘屈肌力進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)男性ACTN3 R577X基因型與肌肉表型之間無(wú)相關(guān)性。最后，Lucia等? [24] 對(duì)一名西班牙精英跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員（參加過(guò)兩次奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)）進(jìn)行檢測(cè)與研究發(fā)現(xiàn)，其ACTN3基因的基因型為XX。Druzhevskaya等人也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象，他們觀(guān)察到俄羅斯一名高素質(zhì)拳擊運(yùn)動(dòng)員（世界紀(jì)錄保持者）具有XX基因型的。

5 結(jié) 論

本次研究結(jié)果具有一定的限制性，研究對(duì)象主要由公安院校的學(xué)員組成。研究結(jié)果證明了ACTN3 R577X等位基因可能是影響人群運(yùn)動(dòng)能力的因素之一。同時(shí)，研究結(jié)果支持α-肌動(dòng)蛋白-3的存在對(duì)骨骼肌在高速產(chǎn)生強(qiáng)力收縮功能存在增益作用的假設(shè)。

值得注意的是，在所有的亞組中（各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)能力評(píng)分），僅在50m短跑運(yùn)動(dòng)員中發(fā)現(xiàn)了基因型分布具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。這就是為什么在短跑訓(xùn)練中至少有一個(gè)ACTN3 R577等位基因作為關(guān)鍵因素的原因。

而另一方面，在其他運(yùn)動(dòng)能力評(píng)分亞組之間的基因型分布沒(méi)有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。但是本次研究研究對(duì)象數(shù)量相對(duì)較少，可能結(jié)果具有一定的局限性。因此，應(yīng)該在更多的運(yùn)動(dòng)員中對(duì)于A(yíng)CTN3多態(tài)性進(jìn)行進(jìn)一步的研究與補(bǔ)充。

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