Content uploaded by Ildus I. Ahmetov
Author content
All content in this area was uploaded by Ildus I. Ahmetov
Content may be subject to copyright.
883
РОССИЙСКИЙ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ им. И. М. СЕЧЕНОВА
RUSSIAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY
(formerly I.M. Sechenov Physiological Journal)
92 · N 7 · 2006
АССОЦИАЦИЯ ПОЛИМОРФИЗМОВ ГЕНОВ С ТИПОМ МЫШЕЧНЫХ ВОЛОКОН
© И.И. Ахметов,
1*
И.В. Астратенкова,
1
А.М. Дружевская,
1
А.И Комкова,
1
Е.В. Любаева,
2
П.П.
Таракин,
2
Б.С. Шенкман,
2
В.А. Рогозкин.
1
1
Санкт-Петербургский НИИ физической культуры, Санкт-Петербург, 197110.
2
ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН, Москва, 123007.
*
E-mail: contact@genoterra.ru
Состав мышечных волокон в m. vastus lateralis имеет огромные индивидуальные различия,
зависящие главным образом от генетических факторов. Нами представлен анализ ассоциации
ранее связанных с мышечной деятельностью полиморфизмов 3 генов с типом мышечных воло-
кон у 48 здоровых физически активных молодых мужчин. ДНК выделяли методом щелочной
экстракции из клеток буккального эпителия. Полиморфизм генов PPARα, ACE и
ACTN3 выяв-
ляли с использованием полимеразной цепной реакции. Состав мышечных волокон определяли с
помощью иммуногистохимического анализа мышечной ткани из m. vastus lateralis. При сравне-
нии двух групп людей с пониженным (25-43%) и повышенным (56-70%) содержанием медлен-
ных мышечных волокон, во второй группе было выявлено достоверное преобладание носителей
аллелей G по гену PPARα (93,3% против 60,0%) и D по гену ACE (68,8% против 34,4%). Таким
образом, гены PPARα и ACE могут быть отнесены к генам-кандидатам, детерминирующим со-
став мышечных волокон.
Ключевые слова: мышечные волокна, иммуногистохимия, биопсия, ген, полиморфизм.
Рос. физиол. журн. им. И. М. Сеченова. Т.92. № 7. С. 883-888. 2006.
I.I. Ahmetov,
1
I.V. Astratenkova,
1
A.M. Druzhevskaya,
1
A.I. Komkova,
1
E.V. Lyubaeva,
2
P.P. Ta-
rakin,
2
B.S. Shenkman,
2
V.A. Rogozkin.
1
THE ASSOCIATION OF GENE POLYMORPHISMS WITH
THE MUSCLE FIBER TYPE COMPOSITION.
1
St Petersburg Research Institute of Physical Culture,
St Petersburg, 197110;
2
Institute for Biomedical Problems of the Russian Acad. Sci., Moscow,
123007.
Muscle fiber composition of m. vastus lateralis has great individual variability, mainly depend-
ing on genetic factors. Present study shows analysis of association between polymorphisms of three
muscle performance related genes and muscle fiber type composition in 48 young healthy men. DNA
was obtained from mouthwash samples by alkaline extraction. Polymorphism determination of
PPARα, ACE and ACTN3 genes was performed using polymerase
chain reaction. Muscle fiber typing
from m. vastus lateralis was performed using immunohistochemistry method. We found an association
of increased frequency of intron 7 G allele of PPARα gene (93,9% vs 60,0%) and D allele of ACE
gene (68,8% vs 34,4%) in the group with the highest proportion of slow-twitch fibers (56-70%) com-
pared to the group with the lowest proportion (25-43%). Thus, PPARα and ACE genes can be consi-
dered as potential candidate genes for muscle fiber type determination.
Keywords: muscle fibers, immunohistochemistry, biopsy, gene, polymorphism.
RUSSIAN PHYSIOLOGICAL JOURNAL, V. 92, N 7, P. 883-888. 2006
884
Скелетные мышцы человека состоят из трех основных типов мышечных волокон, которые
различаются по сократительным и метаболическим характеристикам – волокна I (медленные),
IIa (промежуточные) и IId/x (быстрые) типов. Ключевым признаком, определяющим тип мы-
шечного волокна, является молекулярная организация миозина. На различном сродстве моно-
клональных антител к тяжелым цепям миозина (ТЦМ) разного типа основан метод иммуноги-
стохимического анализа биоптатов мышечной ткани для определения соотношения быстрых и
медленных волокон [1].
В латеральной головке четырехглавой мышцы бедра человека (m. vastus lateralis) обнару-
жена высокая степень вариабельности соотношения мышечных волокон (для медленных воло-
кон от 5 до 90%), что свидетельствует о значительном вкладе генетических факторов в детер-
минацию состава мышечных волокон.
В связи с этим, изучение полиморфизма генов и их ассоциаций с формированием, разви-
тием и трансформацией мышечных волокон имеет большое значение не только для фундамен-
тальных, но и научно-прикладных исследований. В практическом плане определение состава
мышечных волокон важно для правильного составления методики физической тренировки и
выбора тактики лечения больных с различными повреждениями опорно-двигательного аппара-
та, наследственными миопатическими заболеваниями и метаболическими расстройствами. Од-
нако наиболее информативные методы определения состава мышечных волокон с использова-
нием биопсийного материала мышечной ткани малодоступны, ограничены в распространении и
весьма затратны. В качестве альтернативного метода представляется довольно перспективным
направлением косвенная оценка состава мышечных волокон на основе изучения полиморфиз-
мов генов, связанных с мышечной деятельностью. К таким генам, например, можно отнести ген
α рецептора, активируемого пролифераторами пероксисом (PPARα), ген ангиотензин-
превращающего фермента (ACE) и ген α-актинина-3 (ACTN3).
Существует ряд работ по ассоциации аллелей D гена ACE и R гена ACTN3 с повышенны-
ми скоростно-силовыми качествами в различных группах людей [6,8]. Это связано с тем, что D
аллель имеет свойство повышать уровень и активность ангиотензин-превращающего фермента,
что приводит к увеличению содержания фактора роста – ангиотензина II. Гомозиготы по му-
тантному аллелю Х гена ACTN3 лишены белка альфа-актинина-3, который содержится исклю-
чительно в быстрых мышечных волокнах. Альфа-актинин-3 является структурным компонен-
том Z-дисков миофибрилл и кроме статической функции выполняет регуляторную функцию,
принимая участие в регуляции дифференциации и сокращении миофибрилл. С другой стороны
I аллель гена ACE ассоциируется с проявлением повышенной выносливости из-за сосудорас-
ширяющего эффекта.
Ген PPARα входит в семейство ядерных рецепторов и регулирует экспрессию несколько
десятков генов, вовлеченных в обмен жиров и углеводов. У носителей G аллеля окисление
жирных кислот в печени, миокарде, скелетных мышцах и других органах происходит намного
интенсивнее, чем у носителей С аллеля. Недостаток окисления жирных кислот у носителей С
аллеля компенсируется повышением утилизации глюкозы [4]. Анализ этих данных позволил
высказать предположение, что носители генотипов по ACE, ACTN3 и PPARα могут иметь раз-
личное соотношение быстрых и медленных мышечных волокон в скелетных мышцах человека.
Для проверки этой гипотезы изучали распределение частот генотипов и аллелей трех генов в
группе здоровых мужчин.
Цель настоящего исследования - определение ассоциации G/C полиморфизма 7 интрона
гена PPARα, I/D полиморфизма гена ACE и R577X полиморфизма гена ACTN3 с составом мы-
шечных волокон здоровых, молодых мужчин.
МЕТОДИКА
В исследовании приняли участие 48 здоровых физически активных молодых мужчин (воз-
раст – 22 ± 0,4 года, вес – 72,8 ± 1,5 кг, рост – 179,1 ± 0,9 см). Испытуемые были предупрежде-
ны об условиях эксперимента и дали письменное соглашение на добровольное участие в нем.
885
Эксперимент был одобрен Физиологической секцией Российской Национальной комиссии по
биологической этике. Забор биологического материала для генетического анализа проводили с
помощью смыва буккальных клеток из ротовой полости физиологическим раствором. ДНК вы-
деляли методом щелочной экстракции [2]. Полиморфизм генов определяли с использованием
метода полимеразной цепной реакции (ПЦР). Для амплификации фрагментов генов PPARα,
ACE и ACTN3 использовали двухпраймерную систему (для PPARα: прямой праймер (п.п.) –
ACAATCACTCCTTAAATATggTgg, обратный праймер (о.п.) -
AAgTAgggACAgACAggACCAgTA; для ACE: п.п. – CTggAgACCACTCCCATCCTTTCT, о.п. -
ATgTggCCATCACATTCgTCAgAT; для ACTN3: п.п. – CTgTTgCCTgTggTAAgTggg, о.п. -
TggTCACAgTATgCAggAggg). В дальнейшем, продукты ПЦР генов PPARα и ACTN3 были
подвергнуты специфическому рестрикционному анализу с использованием эндонуклеаз рест-
рикции Taq I и Bst DEI (СибЭнзим, Новосибирск), соответственно. Ампликоны генов ACE, а
также продукты рестрикции остальных генов разделяли с помощью вертикального электрофо-
реза, и после окрашивания полиакриламидного геля этидием бромида визуализировали с ис-
пользованием трансиллюминатора. Более подробно методы по определению полиморфизмов
генов PPARα, ACE и ACTN3 описаны в работах Flavell и соавт. [3], Rigat и соавт. [7] и Mills и
соавт. [5].
Для определения состава мышечных волокон, предварительно из m. vastus lateralis (под
местной анестезией 1% раствором лидокаина) методом игольчатой биопсии по Бергстрему бра-
ли пробы мышечной ткани и замораживали в жидком азоте. Серийные поперечные срезы тол-
щиной 10 μm готовили в криостате при -20 ºС и монтировали на предметные стекла. Для имму-
ногистохимического выявления изоформ ТЦМ использовали иммунопероксидазную технику.
Применяли антитела против медленных (MHCs) и быстрых (MHCf) цепей миозина (клоны
NCL-MHCs и NCL-MHCf (а+в) (Novocastra Laboratories)). Срезы, которые инкубировали без
первичных антител, использовали как контроль для выявления неспецифической окраски. Для
усиления метки антиген-антитело был использован Vectrastain ABC kit (Vector Labs, CA), кото-
рый визуализировался диаминобензидин пероксидазной реакцией. Распределение волокон вы-
ражали как соотношение между числом волокон каждого типа на срезе к общему количеству
волокон. Измеряли все волокна (200-300 волокон) на каждом срезе. Площадь поперечного се-
чения (ППС) измеряли не менее чем у 100 волокон каждого типа с помощью системы анализа
изображений QUANTIMET-500 (Leica) с цветной цифровой видеокамерой JVC TK-1280E. Все
сравниваемые срезы готовили и окрашивали одновременно реагентами фирмы Sigma (USA).
Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием методов
общей статистики и корреляционного анализа. Вычисляли среднее значение показателя и
ошибку среднего. Оценка достоверности проводилась по t-критерию Стьюдента. Различия счи-
тались достоверными при значении P<0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ частоты распределения генотипов по гену PPARα у мужчин показал, что к гено-
типу GG относятся 62,5%, к генотипу GC 27,1% и к генотипу CC 10,4%. Для генотипов II, ID и
DD по гену ACE эти величины составили 31,25%, 37,5% и 31,25%. Для генотипов RR, RX и XX
по гену ACTN3 они были 37,5%, 62,7% и 0%.
В результате проведенного анализа выявлено, что наибольшее преобладание медленных
волокон соответствует генотипам: DD по ACE (56,6±2,5%), GG по PPARα (53,5±2,4%) и RX по
ACTN3 (53±2,5%), а наименьшее – генотипам СС по PPARα (38,7±2,4%), II по ACE (45,9±3%) и
RR по ACTN3 (51,7±3,9%).
В дальнейшем обследуемые были разделены на 3 равные группы по
16 человек с высоким,
средним и низким содержанием медленных или быстрых мышечных волокон. Это позволило
обнаружить достоверные различия в частоте встречаемости аллелей генов PPARα и ACE между
группами с крайними значениями. Так, в группе с высоким содержанием медленных волокон
(от 55,7% до 69,3%) преобладали носители аллелей G по PPARα (93,3%) и D по ACE (68,8%) по
886
сравнению с группой, лица которых содержали низкий процент (от 24,7% до 43%) медленных
мышечных волокон (60% носителей аллеля G и 34,4% носителей аллеля D; P<0.05) (Табл. 1).
Таблица 1
Распределение частот аллелей генов PPARα, ACE и ACTN3
в группах мужчин с различным содержанием медленных мышечных волокон.
Группы с содержанием
медленных волокон, %
n
Ген PPARα Ген АСЕ Ген ACTN3
G аллель, % D аллель, % X аллель, %
24,7 – 43 (группа 1М) 16 60,0 34,4 31,3
45-53,9 (группа 2М) 16 76,9 46,9 33,3
55,7-69,3 (группа 3М) 16 93,3* 68,8* 30,7
Примечание. *Достоверные различия по t-критерию Стьюдента между 1М и 3М группами (P<0.05).
При распределении обследуемых на группы с разными показателями процентного соот-
ношения быстрых мышечных волокон была выявлена ассоциация С аллеля гена PPARα и I ал-
леля гена ACE с повышенным содержанием быстрых мышечных волокон (P<0.05). Несмотря на
некоторое преобладание частоты аллеля R по гену ACTN3 (77,8%) у лиц с высоким содержани-
ем быстрых мышечных волокон по сравнению с группой с низким содержанием таких волокон
(частота аллеля R 63,6%) различия между ними оказались статистически недостоверными
(Табл. 2).
При анализе ассоциации генотипов с площадью поперечного сечения быстрых или мед-
ленных мышечных волокон достоверных отличий обнаружено не было. Установлено, что наи-
большая ППС медленных волокон была выявлена у носителей генотипов GG по PPARα
(5396±236 мкм
2
) и DD по ACE (5513±344 мкм
2
); наименьшая – у носителей генотипов СС по
PPARα (4953±494 мкм
2
) и II по ACE (4972±246 мкм
2
). Кроме того, наибольшие показатели ППС
быстрых мышечных волокон были обнаружены у носителей генотипов GC по PPARα (6060±667
мкм
2
) и DD по ACE (6061±397 мкм
2
).
Таким образом, гипотеза о возможном наличии ассоциации между генотипами генов и со-
отношением быстрых и медленных мышечных волокон была подтверждена относительно генов
PPARα и ACE. С аллель гена PPARα имеет свойство понижать активность гена, что приводит к
увеличению утилизации глюкозы и уменьшению окисления жиров. К такому метаболизму бо-
лее предрасположены промежуточные
и быстрые мышечные волокна, что подтверждается
большим процентом быстрых волокон у носителей аллеля С. Кроме того, было выявлено, что
переходе от генотипа СС к генотипу GG увеличивается площадь медленных мышечных воло-
кон. Возможно, это связано с увеличением объема цитоплазмы, что определяется более высо-
ким окислительным потенциалом генотипа GG по сравнению с генотипами GC
и СС.
Таблица 2
Распределение частот аллелей генов PPARα, ACE и ACTN3
в группах мужчин с различным содержанием быстрых мышечных волокон
Группы с содержанием
быстрых волокон, %
n
Ген PPARα Ген АСЕ Ген ACTN3
С аллель, % I аллель, % R аллель, %
30-45 (группа 1Б) 16 9,6 31,2 63,6
45,1-58 (группа 2Б) 16 25,0 53,1 65,0
58,1-80 (группа 3Б) 16 37,7* 65,6* 77,8
Примечание. *Достоверные различия по t-критерию Стьюдента между 1Б и 3Б группами (P<0.05).
887
Ассоциация аллеля D по гену ACE с преобладанием медленных мышечных волокон, убе-
ждает в необходимости комплексного подхода при изучении ассоциаций полиморфизмов генов
с мышечной деятельностью. Надо отметить, что I/D полиморфизм гена ACE не связан с пере-
ключением одного вида метаболизма на другой, как это обнаружено в G/C полиморфизме гена
PPARα, а влияет только на концентрацию и активность одного ангиотензин-превращающего
фермента. В конечном итоге фенотипическое проявление I/D полиморфизма гена ACE зависит
от полиморфизмов других генов ренин-ангиотензиновой и каллекреин-кининовой систем. Воз-
можно, в нашем исследовании эффект аллеля I гена ACE был подавлен другими аллелями с ан-
тагонистическими свойствами, такими как С аллель гена PPARα. Тем не менее, у
носителей ал-
леля D отмечалась большая ППС быстрых и медленных мышечных волокон по сравнению с но-
сителями аллеля I, что указывает на сохранение гипертрофического эффекта аллеля D. При ис-
следовании ассоциации полиморфизма гена ACTN3 с содержанием быстрых и медленных мы-
шечных волокон не выявлено достоверных различий в частотах распределения генотипов RR,
RX и XX.
Представленные данные показывают
, что из трех изученных полиморфизмов к генам-
кандидатам, детерминирующим состав мышечных волокон могут быть отнесены гены PPARα и
ACE.
В заключение следует подчеркнуть, что состав мышечных волокон жестко детерминиро-
ван и изменяется незначительно в процессе систематического воздействия внешних стимулов.
Дальнейшие поиски генов, участвующих в формировании и развитии мышечных волокон, оче-
видно, следует вести с учетом экспериментальных данных, полученных в последнее время в
моделях на животных, при изучении процесса трансформации мышечных волокон.
Кроме того, необходимо проводить исследования по определению комплексного влияния
полиморфизмов генов на степень трансформации и гипертрофии мышечных волокон при сис-
тематическом воздействии различных внешних стимулов и, в том числе физических нагрузок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шенкман Б.С., Нетреба А.И., Литвинова К.С., Таракин П.П., Вихлянцев И.М., Подлубная
З.А., Немировская Т.Л., Ковалева М.А., Стеханова Т.Н., Попов Д.В., Виноградова О.Л.
Креатин как метаболический модулятор функции мышц человека в условиях силовой
тренировки. Сборник статей. Медико-биологические технологии повышения работоспо-
собности в условиях напряженных физических нагрузок. 102-116. 2004.
2. Bolla M.K., Haddad L., Humphries S.E., Winder A.F., Day I.N.M. A method of determination
of hundreds of APOE genotypes utilizing highly simplified, optimized protocols and restriction
digestion analysis by microtitre array diagonal gel electrophoresis (MADGE). Clin Chem. 41:
1599-1604. 1995.
3. Flavell D.M., Jamshidi Y., Hawe E., Torra I.P., Taskinen M.R., Frick M.H., Nieminen M.S.,
Kesaniemi Y.A., Pasternack A., Staels B., Miller G., Humphries S.E., Talmud P.J., Syvanne M.
Peroxisome proliferator-activated receptor α gene variants influence progression of coronary
atherosclerosis and risk of coronary artery disease. Circulation. 105: 1440 –1445. 2002.
4. Jamshidi Y., Montgomery H.E., Hense H-W., Myerson S.G., Torra I.P., Staels B., World M.J.,
Doering A., Erdmann J., Hengstenberg C., Humphries S.E., Schunkert H., Flavell D.M. Peroxi-
some proliferator-activated receptor α gene regulates left ventricular growth in response to ex-
ercise and hypertension. Circulation. 105: 950-955. 2002.
5. Mills M., Yang N., Weinberger R., Vander Woude D.L., Beggs A.H., Easteal S., North K. Diffe-
rential expression of the actin-binding proteins, alpha-actinin-2 and -3, in different species: im-
plications for the evolution of functional redundancy. Hum Mol Genet.10 (13): 1335-46. 2001.
888
6. Nazarov I.B., Woods D.R., Montgomery H.E., Shneider O.V., Kazakov V.I., Tomilin N.V.,
Rogozkin V.A. The angiotensin converting enzyme I/D polymorphism in Russian athletes. Eur
J Hum Genet. 9 (10): 797-801. 2001.
7. Rigat B., Hubert C., Corvol P., Soubrier F. PCR detection of the insertion/deletion polymor-
phism of the human angiotensin converting enzyme gene (DCP1) (dipeptidyl carboxypeptidase
1). Nucleic Acids Res. 20: 1433. 1992.
8. Yang N., MacArthur D.G., Gulbin J.P., Hahn A.G., Beggs A.H., Easteal S., North K. ACTN3
genotype is associated with human elite athletic performance. Am J Hum Genet. 73 (3): 627-
31. 2003.
Поступила 25 VII 2005
После обработки 13 XII 2005
© GenoTerra Ахметов И.И., Астратенкова
И.В., Дружевская
А.М., Комкова А.И., Любаева Е.В., Таракин П.П.,
Шенкман Б.С., Рогозкин
В.А. Ассоциация полиморфизмов генов с типом мышечных волокон // Рос. физиол. журн.
им. И.М. Сеченова. – 2006. – Т.92. - №7. – С.883-888.
*E-mail: contact@genoterra.ru