人類表型組學“一因多效”和“多因一效”研究

沈勛章

(上海市體育科學學會,上海 200030)

人類表型組學是研究人體除基因組外的另一半生命密碼,其研究被Nature雜志評為新方向領域(圖1)。2000年“人類基因組計劃”宣告順利完成后,國際科學界發現需全面研究人類表型組,補充所需要的另一半信息,并對基因、環境、表型之間開展多層次跨尺度關聯性研究,為全面解讀人類生命健康密碼提供科技支撐[1]。2017年復旦大學金力院士發起“國際人類表型組學計劃”,上海體育科學研究所積極參與,在優先啟動項目“人類表型跨尺度關聯及其遺傳機制研究”結題時,中科院院士黃荷鳳教授為組長的驗收小組給予沈勛章研究團隊的“游泳運動員表型組學研究”項目成果高度評價。

圖1 國際人類表型組計劃

基因組學和表型組學研究現象使然,互為因果,“因”“效”論證火熱,完全基于基因組學和表型組學研究,基于科學研究和應用學研究等一系列科技重大專項立項[2]。一個人有數十萬個基因,數萬個表型,基因之間和表因之間關系錯綜復雜,存在“一因多效”“多因一效”、微效多基因、不完全表達、超表達等種種關聯,要厘清千頭萬緒的基因和性狀異常艱難。人類遺傳學解釋“一因多效(Pleiotropism)”是指由一個基因控制著多種不同的人體表型性狀,而“多因一效(Multigenic effect)”是指由多個基因控制一種人體表型性狀的不同現象[3-4]。無論“一因多效”還是“多因一效”均已被證實,一個基因可以影響多個遺傳性狀的表現,多個基因也可以影響同一單位性狀的表現[5]。在生物界,“一因多效”現象非常多見,典型案例如控制豌豆的花色基因,該基因控制著植株色素,形成了一系列相關的生長反應,該基因還控制著種皮的顏色:C為灰色種皮,c為淡色種皮;C的葉腋呈現黑斑,c的葉腋無黑斑。在體育領域,AEC基因不僅與人體長時間耐久性工作有關,還涉及人體心血管功能,同時還與骨骼肌持續耐久力、心肺有氧能力、線粒體氧化代謝等運動能力相關。在醫學界,“多因一效”現象亦非常普遍,典型案例如歐洲白種人眼鞏膜顏色受60多種基因控制。在體育領域,決定人類身高的基因是含有DdFf的2對同位基因,而其他相關的等位基因還有數十對之多,近180個位點,有維生素D受體基因、雌激素受體基因、多巴胺D2受體基因、芳香化酶P450相關基因、高遷移率蛋白A2基因、IGF1 gene、GH gene、Golia1 gene、PTH/PTH1 gene、PPARD等基因[6],如此眾多基因共同作用于身高的遺傳性狀表達,顯示出“多因一效”多態性現象。

科學家已發現200多種與運動能力有關的基因,人類基因組學的“一因多效”或“多因一效”與人類表型組學存在密切不可分的關聯性,開展了大量的跨尺度關聯性研究[7]。研究[8-9]表明,人類運動能力和基因多態性的關聯性研究將進一步深化生命奧秘,有些基因與肌肉快慢肌纖維比例有關,有些基因與骨密度和握力發展相關,有些基因與控制肌肉的供氧能力相關,有些基因與神經系統發育和功能相關,有些基因與運動代謝和營養補充有關,等等。“一因多效”或“多效一因”或“一因一效”及微效多基因研究勢必大大提升運動員科學選材的成功率。

“一因多效”或“多因一效”甚至“一因一效”是生物在進化過程中自然形成的,在遺傳和環境的共同作用下人體表型性狀的表現過程[10]。基因的多態性(Gene polymorphism)表現為同一群體的某一基因存在著數種適合度相同的等位基因,譬如身高基因,其等位基因是同一對同源染色體相同位置上控制統一性狀的基因,基因的存在往往成對又分顯性和隱性。絕大部分運動相關的基因往往呈現多態性基因座,使得研究和應用工作更趨復雜。基因多效性(Pleiotropy)表現為一個基因可以決定或影響生物多種性狀的形狀,基因往往呈現“一因多效”或“多效一因”現象[11]。在生物體發育過程中,基因主效性的成因在于眾多生理生化和酶化代謝過程相互依賴、相互制約,在于生物體的各種性狀和各種生理生化過程相互依賴、相互制約,基因的作用也必然是相互關聯、互為因果的。一種基因可以作用或影響某種性狀,也會直接或間接地影響其他性狀[12]。主效基因與功能基因的研究是關鍵。基因多效性表明單個基因可以使個體表現出多種生物學性狀。同樣,一個基因的異常所造成的基因產物的缺失,常常會在不同的組織內及個體的不同發育階段引發一系列生理生化代謝不穩定或組織結構功能異常,使得個體表現出多種異化性狀。白化病就是體內酪氨酸酶基因缺陷所致,患者除表現出皮膚白化、視力障礙癥狀外,還伴有各種免疫缺陷的表型[13]。基因的效能體現在生物體內多數性狀是眾多酶鏈共同作用的結果,在多基因控制下,通過控制體內細胞新陳代謝一系列酶鏈的生理生化反應影響整體的性狀,從而決定性狀的漸變。這些生理生化反應均按照特定的步驟進行,每一個基因控制一個或多個生理生化反應,呈現出基因多效性相互作用。因此,一個基因的變異有可能直接影響其他生理生化過程的正常進行,從而引起其他性狀的相應改變。

以生物學研究方法為例,水稻分子育種采用比較基因組學研究,采用基因與QTL定位研究方法,建立育種性狀GP模型(Genotype to phenotype)描述不同基因和基因型,以及基因和環境如何作用以產生不同性狀的表型,從而可以鑒定出符合不同育種目標和生態條件需求的目標基因型,因此,GP 模型是分子設計育種的關鍵組成部分[11]。以運動訓練學方法為例:以發掘人體運動天賦能力為突破口,采取全基因組關聯分析(GWAS)或候選基因方法(Candidate gene),前者開展全基因組測序或掃描,操作平臺復雜且科研費用高;后者通常所稱的后選基因策略,在體育科學研究中較多采用。候選基因法原為一種多基因病研究方法,其分析原理是對疾病病理發生的各環節進行詳細調查,確定或挑選一個或幾個最有可能與疾病表現相關的功能蛋白,先對其基因和鄰近的遺傳標記做相關分析,進而找出與發病一致的突變,或將控制某些同類或相似性狀的基因作為運動性狀的候選基因。候選基因關聯分析技術分型準確,通量較高,檢測速度快,不受樣本個數限制。采用無創性唾液基因技術方法在體育界大受歡迎,具有功能篩查、位點測序、成本較低、檢測迅速等特點,與運動訓練和選材育才的表型匹配度高,非常適合運動相關基因的因效關聯性解析。

1 “一因多效”研究成果解析

“一因多效”可以簡單地解讀為人體單一基因參與多個生命活動過程。一個基因控制或影響眾多性狀發育,故稱為“一因多效”。以卷毛雞種為例,該雞種含有一個卷羽基因,屬于不完全顯性基因:當性狀為雜合(Ff)時,雞身上的羽毛會向上翻卷,羽毛容易脫落;當性狀為純合(FF)時,雞身上的羽毛外形翻卷更趨嚴重,全身幾乎無毛,好似赤膊雞。由于雞身上的羽毛上卷并易脫落,就容易散熱散溫,因此,卷毛雞的體溫比一般雞明顯偏低,體溫散失快,這促進了卷毛雞種的新陳代謝,加快了心跳頻率,增強了心臟功能,加大了血液流量,使得與血液循環關聯的脾臟增大,卷毛雞種的各種生理代償功能顯著增強,日食量大增,促進了消化器官、消化腺和排泄器官發生相應變化,能量代謝的變化影響到內分泌腺體分泌的腎上腺、甲狀腺等激素,使得卷毛雞種的生殖能力大為降低[14]。卷毛雞種的基因變化引發的一系列的生理生化連鎖反應,典型解析了“一因”引發一系列生理生化過程的“多效”性狀現象。

在體育研究領域,由澳大利亞科學家首次發現的a-輔肌動蛋白基因(ACTN3,a-Actinin-3),是與運動能力相關的最熱門基因,有“金牌基因”之美譽。ACTN3基因位點rs1815739,主要功能是輔助肌動蛋白收縮,使得骨骼肌更有質量地完成收縮,產生爆發力。ACTN3肌動蛋白結構僅存在于快肌纖維內,該基因有2個等位基因,分別為R與X,其R型變異可促進肌肉生成。按照蛋白結構編碼,正常型為TT基因型,未接受來自父母的R型遺傳,表現為肌肉纖維中不擁有ACTN3等位基因,肌肉中快肌纖維所占比例較低,肌肉快速收縮能力一般,相關速度力量的運動能力一般,在爆發力素質方面無遺傳優勢。CT基因型來自父或母的R型遺傳,表現為肌肉纖維中含有一個ACTN3等位基因,肌肉中快肌纖維所占比例較高,肌肉快速收縮能力較強,相關速度力量的運動能力很強,在爆發力素質方面存在遺傳優勢。CC基因型分別來自父母雙份R型的遺傳,表現為肌肉纖維中擁有2個ACTN3等位基因,肌肉中快肌纖維所占比例很高,肌肉快速收縮能力非常強,相關速度力量的運動能力格外強大,在爆發力素質方面有遺傳優勢。ACTN3基因與徑賽短跑、跨欄等項目所需的下肢肌群爆發力做功功率相關,與田賽鐵餅、標槍等項目所需的上肢肌群爆發力做功功率相關,與舉重、短距離游泳等項目所需的軀干肌肉群爆發力做功功率相關,也與排球、擊劍等項目所需的全身肌肉爆發力做功功率相關,正因為“一因多效”與眾多運動項目相關,該基因芯片盒的研發被教練員看好[15]。ACTN3基因CC基因型與人類肌肉爆發力高度關聯,文獻證實,參加奧運會并取得頂級運動成績的短跑、舉重選手ACTN3 CC基因型高達95%,女運動員中,CC基因型攜帶比例高達100%。統計資料表明,世界人口有1/6屬于XX基因型,XX基因型不會得病,不會影響生活起居和工作勞動,只是身體運動時肌肉爆發力量稍差。

2 “多因一效”研究成果解析

遺傳學把一個性狀的發育受到眾多基因控制或影響的現象稱為“多因一效”。如果有2對或以上獨立的遺傳基因對人體表型產生相同的影響,只要有顯性基因存在該性狀就可表現。以豌豆為例,豌豆品種有C、R 2 個顯性基因,正常態開放紅色花瓣。將一株開紅色花瓣的豌豆與基因型CcRr植株雜交后,子代約有3/8的個體開紅花,若將此植株自花授粉,則后代開非紅色植株約有7/16的比例。遺傳學家把這類“多因一效”現象解讀為眾多基因影響或控制同一單位性狀,一個性狀的發育是由眾多基因調控產生生理生化連續作用的結果[11]。需要指出的是,在眾多基因中,主基因在多對基因中對某一性狀發育起決定性作用。

以ADRB2基因和EPO基因研究為例,運動耐力在一定程度上受遺傳因素影響,ADRB2基因A46G多態性與運動耐力相關,此外,運動耐力與ACE基因、mtDNA基因 E2a、ADRA2AE、ADRB215等耐力素質相關。G2腎上腺素受體亞型主要分布在人體肌肉組織、脂肪組織、心血管、支氣管平滑肌等部位,ADRB2基因由于參加脂肪動員在能量代謝中起重要的調節作用,故可列為耐力項目運動員選材的候選基因之一[16]。此外。EPO基因位于7號染色體的長臂(7q11-22)上,由5個外顯子和4個內含子組成,EPO基因編碼193個氨基酸分子。EPO是促紅細胞生成素(Erythropoietin),屬于一種激素樣物質,可促進體內新紅細胞生成,目前已可以人工合成EPO基因。身體缺氧時,體內EPO被刺激分泌,導致血液RBC增生,攜帶氧氣能力增加。EPO基因和EPO就扮演這種“氧氣瓶”角色,從而有效地促進肌肉中氧氣的持續供給,使得肌肉酸化過程延長,工作持續性長久。

3 “一因多效”或“多因一效”在選材育才中的應用

從人類遺傳和科學進化來講,“多因一效”促成了生物多樣性,不同的生物多基因過程參與到同一種表型性狀上,就出現了多態性,從而降低了單因素所帶來的局限性。迄今為止,研究[16]發現有超過200多個基因與人類運動能力與體適能及健康狀況有關,絕大多數基因呈多態性。運動實踐證明,人類的基本身體素質和運動能力包括力量、速度、耐久力、靈敏性、柔韌性和平衡性等表型,力量素質居首。身體素質表型在很大程度上取決于遺傳,CKMM 基因、GDF-8基因(Growth and differentiation factor-8)、CNTF基因(Ciliary neurotrophic factor,CNTF)、MSTN基因(肌肉生長抑制素)、IL-6基因(白介素6基因)、ACTN3基因(ACTN3,a-Actinin-3)、ACE基因(Angiotensin converting enzyme,ACE)等與人體肌肉力量相關,它們之間的因效和因果關聯性非常強[17]。CKMM基因又稱為肌肉組織特異性磷酸肌酸激酶基因,引起體育界的廣泛注意,該基因表達蛋白為一種胞質酶,能維持能量代謝的動態平衡,肌肉中特異性磷酸肌酸激酶在肌球蛋白頭部生成的三磷酸腺苷濃度非常高,顯示出肌肉群持久工作能力。研究發現,Ⅰ型肌纖維和Ⅱ型纖維類型中的CKMM活性大有差異,Ⅱ型肌纖維中CKMM活性較Ⅰ型纖維至少高2倍,呈現出耐力項目運動員的CKMM 活性低的肌性特征。CKMM基因編碼區域的突變而形成的變異基因型與耐力水平有一定關聯,因此,對耐力訓練來說,變異基因型比未變異基因型更趨敏感性。CKMM基因不僅可以解決優秀運動員早期的選材問題,還能從分子水平揭示人類運動能力的遺傳生物學機制。GDF-8基因與TGF-β同屬于超級家族成員,在胚胎期和骨骼肌增殖分化期的發育過程中起著至關重要的作用,其表達產物myostatin為肌肉生長抑制因子。比利時藍牛和Piedmontese牛的超重肌肉(Double muscle)表型就是GDF-8基因序列發生種系突變的結果。CNTF基因又稱纖毛神經營養因子,該基因與肌肉力量關聯。研究發現,青春時期積極的體育鍛煉和營養補充可降低肌肉發育產生純合變異的概率促進肌肉系統的良性發育發展。IL-6基因研究表明,老年人骨骼肌量較大幅度減少的機制可能與年齡增加引起的IL-6水平異常有關[18-19]。IL-6基因與肌少癥的關聯主要表現在2個方面:一是參與骨骼肌分解,造成骨骼肌量流失;二是與低肌力有關。研究顯示,IL-6可以破壞骨骼肌蛋白質的合成,直接參與骨骼肌蛋白質分解而導致骨骼肌量的減少,同時IL-6還可以抑制類胰島素生長因子-I(IGF-I)對肌肉組織的促進作用[20]。ACTN3基因與肌纖維中快速收縮蛋白有關,天賦的特殊肌肉類型收縮可以產生巨大的爆發力量,ACE基因還具有影響肌肉氧氣利用率和肌肉生長速度及肌肉在運動過程中合成吸收營養成分的能力。上述諸多基因表述都與人體骨骼肌力量的發生、發展相關。在青少年科學訓練中開展“一因多效”或“多因一效”相關研究,促進人體運動訓練學科的良性發展。

此外,兒童青少年生長發育過程中新陳代謝不僅與蛋白質代謝相關,與糖和脂肪代謝也關系密切,與脂質和類脂物質代謝相關的基因有NHF-1β基因、LEPR基因(Leptin receptor,LEPR)、瘦素基因、AK-4基因(AK4,Adenylate kinase)、LPL基因等,它們與有氧氧化過程和有氧訓練能力相關,研究[21]發現,它們之間的因效和因果關聯性非常強。肝細胞核因子1β基因(NHF-1β)多態性顯示出與人體胰島素分泌、作用及糖脂代謝的關系。瘦素受體基因(Leptin receptor,LEPR)研究體脂代謝水平和控制肥胖的基因,該基因編碼的蛋白可以識別和轉運瘦素。瘦素作為一種與肥胖密切相關的蛋白,能夠調節人體體重、能量代謝和免疫應答等通路。瘦素基因(Leptin,LEP)是由白色脂肪分泌的一種蛋白質激素,作為一種肽類激素,在神經內分泌和外周調節中對身體能量平衡發揮著重要作用,反映出體重調節、體脂含量、攝食需求等重要信號因子[21]。AK4基因(AK4,Adenylate kinase)與腺苷酸激酶代謝有關,肌肉細胞中的腺苷酸激酶(Adenylate kinase)催化腺苷三磷酸(ATP)使腺苷酸(AMP)磷酸化而生成腺苷二磷酸(ADP)反應的酶,逆反應由2個分子ADP生成ATP和AMP。還有GSTP1基因(Glutathione S-transferase pi-1)、脂蛋白酯酶基因(LPL)等[22]。上述諸多基因都與人體新陳代謝和脂肪代謝相關,少年兒童開展有氧訓練、監控體重、有效運動負荷等研究,可在“一因多效”或“多因一效”方面加大力度,破解運動員選材育才遺傳學技術發展的瓶頸。

眾所周知,β-catenin參與調控多個基因的表達,并將多種反應過程聯系起來,從而形成生物反饋軸。任何生物活動均非單一過程支配,如激素分泌和表型性狀就存在一些共同參與的基因表達過程,致力于形成技術動作的統一性,也有利于調節正負反饋以避免生理生化過程出現失穩,使人體的技術動作精準。多基因的作用方式并不存在沖突關系,而是從不同角度共同促進生命活動。總之,推行因效與因果效關系的研究為表型組學跨尺度關聯性深化研究拓展了方法,開創了運動員科學選材的新路徑。

4 小 結

“一因多效”“多因一效”“一因一效”,甚至是微效多基因等復雜性狀是生物在進化過程中自然形成的。“一因多效”描述為一個基因可以影響許多性狀的現象,“多因一效”描述為2對或多對等位基因控制或影響同一性狀的現象。當今科學技術日新月異,在人類表型組學研究和運動員選材育才實踐中,各種表型和基因型對運動相關性狀的影響與表現呈現多態復雜性,研究方法和理論探索各有所長。無論是針對肌肉力量、肌肉爆發力或肌肉耐力基因的“一因多效”,還是與發展機體有氧能力對提升競技運動水平基因的“多效一因”,無論是針對運動訓練和體能恢復及超量恢復相關基因的“多效一因”,還是與體內新陳代謝、細胞內外代謝相關基因的“一因多效”,都需要大量文獻資料論證和實驗數據檢驗,更需要運動實踐佐證。“一因多效”“多因一效”突破了天賦運動能力選拔和科學訓練監控研究的傳統思路,其成果初露端倪,須深入討論。本文介紹人類表型組學跨尺度關聯性的一些研究成果及“一因多效”“多因一效”概念,拋磚引玉,希望能拓展我國運動員科學選材研究內容。