Genetická predispozícia pre maximálnu absorpciu kyslíka - trénovateľnosť

Genetické predispozície vychádzajúce z poznatkov celogenómových asociačných štúdií „GWAS“ možno aplikovať v rôznych oblastiach personalizácie zdravia, výživy a životného štýlu.

Súhrn: Genetické predispozície vychádzajúce z poznatkov celogenómových asociačných štúdií „GWAS“ je možné aplikovať v rôznych oblastiach personalizácie zdravia, výživy a životného štýlu. Kardiorespiračná zdatnosť v reakcii na cvičebný tréning sa medzi jednotlivcami veľmi líši, pričom niektorí ľudia na cvičebný výcvik reagujú dobre alebo veľmi dobre, zatiaľ čo iní majú iba mierny nárast kardiorespiračnej zdatnosti po podobnom cvičení. Získané vedecké poznatky boli použité na výpočet prediktívneho modelu pre kaukazskú (európsku) populáciu a pre následné porovnanie s reálne získanými genetickými dátami od jedincov genotypovaných technológiou microarray. 

Kľúčové slová: nutrigenomika, genetický polymorfizmus, VO2max

Abstract: Genetic predispositions based on the findings of the genome-wide association studies „GWAS“ can be applied in various areas of health, nutrition and lifestyle personalization. Cardiorespiratory fitness in response to exercise training varies greatly between individuals, with some people responding well or very well to exercise training, while others have only a slight increase in cardiorespiratory fitness after similar exercise. The obtained scientific knowledge was used to calculate a predictive model for the Caucasian (European) population and further comparison with real genetic data obtained from individuals genotyped by microarray technology.
Key words: nutrigenomics, genetic polymorphism, VO2max

Úvod
Športový výkon je multifaktoriálna polygénna vlastnosť ovplyvnená športovým tréningom, prostredím a genetickou predispozíciou. Elitní športovci sú viac-menej extrémnymi produktmi genetickej variability a ich výnimočnosť spočíva v tom, že sa výrazne líšia od bežného priemeru. Medzi najvýznamnejšie faktory ovplyvňujúce svalovú silu patria: proporcie svalových vlákien, výživa, genetická predispozícia, vek, dĺžka svalov a somatotyp jednotlivca. Počas rastu športovca sa zhoduje niekoľko dôležitých faktorov. Medzi ne patrí: kultúrne zázemie, motivácia, sociálne podmienky, profesionálne trénerstvo a športová tradícia v danej krajine. Fyzická zdatnosť každého jednotlivca je primárne obmedzená jeho genotypom. Jedným z génov, ktoré majú zásadný vplyv na fyzickú výkonnosť jednotlivca, je gén ACTN3 (1). Pokiaľ ide o typ jednotlivca, je možné s vysokou mierou presnosti určiť, či môže jednotlivec dosiahnuť prostredníctvom intenzívneho tréningu vrcholový športový výkon na vytrvalostných alebo výbušných (rýchlostno-silových) športových podujatiach, alebo je možné považovať výcvik iba za nadbytočné zaťaženie bez očakávaného účinku. Stupeň inherentných predpokladov je veľmi variabilný. Odlišnosti možno nájsť aj v rámci individuálnych preferencií alebo sklonu k umeniu alebo športu. Na základe dostupných informácií je možné predpokladať, že existuje súvislosť medzi genetikou a športovým výkonom pri určitej športovej činnosti. Odhalením vzťahu medzi endogénnymi predpokladmi jednotlivca a sklonom k športovej aktivite môže jednotlivec, dosiahnuť vďaka lepšiemu genetickému vybaveniu lepší výkon, ako ten, ktorý má inú genetickú predispozíciu (štruktúra kostrového svalstva, regenerácia, metabolizmus, riziko úrazu, funkcia orgánov atď.). Samozrejme je nevyhnutné brať do úvahy, že samotný športový výkon nie je podmienený výhradne genetickým predurčením, ale pozostáva zo širokého spektra faktorov ako tréning, technické a taktické schopnosti a mnohých iných.

VO2max
Maximálna absorpcia kyslíka (VO2max), maximálne množstvo kyslíka za jednotku času, ktoré sa môže dodať do periférnych orgánov, vrátane kostrového svalstva, kde sa používa na udržanie svalovej kontrakcie. Pri vrcholovom cvičení, sa považuje za štandardný ukazovateľ kardiorespiračnej výkonnosti. Pre VO2max sú charakteristické veľké interindividuálne rozdiely aj medzi sedavými dospelými. Kardiorespiračná zdatnosť v reakcii na cvičebný tréning sa medzi jednotlivcami veľmi líši, pričom niektorí ľudia na cvičebný výcvik reagujú dobre alebo veľmi dobre, zatiaľ čo iní majú iba mierny nárast kardiorespiračnej zdatnosti po podobnom cvičení (2), (3). Schopnosť zvyšovať kardiorespiračnú zdatnosť je multifaktoriálna vlastnosť ovplyvnená faktormi životného prostredia (napríklad cvičením) a genetickými faktormi (4). Štandardným spôsobom merania kardiorespiračnej zdatnosti je maximálna absorpcia kyslíka (VO2max), ktorá sa kvantifikuje ako maximálne množstvo kyslíka, ktoré telo dokáže spotrebovať za 1 minútu pri dynamickej práci s rozsiahlou svalovou hmotou. Výskum ľudských variácií VO2max sa prvýkrát uskutočnil pred viac ako štyridsiatimi rokmi, pričom niekoľko autorov identifikovalo silný genetický vplyv na VO2max u dvojčiat (5). Doposiaľ najsilnejšie dôkazy o tejto téme boli popísané v rozsiahlej štúdii s názvom “HEalth, RIsk factors, exercise Training And GEnetics (HERITAGE)” (6).

GWAS – Genómovo rozsiahle štúdie 
Stratégie genetických štúdií možno rozdeliť do dvoch skupín. Štúdie založené na kandidátskych génoch a štúdie typu GWAS. V štúdiách kandidujúcich génov výskum odhalil genetické rozdiely v génoch spojených so svalovými subsystémami. Jedinci kaukazského (európskeho) typu vo veku medzi 17 a 65 rokmi zo štúdie HERITAGE, ktorí boli homozygotní (TT genotyp) pre variant AMPD1 (rs17602729), mali nižšiu tréningovú odpoveď VO2max (

Aplikovanie modelu na Slovenskú populáciu
Pre vizualizáciu genetických predispozícií v Európskej populácii bol použitý prediktívny model popísaný v tabuľke 1 vychádzajúcej s projektu HERITAGE [8]. Pre účel predikcie bolo vytvorené „genetické skóre“ založené kde hodnota „0“ predstavovala homozygotný variant s nízkou odozvou na cvičenie; „1“ predstavovala heterozygota a „2“ homozygota pre alelu s vysokou odozvou VO2max na cvičenie. Prostredníctvom modelovania boli vypočítané všetky možné kombinácie kumulatívneho genetického skóre spolu s pravdepodobnosťou ich výskytu v európskej (kaukazskej) populácii. Graf bol obohatený o reálne vypočítané genetické skóre na základe celogenómových testov 248 anonymizovaných účastníkov projektu NU3Gen.

Tab. 1 Popis použitých mutácií asociovaných s VO2max [8]

Záver 
Ako je možné pozorovať na grafe 1 predikovaná distribúcia genetického skóre v európskej populácii založená na databázových frekvenciách jednotlivých alel v sledovaných lokusoch (génoch) je jemne vychýlená od pozorovaní vychádzajúcich s analýzy microarray dát. Histogram Európskej populácie v grafe 1 reprezentovaný textúrou vyplnenou oblasťou má strednú hodnotu na genetickom skóre 11, prčom túto hodnotu nadobúda takmer 20% populácie. Hodnoty genetického skóre menšie ako 5 a vyššie ako 17 sú v európskej populácii zriedkavé a vychádzajú s nízkej pravdepodobnosti kumulácie vyššieho množstva nepriaznivých, ale aj priaznivých alel v genotype jedinca.

Graf 1 Distribúcia genetického skóre v Európskej a Slovenskej populácii

Dáta vychádzajúce z analázy Slovenskej populácie majú strednú hodnotu genetického skóre 13 čo naznačuje že vo vzorke pochádzajúcej zo Slovenského etnika nastáva vyššia prevalencia zvýhodňujúcich alel schopných spôsobiť zvýšenie VO2max na cvičenie. Navýšenie pozorovaní genetického skóre s hodnotou 18, čo predstavuje výraznú kumuláciu zvýhodňujúcich foriem génov môže byť spôsobené zapojením elitných atlétov do skupiny jedincov použitých ako vzorka Slovenskej populácie. Aj za predpokladu, že by dokázala Slovenská populácia efektívnejšie modulovať kardiorespiračné schopnosti vplyvom pôsobenia svalovej aktivity, nemožno predpokladať, že je v tejto populácii prevalencia vrcholových športovcov. Oxidatívna trénovateľnosť, alebo schopnosť modulovať kardiorespiračnú zdatnosť je len jedným s mnohých znakov, ktoré definujú konkrétnu skupinu vrcholových športovcov.

Literatúra

1. I. Balkó, Š. Balkó, H. Týnková and E. Kohlíková, The Occurence of R577X Polymorphism of ACTN3 Gene in a Selected Group of Elite Fencers, AUC KINANTHROPOLOGICA, vol. 50, no. 2, pp. 5 – 12, Aug. 2015.
2. C. Bouchard et al., Personalized Preventive Medicine: Genetics and the Response to Regular Exercise in Preventive Interventions, Prog. Cardiovasc. Dis., vol. 57, no. 4, pp. 337 – 346, Jan. 2015.
3. T. N. Mann, R. P. Lamberts, and M. I. Lambert, High Responders and Low Responders: Factors Associated with Individual Variation in Response to Standardized Training, Sport. Med., vol. 44, no. 8, pp. 1113 – 1124, Aug. 2014. 
4. T. Rankinen and C. Bouchard, Genetic Predictors of Exercise Training Response, Curr. Cardiovasc. Risk Rep., vol. 5, no. 4, pp. 368 –372, Aug. 2011. 
5. V. Klissouras, F. Pirnay, and J. M. Petit, Adaptation to maximal effort: genetics and age., J. Appl. Physiol., vol. 35, no. 2, pp. 288 – 293, Aug. 1973. 
6. C. Bouchard et al., Familial aggregation of Vo2 max response to exercise training: results from the HERITAGE Family Study, J. Appl. Physiol., vol. 87, no. 3, pp. 1003 – 1008, Sep. 1999. 
7. J. Rico-Sanz et al., Associations between cardiorespiratory responses to exercise and the C34T AMPD1 gene polymorphism in the HERITAGE Family Study, Physiol. Genomics, vol. 14, no. 2, pp. 161 – 6, Jul. 2003. 
8. C. Bouchard et al., Genomic predictors of the maximal O 2 uptake response to standardized exercise training programs, J. Appl. Physiol., vol. 110, no. 5, pp. 1160 – 1170, May 2011. 
9. J. Defoor et al., The CAREGENE study: ACE gene I/D polymorphism and effect of physical training on aerobic power in coronary artery disease, Heart, vol. 92, no. 4, pp. 527 – 8, Apr. 2006. 
10. M. A. Rivera et al., Muscle-specific creatine kinase gene polymorphisms in elite endurance athletes and sedentary controls. Med. Sci. Sports Exerc., vol. 29, no. 11, pp. 1444 – 7, Nov. 1997. 
11. C. J. Williams et al., Genes to predict VO2 max trainability: A systematic review, BMC Genomics, vol. 18, no. Suppl 8, 2017.