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编号:10272213
基因工程与运动生物化学的发展和展望
http://www.100md.com 《中国运动医学杂志》 2000年第1期
     作者:冯连世 徐晓阳 冯炜权

    单位:冯连世(国家体育总局体育科学研究所 100061);徐晓阳(北京体育大学人体生命科学系);冯炜权(北京体育大学人体生命科学系)

    关键词:

    中国运动医学杂志000124 基因工程也叫遗传工程(Genetic Engineering),是20世纪70年代在分子生物学发展的基础上形成的新学科。基因工程就是在分子水平上,用人工方法提取(或合成)不同生物的遗传物质,在体外切割、拼接和重新组成,然后通过载体把重组的DNA分子引入受体细胞,使外源DNA在受体细胞中进行复制与表达。按人们的需要产生不同的产物或定向地创造生物的新性状,并使之稳定地遗传给下代[1]。基因工程技术主要包括分离基因、纯化基因和扩增基因的技术,其核心是分子克隆技术。它能帮助人们从各种复杂的生物体中分离出单一的基因,并把它纯化,再把它大量扩增,用于研究。
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    20多年来,基因工程技术得到了迅速地发展,特别是限制性内切酶、DNA序列分析及DNA重组技术等三大技术的发现和应用,不仅把分子生物学提高到了基因水平,而且也把生物学与医学中的其他学科引上基因研究的道路,并取得了许多揭示生命秘密和生命过程的重大成就[2]。目前,基因工程技术已广泛应用于与生命现象有关的各学科(农业、医药、医学等)研究中。特别是在医学领域中的应用和迅速发展,使大量医学重大前沿课题(如脑的奥秘、生育控制、肿瘤发病机理与防治、脏器移植、新药研制、心血管疾病分子机理与防治及艾滋病的防治等)取得重大进展,使一些疑难病的本质得到阐明,发病的机理被揭示。基因工程技术的应用与人类基因组计划研究项目的实施,更有利于阐明严重危害人类健康的疾病基因或疾病相关基因,并提出从基因水平诊断和治疗疾病的新方法[4,5]

    由此可见,基因工程技术的迅速发展和应用,推动了整个生命科学基础和应用性研究的发展。

    1 基因工程与运动生物化学的发展
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    运动生物化学是体育自然科学中的一门学科,它是生物化学在体育科学中应用的一个分支,是在本世纪初,人们将肌肉物质和能量代谢的研究与体育运动相结合而形成的一门新学科。因此,运动生物化学的发展依赖于生物化学的发展和运动训练的发展[6]

    运动生物化学的早期研究是从观察运动时,物质代谢和能量代谢的变化特点开始的。1907年,Fletcher和Hopkins在《生理学杂志》(J. Physiol, London)上发表的“哺乳动物肌肉中的乳酸”一文,标志着关于活动时肌肉代谢研究的起点。他们发现肌肉在缺氧条件下收缩时,能定量地将葡萄糖转变为乳酸。随着生物化学研究的发展,一些与肌肉能量代谢有关的重要物质(如磷酸肌酸、ATP等)和代谢过程(如糖酵解、三羧酸循环等)的发现,以及一些重要理论和假说(乳酸理论、无氧代谢理论、三羧酸循环假说、ATP中心作用假说等)的提出,使运动生物化学得到了迅速发展。

    另外,相关学科新技术的发明及应用也推动了运动生物化学的发展。从本世纪50 年代至70年代,同位素示踪技术、动静脉插管技术及肌肉活检技术等,在运动生物化学研究中的应用,导致运动生物化学进入蓬勃发展阶段。运动生物化学的研究方向也从掌握运动时物质代谢和能量代谢特点和规律,过渡到对代谢调节、运动训练影响下的代谢适应、运动疲劳与恢复的生化机理,以及提高运动能力的生化基础等领域的研究。近年来,核磁共振、色谱分析、免疫分析和分子生物学实验技术和方法的应用,使运动生物化学开始从研究分解代谢规律发展到研究合成代谢规律。尤其是分子生物学方法进入运动生物化学研究领域,使人们可以对运动与肌肉蛋白质合成、核酸代谢和基因表达的特点进行探讨。
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    运动生物化学是从分子水平研究运动时人体的适应问题。基因工程技术的应用,可以在分子机理上探讨运动生物化学中的一些重要课题,如运动能力与基因表达的关系、运动性疲劳的分子机理、肌肉力量增加的分子基础等,从而可将运动生物化学的研究提高到基因水平,促进运动生物化学的发展。

    2 基因工程在运动生物化学中的应用及展望

    2.1 基因工程在运动生物化学中的应用

    分子生物学技术在运动生物化学的应用包括三个方面:(1)建立运动生物化学研究的实验模型;(2)研究与运动有关的表现型和基因型之间的关系;(3)阐明运动所致的机体系统、器官和细胞改变的分子机制[7]。目前,定量分析某一mRNA是运动生物化学界研究运动与基因调节主要使用的分子生物学技术,其中包括点杂交、Northern 杂交、核糖核酸酶保护分析(Ribonuclease Protection Analsis)、反向转录酶聚合酶链反应(Revese-transcriptase polymerase chain reaction,RT-PCR)等方法。许多研究报告了活体动物在慢性或急性运动训练后机体适应的mRNA水平的基因调节,并发现任何蛋白质的合成速率与它对应的mRNA含量总体上是成比例的。但由于某一mRNA的稳定水平不仅取决于它们的合成及转录,还取决于它们的降解。因此,mRNA数量上的变化并不能就认为是转录调节[3,7,8]。有关这方面的研究已有很多报道,我们也已进行了综述[3,9]
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    目前,在运动生物化学的研究中,也有基因工程技术的应用报道。Ren等(1993)和Ikemoto等人(1995)分别利用转基因动物研究了运动中骨骼肌糖代谢的调节和血糖控制[10,11]。Friedman(1994)则利用转基因动物研究了与运动有关的顺势调节片断。他发现糖皮质激素调节单位的缺失使一次性游泳后PEPCK启动子的报告基因mRNA不能增加,表明运动引发肝PEPCK基因表达的增加需要糖皮质激素调节片段的参与[12]。另外,限制片段长度多态性(Restriction Fragment Length Polymorphism, RFLP)技术的应用,使人们了解到最大吸氧量个体差异及其所造成的运动训练差别的机制,可能与线粒体DNA序列变异有关[13]。同时,也发现优秀运动员出身的教练员和/或优秀运动员,与正常人群相比,具有某些遗传特性,而使其存在潜在的动脉粥样硬化或冠心病的易感性[14]。最近,急性或慢性运动后克隆的比基因组序列的转录活性已开始用报告基因技术(Reporter Gene techniques)进行测定[7]。Friedman报道,携带一个嵌合基因(Chimeric Gene,该基因包含一个与报告基因有关的PEPCK启动子)的转基因小鼠,运动后肝脏报告基因mRNA的水平增加到490%,与内源性PEPCK基因表达的增加相近[12]
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    由此可见,基因工程在运动生物化学研究中的应用已获得一些科研成果。随着基因工程技术向运动生物化学领域中的不断渗透和普遍应用,人们最终可在基因调节水平解释机体运动时的各种适应性变化及解决运动生物化学中的其他一些重要问题。

    2.2 基因工程在运动生物化学中的应用展望

    利用基因工程技术可逐渐使人们了解机体运动时代谢的基因调节过程及阐明运动性疲劳与恢复的分子生物学基础、肌肉力量增加的分子机理等一系列运动生物化学问题。但由于运动生物化学研究的主要任务之一就是在竞技体育中为科学训练提供理论和方法,为合理掌握训练方法和安排运动处方提供理论依据。因此,展望基因工程在运动生物化学中的应用,可能会在以下几个方面得到重视和加强。

    2.2.1 利用基因探针进行运动员科学选材

    基因探针在诊断某些遗传病及其他疾病方面,已广泛应用于临床[15]。利用某些生理生化指标对运动员进行科学选材,也已得到人们的重视。研究表明,某些身体素质(如力量、速度和耐力)及其发展潜力,具有相当高的遗传度。它们可能受一个或几个基因的调节和控制。在这项研究中,首先要利用限制片段长度多态性(RFLP)技术和随机扩增多态性DNA(RAPD)技术,分别对优秀力量、速度或耐力运动员的DNA多态性进行检测,以找出他们基因组之间的差别和特异性基因,然后进行克隆,制备成基因探针。最终利用探针杂交,来检测运动员所具有的身体素质特性。当然,这项研究的实验工作极其复杂和繁琐,但随着人类基因组计划的完成,利用基因探针进行运动员科学选材,也有可能会成为现实。目前,美国已有人开展这方面的研究工作。
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    2.2.2 防止运动性疲劳和加快恢复过程

    随着对运动性疲劳及恢复过程研究的深入,人们会发现运动性疲劳及恢复的分子生物学机理,进而通过某些手段(如药物等)抑制导致运动性疲劳的基因表达或诱发恢复的基因表达,从而可使利用基因工程来防止运动性疲劳及加快恢复成为可能。

    2.2.3 利用基因诊断技术对运动员进行身体机能评定

    在人们全面了解运动引起机体产生适应性变化的基因调节机理后,可利用基因探针对运动员的疲劳状态、运动训练的适应性及免疫能力等进行基因诊断。这种诊断一般是在转录水平上进行评定,可较早地发现运动员身体机能发生的变化,并且具有无创性(利用任何体液、上皮细胞等组织体液中的DNA或RNA,均可与基因探针进行杂交),因此,会更具有应用价值。

    2.2.4 转基因技术在运动营养研究中的应用
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    目前,利用转基因技术可以产生富含某种营养素的水果、西红柿等。在医学领域中,也可通过将有价值的生物活性蛋白基因导入家畜家禽受精卵,收集转基因动物体液、血、乳、尿、腹水中的基因产物,从而获得大量有价值的活性蛋白。利用这一技术,人们也可研制富含某些营养素的运动员专用食品或运动补剂,甚至直接将某一特定营养素基因转入机体进行表达,以使运动机体获得足够的营养补充。由于将基因导入人类生殖细胞以改造身体化学组成尚存在很大困难,因此,在运动生物化学的研究中,应用转基因技术将基因直接转入人体内以达到提高运动能力的做法,还是相当遥远的。

    当然,随着基因工程技术的不断发展和创新及运动生物化学研究的不断深入,基因工程技术在运动生物化学中的应用也会显得日益重要。但值得注意的是,有些技术的应用(如利用某些药物或物理等手段调节某些基因的表达,以及将某种基因转入人体细胞内,用这种细胞的基因表达改造身体化学组成,以达到提高运动能力的目的,或直接对优秀运动员进行克隆,以获得较好的遗传素质等)可能会违反体育运动的公平竞争原则或损害运动员的健康。另外,运动员长期食用转基因营养补剂,是否会对人类的基因库造成影响,目前尚不清楚。但将某种基因转入人体内,以改造身体化学成分的做法,肯定会改变人类的基因库,并且将永久遗传下去。这就会引起一系列的体育道德和伦理道德问题。
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    总之,基因工程在运动生物化学中的应用已变得十分重要。它可推动运动生物化学的高速发展,提高运动生物化学的研究水平。同时,也可能会引起一些体育道德和伦理道德问题。■

    参考文献:

    [1]彭秀玲,等.基因工程实验技术.长沙:湖南科学技术出版社.1987

    [2]蔡良琬.基因工程技术在基础与临床医学中的应用:北京:人民卫生出版社.1990

    [3]冯连世.优秀中长跑运动员高原训练的生理适应及模拟高原训练时骨骼肌α-actin的基因表达.北京体育大学博士研究生毕业论文.1998

    [4]强伯勤.人类基因组计划与医学科学研究.医学分子生物学进展论文集(一).北京医科大学中国协和医科大学联合出版社.1994;171-175
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    [5]陈诗书.人类基因治疗研究的进展.生物工程进展.1994;14(1):30-40

    [6]冯炜权.运动生物化学的回顾和展望.北京体育大学学报.1994;17(4):43-49

    [7]Yan Z,et al.Application of molecular biology methodology to exercisephysiology.5th International Course and Conference on Physiological Chemistry and Nutrition of Exercise and Training.Programme & Abstracts.Beijing China.1995;91-100

    [8]Booth FW, et al.Molecular and cellular adaptation of muscle in response to exercise:perspective of various models.Physiol Rev.1991;71:541-585
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    [9]徐晓阳,等.分子生物学与运动生物化学.中国运动医学杂志.1997;16:199-203

    [10]Ren JM, et al.Evidence from transgenic mice that glucose transport is rate - limiting for glycogen deposition and glycolysis in skeletal muscle. J Biol Chem. 1993;268:16113-16115

    [11]Ikemoto S,et al.Expressing of an insulin- responsive glucose transporter (GLUT4) minigene in transgenic mice: effect of exercise and role in glucose homeostasis. Proc Natl Acad Sci(USA).1995; 92:865-869
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    [12]Friedman JE. Role of glucocorticoids in activation of hepatic PEPCK gene transcription during exercise. Am J Physiol. 1994; 266:E560-E566

    [13]Dionne FT, et al. Mitochondrial DNA sequence polymorphism, Vo2max and response to endurance training. Med Sci Sports Exercise. 1993;25:766-774

    [14]谢文,等. 国家集训队教练员载脂蛋白A-I基因多态性及其与血浆脂质水平关系的研究.中国运动医学杂志. 1995;14(1):27-30

    [15]关冠芸,等. 基因诊断. 人民卫生出版社. 1988

    收稿日期:1999-03-28, 百拇医药