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的生物學研究，我們推測ACTN3的R577X基因多態(tài)會影響人群的運動能力。方法：采用PCR產(chǎn)物限制性內(nèi)切酶的方法，我們對384名中國北方漢族大學生的ACTN3的R577X基因多態(tài)進行分型研究。同時，結(jié)合研究對象的各項運動能力評分，分析R577X基因多態(tài)對人群運動能力的影響。結(jié)果：研究對象的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%）。在運動能力關聯(lián)分析中，我們發(fā)現(xiàn)只有50m短跑運動能力在ACTN3 R577X各組基因型中分布存在顯著差異（P=0.004），其他各組運動能力與ACTN3 R577X基因型分布不存在相關性。結(jié)論：ACTN3 R577X基因可影響人群的短跑運動能力，攜帶RR和RX基因型人群具有更好的短跑速度。

關鍵詞： α-肌動蛋白3;R577X單核苷酸多態(tài)性;基因分型

中圖分類號：G804

文獻標識碼：A

文章編號：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] ，并且在對多個候選基因的研究中，也觀察到在這些表型中個體之間具有較高的變異性，例如肌肉生長抑制素基因（MSTN）、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶基因（ACE）、過氧化物酶增殖物激活受體-γ激活因子1α（PGC-1α）和缺氧誘導因子-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-肌動蛋白-3基因（ACTN3）已受到人們的廣泛關注。

α-肌動蛋白是一種的肌動蛋白結(jié)合蛋白家族? [6-7] ，在細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-輔肌動蛋白（α-輔肌動蛋白-2和α-輔肌動蛋白-3），它們可錨定肌動蛋白細肌絲，有助于維持肌原纖維的排列? [8-9] 。除了它們的機械作用，肌節(jié)α-肌動蛋白還參與了許多細胞信號傳導，同時還可以與多種蛋白質(zhì)相互作用參與細胞代謝途徑? [10-11] 。α-輔肌動蛋白-2在所有類型的肌纖維中均有表達，而α-輔肌動蛋白-3的表達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基因中一個常見的多態(tài)性位點（dbSNP rs1815739），其多態(tài)性變異導致全球超過10億人缺乏α-輔肌動蛋白-3的表達。對比研究發(fā)現(xiàn)ACTN3基因在人類進化過程中高度保守，沒有發(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聯(lián)，但α-輔肌動蛋白-3的缺失可導致運動力量和短跑速度的不足。α-輔肌動蛋白-3缺失人群被認為不具備競技級運動的能力。Yang等? [13] 人指出ACTN3基因的R577X 多態(tài)性和人群動力能力顯著相關。國內(nèi)研究中，雖然魯政等人? [14] 研究分析了431名中國北方漢族人的ACTN3基因的多態(tài)性與運動能力間的關系。ACTN3基因的R577X三種基因型的比例在對照組 （普通人群） 、優(yōu)秀長跑運動員組和健將組之間差異沒有統(tǒng)計意義，但不能排除其他混雜因素尤其是人群隨機性對結(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-輔肌動蛋3編碼蛋白，其中577R

等位基因是常見的，編碼產(chǎn)生功能性α-輔肌動蛋白-3蛋白;而577X等位基因含有阻止編碼產(chǎn)生功能性α-輔肌動蛋白-3蛋白的序列變化? [15] 。到目前為止，許多報道表明ACTN3的存在可能對骨骼肌功能產(chǎn)生有益的影響，特別是在高速產(chǎn)生強大的收縮的情況下? [16] 。如上所述，α-輔肌動蛋白-3是肌細胞α-肌動蛋白的一部分、Z線的主要成分，其功能具有雙重性：與肌動蛋白絲連接、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)為肌纖維激活時為力量傳遞提供結(jié)構(gòu)支撐? [17] 。有研究者提出α-肌動蛋白-3可以被進一步優(yōu)化，以減少由偏心肌肉收縮引起的運動損傷? [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。Vincent等? [18] 認為年輕健康男性的577R純合組中高強度運動能力，如100m沖刺等的表面百分數(shù)和數(shù)量顯著高于577X純合組?；贏CTN3 R557X多態(tài)性在骨骼肌功能中的作用，我們假設ACTN3的遺傳多態(tài)性也可以影響中國人群個人運動能力，分析ACTN3 R577X基因型與各項運動能力的相關性。

1 研究對象

研究對象共包含363例吉林警察學院公安專業(yè)學員，全部來自吉林省各地，均為中國漢族，且無血緣關系，以確保不存在種族偏倚以及各種潛在的人群分層問題。體能檢測依據(jù)國家學生體質(zhì)健康標準評分，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)標明研究對象的姓名及信息。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）來提取全部研究對象的基因組DNA。通過PCR擴增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反應條件：95℃預變性5min，95℃變性30s，60℃退火30s，72℃延長進行35個循環(huán)的擴增30s，最后一個循環(huán)72℃ 10min。隨后用DdeI內(nèi)切核酸酶消化擴增的PCR產(chǎn)物。等位基因577R和577X由Dde I限制位點的存在（577X）或不存在（577R）來區(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，并在紫外光下觀察。

2.2 統(tǒng)計學分析

本研究采用Excel 2007對數(shù)據(jù)進行錄入與整理，采用SPSS 17.0軟件和SNPStats在線數(shù)據(jù)處理程序進行統(tǒng)計分析，對R557X在受試人群中進行哈迪溫伯格檢驗;使用單因素方差分析或非參數(shù)檢驗來評價SNP與各運動指標的關聯(lián)性，P值小于0.05的被認為具有統(tǒng)計學意義。

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%）與以前期中國漢族人群的研究報道相似（見表1）。

對所有受試者進行了體重評分（BMI）、肺活量、50m短跑、立定跳遠、坐位體前屈和 1 000m、 800m長跑測定。根據(jù)國家學生體質(zhì)健康標準進行評分匯總（見表2）。

在受試者運動能力與ACTN3的 R577X基因多態(tài)關聯(lián)研究中，我們發(fā)現(xiàn)只有50m短跑運動能力評分在ACTN3的 R577X三組基因型中存在顯著差異（P=0.004），其他各組運動能力與ACTN3 R577X基因型分布不存在相關性（見表3）。

如圖1所示，50m短跑運動評分在基因型R577R組中最高，X577X組中最低。同時，我們發(fā)現(xiàn)坐位體前屈評分與50m短跑運動評分具有相同的趨勢，而立定跳遠評分與上述趨勢相反，在基因型R577R組中立定跳遠評分最低。雖然坐位體前屈評分和立定跳遠評分沒有出現(xiàn)統(tǒng)計學差異，我們推測是較大的個體差異造成了這種結(jié)果，但亦顯示了R577X基因多態(tài)對運動能力影響。

4 討 論

黃呂林等人? [19] 在113名西北地區(qū)中國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18周訓練后在對他們的速度素質(zhì)進行檢測時發(fā)現(xiàn)，XX型的軍人速度素質(zhì)好于其他兩型的軍人，與國外文獻報道的不一致;Yang等? [13] 研究結(jié)果顯示澳大利亞優(yōu)秀的短跑運動員中只有6%的577X基因型是純合的。這個結(jié)論得到了Druzhevskaya等? [8] 人的支持，Druzhevskaya等對俄羅斯486名精英體育運動員進行了調(diào)查，結(jié)果表明ACTN3基因的變異與俄羅斯精英運動員的狀態(tài)密切相關。同時，Eynon? [20] 等人發(fā)現(xiàn)與耐力運動員（19%）和對照組（20%）相比，短跑運動員的557R等位基因純合子的比例顯著增高（50%）。除此之外，在以色列運動員中進行的研究也證實這一觀點。表明該等位基因在發(fā)展沖刺能力中的關鍵作用。在芬蘭短跑運動員中也體現(xiàn)了ACTN3的RR基因型與精英運動表現(xiàn)之間的聯(lián)系。耐力和短跑運動員的比較結(jié)果顯示ACTN3的XX基因型頻率較低，短跑運動員的RR頻率高于耐力跑步者（P = 0.03）? [21] 。另一項研究表明，α-輔肌動蛋白-3蛋白的存在對力量性能有積極的影響。Papadimitriou等? [22] 研究顯示精英力量型運動員與對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)計學差異。值得一提的是，所有被調(diào)查的奧運/歐洲級短跑運動員有至少存在一個ACTN3的577R等位基因。

然而，ACTN3 R577X多態(tài)性在運動表現(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)性與個體的功率輸出或疲勞或力-速度特征的差異無關。此外，Norman等人還提出α-肌動蛋白在確定肌纖維類型組成中沒有起到重要作用。此外，McCauley? [10] 等人指出，ACTN3 R577X多態(tài)性不影響高速度下的絕對或相對扭矩或抽搐反應。Delmonico等? [4] 人在老年女性（64歲）中發(fā)現(xiàn)，與攜帶RR基因型個體相比，攜帶577X等位基因純合子的膝關節(jié)伸肌功率更高。Clarkson等? [12] 對等長肘屈肌力進行研究時，發(fā)現(xiàn)男性ACTN3 R577X基因型與肌肉表型之間無相關性。最后，Lucia等? [24] 對一名西班牙精英跳遠運動員（參加過兩次奧林匹克運動會）進行檢測與研究發(fā)現(xiàn)，其ACTN3基因的基因型為XX。Druzhevskaya等人也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，他們觀察到俄羅斯一名高素質(zhì)拳擊運動員（世界紀錄保持者）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，研究對象主要由公安院校的學員組成。研究結(jié)果證明了ACTN3 R577X等位基因可能是影響人群運動能力的因素之一。同時，研究結(jié)果支持α-肌動蛋白-3的存在對骨骼肌在高速產(chǎn)生強力收縮功能存在增益作用的假設。

值得注意的是，在所有的亞組中（各項運動能力評分），僅在50m短跑運動員中發(fā)現(xiàn)了基因型分布具有統(tǒng)計學差異。這就是為什么在短跑訓練中至少有一個ACTN3 R577等位基因作為關鍵因素的原因。

而另一方面，在其他運動能力評分亞組之間的基因型分布沒有顯著的統(tǒng)計學差異。但是本次研究研究對象數(shù)量相對較少，可能結(jié)果具有一定的局限性。因此，應該在更多的運動員中對于ACTN3多態(tài)性進行進一步的研究與補充。

參考文獻：

[1]? Arden NK， Spector TD. Genetic influences on muscle strength， lean body mass， and bone mineral density： a twin study[J]. J Bone Miner Res，1997（12）：2076-2081.

[2] Spurway N， Wackerhage H. Genetics and molecular biology of muscle adaptation. Advances in sport and exercise science series[M]. Edinburgh： Elsevier，2006.

[3] 楊賢罡，李春燕，胡楊. ACTN3基因R577X多態(tài)性與運動能力的關聯(lián)性研究：Meta分析[J]. 體育科學， 2011， 31（3）：44-52.

[4] Buchner DM， Cress ME， de Lateur BJ， et al. Variability in the effect of strength training on skeletal muscle strength in older adults[J]. Facts Res Gerontol，1993（7）：143-153.

[5] Delmonico MJ， Zmuda JM， Taylor BC， et al. Association of the ACTN3 Genotype and Physical Functioning. With Age in Older Adults[J]. J Gerontol A Biol Sci Med Sci，2008（63）：1227-1234.

[6] Mills M， Yang N， Weinberger R， et al. Differential expression of the actinbinding proteins， a-actinin-2 and -3， in different species： implications for the evolution of functional redundancy[J]. Hum Mol Gen，2001（10）：1335-1346.

[7] 高鵬華， 張志明. ACTN3基因多態(tài)性與運動能力和基因選材的研究[J]. 西北大學學報，2015， 45（4）：602-605.

[8] Beggs AH， Byers TJ， Knoll JH， et al. Cloning and characterization of two human skeletal muscle alpha-actinin genes located on chromosomes 1 and 11[J]. J Biol Chem，1992（267）：9281-9288.

[9] Blanchard A， Ohanian V， Critchley D. The structure and function of alpha-actinin[J]. J Muscle Res Cell Motil，1989（10）：280-289.

[10]? MacArthur DG， North KN. A gene for speed？ The evolution and function of a actinin 3[J]. BioEssays，2004（26）：786-795.

[11] 任文君. 骨骼肌肌動蛋白及其基因表達與運動的影響[J]. 中國組織工程研究與臨床康復，2007， 11（36）：7236-7239.

[12] Clarkson PM， Hoffman EP， Zambraski E，et al. ACTN3 and MLCK genotype associations with exertional muscle damage[J]. J Appl Physiol，2005（99）：564-569.

[13] Yang N， MacArthur DG， Gulbin JP， et al. ACTN3 genotype is associated with human elite athletic performance[J]. Am J Hum Genet，2003（73）：627-631.

[14] 魯政，胡楊， 中國北方漢族人群的ACTN3的多態(tài)性與有氧耐力[J]. 中國運動醫(yī)學雜志， 2009， 28（ 2） ： 147-149.

[15] Ahmetov II， Druzhevskaya AM， Astratenkova IV， et al. The ACTN3 R577X polymorphism in Russian endurance athletes[J]. Br J Sports Med，2010（44）：649-652.

[16] McCauley T. Mastana S. Hossack J， et al. Human angiotensin-converting enzyme I/D and α-actinin 3 R577X genotypes and muscle functional and contractile properties[J]. Exp Physiol，2009（94）：81-89.

[17] Wilmore JH， DL Costill. Physiology of Sport and Exercise[M]. Champaign： Human Kinetics，2004.

[18] Vincent B， De Bock K， Ramaekers M， et al. ACTN3 （R577X） genotype is associated with fiber type distribution[J]. Physiol Genomics，2007（32）：58-63.

[19] 尚旭亞， 黃昌林.中國漢族軍人輔肌動蛋白3（ ACTN3） 基因多態(tài)性研究[J]. 解放軍醫(yī)學雜志， 2007， 32（ 12） ： 1236-1237.

[20] Eynon N， Duarte JA， Oliveira J， et al. ACTN3 R577X polymorphism and Israeli top-level athletes[J]. Int J Sports Med，2009（30）：695-698.

[21] Niemi AK， Majamaa K. Mitochondrial DNA and ACTN3 genotypes in Finnish elite endurance and sprint athletes[J]. Eur J Hum Genet，2005（13）：965-969.

[22] Papadimitriou ID， Papadopoulos C， Kouvatsi A， et al. The ACTN3 Gene in Elite Greek Track and Field Athletes[J]. Int J Sports Med，2007（29）：352-355.

[23] Norman B， Esbjrnsson M， Rundqvist H， et al. Strength， power， fiber types and mRNA expression in trained men and women with different ACTN3 R577X genotypes[J]. J Appl Physiol，2009（106）：959-965.

[24] Lucia A， Gómez-Gallego F， Santiago C， et al. ACTN3 genotype in professional endurance cyclists[J]. Int J Sports Med，2006（27）：880-884.