Izomteljesítményt befolyásoló génváltozatok

Az izmok heterogenitása alapvető a funkciójuk szempontjából. Hisztokémiai ATP-áz festés, antitestfestés és elektroforézises eljárások kombinációja vezetett az emlősök vázizomzatában a négy rosttípus elkülönítéséhez, melyek egy lassan összehúzódó- (I-es típus) és három gyorsan kontraháló izomrostformát (IIA-, IIB- és IIX típus) alkotnak. Az izolált emlős 'slow-twitch' (ST) és 'fast-twitch' (FT) izmok és motoros egységek mechanikai és energetikai folyamatainak különbözőségei már igen jól ismertek (1). Alapvetően az ST izmok lassabbak, kisebb teljesítményűek, de az erő létrehozásában gazdaságosabbak, mint az FT izmok. Továbbá elmondható, hogy az ST izomrostoknak a csúcsteljesítménye lassabb rövidülési sebesség esetén figyelhető meg, szemben az FT rostokkal. A különböző motoros feladatok esetén ez a heterogenitás szükséges az izom kontraktilitása szempontjából, minimalizálva a fáradás jelenségét. Míg az állóképesség az ST rostok dominanciájával hozható összefüggésbe, addig az FT rostok esetén az erő és gyorsaság az elsődleges. Mindezt az is bizonyítja, hogy erőatléták és sprinterek nagyobb százalékban tartalmaznak alacsony oxidatív kapacitású FT izomrostokat, szemben az állóképességi sportolókkal, akik ST izomrostjainak előfordulása jóval magasabb arányú (1).

Az izomerő és az általános izomteljesítmény fontos tényező az erősportolók, sprinterek, továbbá aerob-anaerob sportot végzők körében. Számos génvariáns befolyásolja az izmok munkavégző képességét intenzív terhelés során. Az izmok oxigénellátására és energiafelhasználására hatást gyakorló génváltozatok befolyásolják az izomerő fenotípusát, illetve az állóképességi kapacitást (8).

A kreatin-kináz izoenzim MM (CK-MM) gén kódolja azt az izom citoszóljában előforduló CK izoformát, amely az adenozin-trifoszfát (ATP) gyors reszintéziséért felelős erőteljes izomkontrakció alatt. Azoknál az egereknél, melyekben a CK-MM gént kiütötték, a vázizom alacsonyabb fáradékonysága és emelkedett aerob kapacitásbeli celluláris adaptációja volt megfigyelhető. Az enzim jelenlétében az izom kifáradása normál körülmények között történik, valószínűen a lokális sejtkompartmentek szervetlen foszfát koncentrációjának növelése révén (1). Azokban a humán vizsgálatokban, melyek a CK-MM génszekvencia variabilitásának tanulmányozására irányultak, szoros összefüggést találtak a gén polimorfizmusai és a kardio-respiratórikus állóképesség növekedése között, melyet a 20 hetes edzés utáni maximális oxigénfelvételben történő változás, a csúcsteljesítmény, és a kisebb mértékű izomfáradás bizonyít. Az A/G polimorfizmus a CK-MM 3' nem-transzlálódó régiójában befolyásolja a futásbeli hatékonyságot állóképességi edzéskor (1). Megfigyelték, hogy ez a génvariáns egy másfél órás fizikai aktivitás után csökkenti az izomkontrakció erejét a 60 másodperces teszt alatt. Későbbi tanulmányok nem támasztották alá a CK-MM génpolimorfizmus és izomteljesítmény közötti összefüggést, azonban rámutattak az Ncol A/A genotípus és fizikai aktivitás rabdomiolízis kapcsolatára (2).

Az aktin-kötő α-aktinin-3 (ACTN3) fehérje egy rendkívül konzervált komponense az emlősök gyors vázizomrostjaiban lévő kontraktilis gépezetnek. Ez a fehérje csak az FT rostokban található meg, és felel a sprinterek vagy kerékpárosok teljesítményéért. Az ACTN3 szinte minden esetben jelen van az elit erősportolók esetén, míg az R577X polimorfizmus (16-os exonban az 1747-es pozícióban C>T csere, ami stopkodont eredményez) ACTN-3 deficienciával - tehát a fehérje teljes hiányával - társulva állóképességi sportolóknál figyelhető meg gyakrabban (például maratonisták, evezősök) (1,5,7). A C>T báziscsere miatti α-aktinin-3 fehérje hiánya homozigóta XX genotípus esetén a világ népességének mintegy 18%-át érinti (7). Az ACTN3 deficiencia egyébként nem okoz mozgásszervi betegséget, miopátiát, mivel az ACTN2 kompenzálja a hiányát. A különböző ACTN3 génvariánsokat hordozók között funkcióbeli eltérések vannak. Ezt támasztja alá az XX genotípus funkcionális megnyilvánulása, miszerint ACTN3 'knockout' (ko) egerek izmainak tanulmányozásakor csökkent a gyors rostok átmérője, fokozódott az aerob anyagcsere utakban részt vevő számos enzim aktivitása, megváltoztak a kontraktilis tulajdonságok, és rövidebb ideig tartott a fáradás utáni regeneráció. Annak ellenére, hogy a II-es típusú rostokból álló izomtömeg - és ezáltal az erő - csökkent, a ko egerek futási teljesítménye mintegy harmadával nőtt a kontroll, vad típusú állatokéhoz képest (1,5,7). Tehát az XX genotípus a lassú rostok metabolizmusának aktivitását fokozva növeli az állóképességi teljesítményt. Ez a jelenség többek között a fehérjehiány következtében a szénhidrát- és lipidanyagcserében működő enzimek aktivitásának megváltozása, illetve az aerob energiafelhasználás irányába történő kedvező eltolódás miatt jöhetett létre. Ez egyfajta eltolódást jelent a gyors rostok tulajdonságai felől a lassúak karakterisztikája felé (fáradással szembeni ellenállás, hatásosabb oxidatív metabolizmus), aminek magyarázataként az R577X nonszensz polimorfizmus sportolói teljesítményt és izomműködést módosító hatása állhat (7,8). Az érem másik oldala viszont, hogy az ACTN3 fehérje hiánya a vázizom erőteljes kontrakcióját negatívan befolyásolja a laktát-dehidrogenáz enzim aktivitásának-, valamint a raktározott szénhidrát mobilizációjának csökkenése révén (7). Ez értelemszerűen hátrányosan érinti a gyors erőt igénylő fizikai aktivitást. Kutatásokból kiderült, hogy az ACTN3 XX genotípusú fizikailag inaktív emberek izomereje, valamint sprintteljesítménye elmarad az eltérő ACTN3 genotípussal rendelkező, szintén nem sportolókéhoz képest (5). Azok a nők, akiknek XX genotípusa volt, szignifikánsan hosszabb idő alatt futottak le egy rövidtávot, mint az R allélt hordozók. Élsportolókon végzett vizsgálatok is hasonló eredményre vezettek. Az ACTN3 vad típusú R allél például sprinterekben és erőatlétákban nagyobb arányban van jelen, elősegítve a gyors izomrost kontrakciót, szemben az X allél állóképességi sportolókban való jelenlétével (7). Az igazsághoz hozzátartozik, hogy napvilágot láttak olyan tanulmányok is, melyekben nem mutattak ki szignifikáns összefüggést az R577X polimorfizmus és az extrém állóképességi teljesítmény között. Ennek ellenére az ACTN3 gént az egyik legfontosabb markernek tekintik a sportteljesítmény befolyásolását illetően (1,7).

A PEP-ek közül az ACTN3 mellett az angiotenzin-konvertáló enzim (ACE) polimorfizmusait vizsgálták a legtöbbször sprint és állóképességi sportteljesítmények vonatkozásában (6,7,9). Az ACE abban az ún. renin-angiotenzin-aldoszteron rendszerben (RAAS) játszik fontos szerepet, amelyik a szervezet folyadék- és elektrolit-háztartását, illetve a vérnyomást szabályozza (7). Az ACE enzim az angiotenzin I forma angiotenzin II-vé átalakítását végezve fontos vazokonstriktor (6). Az ACE génnek két gyakori allélja az inszerciós (I), és - a 16-os intronból egy 287 nukleotid hosszúságú szakasz kiesésével létrejött - deléciós (D) (5,6). Az ACE gén D allélja esetén magasabb ACE aktivitás figyelhető meg a szövetekben és a szérumban. Az I allél, és az II genotípus nagyobb előfordulási gyakoriságát - ami ACE aktivitás csökkenéssel jár együtt - mutatták ki elit állóképességi sportolók (például maratonfutók, triatlonisták, evezősök) körében (1,7,9,10). Hasonlóképp magasabb frekvenciával jelentkezik az I allél hegymászóknál is. Az állóképességi teljesítménnyel kapcsolatban az ACE II genotípus az I-es típusú (ST) izomrostok nagyobb arányú jelenlétével társul, ami többek között magasabb VO_2max értéket, perifériás szöveti oxigenizácót eredményez (9). Ezzel szemben a D allél jelenléte a gyorsaság- és erőorientált sporttevékenységek (például rövidtávúszók, rövidtávfutók) esetén fokozott. A nagyobb ACE aktivitás ebben az esetben magasabb angiotenzin II szinttel jár, ami kedvezhet az edzés hatására bekövetkező hipertrófia fokozódásának. Ezt bizonyíthatja az a megfigyelés, hogy a fizikai aktivitás nagyobb mértékben növelte a quadriceps izom erejét a D allélt hordozók esetén (1,7). Az angiotenzin II a vér redisztribúcióját a II-es típusú rostok felé irányítja, ami ugyancsak magyarázhatja az ACE gén D alléljának erősportokhoz fűződő kapcsolatát (7). Ezzel ellentétben az I allél az állóképességbeli teljesítményt a tápanyagok szállításának és a vázizom hatékonyságának a javítása révén, további energiaraktárak konzerválásával befolyásolja (1). Hasonlóképpen az ACTN3-hoz, az ACE gén vizsgálataiból levont következtetések sem mindig egyértelműek, illetve azonosak egymással. Például a D allél esetén azt találták, hogy mind pozitív, mind negatív módon befolyásolja a VO_2max értékét (6). Elit jamaikai és amerikai sprintereket vizsgálva nem tudtak összefüggést találni az allél és a rövidtávfutó státusz között. Ugyanígy, egy kevert kaukázusi atléta populációról szóló tanulmányban sem találtak bizonyítékot az állóképességi sportágakban az I allél szignifikánsan különböző frekvenciájára, valamint a maximális oxigénfelvevő képességbeli eltérésre vonatkozóan a földrajzilag azonos kontroll populációhoz képest. Szintén kaukázusi populációkat vizsgálva megállapították, hogy nincs kapcsolat az I allél és az elit fizikai teljesítmény között, izraeliek és koreaiak esetén pedig épp a D allél az, ami összefügg az állóképességi teljesítménnyel. A számos ellentmondásos eredmény ellenére az ACE gént is kandidáns markerként tartják számon a teljesítőképesség befolyásolását illetően (6).

Az izomműködés szorosan összefügg az izom energia metabolizmusára intenzív fizikai aktivitás során ható génekkel (2,8). A vázizomban az adenozin-monofoszfát-dezamináz-1 (AMPD1) az adenin nukleotid katabolizmusában aktívan részt vevő enzim (1). Terheléskor az ATP/ADP arány csökkenése az AMPD aktiválását eredményezi, ami az AMP hidrolízisével az ATP képződését segíti elő (7). Az AMPD1 gén C34T polimorfizmusa (nonszensz mutáció, ami stopkodont eredményez) a TT genotípussal rendelkező egyének AMPD deficienciájával jár együtt. Ennek hatására a fizikai aktivitás képességének, és a kardio-respiratórikus válasznak a csökkenését figyelték meg fizikailag inaktívak körében. Ezenfelül, a T allélt hordozóknak a maximális terhelés alatti légzési fenotípusa, valamint a szubmaximális aerob kapacitása is korlátozott volt (1). Az enzim hiánya görcsöket, fáradékonyságot és izomfájdalmat okoz testedzés után (2,7). Ezeket a megfigyeléseket támasztja alá az a vizsgálat, melyben azt találták, hogy kerékpárosok és futók körében a T allél gyakorisága kisebb, mint a kontroll, nem sportoló populációban (7,8).

Meg kell említeni a miozin-könnyűlánc-kinázt (MLCK), ami egy kalcium-kalmodulin-függő multifunkciós enzim. Ez a kináz fontos szerepet játszik a simaizom kontrakciójának szabályozásában (1). A fehérjét kódoló gén polimorfizmusát (C37885A) összefüggésbe hozták az edzés utáni erővesztéssel: a heterozigóta polimorfizmus nagyobb erőveszteséggel jár, összehasonlítva a homozigóta vad típussal (CC) (1).

1997-ben írták le szarvasmarhákban a miosztatin (MSTN) fehérje hiányát okozó mutációt (7). Azok az állatok, melyek az MSTN génben lévő mutációt homozigóta formában hordozták, jóval nagyobb izomtömeggel rendelkeztek. A miosztatin a mioblasztok proliferációjának fontos szabályozója, az izomnövekedés féken tartója. Ezeket a megfigyeléseket az MSTN ko egereken végzett kísérletek alátámasztották, melynek során a génkiütött egerek izomrostjainak növekedése nagyobb izomtömeget eredményezett (7). A sportteljesítménnyel kapcsolatban az MSTN génvariánsok szerepét először versenyagaraknál írták le. Azok a kutyák, amelyek MSTN génjének 3-as exonjában lévő homozigóta deléció volt, sokkal gyorsabbak voltak, mint a vad típusúak (7).

Az intenzív erőedzés utáni izomfáradás egyik fő tényezője a tejsav eltávolításának mértéke. Az MCT-1 génváltozata befolyással van a laktát transzportjára, és így a teljesítménybeli intenzitásra (8).

Az izom teljesítményét illetően a dejodináz-jodotironin-1 (DIO1) génvariánsa is megemlíthető, ami pozitív hatással van az anaerob jellegű testedzésre, fokozván az izomerőt (8).

II. táblázat. Génvariánsok, melyek az izomteljesítmény és erőgyakorlatok kapcsán érintettek