CC BY
221
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА.
__СЕРИЯ ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
2017, Т. 159, кн. 2 С. 232-247
ISSN 2542-064X (Punt) ISSN 2500-218X (Online)
УДК 575.1+612.744.2+612.76
ПРИМЕНЕНИЕ ОМИКСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В СИСТЕМЕ СПОРТИВНОЙ ПОДГОТОВКИ
12 1 Е.А. Семенова , Е.В. Валеева , Е.А. Булыгина ,
С.И. Губайдуллина3, И.И. Ахметов2'4'5
1 Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия 2Казанский государственный медицинский университет, г. Казань, 420012, Россия 3Поволжская государственная академия физической культуры, спорта и туризма,
г. Казань, 420010, Россия 4Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт физической культуры, г. Санкт-Петербург, 191040, Россия 5Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины ФМБА России,
г. Москва, 119435, Россия
Аннотация
Расшифровка генома человека и дальнейшее развитие омиксных технологий открыли новые возможности в изучении молекулярных механизмов, лежащих в основе спортивного успеха. Согласно современным представлениям функциональной геномики считается, что индивидуальные различия в степени развития тех или иных физических и психических качеств, а также в подверженности к тем или иным заболеваниям спортсменов во многом обусловлены ДНК-полиморфизмами. Генетические маркеры, ассоциированные с развитием и проявлением физических качеств (быстрота, сила, выносливость, ловкость, гибкость), могут применяться в системе спортивного отбора, для уточнения спортивной специализации и для оптимизации тренировочного процесса. Другие молекулярные маркеры (метильные группы, транскрипты, теломеры, циркулирующие ДНК, метаболиты и др.) помимо прогноза спортивной успешности позволяют оценить текущее функциональное состояние спортсмена, включая явление перетренированности. Цель настоящего обзора - представить данные о возможностях применения геномных, эпигеномных, транскриптомных, протеомных и метаболомных методов в диагностике спортивной одаренности, оценке текущего функционального состояния спортсменов и при составлении персональных программ тренировок и питания.
Ключевые слова: полиморфизм ДНК, геном, эпигеном, транскриптом, протеом, метаболом, биомаркеры, теломеры, спортивный отбор
Введение
Хорошо известно, что при неправильном выборе вида спорта происходит быстрая остановка роста спортивного мастерства в связи с исчерпанием генетического резерва организма. Очень многие способные атлеты ушли из спорта, не раскрыв своих возможностей, из-за того, что к ним была применена стандартная система подготовки, не учитывающая в должной мере их индивидуальные способности. В тех случаях, когда специалистам удавалось реализовать строго индивидуальную программу, спортсмены достигали выдающихся результатов.
Табл. 1
Особенности молекулярных методов
Уровень организации признака Определяемый параметр Методы анализа
Полиморфизм и мутации ДНК человека (геном) Генотип Полимеразная цепная реакция (ПЦР), ПЦР в реальном времени, секвенирование ДНК, тар-гетные панели, микрочипы
Метагеном (набор генов всех микроорганизмов, находящихся в окружающей человека среде) Качественный и количественный состав микробного сообщества, ассоциированного с хозяином ПЦР в реальном времени, секве-нирование гена 16S рРНК сообщества, секвенирование сообщества методом shotgun
Эпигенетические изменения (эпигеном) Эпигенетический профиль (степень метилирования, ацетилирования, фосфорилирования) Бисульфитное секвенирование, ПЦР в реальном времени с последующим масс-спектромет-рическим анализом, микрочипы, иммуноферментный анализ
Теломеры (концевые участки хромосом) Длина теломер ПЦР в реальном времени, флуоресцентная гибридизация in situ (Q-FISH), проточная цитометрия (flow-FISH)
Экспрессия генов (тран-скриптом) Количество мРНК определенного гена RNA-Seq, CAGE, SAGE, ПЦР в реальном времени, экспрессион-ные микрочипы
Регуляция экспрессии генов Расположение регуля-торных элементов DNase-Seq, FAIRE-Seq, ChIP-Seq
Белковый профиль (про-теом) Количественный и качественный состав пептидов и белков Масс-спектрометрия, высокоэффективная жидкостная хроматография, двумерный гель-электрофорез, белковые микрочипы
Метаболом Количественный и качественный состав низкомолекулярных соединений Масс-спектрометрия, ядерный магнитный резонанс
Существует множество классических методов определения спортивных задатков: педагогические, антропологические, физиологические, психологические, социологические и др. Вместе с тем расшифровка генома человека и дальнейшее развитие омиксных технологий открыли новые возможности в изучении молекулярных механизмов, лежащих в основе спортивного успеха (см. табл. 1).
Омиксные технологии - это комплекс современных молекулярных технологий, с помощью которых исследуется организм на самых разных уровнях, начиная со считывания генетической информации (геномика), выявления факторов регуляции экспрессии генов (эпигеномика), определения активности генов (транскриптомика) и их белковых продуктов (протеомика) и заканчивая определением состава и концентрации конечных продуктов распада (метаболомика). Разработан широкий спектр современного омиксного биоинформатического программного обеспечения, позволяющего проводить обработку и интерпретацию
сверхбольших объемов взаимосвязанных данных. Биоинформатический подход способствует объединению разнородной биологической информации, собранной из различных «омиксов», в междисциплинарный концепт под названием «системная биология».
Цель настоящего обзора - представить данные о возможностях применения геномных, эпигеномных, транскриптомных, протеомных и метаболомных методов в диагностике спортивной одаренности, оценке текущего функционального состояния спортсменов и при составлении персональных тренировочных программ.
Генетические маркеры спортивной успешности и профессиональных патологий спортсменов
Согласно современным представлениям функциональной геномики считается, что индивидуальные различия в степени развития тех или иных физических и психических качеств, а также в подверженности к тем или иным заболеваниям спортсменов во многом обусловлены ДНК-полиморфизмами, которых у человека насчитывается не менее 150 миллионов. В молекулярной генетике под термином «генетический маркер» понимается определенный аллель (вариант) гена (либо генотип, различные комбинации аллелей и генотипов), ассоциированный с предрасположенностью к развитию какой-либо патологии либо нормального признака (физические качества, биохимические, антропометрические, функциональные, психологические и другие показатели). Отличительной особенностью генетических маркеров, не меняющихся на протяжении всей жизни, является возможность их определения сразу после рождения ребенка (для этого достаточно сделать соскоб эпителиальных клеток ротовой полости), а значит, прогноз развития признаков, значимых в условиях спортивной деятельности, можно составить очень рано.
Генетические маркеры, ассоциированные с развитием и проявлением физических качеств (быстрота, сила, выносливость, ловкость, гибкость), могут применяться в системе спортивного отбора для уточнения спортивной специализации (например, подбор наиболее оптимальной дистанции в беге/плавании/конькобежном спорте и т. п.), для оптимизации тренировочного процесса (определение возможностей организма выполнять большие объемы нагрузок, акцентирование на развитии сильных сторон организма, выбор соревновательной тактики и т. п.). На данный момент обнаружено 155 генетических маркеров, ассоциированных с предрасположенностью к занятиям спортом [1]. Из них 93 связаны с видами спорта на выносливость (табл. 2) и 62 - со скоростно-силовыми видами (табл. 3).
Установлено, что чем большим числом благоприятных аллелей генов обладает индивид, тем выше его шансы стать высококвалифицированным спортсменом [2]. При этом важно отметить, что наиболее точное определение предрасположенности к спорту необходимо проводить на основе анализа максимального числа маркеров, в том числе фенотипических (антропометрия, функциональная диагностика, педагогические тесты и т. д.).
Табл. 2
Молекулярно-генетические маркеры выносливости
Ген Локализация Полиморфизм Маркер выносливости
ACE 17q23.3 Alu I/D (rs4646994) I
ACOXL 2q13 rs13027870 A/G rs13027870 G
ACTN3 11q13.1 R577X (rs1815739 C/T) 577X
ADRA2A 10q24-q26 6.7/6.3 kb 6.7-kb
ADRB1 10q25.3 Ser49Gly (rs1801252 A/G) 49Gly
ADRB2 5q31-q32 Gly16Arg (rs1042713 G/A) 16Arg
ADRB3 8p 12—8p 11.1 Trp64Arg (rs4994 T/C) 64Arg
AGTR2 Xq22-q23 rs11091046 A/C rs11091046 C
AQP1 7p14 rs1049305 C/G rs1049305 C
AMPD1 1p13 Gln12X (rs17602729 C/T) Gln12
BDKRB2 14q32.1-q32.2 +9/-9 (1-й экзон) -9
rs1799722 C/T rs1799722 T
CAMK1D 10p13 rs11257754 A/G rs11257754 A
CKM 19q13.32 rs8111989 A/G (NcoI) rs8111989 A
CLSTN2 3q23 rs2194938 A/C rs2194938 A
COL5A1 9q34.2-q34.3 rs12722 C/T (BstUI) rs12722 T
rs71746744 (AGGG/-) rs71746744 AGGG
COL6A1 21q22.3 rs35796750 T/C rs35796750 T
CPQ 8q22.2 rs6468527 A/G rs6468527 A
EPAS1 (HIF2A) 2p21-p16 rs1867785 A/G rs1867785 G
rs11689011 C/T rs11689011 T
GABPB1 (NRF2) 15q21.2 rs12594956 A/C rs12594956 A
rs8031031 C/T rs8031031 T
rs7181866 A/G rs7181866 G
GALM 2p22.1 rs3821023 A/G rs3821023 A
GNB3 2p13 rs5443 C/T (C825T) rs5443 T
GRM3 7q21.1-q21.2 rs724225 A/G rs724225 G
HFE 6p21.3 His63Asp (rs1799945 C/G) 63Asp
HIF1A 14q23.2 Pro582Ser (rs11549465 C/T) Pro582
IGF1R 15q26.3 rs1464430 A/C rs1464430 A
IL15RA 10p 15.1 Asn146Thr (rs2228059 A/C) 146Thr
ITPR1 3p26.1 rs1038639 G/T rs1038639 T
rs2131458 C/T rs2131458 T
FMNL2 2q23.3 rs12693407 A/G rs12693407 G
KCNJ11 11p15.1 Glu23Lys (rs5219 C/T) Glu23
L3MBTL4 18p11.31 rs17483463 C/T rs17483463 T
MCT1 (SLC16A1) 1p12 Glu490Asp or A1470T (rs1049434 A/T) Glu490
Маркеры митохон-дриальной ДНК МтДНК Однонуклеотидные полиморфизмы или гаплогруппы G1
H
HV
L0
M*
m.11215T, m.152C, m.15518T, m.15874G, m.4343G, m.514(CA)<4, Поли(С > 7) в локусе m.568-573
m.16080G
m.5178C
N9
V
Неблагоприятный: B
Неблагоприятный: K
Неблагоприятный: J2
Неблагоприятный: T
Неблагоприятный: L3*
NALCN-AS1 13q33.1 rs4772341 A/G rs4772341 A
NATD1 17p11.2 rs732928 A/G rs732928 G
NFATC4 14q11.2 Gly160Ala (rs2229309 G/C) Gly160
NFIA-AS2 1p31.3 rs1572312 C/A rs1572312 C
NOS3 7q36 Glu298Asp (rs1799983 G/T) Glu298
(CA)n повторы 164-п.н.
27 п.н. повторы (4B/4A) 4B
rs2070744 T/C (-786 T/C) rs2070744 T
PPARA 22q13.31 rs4253778 G/C rs4253778 G
PPARD 6p21.2-p21.1 rs2016520 T/C rs2016520 C
rs1053049 T/C rs1053049 T
PPARGC1A 4p 15.1 Gly482Ser (rs8192678 G/A) Gly482
rs4697425 A/G rs4697425 A
PPARGC1B 5q32 Ala203Pro (rs7732671 G/C) 203Pro
Arg292Ser (rs11959820 C/A) 292Ser
PPP3CA 4q24 rs3804358 C/G rs3804358 C
PPP3CB 10q22.2 rs3763679 C/T rs3763679 C
PPP3R1 2p15 5I/5D (промотор) 5I
RBFOX1 16p13.3 rs7191721 G/A rs7191721 G
SGMS1 10q11.2 rs884880 A/C rs884880 A
SLC2A4 17p13 rs5418 G/A rs5418 A
SOD2 6q25.3 Ala16Val (rs4880 C/T) C (Ala)
SPOCK1 5q31.2 rs1051854 G/T rs1051854 T
TFAM 10q21 Ser12Thr (rs1937 G/C) 12Thr
TPK1 7q34-q35 rs10275875 C/T rs10275875 T
TSHR 14q31 rs7144481 T/C rs7144481 C
UCP2 11q13 Ala55Val (rs660339 C/T) 55Val
UCP3 11q13 rs1800849 C/T rs1800849 T
VEGFA 6p12 rs2010963 G/C rs2010963 C
VEGFR2 4q11-q12 His472Gln (rs1870377 T/A) 472Gln
Гаплогруппы Y-хромосомы Y-chromosome Гаплогруппы E*, E3* and K*(xP)
Неблагоприятный: E3b1
ZNF429 19p12 rs1984771 A/G rs1984771 G
Согласно обнаруженным эффектам полиморфизмов генов выделяют аллели (маркеры), ограничивающие двигательную деятельность человека (маркеры адаптации сердечно-сосудистой системы к физическим нагрузкам, маркеры невосприимчивости (по ряду показателей) к физическим нагрузкам, маркеры посттравматических заболеваний головного мозга и патологий опорно-двигательного аппарата и др.) [3]. Следствием такого ограничения двигательной деятельности в лучшем случае является прекращение роста спортивных результатов, в худшем -
Табл. 3
Молекулярно-генетические маркеры скоростно-силовых качеств
Ген Локализация Полиморфизм Маркер скоростно-силовых качеств
ACE 17q23.3 Alu I/D (rs4646994) D
ACTN3 11q13.1 R577X (rs1815739 C/T) Arg577
ADRB2 5q31-q32 Gly16Arg (rs1042713 G/A) Gly16
Gln27Glu (rs 1042714 C/G) 27Glu
AGT 1q42.2 Met235Thr (rs699 T/C) 235Thr
AGTR2 Xq22-q23 rs11091046 A/C rs11091046 A
AMPD1 1p13 Gln12X (rs17602729 C/T) Gln12
ARHGEF28 5q13.2 rs17664695 A/G rs17664695 G
CACNG1 17q24 Gly196Ser (rs1799938 G/A) 196Ser
CALCR 7q21.3 rs17734766 A/G rs17734766 G
CKM 19q13.32 rs8111989 A/G (NcoI) rs8111989 G
CLSTN2 3q23 rs2194938 A/C rs2194938 C
COTL1 16q24.1 rs7458 C/T rs7458 T
CREM 10p11.21 rs1531550 G/A rs1531550 A
DMD Xp21.2 rs939787 C/T rs939787 T
EPAS1 (HIF2A) 2p21-p16 rs1867785 A/G rs1867785 G
rs11689011 C/T rs11689011 C
FOCAD 9p21 rs17759424 A/C rs17759424 C
GABRR1 6q15 rs282114 A/G rs282114 A
GALNT13 2q24.1 rs10196189 A/G rs10196189 G
GPC5 13q32 rs852918 G/T rs852918 T
HIF1A 14q21-q24 Pro582Ser (rs11549465 C/T) 582Ser
HSD17B14 19q13.33 rs7247312 A/G rs7247312 G
IGF1 12q23.2 C-1245T (rs35767 C/T) rs35767 T
IGF1R 15q26.3 rs1464430 A/C rs1464430 C
IL1RN 2q14.2 VNTR 86-bp (2-интрон) IL1RN*2
IL6 7p21 -174 C/G (rs 1800795 C/G) rs1800795 G
IP6K3 6p21.31 rs6942022 C/T rs6942022 C
MCT1 (SLC16A1) 1p12 Glu490Asp or A1470T (rs1049434 A/T) 490Asp
MED4 13q14.2 rs7337521 G/T rs7337521 T
MPRIP 17p11.2 rs6502557 A/G rs6502557 A
Маркеры митохон-дриальной ДНК МтДНК Однонуклеотидные полиморфизмы или гаплогруппы F
m.204C
m.151T
m.15314A
Non-L/U6
Неблагоприятные: m.16278T, m.5601T, m.4833G, m.5108C, m.7600A, m.9377G, m.13563G, m.14200C, m.14569A
MTHFR 1p36.3 A1298C (rs 1801131 A/C) rs1801131 C
MTR 1q43 A2756G (rs1805087 A/G) rs1805087 G
MTRR 5p15.31 A66G (rs1801394 A/G) rs1801394 G
NOS3 7q36 rs2070744 T/C (-786 T/C) rs2070744 T
Glu298Asp (rs1799983 G/T) Glu298
NRG1 8p12 rs17721043 A/G rs17721043 A
PPARA 22q13.31 ге4253778 О/С rs4253778 С
PPARG 3p25 Рго12А1а (ге 1801282 С/О) 12А1а
PPARGC1B 5q32 rs10060424 С/Т rs10060424 С
RC3H1 1я25.1 rs767053 А/О rs767053 О
SOD2 6q25.3 А1а16Уа1 (rs4880 С/Т) С (А1а)
SUCLA2 13я14.2 rs10397 А/С rs10397 А
TPK1 7q34-q35 ге10275875 С/Т Ы0275875 С
UCP2 11я13 А1а55Уа1 (rs660339 С/Т) А1а55
VDR 12q13.11 Рок1 № (rs10735810 Т/С) rs10735810 Т
WAPAL 10q23.2 rs4934207 С/Т ге4934207 С
ZNF423 16я12 rs11865138 С/Т rs11865138 С
развитие патологических состояний, таких как, например, выраженная гипертрофия миокарда левого желудочка с исходом в сердечную недостаточность [4, 5].
В ближайшие годы в этом направлении ожидается большой прорыв, связанный с повсеместным применением полногеномного сканирования миллионов маркеров с помощью чипов, а также полноэкзомного и полногеномного секвени-рования - высокотехнологичных методов, которые с каждым годом становятся все более дешевыми и доступными (падение себестоимости в миллионы раз). Это позволит определить значительную часть генетических маркеров (несколько тысяч), ассоциированных со спортивно-значимыми признаками, и, соответственно, повысить точность прогноза спортивного таланта.
Фармакогенетика и нутригенетика
Одним из путей повышения эффективности и безопасности применения фармакологических средств в спорте является внедрение в практику технологий так называемой персонализированной (персонифицированной) медицины. В основе этих технологий - индивидуальный подход к выбору фармакологических средств и их режима дозирования с учетом факторов, влияющих на фармакологический ответ, которые имеются у конкретного спортсмена.
Известно, что индивидуальный фармакологический ответ зависит от множества факторов, таких как пол, возраст, сопутствующие заболевания, совместно применяемые фармпрепараты, характер питания, вредные привычки и т. д. Однако 50% неблагоприятных фармакологических ответов зависят от генетических особенностей индивида. Именно поэтому спортивная фармакогенетика предоставляет возможность индивидуализации выбора фармпрепаратов и их режимов дозирования на основании изучения генотипа конкретного спортсмена [6].
Кроме того, фармакологическое обеспечение процесса подготовки спортсменов подразумевает также применение биологически активных добавок к пище (нутрицевтики и парафармацевтики), поэтому в спортивной генетике начали использовать такие понятия, как нутригеномика и нутригенетика (с более широким смыслом). Нутригеномика описывает влияние компонентов пищи на экспрессию генов. Нутригенетика стремится понять, как генетический статус человека координирует ответ организма на пищу и позволяет определить оптимальную диету для конкретного человека на основе его генотипа. Здесь следует отметить, что помимо пищи на организм спортсмена в значительной степени влияет метагеном - совокупность всех генов микроорганизмов, обитающих в среде,
которая окружает человека (главным образом, микробное сообщество кишечника и кожи). Метагеном может существенно варьировать от человека к человеку и обусловливать особенности метаболизма (например, замедлять его и приводить к ожирению и другим патологиям либо активировать и повышать физическую работоспособность).
Психогенетика
Соревновательная успешность спортсмена не может зависеть исключительно от деятельности мышечной, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, а также от антропометрических и композиционных показателей. Устойчивость к психологическому стрессу, особенности темперамента и характера, координационные способности, способность к приему и переработке информации, умственные способности - далеко не полный перечень генетически детерминированных признаков (высшей нервной системы), в той или иной степени важных для осуществления успешной спортивной деятельности [6]. Поскольку эти признаки проявляются у людей по-разному (наличие индивидуальных различий), а каждому виду спорта должен соответствовать определенный психо-тип спортсмена (например, холерический темперамент спринтера и штангиста, пространственное мышление игровика, шахматиста, агрессивная игра хоккеиста и т. п.), то представляется важным выявление ДНК-полиморфизмов, ассоциированных с различными психическими качествами.
Современная спортивная деятельность предъявляет повышенные требования к различным формам подготовленности человека - физической, технической, тактической и психической. Именно сочетание высокого уровня проявления всех этих компонентов подготовленности позволяет спортсменам достигать высоких спортивных результатов. Определенные предпосылки создают для этого личностные черты человека (темперамент, степень нейротизма и экстраверсии и др.) и интеллектуальные способности [6], наследуемость которых варьирует от 30% до 50% [7, 8].
В настоящее время известно не менее 20 генетических маркеров, ассоциированных с психофизиологическими особенностями спортсменов. В основном в этот список входят гены, кодирующие биохимические нейромедиаторы (до-фаминэргическая система - рецепторы дофамина DRD1, DRD2, DRD3, DRD4, DRD5, СОМТ; серотонинэргическая система - серотониновые пресинаптиче-ские и постсинаптических рецепторы 5НТ1А и 5НТ2А, МАОА, BDNF, 5НПЪРК., ТРН1; норадреналиновая система - SLC6A2; стимулирующие и тормозящие медиаторы - СНЮЧАЗ, АБОИА2А, ЕААТ, GABRG2) и некоторые гормоны. От активности этих генов зависят такие спортивно значимые признаки, как эмоциональное проявление, когнитивные способности, скорость ответной реакции, скорость психического утомления спортсмена при физических нагрузках, а также развитие перетренированности [9].
Спортивная психогенетика, определяя генетический потенциал спортсмена, с учетом текущих данных психологических и психофизиологических тестов может помочь ему на всех уровнях подготовки (моральная подготовка перед соревнованием, во время соревнования (умение контактировать в команде, тактика и мышление) и после финиша (реабилитация и дальнейшая работа)).
Роль эпигенетики в спортивных достижениях
В процессе адаптации человека к физическим нагрузкам меняется активность генов: одни гены активируются, другие инактивируются. Наблюдаемые изменения активности генов лежат в основе клеточной дифференцировки в целом и в мышечной пластичности в частности. Обратимые изменения активности генов в тренировочном процессе индивида, не связанные с нарушением нуклео-тидной последовательности ДНК, но приводящие к сохранению неактивного или активного состояния генов в ряду клеточных поколений, называют эпигенетическими. Неактивное состояние гена может быть обусловлено особой компактной структурой хроматина (гетерохроматина), которая образуется в результате взаимодействия ДНК со специфическими хромосомными белками (модификация гистонов). В некоторых случаях образование такой структуры хроматина объясняют метилированием ДНК, и, напротив, деметилирование ДНК может сопровождаться активацией гена.
Благодаря последним достижениям в области молекулярных технологий сегодня стало возможным определение эпигенетического статуса спортсмена, который может передаваться от поколения к поколению. Данный статус позволяет выявлять как активные, так и неактивные (метилированные) гены индивида, ответственные за развитие функций мышечной, сердечно-сосудистой и других систем организма, что важно для прогноза спортивных возможностей организма [10].
Изучение экспрессии генов у спортсменов (транскриптомика)
Тренировки, направленные на развитие выносливости либо скоростно-си-ловых качеств, представляют собой разные по стимулам внешние воздействия, которые приводят к специфическим структурным и метаболическим сдвигам в скелетных мышцах. Однократная физическая нагрузка сопровождается изменением экспрессии сотен генов, которая приходит к исходному уровню через некоторое время. Долговременную адаптацию к тренировкам различной направленности, по-видимому, можно рассматривать как ответ организма на совокупность однократных физических нагрузок, которые приводят к глобальным изменениям в системе регуляции генной экспрессии. В некоторых исследованиях было установлено наличие стойкой экспрессии сотен генов у спортсменов и добровольцев в ответ на длительные физические нагрузки аэробного и анаэробного характера [11]. Определение транскрипционного профиля (активация каких генов и в какой степени) скелетных мышц позволит оценить, насколько эффективно происходит адаптация организма спортсменов к определенным физическим нагрузкам, а также прогнозировать их спортивную успешность.
Циркулирующие в крови ДНК
Повышенные физические нагрузки у спортсменов нередко приводят к утомлению, состоянию переутомления и перетренированности. Это способствует длительному напряжению функциональных систем организма, накоплению усталости и недовосстановления организма, что рано или поздно влечет за собой развитие перетренированности. Стандартные биохимические маркеры
не обладают достаточной специфичностью и являются более информативными для мониторинга уже наступившего состояния переутомления и перетренированности, чем для ранней диагностики. Одним из перспективных биомаркеров, которые могут быть использованы для ранней диагностики и прогнозирования переутомления и перетренированности, являются циркулирующие в крови ДНК [12].
Интерес к циркулирующим в крови ДНК возрос после того, как выяснилось, что ее количество может существенно возрастать после выполнения физических нагрузок различной интенсивности и длительности. Это придало совершенно четкое практическое значение дальнейшему изучению циркулирующих нуклеиновых кислот в спорте. Циркулирующая ДНК может появляться в кровотоке в результате гибели ядросодержащих клеточных элементов, созревания эритроцитов и тромбоцитов, а также активной секреции нуклеиновых кислот во внеклеточное пространство. В состоянии покоя содержание циркулирующей ДНК составляет 1.32-18.01 пкг/мкл (имеются индивидуальные различия), в то время как сразу после физической нагрузки ее уровень достигает 334.4 ± 139.41 пкг/мкл. Предполагается, что появление циркулирующих ДНК в кровотоке в высокой концентрации на фоне напряженных длительных физических нагрузок может быть ранним признаком наступления состояния переутомления и перетренированности [12].
Протеомные технологии
В последние годы для поиска новых биомаркеров, указывающих на изменения функционального состояния организма человека, все чаще используют постгеномные методы анализа, среди которых протеомные технологии занимают ведущие позиции [13]. Одним из подходов контроля организма спортсмена, подвергающегося интенсивным физическим нагрузкам, является оценка комплекса белков и пептидов, отвечающих за реализацию той или иной физиологической функции и находящихся в кровяном русле либо скелетных мышцах, в ходе физической нагрузки и в период восстановления и в сравнении с профилем человека, не занимающегося спортом.
Выявление различий в величине экспрессии белков при исследовании различных образцов в динамике на различных тренировочных этапах микро- и ме-зоциклов, при восстановительных мероприятиях позволяет анализировать отдельные клеточные функции и метаболические пути, вовлеченные в адаптационные процессы к физическим нагрузкам у спортсменов. В этом случае протеомные методы исследования существенно дополняют данные о транскриптоме конкретного спортсмена.
Метаболомика
Выполнение физических нагрузок различной интенсивности и продолжительности сопровождается изменениями в обмене веществ, что приводит к появлению в различных тканях и биологических жидкостях отдельных низкомолекулярных соединений - метаболитов, которые отражают функциональные изменения и могут служить биохимическими тестами либо показателями их
характеристики. Метаболом представляет собой полный набор метаболитов (таких как промежуточные продукты обмена веществ, гормоны и другие сигнальные молекулы и вторичные метаболиты), которые могут быть найдены в любом биологическом образце.
Определение метаболомных показателей позволяет решать следующие задачи комплексного обследования: контроль за функциональным состоянием спортсмена, которое отражает эффективность и рациональность выполняемой индивидуальной тренировочной программы, наблюдение за адаптационными изменениями основных энергетических систем и функциональной перестройкой организма в процессе тренировки, диагностика предпатологических и патологических изменений метаболизма спортсменов.
Метаболический контроль позволяет, кроме того, решать такие частные задачи, как выявление реакции организма на физические нагрузки, оценка уровня тренированности, адекватности применения фармакологических и других восстанавливающих средств, роли энергетических метаболических систем в мышечной деятельности, воздействия климатических факторов и др. В частности, в недавней работе [14] был определен ряд метаболитов (4-этилфенилсульфат, триптофан, у-токоферол, а-гидрокси-изовалерат и др.), на основании которых можно прогнозировать аэробные возможности человека.
Теломеразы, теломеры и спортивное долголетие
Одним из открытых вопросов на сегодня остается поиск биологических маркеров спортивного долголетия. Теломераза - рибонуклеопротеин, который удлиняет концы хромосом (теломеры), укорачивающиеся при репликации ДНК. Активность теломеразы рассматривается как маркер продолжительности активного функционирования клетки и ее пролиферативного потенциала, а длина теломер - в качестве «клеточных часов», ограничивающих число возможных делений клетки. Предполагается, что чем активнее и длительнее функционирует система удлинения теломер в клетках, тем дольше спортсмен может поддерживать свои спортивные результаты на высоком уровне. У физически активных людей длина теломер лейкоцитов может быть на 200 нуклеотидов длиннее, чем у лиц, ведущих малоподвижный образ жизни [15].
Аэробные нагрузки приводят к увеличению активности теломеразы, количества теломеразной обратной транскриптазы в миокарде, лейкоцитах и эндо-телиальных клетках и к предотвращению укорочения теломер в них. Кроме того, было установлено, что длина теломер положительно коррелирует с уровнем МПК у спортсменов, тренирующих выносливость [16]. При миопатическом синдроме усталости спортсменов средняя длина теломер в мышцах спортсменов меньше, чем у здоровых спортсменов, при этом у некоторых индивидов наблюдаются экстремально короткие теломеры, что может объясняться повышенной частотой регенерации мышц у интенсивно тренирующихся спортсменов [17]. Таким образом, для прогноза аэробных возможностей, патологий скелетных мышц и склонности к долгой спортивной карьере представляется перспективным использование информации о длине теломер и активности теломеразы у спортсменов.
Применение молекулярной диагностики на этапах многолетней спортивной подготовки
Необходимо отметить, что для любой методики спортивного отбора и ориентации существует свое наиболее оптимальное время применения в рамках многолетней подготовки спортсменов. В табл. 4 представлены возможности применения молекулярных и классических (антропометрических, психологических, физиологических, педагогических и др.) методов в системе спортивного отбора и ориентации в зависимости от этапа спортивной подготовки.
Табл. 4
Молекулярные и классические методы исследований, которые могут применяться на различных этапах спортивного отбора и ориентации
Этапы спортивного отбора и ориентации
Задачи спортивного отбора и ориентации [18]
Методы спортивного отбора и ориентации
Первичный
Установление целесообразности спортивного совершенствования в данном виде спорта
Геномные (анализ маркеров предрасположенности к спорту и развитию профессиональных патологий), антропометрические, психологические, педагогические
Предварительный
Выявлению способности к эффективному спортивному совершенствованию. Подбор спортивной специализации
Геномные (определение потенциала развития физических качеств; выявление слабых и сильных сторон организма), эпигеномные, психологические, психофизиологические, физиологические, педагогические
Промежуточный
Выявление способностей к достижению высоких спортивных результатов, перенесению высоких тренировочных и соревновательных нагрузок
Фармакогеномные, нутригеномные, метагеномные, стандартные биохимические методы, анализ циркулирующих в крови ДНК, педагогические, физиологические, психологические, психофизиологические_
Основной
Установление способностей к достижению результатов международного класса. Разработка стратегии и тактики тренировочной и соревновательной деятельности
Транскриптомные, протеомные, метаболомные, стандартные биохимические, педагогические, физиологические, психологические, психофизиологические
Заключительный
Выявление способностей к сохранению достигнутых результатов и их повышению. Определение целесообразности продолжения спортивной карьеры_
Определение длины теломер и активности теломеразы, транскрип-томные, протеомные, метаболом-ные, стандартные биохимические, педагогические, физиологические, психологические, психофизиологические
Заключение
Последние достижения в области молекулярной биологии и генетики открыли возможности для разработки новых подходов в спортивном отборе и ориентации, а также методов профилактики патологий, связанных со спортивной деятельностью. Уже сейчас в России и мире начинают закладываться основы принципиально новой системы медико-биологического обеспечения спорта, которая позволит поднять его на более высокий уровень, внедрить в практику основы профилактической медицины и генетики, активно помогать в планировании и коррекции тренировочного процесса.
Литература
1. Ahmetov I.I., Egorova E.S., Gabdrakhmanova L.J., Fedotovskaya O.N. Genes and athletic performance: An update // Med. Sport. Sci. - 2016. - V. 61. - P. 41-54. - doi: 10.1159/000445240.
2. Ahmetov I.I., Williams A.G., Popov D.V., Lyubaeva E.V., Hakimullina A.M., Fedo-tovskaya O.N., Mozhayskaya I.A., Vinogradova O.L., Astratenkova I.V., Montgomery H.E., Rogozkin V.A. The combined impact of metabolic gene polymorphisms on elite endurance athlete status and related phenotypes // Hum. Genet. - 2009. - V. 126, No 6. -P. 751-761. - doi: 10.1007/s00439-009-0728-4.
3. Ахметов И.И., Мустафина Л.Д., Насибулина Э.С. Медико-генетическое обеспечение детско-юношеского спорта // Практ. медицина. - 2012. - Вып. 7. - С. 62-66.
4. Ахметов И.И., Линде Е.В., Рогозкин В.А. Ассоциация полиморфизмов генов-регуляторов с типом адаптации сердечно-сосудистой системы к физическим нагрузкам // Вестн. спорт. науки. - 2008. - Вып. 1. - С. 38-41.
5. Линде Е.В., Ахметов И.И., Орджоникидзе З.Г., Астратенкова И.В., Федотова А.Г. Клинико-генетические аспекты формирования «патологического спортивного сердца» у высококвалифицированных спортсменов // Вестн. спорт. науки. - 2009. -Вып. 2. - C. 32-37.
6. Ахметов И.И. Молекулярная генетика спорта. - М.: Сов. спорт, 2009. - 268 с.
7. Plomin R., De Fries J.C., McClearn G. E., McGuffin P. Behavioral genetics. - N. Y.: Worth Publ., 2008. - 560 p.
8. Vukasovic T., Bratko D. Heritability of personality: A meta-analysis of behavior genetic studies // Psychol. Bull. - 2015. - V. 141, No 4. - P. 769-785. - doi: 10.1037/bul0000017.
9. Тимофеева М.А., Малюченко Н.В., Куликова М.А., Шлепцова В.А., Щеголькова Ю.А., Ведяков А.М., Тоневицкий А.Г. Перспективы изучения полиморфизмов ключевых генов нейромедиаторных систем. Сообщение II. Серотонинергическая система // Физиология человека. - 2008. - Т. 34, Вып. 3. - С. 114-124.
10. Ehlert T., Simon P., Moser D.A. Epigenetics in sports // Sports Med. - 2013. - V. 43, No 2. - P. 93-110. - doi: 10.1007/s40279-012-0012-y.
11. Stepto N.K., Coffey V.G., Carey A.L., Ponnampalam A.P., Canny B.J., Powell D., Haw-ley J.A. Global gene expression in skeletal muscle from well-trained strength and endurance athletes // Med. Sci. Sports Exercise. - 2009. - V. 41, No 3. - P. 546-565. - doi: 10.1249/MSS.0b013e31818c6be9.
12. Breitbach S., Tug S., Simon P. Circulating cell-free DNA: An up-coming molecular marker in exercise physiology // Sports Med. - 2012. - V. 42, No 7. - P. 565-586. - doi: 10.2165/11631380-000000000-00000.
13. Wu L., Candille S.I., Choi Y., Xie D., Jiang L., Li-Pook-Than J., Tang H., Snyder M. Variation and genetic control of protein abundance in humans // Nature. - 2013. - V. 499, No 7456. - P. 79-82. - doi: 10.1038/nature12223.
14. Lustgarten M.S., Price L.L., Logvinenko T., Hatzis C., Padukone N., Reo N.V., Phillips E.M., Kirn D., Mills J., Fielding R.A. Identification of serum analytes and metabolites associated with aerobic capacity // Eur. J. Appl. Physiol. - 2013. - V. 113, No 5. - P. 1311-1320. -doi: 10.1007/s00421-012-2555-x.
15. Cherkas L.F., Hunkin J.L., Kato B.S., Richards J.B., Gardner J.P., Surdulescu G.L., Ki-mura M., Lu X., Spector T.D., Aviv A. The association between physical activity in leisure time and leukocyte telomere length // Arch. Intern. Med. - 2008. - V. 168, No 2. -P. 154-158. - doi: 10.1001/archinternmed.2007.39.
16. 0sthus I.B., Sgura A., Berardinelli F., Alsnes I.V., Br0nstad E., Rehn T., St0bakk P.K., Hatle H., Wisl0ff U., Nauman J. Telomere length and long-term endurance exercise: does exercise training affect biological age? A pilot study // PLoS One. - 2012. - V. 7, No 12. -Art. e52769, P. 1-5. - doi: 10.1371/journal.pone.0052769.
17. Collins M., Renault V., Grobler L.A., St Clair Gibson A., Lambert M.I., Wayne Derman E., Butler-Browne G.S., Noakes T.D., Mouly V. Athletes with exercise-associated fatigue have abnormally short muscle DNA telomeres // Med. Sci. Sports Exerc. - 2003. - V. 35, No 9. - P. 1524-1528.
18. Платонов В.Н. Система подготовки спортсменов в олимпийском спорте. Общая теория и ее практические приложения: учебник тренера высшей квалификации. -М.: Сов. спорт, 2005. - 820 с.
Поступила в редакцию 27.03.17
Семенова Екатерина Александровна, аспирант Института фундаментальной медицины и биологии
Казанский (Приволжский) федеральный университет ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия E-mail: alecsekaterina@gmail.com
Валеева Елена Валерьевна, младший научный сотрудник центральной научно-исследовательской лаборатории
Казанский государственный медицинский университет
ул. Бутлерова, д. 49, г. Казань, 420012, Россия E-mail: vevaleeva@ya.ru
Булыгина Евгения Александровна, младший научный сотрудник Openlab «Омиксные технологии» Института фундаментальной медицины и биологии
Казанский (Приволжский) федеральный университет ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия E-mail: boulygina@gmail.com
Губайдуллина Светлана Ильшатовна, младший научный сотрудник учебно-научного центра технологии подготовки спортивного резерва
Поволжская государственная академия физической культуры, спорта и туризма
ул. Деревня Универсиады, д. 35, г. Казань, 420010, Россия E-mail: gubajdullina_svetlana@mail.ru
Ахметов Ильдус Ильясович, доктор медицинских наук, заведующий отделом молекулярной генетики Центральной научно-исследовательской лаборатории; ведущий научный сотрудник сектора биохимии спорта; научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики человека Казанский государственный медицинский университет ул. Бутлерова, д. 49, г. Казань, 420012, Россия
Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт физической культуры
Литовский пр., д. 56 литера «Е», г. Санкт-Петербург, 191040, Россия Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины ФМБА России
ул. Малая Пироговская, д. 1а, г. Москва, 119435, Россия E-mail: genoterra@mail.ru
ISSN 2542-064X (Print) ISSN 2500-218X (Online)
UCHENYE ZAPISKI KAZANSKOGO UNIVERSITETA. SERIYA ESTESTVENNYE NAUKI (Proceedings of Kazan University. Natural Sciences Series)
2017, vol. 159, no. 2, pp. 232-247
Application of Omics Technologies in the System of Sports Training
E.A. Semenovaa , E. V. Valeevab , E.A. Boulyginaa , S.I. Gubaydullinac , I.I. Ahmetovh'd'e aKazan Federal University, Kazan, 420008 Russia hKazan State Medical University, Kazan, 420012 Russia cVolga Region State Academy of Physical Culture, Sport and Tourism, Kazan, 420010 Russia dSt. Petersburg Research Institute of Physical Culture, St. Petersburg, 191040 Russia eFederal Scientific Clinical Center for Physical and Chemical Medicine, Federal Medical-Biological Agency of Russia, Moscow, 119435 Russia E-mail: alecsekaterina@gmail.com, vevaleeva@yandex.ru, boulygina@gmail.com, gubajdullina_svetlana@mail.ru, genoterra@mail.ru
Received March 27, 2017
Abstract
Deciphering the human genome, and further development of omics technologies, have opened new opportunities in studying the molecular mechanisms underlying the sport success. According to modern concepts of functional genomics, it is believed that individual differences in the degree of development of physical and mental qualities, as well as in the susceptibility to different diseases of athletes are largely due to DNA polymorphisms. Genetic markers associated with the development and manifestation of physical qualities (speed, strength, endurance, agility, flexibility) can be used in the sports selection system, to clarify sports specialization and to optimize the training process. Other molecular markers (methyl groups, transcripts, telomerase activity, telomeres, circulating DNA, metabolites, proteins, etc.) in addition to predicting athletic performance, allow assessing the current functional state of the athlete, including the phenomenon of overtraining. The purpose of this review is to provide data on the use of genomic, epigenetic, transcriptomic, proteomic and metabolic methods in sports talent identification, assessing the current functional status of athletes and in the prescription of personal training and nutrition programs. Future research, including multicentre genome-wide association studies and whole-genome sequencing in large cohorts of athletes with further validation and replication, will substantially contribute to the discovery of large numbers of the causal genetic variants (mutations and DNA polymorphisms) that would partly explain the heritability of athlete status and related phenotypes.
Keywords: DNA polymorphism, genome, epigenome, transcriptome, proteome, metabolome, biomarkers, telomeres, sports selection
References
1. Ahmetov I.I., Egorova E.S., Gabdrakhmanova L.J., Fedotovskaya O.N. Genes and athletic performance: An update. Med. SportSci., 2016, vol. 61, pp. 41-54. doi: 10.1159/000445240.
2. Ahmetov I.I., Williams A.G., Popov D.V., Lyubaeva E.V., Hakimullina A.M., Fedotovskaya O.N., Mozhayskaya I.A., Vinogradova O.L., Astratenkova I.V., Montgomery H.E., Rogozkin V.A. The combined impact of metabolic gene polymorphisms on elite endurance athlete status and related phenotypes. Hum. Genet., 2009, vol. 126, no. 6, pp. 751-761. doi: 10.1007/s00439-009-0728-4.
3. Ahmetov I.I., Mustafina LD, Nasibulina E.S. Medical genetic support of children's and youth sports. Prakt. Med., 2012, vol. 7, pp. 62-66. (In Russian)
4. Ahmetov I.I., Linde E.V., Rogozkin V.A. Association of polymorphisms of gene-regulators with the type of adaptation of the cardiovascular system to physical exercise. Vestn. Sportivnoi Nauki, 2008, vol. 1, pp. 38-41. (In Russian)
5. Linde E.V., Ahmetov I.I., Ordzhonikidze Z.G., Astratenkova I.V., Fedotova A.G. Clinical and genetic aspects of the formation of a "pathological athlete's heart" in highly qualified athletes. Vestn. Sportivnoi Nauki, 2009, vol. 2, pp. 32-37. (In Russian)
6. Ahmetov I.I. Molecular Genetics of Sport. Moscow, Sov. Sport, 2009. 268 p. (In Russian)
7. Plomin R., De Fries J.C., McClearn G.E., McGuffin P. Behavioral Genetics. New York, Worth Publ., 2008. 560 p.
8. Vukasovic T., Bratko D. Heritability of personality: A meta-analysis of behavior genetic studies. Psychol. Bull., 2015, vol. 141, no. 4, pp. 769-785.
9. Timofeeva M.A., Maliuchenko N.V., Kulikova M.A., Shleptsova V.A., Shchegolkova Yu.A., Ve-diakov A.M., Tonevitsky A.G. Prospects of studying the polymorphisms of key genes of neurotransmitter systems: II. The serotonergic system. Hum. Physiol., 2008, vol. 34, no. 3, pp. 363-372. doi: 10.1134/S0362119708030158.
10. Ehlert T., Simon P., Moser D.A. Epigenetics in sports. Sports Med., 2013, vol. 43, no. 2, pp. 93110. doi: 10.1007/s40279-012-0012-y.
11. Stepto N.K., Coffey V.G., Carey A.L., Ponnampalam A.P., Canny B.J., Powell D., Hawley J.A. Global gene expression in skeletal muscle from well-trained strength and endurance athletes. Med. Sci. Sports Exercise, 2009, vol. 41, no. 3, pp. 546-565. doi: 10.1249/MSS.0b013e31818c6be9.
12. Breitbach S., Tug S., Simon P. Circulating cell-free DNA: An up-coming molecular marker in exercise physiology. Sports Med, 2012, vol. 42, no. 7, pp. 565-586. doi: 10.2165/11631380-000000000-00000.
13. Wu L., Candille S.I., Choi Y., Xie D., Jiang L., Li-Pook-Than J., Tang H., Snyder M. Variation and genetic control of protein abundance in humans. Nature, 2013, vol. 499, no. 7456, pp. 79-82. doi: 10.1038/nature12223.
14. Lustgarten M.S., Price L.L., Logvinenko T., Hatzis C., Padukone N., Reo N.V., Phillips E.M., Kirn D., Mills J., Fielding R.A. Identification of serum analytes and metabolites associated with aerobic capacity. Eur. J. Appl. Physiol., 2013, vol. 113, no. 5, pp. 1311-1320. doi: 10.1007/s00421-012-2555-x.
15. Cherkas L.F., Hunkin J.L., Kato B.S., Richards J.B., Gardner J.P., Surdulescu G.L., Kimura M., Lu X., Spector T.D., Aviv A. The association between physical activity in leisure time and leukocyte telomere length. Arch. Intern. Med., 2008, vol. 168, no. 2, pp. 154-158. doi: 10.1001/archinternmed.2007.39.
16. 0sthus I.B., Sgura A., Berardinelli F., Alsnes I.V., Branstad E., Rehn T., St0bakk P.K., Hatle H., Wisl0ff U., Nauman J. Telomere length and long-term endurance exercise: Does exercise training affect biological age? A pilot study. PLoS One, 2012, vol. 7, no. 12, art. e.52769, pp. 1-5. doi: 10.1371/journal.pone.0052769.
17. Collins M., Renault V., Grobler L.A., St Clair Gibson A., Lambert M.I., Wayne Derman E., ButlerBrowne G.S., Noakes T.D., Mouly V. Athletes with exercise-associated fatigue have abnormally short muscle DNA telomeres. Med. Sci. Sports Exercise, 2003, vol. 35, no. 9, pp. 1524-1528.
18. Platonov V.N. The System of Athletes Training in the Olympic Sport. The General Theory and Its Practical Applications: Handbook for Trainer of Highest Qualification. Moscow, Sov. Sport, 2005. 820 p. (In Russian)
Для цитирования: Семенова Е.А., Валеева Е.В., Булыгина Е.А., Губайдуллина С.И., Ахметов И.И. Применение омиксных технологий в системе спортивной подготовки // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. - 2017. - Т. 159, кн. 2. - С. 232-247.
For citation: Semenova E.A., Valeeva E.V., Boulygina E.A., Gubaydullina S.I., Ahmetov I.I. Application of omics technologies in the system of sports training. Uchenye Zapiski Ka-zanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2017, vol. 159, no. 2, pp. 232-247. (In Russian)
