Autori studije: Daniel G. MacArthur, Kathryn N. North

Hum Genet (2005) 116: 331–339 DOI 10.1007/s00439-005-1261-8

Pregledna studija objavljena u veljači 2005. godine u izravnu je korelaciju dovela genetsko nasljeđe nekog pojedinca i njegov potencijal za ostvarivanje vrhunskih sportskih rezultata. Brojne studije proteklih su desetljeća propitivale potencijalnu ulogu genetskog nasljeđa u prilagodbi organizma na maksimalni napor. Hipoteza kako je upravo genetski faktor ono što razdvaja dva sportaša s jednakim okolišnim čimbenicima tako je iskorištena kao polazišna točka za brojna istraživanja. U daljnjem tekstu pobliže saznajte do kakvog su zaključka došli autori ove pregledne studije.

Uvod

U skupinu elitnih sportaša ubrajamo sve sportaše koji su se natjecali na nacionalnoj ili međunarodnoj razini u odabranom sportu. Ovakvi sportaši, suprotno očekivanjima, ipak predstavljaju svojevrsnu „anomaliju“ u kojoj dolazi do potpunog pozitivnog preklapanja genetskog potencijala sportaša i čimbenika okoliša u kojem on živi. Pitanje uloge okolišnih čimbenika poput načina života te režima treninga i prehrane, izuzetno je bitno u kontektstu razvoja sportaša na elitnoj razini. Međutim, samo ti čimbenici nisu dovoljni; većina ljudi nikada neće postići status elitnog sportaša, koliko god naporno trenirali. Baš kao što genetska predispozicija igra glavnu ulogu u određivanju nečije osjetljivosti na multifaktorijalne bolesti poput dijabetesa i raka, tako se i sportaši na elitnoj razini razvijaju pod utjecajem složenog skupa različitih faktora, od kojih su neki bitno određenih genetskim nasljeđem.

Prvi snažni dokazi o genetskom utjecaju na izvedbu fizičke aktivnosti proizašli su iz studija koje su uspoređivale blisko povezane osobe (poput blizanaca ili nuklearne obitelji) s nepovezanim subjektima u svrhu procjene nasljednosti varijacija za razne osobine povezane s aerobnom kondicijom i srčanom izvedbom. Tako je obiteljska studija koju su 1995. godine proveli Bouchard i suradnici uključila 130 dvogeneracijskih obitelji koje su procjenjivane u sjedilačkom stanju i u odgovoru na standardizirani 20-tjedni aerobni program vježbanja. U toj su studiji istraživači ustanovili da se za brojne čimbenike nasljednost kreće na razinama od 20 do čak 75%. Čimbenici za koje se daljnjim istraživanjima ustanovilo da su pod značajnim utjecajem nasljednog faktora uključuju maksimalni unos kisika u sjedilačkom stanju (Bouchard i sur. 1998.), maksimalni unos kisika kao odgovor na trening (Bouchard i sur. 1999.), potrošnju kisika i mišićnu snagu tijekom submaksimalne vježbe (Pe´russe i sur. 2001), unos kisika na ventilacijskom pragu (Gaskill i sur. 2001), udarni volumen i minutni volumen tijekom submaksimalnog vježbanja (An i sur. 2000) i prilagodbu srčane aktivnosti i frekvencije u sklopu odgovora na trening (An i sur. 2003c). Osim ovih čimbenika, utvrđeni su i brojni drugi:

• snaga i performanse skeletnih mišića (Thibault i sur. 1986)
• prilagodba mišića na vježbe izdržljivosti (Hamel i sur.1986)
• visina vertikalnog skoka kao mjera eksplozivnosti (Maes i sur. 1996)
• razni oblici mišićne snage i njihov odgovor na trening (Thomis i sur. 1998)
• anaerobni kapacitet i eksplozivna snaga (Calvo i sur. 2002)
• prosječna veličina vlakana tipa I (sporo oksidativna vlakna) u sjedilačkom stanju i maksimalnoj aktivnosti (Rico-Sanz i sur. 2003)

Genetski doprinos promjeni u relativnom udjelu tipova vlakana skeletnih mišića procjenjuje se između 40% i 50% (Simoneau i Bouchard 1995).

Analiza povezanosti genoma i međudjelovanja različitih gena

Brojni su geni čije su varijacije proučavane u sklopu njihove uloge u sportskoj izvebi i potencijalnoj sposobnosti rekreativnih i elitnih spotaša. U nastavku ćemo nabrojati neke od tih gena, kao i kako proteini koji iz tih gena nastaju na različite načine utječu na izvedbu, na taj način razlikujući dobre od vrhunskih sportaša.

Prvi od njih je CKMM gen, gen koji kodira za mišićni enzim kreatin kinazu. Ovaj enzim odgovoran je za brzu regeneraciju ATP-a tijekom intenzivne kontrakcije mišića (Echegaray i Rivera 2001). Pozitivnu povezanost između različitih inačica ovog proteina i izvedbe vježbe prvi je u svom radu nagovijestio Bouchard (1989.).

Kohortna studija koja je obuhvatila 19 neaktivnih, 20 aktivnih i 24 elitne sportašice u postmenopauzalnoj dobi ukazale su nižu maksimalnu potrošnju kisika u žena homozigotnih za alel Glu27 nego u nosača alela Gln27 (Moore i sur. 2001.). Dvije kasnije studije ispitivale su fenotipski učinak drugog polimorfizma (različiti oblici istog gena) – u studiji provedenoj na 267 odraslih normotenziva (ljudi s normalnim vrijednostima tlaka), homozigotni nositelji Gly16 gena (jedna verzija proučavanog gena) pokazali su bolje performanse u brojnim mjerama funkcije lijeve srčane klijetke od homozigotnih Arg16 (druga verzija proučavanog gena) nositelja (Tang i sur. 2003). U skupini od 31 zdrave odrasle osobe, homozigoti nositelji Gly16 gena imali su značajno efikasniji odgovor frekvencije srca na vježbanje od homozigotnih Arg16 nositelja (Eisenach i sur. 2004). Značajna povezanost varijacije različitih oblika istog gena i kardiorespiratorne funkcije zabilježena je i u drugim studijama.

Međutim, jedan je gen pokazao statistički značajnu povezanost s radom skeletnih mišića u više neovisnih studija: gen VDR koji kodira za proteinski receptor za vitamin D. Varijacija gena koja odgovara mononukleotidnom polimorfizmu (SNP) u konačnom intronu VDR gena značajno je vezana uz snagu prijanjanja na podlogu i snagom mišića kvadricepsa. Ova je činjenica nastala kao zaključak studije provedne na 307 žena s normalnom BMI vrijednosti, u dobi od preko 70 godina (Geusens i sur. 1997). Ista varijacija gena s usko povezanim polimorfizmom duljine u poli-A ponavljanju analizirani su u kohortnom istraživanju kod 175 zdravih žena u dobi 20–39 godina, a rezultati istraživanja uputili su na slabo značajnu povezanost s generalnom čvrstoćom tetivnog aparata u ljudskom tijelu (Grundberg i sur. 2004.).

Jedan od najviše proučavanih gena je ACE gen, koji u ljudi dolazi u dvije različite varijante – ACE I varijanta (alel I) i ACE D varijanta (alel D). Značajke i poznate biološke funkcije ACE sažete su u nedavnom pregledu literature (Coates 2003). Alel I povezan je s nižom aktivnošću ACE i u serumu (Rigat i sur. 1990) i u tkivu (Danser i sur.1995) u usporedbi s alelom D. Implikacije ovog polimorfizma na zdravlje intenzivno su istražene u više od 100 zasebnih studija; homozigotni genotip DD povezan je s različtim poremećajima poput bolesti srca (Danser i sur. 1995), sistemskog eritematoznog lupusa (Pullmann Jr i sur. 1999), afektivnih poremećaja (Arinami i sur. 1996), patoloških ishoda nefropatije imunoglobulina A (Chen i sur. 1997) i meningokokne bolesti u djece (Harding i sur. 2002).

Ono na što posebno valja staviti naglasak u kontekstu ove pregledne studije jesu rezultati nekoliko studija slučaja i kontrole, koji su ukazali na povezanost između ACE genotipa i statusa elitnog sportaša.

Prvo takvo istraživanje izvijestilo je o povećanoj učestalosti alela I kod 25 britanskih planinara u usporedbi s 1.906 sjedilačkih kontrola (Montgomery i sur. 1998.). Istodobno, provedena je studija sa sličnim rezultatima, u kojoj su uspoređivani genotipovi kod 64 australska veslača u usporedbi sa 114 sportski neaktivnih kontrola (Gayagay i sur. 1998). Nastavno tome, povećana učestalost alela D pronađena je u 35 elitnih plivača na kratkim udaljenostima (do 400m) (Woods i sur. 2001.), što sugerira da polimorfizam koji uključuje varijantu s dva alela (ACE I i ACE D) ima različit učinak na atletske performanse – alel I favorizira segment izdržljivosti, dok prisutnost alela D implicira sposobnost kratkih i eksplozivnih radnji poput sprinta (anaerobna izdržljivost).

Dvije daljnje studije podržale su ovu interpretaciju. Kohorta od 91 Britanca, provedena na trkačima olimpijske kvalitete, pokazala je značajan linearni trend između ACE genotipa i discipline u kojoj se trkač natječe (različite duljine), s nagibom prema genotipu s alelom D za elitne trkače na dulje od 200m i manje (sprinteri) te nagibom prema genotipu s alelom I za trkače „dugoprugaše (utrke na 5000m i više) (Myerson i sur., 1999.). Kasnija studija provedena na uzorku 141 elitnog ruskog sportaša, podijeljenih u tri skupine prema prosječnom trajanju natjecateljskog događaja, pokazala je značajan udio sportaša s alelom D (30 sportaša) u sportovima s kratkim i eksplozivnim natjecateljskim događajem (događaji koji traju manje od 1 min – različite trkačke sprinterske discipline). Shodno tome, alel I bio je dominantan kod 35 sportaša na srednje dužine i daljine (događaji koji traju 1–20 min; Nazarov i sur. 2001). Iznenađujuće, relativno velika skupina od 76 sportaša koji se natječu u sportovima u kojima je najbitnija izdržljivost, imala je frekvencije genotipa koje se ne mogu razlikovati od kontrolnih skupina, bez očekivanog iskoraka prema povećanoj učestalosti nekog alela.

Ovaj zbunjujući rezultat moće se djelomično pripisati činjenici da je analizirana skupina sportaša zapravo sastavljena od sadrži sportaša iz više različitih sportskih disciplina. Taj čimbenik heterogenosti možda je zaklonio povezanost istraživanih alela i sportske izvedbe. Upravo heterogenost kohorte sportaša često utječe na dokazivanje inicijalne hipoteze studije, budući da se istražuju dva u teoriji suprotna učinka, stoga svaki rezultat van onog očekivanog značajno utječe na rezultat same studije.

Opći obrazac studija ovakvog tipa najčešće je sljedeći: studije koje su dobile pozitivnu povezanost prisutnosti različitih ACE polimorfizama i vrste sporta u kojem sportaš participira (sportaši na kratke pruge i sportaši na duge pruge), bile su općenito relativno male studije na dobro definiranim kohortama sportaša, dok su studije koje nisu uspjele dobiti pozitivnu povezanost bile veće te su sadržavale više heterogenih skupina sportaša. Dok se da ravnoteža dokaza favorizira pojam da postoji neka veza između ACE genotipa i statusa elitnog sportaša, metodološke razlike između pozitivnih i negativnih studija otežavaju donošenje čvrstih zaključaka.

Postoji niz mehanizama pomoću kojih ekspresija ACE gena potencijalno može utjecati na sportske performanse. U početku, predloženo je da se taj utjecaj zasniva na poboljšanju kardiorespiratorne funkcije. Ta hipoteza potkrijepljena je istraživanjem provedenom na skupini žena u postmenopauzi, a došla je do zaključka da ACE genotip utječe na maksimalni unos kisika u tkivo (Hagberg i sur.1998), što je razumni prediktor izvedbene izdržljivosti sportaša (Bassett i Howley 2000; Myburgh 2003). Međutim, u studiji provedenoj na 476 sjedilačkih ispitanika nije pronađen dokaz o povezanosti između ACE genotipa i bilo koje od 54 mjere kardiorespiratorne funkcije prije treninga (Rankinen i sur. 2000a). Kasnija studija (Woods i sur. 2002) nije otkrila vezu između ACE I/D polimorfizma i kardiorespiratornog odgovora na trening u 58 vojnih novaka.

Povezanost između ACE genotipa i rasta lijeve srčane klijetke kao odgovora na vježbanje, nešto je bolje uspostavljena (van Berlo i Pinto 2003). Značajna asocijacija između alela D ACE gena i LVM (eng. left ventricular mass –  masa lijeve srčane klijetke) zabilježena je u nekoliko studija provedenih na sportašima (Fatini i sur. 2000; Hernandez i sur. 2003; Nagashima i sur. 2000; Rizzo i sur. 2003) i osobama izloženih treningu (Montgomery i sur. 1997), iako je, u ostalim kohortama sportaša, povezanost između alela ACE D i LVM bila značajna samo u kombinaciji s drugim genetskim varijantama (Diet i sur. 2001.) ili uopće nije identificirana (Karjalainen i sur. 1999).

Čini se da povezanost nije prisutna kod netreniranih zdravih kontrola (Kauma i sur. 1998; Linhart i sur. 2000), sugerirajući da bilo koji utjecaj genotipa ACE na srčanu funkciju uključuje interakciju između genotipa i treninga. Na taj način ACE I/D polimorfizam može utjecati na atletske performanse putem lokalnih učinaka na funkciju skeletnih mišića (Jones i Woods 2003). Alel I tako je povezan sa znatno većim poboljšanjima po pitanju izdržljivosti mišića (Montgomery i sur. 1998) i učinkovitosti njihove kontrakcije (Williams i sur. 2000) u odgovor na trening i to s povećanim udjelom tipa I (spora) vlakna u vastus lateralis mišiću (vanjski dio prednjeg bedrenog mišića) u netrenirane osobe (Zhang i sur. 2003). Suprotno tome, alel D povezan je s većim porastom snage kvadricepsa u sklopu odgovora na 9-tjedni izometrijski program treninga snage (Folland i sur. 2000).

Jones i Woods (2003) sugeriraju da ACE I alel pojačava performanse izdržljivosti kroz povećanje mišićne učinkovitosti, možda dijelom i zbog utjecaja na proporcije tipa vlakana (povećanje udjela sporih mišićnih vlakana) (Zhang i sur. 2003), dok ACE D alel može imati učinak na sprint/aktivnost snage putem povećanja mišićne snage, potencijalno putem učinka angiotenzina II na hipertrofiju mišića (Jones i Woods 2003).

U sklopu ove pregledne studije proučavane su i druge studije koje su se bavile tematikom drugih gena i njihove uloge u potencijalu elitnog sportaša, ali njihovi zaključci nisu relevantni za ovaj kontekst.

Implikacije za znanost u sportu

Područje sportske znanosti obuhvaća mnoštvo bioloških i okolišnih čimbenika koji određuju atletski uspjeh. U konačnici se za usmjeravanje u neki sport koriste nalazi i preporuke sportskih znanstvenika, odluke sportskih tijela, trenera i sportaša. Ta se odluka temelji na dva glavna čimbenika: (1) identifikacija talenata, proces odabira pojedinaca koji mogu postati elitni sportaši i (2) formulacija trening-programa koji će maksimalizirati potencijal pojedinca.

Proces identifikacije talenta mogao bi se, u načelu, revolucionirati otkrićem i karakterizacijom genetskih varijanti koje snažno utječu na atletske performanse, uz dodavanje rutinske genetske analize na postojeću bateriju fizioloških, biokemijskih i psiholoških testova koji u vrhunskom sportu trenutno čine osnovu za odabir nadarenih mladih sportaša za daljnji trening. Detaljne analize fizioloških parametara koji se trenutno koriste zapravo predstavljaju integrirana mjerenja učinaka višestrukih gena i utjecaja iz okoline na fenotipu nekog sportaša, dok genetski testovi ispituju samo pojedinačne izolirane odrednice. Ovo je, međutim, postoje situacije u kojima genetski testovi mogu pružiti neprocjenjive prediktivne informacije: na primjer, ako gen utječe na performanse kroz fiziološki put koji je slabo istražen, teško ga je izravno izmjeriti ili u sklopu analize sportskog potencijala mladih, budući da su određeni fiziološki testovi namijenjeni odraslima i slabo predviđaju potencijalne performanse u mladih sportaša.

Nekoliko genetskih čimbenika za koje je izmjerena pozitivna povezanost sa sportskom izvedbom i potencijalnom sposobnosti zabilježeni su u kohortnim istraživanjima na elitnim sportašima (ACE I/D i ACTN3 R577X polimorfizmi o kojima je bilo riječi u tekstu). Po trenutnim saznanjima, ovi čimbenici ne utječu može li netko postati elitni sportaš, ali utječu na to u kojem sportu se sportu elitni sportaš može natjecati uspješno. U slučaju i ACE i ACTN3, čini se da jedan alel na polimorfnom mjestu favorizira performanse u sprintu ili disciplinama snage (Alel ACE D i ACTN3 R), dok se čini da drugi ima učinak na sposobnosti u natjecanjima izdržljivosti (alel ACE I i ACTN3 X). Ova saznanja sugeriraju da neki genetski čimbenici možda neće biti korisni u predviđanju ima li mladi sportaš-amater elitni potencijal, ali mogu pomoći u usmjeravanju mladih sportaša u sport u kojem imaju najveću šansu za uspjeh te njihovim trenerima pri određivanju režima treninga koji će im taj uspjeh omogućiti.

Ukoliko pogledamo varijaciju u genu APOE, koja povećava vjerojatnost ozbiljnog oštećenja mozga u boksača (Jordan i sur. 1997.), genetsko testiranje bi moglo poslužiti u svrhu usmjeravanja mladih sportaša s povećanim genetskim potencijalom za ozbiljne ozljede dalje od određenih sportova.

Implikacije za ljudsko zdravlje u globalu

Kad bi utjecaj različitih genetskih varijanti na sportske performanse bio ograničen na osobine poput mišićne snage i brzine trčanja, njihov utjecaj na svakodnevni život većine ljudi bio bi trivijalan. Međutim, smatra se da mnoge genetske inačice povezane sa prethodno spominjanim utjecajem na sportsku izvedbu utječu i na fizičke osobine, poput metabolizma energije, odgovora na vježbanje i kardiovaskularne kondicije, dakle na osobine koje su jednako presudne za zdravlje i kondiciju u općoj populaciji kao i za uspjeh elitnih sportaša.

Neki ‘geni sportaša’ mogli bi imati pozitivan učinak na zdravlje; na primjer, genetske varijante koje pojačavaju odgovor na trening sportaša mogu i povećati zdravstvene dobrobiti redovitog vježbanja kod manje atletskih ljudi. Suprotno tome, a možda i kontraintuitivno, čimbenici koji pomažu sportašima zapravo bi mogli imati jako negativan učinak na zdravlje nesportaša; primjerice, geni koji trkaču na duge staze omogućuju uštedu energije tijekom dužih razdoblja intenzivnih tjelesnih aktivnosti, mogu djelovati pogubno na fizički manje aktivne pojedince, što dovodi do pretilosti, dijabetesa i bolesti srca. Slično tome, polimorfizam koji pojačava srčanu funkciju kod prvaka u sprintu mogu dovesti do veće učestalosti srčanih bolesti u općoj populaciji, kao što je to sugerirano za ACE D alel (Crisan i Carr 2000; van Berlo i Pinto 2003).

Stoga, iako njihov međuodnos neće uvijek biti jednostavan, istraživanje genetskih čimbenika koji utječu na fizičku pripremljenost elitnih sportaša trebalo bi pojačati naše razumijevanje genetskih utjecaja na zdravlje opće populacije.