CC BY
2ПОЛИМОРФИЗМ ГЕНА COL5A1 И БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЫШЦ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ ЮНЫХ СПОРТСМЕНОВ, ЗАНИМАЮЩИХСЯ УШУ-ТАОЛУ
УДК/UDC 575.22+612.766
Поступила в редакцию 29.06.2023 г.
Информация для связи с автором: [email protected]
Кандидат биологических наук, доцент Н.Д. Гольберг1 Доктор педагогических наук В.Ф. Носкова1 Ю.С. Щурова1
Кандидат биологических наук Е.В. Валеева2 1Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт физической культуры, Санкт-Петербург
2Казанский государственный медицинский университет, Казань
POLYMORPHISM OF THE COL5A1 GENE AND BIOMECHANICAL CHARACTERISTICS OF THE MUSCLES OF THE LOWER EXTREMITIES OF YOUNG ATHLETES INVOLVED IN WUSHU TAOLU
PhD, Associate Professor N.D. Golberg1 Dr. Hab. V.F. Noskova1 Yu.S. Shchurova1 PhD E.V. Valeeva2
1Saint-Petersburg scientific-research institute for physical culture, St. Petersburg 2Kazan Medical University, Kazan
Аннотация
Цель исследования - выявить распределение генотипов и аллелей гена Со-15А1 у юных спортсменов ушу-таолу и их ассоциации с биомеханическими характеристиками мышц.
Методика и организация исследования. В эксперименте приняли участие спортсмены, занимающиеся ушу-таолу. Обследованные спортсмены тренировались на двух смежных этапах - этапе спортивной специализации (п=42) и этапе совершенствования спортивного мастерства (п=34). Полиморфизм гена Со15А1 определяли с помощью молекулярно-генетического анализа. Результаты исследования и выводы. Оценены вязкоупругие свойства мышц нижних конечностей и обнаружено, что с ростом тренированности прослеживается ассоциация между мышечной жесткостью и носитель-ством Т-аллеля гена С015А1, что говорит о формировании определенного спортивного фенотипа на основе генотипа спортсменов.
Ключевые слова: полиморфизм гена Col5A1, вязкоупругие свойства мышц, мышечная жесткость, тренированность, спортсмены ушу.
Abstract
Objective of the study was to reveal the distribution of genotypes and alleles of the Col5A1 gene in young Wushu Taolu athletes and their associations with the biomechanical characteristics of muscles.
Methods and structure of the study. The study involved athletes involved in uschu-taolu. The surveyed athletes trained at two adjacent stages - the stage of sports specialization (n=42) and the stage of improving sportsmanship (n=34). Polymorphism of the Col5A1 gene was determined using molecular genetic analysis.
Results and conclusions. The viscoelastic properties of the muscles of the lower extremities were assessed and it was found that with increasing fitness, there is an association between muscle stiffness and carriage of the T allele of the COL5A1 gene, which indicates the formation of a certain sports phenotype based on the genotype of athletes.
Keywords: Col5A1 gene polymorphism, viscoelastic properties of muscles, muscle stiffness, fitness, wushu athletes.
□ и
£ г. CL
4—
О OJ и
CL ' -о с
га
^
О (U .с Н
Введение. Спорт, упражнения и физическая активность представляют собой сложную, многофакторную, нелинейную деятельность на стыке биологии, физиологии и психологии, являющуюся результатом взаимного влияния биологического строения человека (гены, белки и другие молекулы), физиологических и экологических переменных, а также психологических факторов. В среднем 66% (в зависимости от спортивной дисциплины) дисперсии статуса спортсмена объясняется генетическими факторами. Сочетание фенотипа с генотипом может быть ключом к спортивному совершенству [2]. Коллаген типа V состоит из двух полипептидных цепей а1 и двух поли-
пептидных цепей а2. Цепь а1 кодируется геном альфа-1 коллагена типа V (COL5A1). Одним из наиболее изученных полиморфизмов этого гена является полиморфизм C/T (rs12722) в З'-нетранслируемой области (UTR). M. Collins и S. Raleigh обнаружили, что нижние конечности субъектов с генотипом CT были менее гибкими, чем у гомозиготных субъектов (генотипы TT и CC), и пришли к выводу, что COL5A1 rs12722 независимо связан с тестируемыми измерениями диапазона движений (rangeofmovement - ROM) [3]. Аллель Т rs12722 проявляет повышенную стабильность мРНК по сравнению с аллелем С, что связано с более высокой продукцией коллагена V типа,
а также со структурными и архитектурными изменениями коллагеновых фибрилл, их биомеханическими свойствами и формированием фенотипов, что связано с физической нагрузкой [4].
Вязкоупругие характеристики мышечно-сухожильного комплекса играют важную роль в повышении как эффективности, так и результативности человеческой деятельности. Для улучшения спортивных результатов и предотвращения травм полезно понимать механические свойства этих тканей. Структурные изменения этих тканей изменяют их эластичность, что приводит к большему риску травм опорно-двигательного аппарата при физической активности [8]. Вязкоупругие характеристики (тонус, эластичность и жесткость) можно использовать для описания механических свойств, которые существуют, когда скелетные мышцы находятся в стационарном состоянии без произвольного сокращения. Более того, по мнению многих авторов, эти характеристики являются очень важным критерием при определении функции скелетных мышц [11].
Цель исследования - выявить распределение генотипов и аллелей гена Col5A1 у юных спортсменов ушу-таолу и их ассоциации с биомеханическими характеристиками мышц.
Методика и организация исследования. В эксперименте приняли участие спортсмены, занимающиеся ушу-таолу в спортивных организациях Федерации ушу СевероЗападного региона Российской Федерации. Обследованные спортсмены тренировались на двух смежных этапах - этапе спортивной специализации (n=42) и этапе совершенствования спортивного мастерства (n=34). В группу спортсменов этапа спортивной специализации входили мальчики и девочки в возрасте 9-11 лет, имеющие 3-1 взрослые разряды. Юноши и девушки возраста 12-15 лет и спортивной квалификации от 1 -го взрослого разряда до кандидата в мастера спорта составили группу спортсменов, тренирующихся на этапе совершенствования спортивного мастерства.
Измерение вязкоупругих свойств поверхностных скелетных мышц проводилось методом миотонометрии с помощью ручного пальпаторного устройства Myoton PRO (Myoton AS, Эстония). Характеристики вязкоупругих свойств снимались с прямой мышцы бедра (ПМБ), длинной головки бицепса бедра (ДГББ), латеральной головки икроножной мышцы (ЛГИМ) для левой и правой нижней конечности. Измерения проводились в покое и при максимальном статическом напряжении мышц конечностей, удерживаемом в течение 10 с. Фиксировались следующие параметры вязкоупругих свойств скелетных мышц: F - мышечный тонус, Гц; S - жесткость, Н/м; D - логарифмический декремент колебаний (эластичность), у.е.; R - время релаксации механического напряжения, мс; С - текучесть, у.е.
Полиморфизм гена Col5A1 определяли с помощью молеку-лярно-генетического анализа. Для анализа использовали об-
разцы ДНК, выделенные сорбентным методом из букальных клеток ротовой полости с помощью набора реактивов ДНК-Сорб-В (ФБУН ЦНИИЭ Роспотребнадзора). Полиморфизм гена COL5A1 (rs12722) проводили методом полимеразной цепной реакции в реальном времени (RT-PCR) на амплифи-каторе CFX96 (BioRad, США), используя коммерческий набор реагентов, разработанный фирмой «СибДНК» (г. Новосибирск).
Для статистической обработки базы данных использовали STATGRAPHICS® Centurion 19 (США). Рассчитывали значение средней величины (M), среднеквадратичное отклонение (а) и ошибку средней величины (m). Значимость различий в частоте аллелей и генотипов между выборками, а также соответствие распределения генотипов равновесию Харди-Вайнберга определяли с использованием критерия хи-квадрат, вычисляемого с применением online-ресурса [7].
Результаты исследования и их обсуждение. Изучение полиморфных вариантов гена проводили, используя методический подход «случай-контроль». Распределение генотипов и аллелей в контрольной группе подчиняется равновесию Харди-Вайнберга (х2=0,34, df=1, P=0,56), что говорит о случайности выборки контрольной группы. Распределение генотипов и аллелей гена COL5A1 в контрольной группе и группах спортсменов представлены в табл. 1.
Распределение генотипов COL5A1 и минорного Т-аллеля в группе спортсменов ушу подчиняется равновесию Харди-Вайнберга (х2=0,99, df=1, р=0,32), что говорит об отсутствии спортивного отбора на основании генетической предрасположенности человека. Однако в группе спортсменов ушу (во всей выборке) произошло некоторое изменение в частоте генотипов по сравнению с группой контроля - наблюдается тенденция к повышению COL5A1CC генотипа и уменьшение частоты встречаемости гетерозигот. Эта тенденция наблюдается за счет увеличения гомозигот по С-аллелю в группе повышения спортивного мастерства, что доказывается значительным увеличением (до 37,5%) на этом этапе носителей СС генотипа у девочек.
Что касается частоты встречаемости генотипов и аллелей в зависимости от пола спортсмена при сравнении с лицами той же гендерной принадлежности в контрольной группе, то и здесь мы наблюдаем достоверные различия (р<0,05) между спортсменками и студентами вуза: СС генотип 23,2% против 20,5%; минорный Т-аллель 51,2% против 58,5%. СС генотип COL5A1 (rs12722) связывают с подвижностью суставов, увеличением диапазона движения, а Т-аллель данного гена приводит к увеличению количества белка, что сказывается на менее растяжимых и более жестких структурах сухожилий [5, 10].
Состояние нервно-мышечного аппарата будет во многом определять проявление скоростно-силовых способностей спортсмена. Важной характеристикой мышечной
Таблица 1. Распределение генотипов и аллелей по гену COL5A1 у спортсменов и в контрольной группе, %
Контингент обследуемых n COL5A1 генотип Аллель
CC CT TT С Т
Спортсмены
Ушу-таолу, чел.
Всего 76 22,4* 40,8 36,8 42,8 57,2
Мальчики 33 21,2 45,5 33,3 43,9 56,1
Девочки 43 23,2* 39,5 37,2 48,8* 51,2*
Контрольная группа
Всего, чел. 125 19,2 44,8 36,0 41,6 58,4
Мужчины 36 16,7 50,0 33,3 41,7 58,3
Женщины 88 20,5 42,0 37,5 41,5 58,5
Примечания: 1 - 'различия по сравнению с контрольной группой достоверны, р<0,05.
№9 • 2023 Сентябрь | September
http://www.teoriya.ru
Таблица 2. Амплитуда тонуса (АР) и жесткости мышц нижних конечностей у спортсменов ушу на этапе совершенствования спортивного мастерства (М ± а)
Исследуемая мышца Амплитуда тонуса и жесткости мышц нижних конечностей
Мальчики (n = 13) Девочки (n = 15)
AF, Гц AS^/м AF, Гц AS^/м
ПМБ Правая 7,16±1,68 233,50±109,73 4,50±0,66 156,46±98,93
Левая 5,59±0,80 189,00±89,21 3,68±0,86 136,23±71,03
ДГББ Правая 1,35±0,43 78,33±63,69 0,26±0,35 39,27±75,07
Левая 2,74±0,91 107,67±78,75 0,99±0,61 79,45±78,53
ЛГИМ Правая 3,89±0,13 148,75±112,86 3,07±0,58 163,54±78,53
Левая 4,65±1,58 174,75±105,95 3,23±1,74 134,69±92,47
□ и
£ г. CL
ч—
О 0J и
2 CL ' -о с
га
^
О (U .с Н
■ правая нога левая нога
Значение амплитуды жесткости прямой мышцы бедра у спортсменов этапа совершенствования спортивного мастерства
ткани являются ее вязкоупругие свойства. При изучении биомеханических свойств (тонус, эластичность, жесткость) мышечной ткани особенно важной является оценка динамики показателей в покое и при напряжении мышцы [1]. Нами установлено, что между мальчиками и девочками обеих групп спортсменов ушу не наблюдается достоверных различий в значении характеристик биомеханических свойств исследуемых мышцкак в расслабленном, так и в сокращенном состоянии. Показатели, характеризующие эти свойства мышц в состоянии покоя, укладываются в рамки нормальных физиологических значений данных величин, где не предусматривается разницы в зависимости от ген-дерной принадлежности и возраста. Значения, характеризующие свойства мышечной ткани в состоянии напряжения, никак не регламентированы, имеющиеся в литературе данные касаются различных мышц верхних и нижних конечностей, при этом сокращения мышц исследователи добивались различными способами [6, 9]. Наиболее информативным показателем вязкоупругих свойств мышечной ткани является динамика показателей между напряженной и расслабленной мышцей. В табл. 2 представлены данные динамики тонуса и жесткости мышц спортсменов этапа совершенствования спортивного мастерства.
Оценка амплитуды мышечного тонуса позволяет предположить недостаточное развитие силы мышц задней поверхности бедра у обследованных спортсменов, что может являться лимитирующим в качестве выполнения прыжков в ушу (высота прыжка, умение выполнять элемент в верхней точке, корректное приземление с амортизацией удара при приземлении).
Нам представлялось интересным проверить ассоциацию между генетическими особенностями спортсменов по гену COL5A1, ТТ генотип которого связывают с жесткостью мышц [5] и динамикой жесткости. Величины жесткости прямой мышцы бедра, для которой зарегистрированы наибольшие значения, представлены в зависимости от генотипа COL5A1 в группе спортсменов этапа совершенствования спортивного
мастерства на рисунке. Анализ полученных результатов позволяет делать осторожное (ввиду малого количества спортсменов для каждого генотипа) заключение, что как у мальчиков, так и у девочек этой группы амплитуда жесткости прямой мышцы бедра правой ноги (доминантной) увеличивается для ТТ гомозигот, по сравнению с обладателями СС генотипа (119,35±65,18 Н/м против 204,25±97,62 Н/м и 248,67±56,23 Н/м против 312,00±2,83 Н/м для девочек и мальчиков, соответственно, р<0,05).
Выводы. Таким образом, можно сделать заключение о хороших вязкоупругих свойствах мышц нижних конечностей обследуемых спортсменов ушу. С ростом тренированности наблюдается повышение амплитуды тонуса и жесткости скелетных мышц, увеличение эластичности и снижение времени релаксации. С ростом спортивного мастерства прослеживается ассоциация между мышечной жесткостью и носительством Т-аллеля гена COL5A1, что говорит о формировании определенного спортивного фенотипа на основе генотипа спортсменов.
Литература
1. Шитова Е.С. Влияние локального мышечного утомления на биомеханические и вязкоупругие характеристики скелетных мышц / Е.С. Шитова, А.М. Герегей, В.Г. Суворов, А.В. Сотин и др. // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25. - № 4. - С. 444-455.
References
1. Shitova E.S., Heregey A.M., Suvorov V.G., Sotin A.V. Vliyaniye lokal-nogo myshechnogo utomleniya na biomekhanicheskiye i vyazkoupru-giye kharakteristiki skeletnykh myshts [The influence of local muscle fatigue on the biomechanical and viscoelastic characteristics of skeletal muscles]. Rossiyskiy zhurnal biomekhaniki. 2021. Vol. 25. No. 4. pp. 444-455.
2. Ahmetov I.I., Hall E.C.R., Semenova E.A., Pranckeviciene E., Gineviciene V. Advances in sports genomics. Adv. Clin. Chem. 2022. Vol. 107. pp. 115-263.
3. Collins M., Raleigh S.M. Genetic risk factors for musculoskeletal soft tissue injuries. Med Sport Sci. 2009. Vol. 54. pp. 136-149.
4. Collins M., Posthumus M. Type V collagen genotype and exercise-related phenotype relationships: a novel hypothesis. Exerc. Sport Sci. Rev. 2011. Vol. 39. pp. 191-198.
5. Collins M., Connell O' K., Posthumus M. Genetics of musculoskeletal exercise-related phenotypes. Med. Sport Sci. 2016. Vol. 61. pp. 92104.
6. Gavronski G., Veraksits A., Vasar E., Maaroos J. Evaluation of visco-elastic parameters of the skeletal muscles in junior triathletes. Physiol. Meas. 2007. Vol. 28. pp. 625-637.
7. Gen-Expert (2013) Genetic expertise. Available at: https://calc.pcr24. ru/index.php (date of access: 02.09.2022).
8. Hoffman L.R., Koppenhaver S.L., McDonald C.W., Herrera J.M. et al. Normative parameters of gastrocnemius muscle stiffness and associations with patient characteristics and function. J. Sport Phys. Ther. 2021. Vol. 16. pp. 41-48.
9. Lee Y., Kim M., Lee H. The measurement of stiffness for major muscles with shear wave elastography and myoton: a quantitative analysis study. Diagnostics. 2021. Vol. 11. Article no. 524.
10. Lim S.T., Kim C.S., Kim W.N., Min S.K. The COL5A1 genotype is associated with range of motion. J. Exerc. Nutr. Biochem. 2015. Vol.19. pp. 49-53.
11. Melo A.S.C., Cruz E.B., Vilas-Boas J.P., Sousa A.S.P. Scapular dynamic muscular stiffness assessed through myotonometry: a narrative review. Sensors. 2022. Vol. 22. Article no. 2565.
