Влияние полиморфизмов генов ACE и BDKRB2 на аэробные возможности спортсменов

Ахметов И.И.

УДК 575.1+576.311.347+612.744.2:612.76

ВЛИЯНИЕ ПОЛИМОРФИЗМОВ ГЕНОВ ACE И BDKRB2 НА АЭРОБНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СПОРТСМЕНОВ

И.И. Ахметов - кандидат медицинских наук, заведующий лабораторией молекулярной генетики Казанский государственный медицинский университет

Казань

THE INFLUENCE OF ACE AND BDKRB2 GENES' POLYMORPHISMS ON THE AEROBIC CAPACITY OF ATHLETES

I.I. Ahmetov - candidate of medical sciences, Head of the molecular genetics laboratory Kazan State Medical University Kazan

e-mail: genoterra@mail. ru

Ключевые слова: ACE, BDKRB2, полиморфизм генов, физическая работоспособность, гребля на байдарках

Аннотация. Цель исследования заключалась в выявлении взаимосвязи полиморфизмов генов ACE и BDKRB2 с физической работоспособностью высококвалифицированных гребцов-байдарочников (n=18). Генотипирование осуществляли с помощью ПЦР. Физиологические показатели спортсменов определяли в начале и в конце подготовительного периода с применением гребного эргометра и газоанализатора MetaLyzer II. Максимальное потребление кислорода возросло в среднем на 12,7% и 14,8%у мужчин (n=13) и женщин (n=5), соответственно. При этом объем вентилируемого воздуха (VE) у мужчин снизился на 9,6%. Суммарное число благоприятствующих проявлению выносливости аллелей генов ACE (I аллель) и BDKRB2 (-9 аллель) отрицательно коррелировало с величиной VE как у мужчин (p=0.0074), так и женщин (p=0.017), что свидетельствует о взаимосвязи этих аллелей с экономизацией работы дыхательных мышц. Таким образом, полиморфизмы генов ACE и BDKRB2 ассоциируются с уровнем аэробных возможностей спортсменов.

Key words: ACE, BDKRB2, polymorphisms of genes, physical performance, kayaking

Summary. The aim of the study was to find interrelation between ACE and BDKRB2 genes' polymorphisms and physical performance of elite kayakers (n=18). Genotyping was performed by PCR. Physiological parameters of athletes were evaluated by Kayak Ergometer and MetaLyzer II Gas Analyzer at the beginning and at the end of preparation period. Maximal oxygen consumption was increased by 12.7% and 14.8% in males (n=13) and females (n=5), respectively. Furthermore, the ventilation volume (VE) was decreased by 9.6% in males. The total number of ACE (I allele) and BDKRB2 -9 alleles, favorable for endurance performance, was negatively correlated with VE values in males (p=0.0074) and females (p=0.017), indicating that these alleles are associated with the work economization of respiratory muscles. Thus, polymorphisms of ACE and BDKRB2 genes are associated with the aerobic capacity of athletes.

Введение

Повышение аэробной работоспособности вследствие систематических пролонгированных нагрузок обусловлено множеством адаптационных реакций в ответ на тренировоч-

ные стимулы. К одним из таких реакций относится рациональная адаптация сердечнососудистой и дыхательной систем к физическим нагрузкам, которая характеризуется эконо-мизацией работы миокарда и дыхательных мышц, увеличением числа капилляров вокруг каждого мышечного волокна, оптимизацией сосудистого тонуса и др. [4, 16]. Индивидуальные различия в степени таких адаптационных изменений во многом обусловлены генетическими факторами, определяющими наследственную предрасположенность к выполнению физических нагрузок различной интенсивности и длительности [1, 6, 7, 8].

К одним из основных факторов, непосредственно влияющих на производительность сердечно-сосудистой и дыхательной систем, относятся компоненты ренин-ангиотензиновой и каллекреин-кининовой систем. Так, за последнее десятилетие была установлена связь между инсерционно-делеционными (I/D) полиморфизмами генов ангиотензин-превращающего фермента (ACE; ответственен за образование ангиотензина-II (вазоконстриктор и фактор роста) и распад брадикинина) и рецептора брадикинина 2 типа (BDKRB2; опосредует сосудорасширяющее действие брадикинина) и физической работоспособностью человека. В частности, было показано, что ACE I и BDKRB2 D (-9) аллели превалируют в группе стайеров по сравнению со спринтерами и контрольной группой [2, 13-15, 17], что полностью согласуется с данными об ассоциации этих аллелей со снижением риска развития гипертрофии миокарда (фактор, ограничивающий кардиореспираторную выносливость) в ответ на физические нагрузки [9, 12], а также с высоким уровнем соревновательной успешности [3].

Цель настоящего исследования заключалась в выявлении взаимосвязи полиморфизмов генов ACE и BDKRB2 с физической работоспособностью гребцов-байдарочников.

Методы и организация исследования

18 высококвалифицированных спортсменов (мужчины: n=13, возраст 23.8±1.5 лет, МПК 54,4±1,4 мл/мин/кг; женщины: n=5, возраст 22.2±2.4 лет, МПК 45,8±1,1 мл/мин/кг), специализирующихся в гребле на байдарках (члены команды сборной России), подписали информированное согласие на участие в физиологическом и генетическом обследовании.

Анализ полиморфизмов генов. Образцы ДНК испытуемых выделяли из венозной крови. Полиморфизмы генов ACE и BDKRB2 определяли с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) с использованием двухпраймерной системы (ген ACE: прямой праймер (п.п.) -5'-CTGGAGACCACTCCCATCCTTTCT-3', обратный праймер (о.п.) - 5'-GATGTGGCCATCACATTCGTCAGAT-3'; ген BDKRB2: п.п. - 5'-TCTGGCTTCTGGGCTCCGAG-3', о.п. - 5'-AGCGGCATGGGCACTTCAGT-3' («Синтол»)). Анализ длин амплифицированных фрагментов проводился электрофоретическим разделением в 2-4% агарозном геле, окрашенном бромистым этидием, с последующей визуализацией в проходящем ультрафиолетовом свете.

Аэробные возможности спортсменов определяли в начале и в конце подготовительного периода годичного тренировочного цикла с интервалом 3-3,5 месяца. Нагрузочное тестирование (тест со ступенчато повышающейся мощностью) проводили на гребном эргометре Ефремова [5]. Начальная нагрузка для мужчин - 8 кг, для женщин - 5 кг, длительность ступени 2 мин, шаг - 1 кг, время отдыха между ступенями - 30 с. Работа выполнялась до отказа. На протяжении всего теста с помощью прибора MetaLyzer II (Германия) регистрировали показатели газообмена и объем вентилируемого воздуха. Частоту сердечных сокращений (ЧСС) измеряли по средствам монитора сердечного ритма Polar (Финляндия).

Статистическая обработка данных была выполнена с применением компьютерной программы «GraphPad InStat». Определяли: средние значения (M) и стандартную ошибку среднего (±SEM). Сравнение однородных групп по количественному признаку проводили с помощью парного t теста. При проведении корреляционного анализа использовали критерий Спирмена. Различия считались статистически значимыми при p<0.05.

Результаты и их обсуждение

Полученные данные по распределению частот генотипов и аллелей изучаемых генов у спортсменов значимо не отличались от популяционных данных (таблица 1).

Таблица 1

Относительное распределение (%) генотипов и аллелей по генам ACE и BDKRB2 _у спортсменов и в европейских популяциях._

Генотипы/ аллели Байдарочники Контрольная группа [2, 11, 14]

ACE II 22,2 24,0

ACE ID 55,6 52,0

ACE DD 22,2 24,0

I аллель, % 50,0 50,0

BDKRB2 +9/+9 33,3 26,0

BDKRB2 +9/-9 44,5 49,6

BDKRB2 -9/-9 22,2 24,4

-9 аллель, % 44,4 49,2

Обнаружение значимых различий в физиологических показателях между гребцами разного пола обусловило проведение раздельного анализа динамики роста показателей и взаимосвязи генотипов с фенотипическими данными. Максимальное потребление кислорода возросло в среднем на 12,7% (до: 54,4±1,4 мл/мин/кг, после: 61,3±0,6 мл/мин/кг; p=0.0028) и 14,8% (до: 45,8±1,1 мл/мин/кг, после: 52,6±2,3 мл/мин/кг; p=0.024) у мужчин и женщин, соответственно. При этом объем вентилируемого воздуха у мужчин снизился на 9,6% (до: 178±8 л/мин, после: 161±9 л/мин; p=0.013), а у женщин значимо не изменился (до: 101±9 л/мин, после: 103±6 л/мин; p=0.83).

Суммарное число благоприятствующих проявлению выносливости аллелей генов ACE (I аллель) и BDKRB2 (-9 аллель) отрицательно коррелировало с величиной объема вентилируемого воздуха как у женщин в начале подготовительного периода (1 аллель - 119±2 л/мин, 2 аллеля - 106 л/мин, 3 аллеля - 81±10 л/мин; r=-0.95, p=0.017), так и мужчин в конце данного периода (1 аллель - 172±7 л/мин, 2 аллеля - 154±12 л/мин, 3 аллеля - 147±1 л/мин; r=-0.7, p=0.0074).

Как известно, при повышении интенсивности физической нагрузки, транспортируемого в мышцы кислорода становится уже недостаточно для эффективного окисления субстратов. Это компенсируется образованием большого количества энергии путем гликолиза, что ведет к увеличению образования и аккумуляции молочной кислоты. Молочная кислота в сочетании с бикарбонатом натрия образуют лактат натрия, воду и CO2. В свою очередь CO2 стимулирует хеморецепторы, которые посылают в центр вдоха сигнал увеличить вентиляцию. С этого момента вентиляция начинает увеличиваться непропорционально потреблению кислорода (момент снижения эффективности вентиляции). Имеются данные, что легочная вентиляция может быть лимитирующим фактором при выполнении максимальной физической нагрузки высокотренированными спортсменами [10]. Это связано с тем, что усиленное дыхание в течение длительного времени может привести к истощению запасов гликогена и утомлению дыхательных мышц. Более того, диафрагма, межреберные мышцы и мышцы живота для осуществления вентиляции при значительной физической нагрузке могут потреблять более 15% всего утилизируемого кислорода. На этом основании снижение объема вентилируемого воздуха при повышении МПК у гребцов в процессе тренировок в нашем исследовании свидетельствует об увеличении экономичности дыхания и рациональном пути адаптации сердечно-сосудистой и дыхательных систем к физическим нагрузкам.

Отрицательная корреляция между суммарным числом ACE I и BDKRB2 -9 аллелей и величиной объема вентилируемого воздуха у спортсменов обоих полов может быть связана с благоприятным эффектом этих аллелей на развитие аэробных возможностей. Наличие как ACE I, так и BDKRB2 -9 аллеля, ассоциировано с пониженным сосудистым тонусом сосудов, снижением риска развития артериальной гипертензии, гипертрофии миокарда левого желудочка [9, 11, 12], а также с предрасположенностью к развитию и проявлению выносливости

[2, 13-15, 17]. Вполне логично, что у индивидов с высокими аэробными возможностями (и, соответственно, с высоким числом аллелей выносливости) момент снижения эффективности вентиляции может наступать позже, а максимальные значения объема вентилируемого воздуха могут находиться в диапазоне средних величин и снижаться еще больше с увеличением тренированности.

Таким образом, результаты исследования свидетельствуют об ассоциации I/D полиморфизмов генов ACE и BDKRB2 с уровнем аэробных возможностей спортсменов.

Литература

1. Ахметов, И.И. Взаимосвязь полиморфизмов генов с успешностью соревновательной деятельности элитных гребцов / И.И. Ахметов, Д.В. Ребриков // Вестник спортивной науки. - 2008. - № 4. - С. 70-72.

2. Ахметов, И.И. Молекулярная генетика спорта : монография / И.И. Ахметов. - М. : Советский спорт, 2009. - 268 с.

3. Ефремов, Г.М. Рекомендации по использованию тренажера Г. Ефремова для подготовки спортсменов высокой квалификации / Г.М. Ефремов // Мир гребли. - 2007. - № 9. - С. 16-21.

4. Использование молекулярно-генетических методов для прогноза аэробных и анаэробных возможностей у спортсменов / И.И. Ахметов, Д.В. Попов, И.В. Астратенкова, А.М. Дружевская, С.С. Миссина, О. Л. Виноградова, В. А. Рогозкин // Физиология человека. - 2008. - Т. 34. - № 3. - С. 86-91.

5. Полиморфизм гена фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и аэробная работоспособность спортсменов / И.И. Ахметов, А.М. Хакимуллина, Д.В. Попов, С.С. Миссина, О. Л. Виноградова, В.А. Рогозкин // Физиология человека. - 2008. - T. 34. - № 4. - С. 97-101.

6. Роль наследственных факторов в формировании гипертрофии миокарда левого желудочка у высококвалифицированных спортсменов / Е.В. Линде, И.И. Ахметов, И.В. Астратенкова, А.Г. Федотова // Международный журнал интервенционной кардиоангиологии. - 2007. - № 13. - С. 56-62.

7. Bray, M.S. Bouchard The Human Gene Map for Performance and Health-Related Fitness Phenotypes : The 2006-2007 Update / M.S. Bray, J.M. Hagberg, L. Perusse, et al. // Med. Sci. Sports. Exerc. - 2009. - V. 41. - P. 3573.

8. Brull, D. Bradykinin B2BKR receptor polymorphism and left-ventricular growth response / D. Brull, S. Dhamrait, S. Myerson, et al. // Lancet. - 2001. - V. 358(9288). - P. 1155-1156.

9. Dempsey, J.A. Wolffe memorial lecture. Is the lung built for exercise? / J.A. Dempsey // Med Sci Sport Exerc. - 1986. - V. 18(2). - P. 143-155.

10. Dhamrait, S.S. Variation in bradykinin receptor genes increases the cardiovascular risk associated with hypertension / S.S. Dhamrait, J.R. Payne, Li P., et al. // Eur Heart J. - 2003. - V. 24(18). - P. 1672-1680.

11. Montgomery, H. Angiotensin-converting-enzyme gene insertion/deletion polymorphism and response to physical training / / H. Montgomery, P. Clarkson, M. Barnard, et al. // Lancet. - 1999. - V. 353(9152). - P. 541-545.

12. Myerson, S. Human angiotensin I-converting enzyme gene and endurance performance / S. Myerson, H. Hemingway, R. Budget, et al. // J Appl Physiol. - 1999. - V. 87. - P. 1313-1316.

13. Nazarov, I.B. The angiotensin converting enzyme I/D polymorphism in Russian athletes / I.B. Nazarov, D.R. Woods, H.E. Montgomery, et al. // Eur J Hum Genet. - 2001. - V. 9. - P. 797-801.

14. Saunders, C.J. The bradykinin beta 2 receptor (BDKRB2) and endothelial nitric oxide synthase 3 (NOS3) genes and endurance performance during Ironman Triathlons / C.J. Saunders, S.L. Xenophontos, M.A. Cariolou, et al. // Hum Mol Genet. - 2006. - V. 15(6). - P. 979-987.

15. Shono, N. Effects of low intensity aerobic training on skeletal muscle capillary and blood lipoprotein profiles / N. Shono, H. Urata, B. Saltin, et al. // J Atheroscler Thromb. - 2002. - V. 9. - P. 78-85.

16. The combined impact of metabolic gene polymorphisms on elite endurance athlete status and related phenotypes / I.I. Ahmetov, A.G. Williams, D.V. Popov, E.V. Lyubaeva, A.M. Hakimullina, O.N. Fedotovskaya, I.A. Moz-hayskaya, O.L. Vinogradova, I.V. Astratenkova, H.E. Montgomery, V.A. Rogozkin // Human Genetics. - 2009. -V. 126(6). - P. 751-761.

17. Williams, A.G. Bradykinin receptor gene variant and human physical performance / A.G. Williams, S.S. Dhamrait, P.T. Wootton, et al. // J Appl Physiol. - 2004. - V. 96(3). - P. 938-942.

Literature

1. Ahmetov, I.I. Interrelation between gene polymorphisms and the success of competitive activity of elite rowers / I.I. Ahmetov, D.V. Rebrikov // Bulletin of Sport Science. - 2008. - No.4. - P. 70-72.

2. Ahmetov, I.I. Molecular sports genetics : monograph / I.I. Ahmetov. - M. : Soviet Sport, 2009. - 268 p.

3. Efremov, G.M. Recommendations on the use of G. Efremov's simulator for the training of elite athletes // The world of rowing. - 2007. - No..9. - P.16-21.

4. The usage of molecular genetic methods for prognosis of aerobic and anaerobic performance of athletes / I.I. Ahmetov, D.V. Popov, I.V. Astratenkova, A.M. Druzhevskaya, S.S. Missina, O.L. Vinogradova, V.A. Rogozkin // Human Physiology. - 2008. - Vol. 34. - No. 3. - P. 86-91.

5. Polymorphism of the vascular endothelial growth factor (VEGF) gene and aerobic capacity of athletes / I.I. Ahmetov, A.M. Hakimullina, D.V. Popov, S.S. Missina, O.L. Vinogradova, V.A. Rogozkin // Human Physiology. - 2008. - Vol. 34. - No. 4- P. 97-101.

6. The role of hereditary factors in development of left ventricular hypertrophy of elite athletes / E.V. Linde, I.I. Ahmetov, I.V. Astratenkova, A.G. Fedotova // International Journal of Interventional Cardioangiology. - 2007. -Vol. 13. - P. 56-62.

7. Bray, M.S. Bouchard The Human Gene Map for Performance and Health-Related Fitness Phenotypes : The 2006-2007 Update / M.S. Bray, J.M. Hagberg, L. Perusse, et al. // Med. Sci. Sports. Exerc. - 2009. - V. 41. -P. 35-73.

8. Brull, D. Bradykinin B2BKR receptor polymorphism and left-ventricular growth response / D. Brull, S. Dhamrait, S. Myerson, et al. // Lancet. - 2001. - V. 358(9288). - P. 1155-1156.

9. Dempsey, J.A. Wolffe memorial lecture. Is the lung built for exercise? / J.A. Dempsey // Med Sci Sport Exerc. - 1986. - V. 18(2). - P.143-155.