Fyziologie zátěže Genetika MUDr. Kateřina Kapounková, Ph.D. Genetika a genomika • Poprvé termín genetika navržen v roce 1906 virologem W. Batesonem pro nový obor biologických věd, zabývající se studiem dědičnosti • Termín genom poprvé použitý v roce 1920 • Pojem genomika použit v roce 1987 = nový obor analyzující genom jako celek , zabývá se strukturním uspořádáním a funkčním významem všech genů • Každá z asi 80 bilionů buněk dospělého člověka nese ve svém jádře program udržitelnosti života. Ten uložen v molekulách DNA ( deoxyribonukleová kyselina) • Jednotlivé pokyny programu jsou zapsány v jednotkách - genech DNA • Nese genetickou informaci • Základní jednotkou molekul DNA je nukleotid • Nukleotid je tvořený 3 částmi: a, zbytek kyseliny fosforečné b, cukerné zbytky c, zásaditá látka – báze • Báze: adenin (A), cytosin (C), guanin (G), tymin (T) • Základní vlastnost DNA- schopnost kopírovat a vytvářet tak z jedné DNA molekuly dvě= replikace • Molekuly DNA se vyskytují v podobě 2 vláken do sebe omotaných - dvoušroubovice DNA - pokračování • Jedno vlákno kóduje informaci- druhé vlákno je k němu komplementární ( podobně jako zip) • Komplementaritu zajišťuje skutečnost, že se spolu párují vždy písmena: G-C T-A • Při kopírování DNA se vlákna od sebe oddělí • RNA( ribonukleová kyselina) – další druh důležitých molekul, také obsahují čtveřici písmen ( jen místo T obsahuje uracil – U) RNA • Uplatňuje se ve všech procesech realizace genetické informace • Druhy RNA: - mRNA( mediátorová RNA)- funguje jako poslíček, nesoucí přepis genetické informace z místa uložení DNA do místa tvorby proteinů ( ribozomy) - transkripce ( přepis musí být upraven, aby byl vhodný jako instrukce pro torbu proteinů – sestříhán na kratší zprávu = editace RNA RNA- pokračování - rRNA( ribozomální RNA) – součástí ribozomů - tRNA( transferová RNA) – zajišťuje dopravu aminokyselin do místa syntézy proteinů ( ribozomy); krátké molekuly s cca 80 nukleotidy, každá molekula tRNA nese určitou aminokyselinu a ta se přicvakne na mRNA – translace- vznik nového proteinu • Informace nesená mRNA je čtena po trojicích písmen RNA = tripletech, na ně se vážou svými komplementárními triplety ( antikodony) molekuly tRNA • v posledních letech objeveny velmi krátké molekuly RNA ( asi 20 písmen). Např. siRNA, piRNA, tasiRNA, easiRNA – plní různé funkce v buňce při realizaci genetické informace ( například jsou schopny zabránit vzniku mRNA, rozdělit mRNA na kousky, zablokovat výrobu proteinů v ribozomech,…)předpokládá se, že vznikly jako obranné nástroje chránící buňku před nepřátelskými molekulami nukleových kyselin ( virová DNA nebo RNA) Gen, genom • Gen = základní jednotka genetické informace, konkrétní úsek DNA • Alela= různé verze jednoho genu, některé geny mají širokou škálu alel, v rámci jednoho živočišného druhu mohou existovat populace s různými alelami jednoho genu. Alela je genotypickou variantou genu • Genom= celková genetická informace určitého organismu • Postup genetické informace DNA RNA protien Vznik a vývoj genetického kódu • Kodon- trojice písmen DNA( nukleových bází), respektive RNA kódující jednu aminokyselinu • Kodonů je celkem 64 (=43), kodon je postaven tak, že některé AMK jsou kódovány větším počtem trojic písmen • Kód prošel evolučními změnami, první pořadí AMK v proteinech bylo náhodné a o úspěšnosti Výsledných proteinů rozhodovalo, jak obstojí v přirozeném výběru • Nejstarší AMK snad byly tedy alanin a glycin • Genotyp = specifická sekvence DNA pro určitý gen • Fenotyp= specifický fyzický znak vyplývající z genotypu • Chromozom= skládá se z DNA a histonů ( bílkoviny podílející se na výstavbě chromatinu) • Karyotyp je soubor všech chromozomů v buněčném jádře ( 24 chromozomů) Lidský genom • Normální genom se skládá asi z 3 miliard DNA • Rozdělen na 24 typů chromozomů ( 22 autosomálních a 2 heterosomálních chromozomů X a Y) a mnoha menších mitochondriálních chromozomů • Mitochondrie byly původně volně žijící bakterie a až v průběhu evoluce se staly součástí eukaryotických buněk ( část své původní genetické informace odevzdaly jádru buňky, část ztratily a část si ponechaly) – proto mají odchylky v genetické informaci oproti jádru • Lidský genom obsahuje asi 20 000-30 000 genů, ale kódující segmenty DNA genů zaujímají asi jen 2% ( zbytek se předpokládá, že je DNA, která geny neobsahuje) Genetická mapa sportovní výkonnosti • První studie molekulárně-genetických znaků u sportovců v roce 1968 běhe OH v Mexiku ( studie se zúčastnilo 1 265 sportovců – zkoumaly se alelické varianty genů s funkcí v krevním systému) • Projekt genetické mapy člověka, hledající fenotypy spojené s výkonností a zdravotní kondicí začal v roce 2000 ( stále nedokončený projekt) • Neustále přibývá počet nalezených genů ( respektive úseků chromozomu), které mají vliv na výkonnost rok 2000 - známo 29 loků rok 2004 - známo 142 loků rok 2009 - známo 239 genů • Před zařazením do mapy musí gen nebo lokus být doložen alespoň jednou studií Dědičnost a principy dědičnosti Míra vlivu genetických faktorů na: • aerobní výkon a kardiorespirační funkce je asi 40-60% • anaerobní výkon asi 50-90% • svalovou sílu asi 30-70% • velikost srdce asi 20-30% Dědičnými změnami v aktivitě genů se zabývá epigenetika Epigenetický model – lze ovlivnit kód DNA a tím i expresi genu ( existuje řada typů epigenetických modifikací – nejprobádanější je metylace DNA) Metylace DNA – dojde k napojení metylové skupiny (CH3) k DNA a to často v místě počátku genu, tím se zabrání proteinu, který by aktivoval gen v činnosti a k aktivaci genu nemusí dojít = úprava exprese genu tato informace může být přenesena na potomka! • Pravidelná pohybová aktivita ovlivňuje expresi genů ( tedy zapnutí nebo vypnutí), příklad cvičení způsobuje metylace DNA v celém genomu lidské tukové tkáně a tím ovlivňuje metabolismus adipocytů • Tréninkový program neovlivní pořadí písmen, ze kterých je DNA složena, ale ovlivní expresi genů a to i u našeho potomka Vybrané „ sportovní geny“ GDF5 – růstový diferenciační faktor 5 • Exprese genu probíhá v rozvíjejícím se centrálním nervovém systému • odpovídá za regulaci růstu a zrání kostí a chrupavek • Hraje roli při vývoji a hojení kostí, kloubové tkáně • Reguluje růst embryonální i dospělé tkáně ( náchylnost ke zranění, rychlost hojení zranění) • Má vliv na zvýšené riziko zranění ( především Achilovy šlachy) Geny systému R-A-AS ( renin- angiotensin-aldosteron), především ACE • Tento systém ovlivňuje krevní tlak, objem extracelulární tekutiny a vylučování sodíku • v jednotlivých genech systému R-A-AS byly nalezeny funkční varianty ACE = dipeptid, který působí na angiotenzin I za vzniku angiotensinu II ( uložen v krevní plazmě) Angiotenzin II – výrazné vazokonstrikční účinky a stimuluje vyplavování aldosteronu z kůry nadledvin Varianty v genu ACE jsou spojovány se statusem elitních vytrvalců Endoteliální NO syntáza ( NOS3) • NO ( oxid dusnatý) se uplatňuje v mnoha fyziologických a patologických procesech. Kontinuální produkce NO má klíčovou roli při regulaci tonu cév a tím během zatížení zasahovat do regulace zásobení tkání krví ( včetně svalů) • NO je syntetizován z L-argininu pomocí endoteliální NO syntáza • Gen NOS3 kóduje endoteliální NO syntázu, která je přítomna v endotelu cév ( vnitřní vrstva cévy, která je v kontaktu s krví) Alfa- aktinin3 ( ACTN3) • Spojován se špičkovou sportovní výkonností • Alfa- aktinin je protein, který váže aktin a nachází se především rychlých svalových vláknech , pomáhá udržet strukturu sarkomery • Nositelé nemutované varianty genu vykazují velkou přítomnost rychlých svalových vláken Receptor hormonu uvolňujícího thyreotropin – gen TRHR • gen TRHR kóduje receptor hormonu uvolňujícího thyreotropin ( TRH) • TRH působí na uvolňování TSH ( thyreotropního hormonu) z adenohypofýzy, který má vliv na funkci štítné žlázy a vede k vylučování thyroxinu (T4) a trijodthyroninu (T3) • T3 a T4 zrychlují metabolismus, pomáhají katecholaminum mobilizovat zdroje energie v průběhu fyzické aktivity a podílejí se na růstu • receptor hormonu uvolňujícího thyreotropin ovlivňuje rychlost metabolismu a má vliv na růstpříznivé pro zvýšený objem svalové hmoty a tím i větší sílu Myostatin ( MSTN) • Jedná se o růstový diferenciační faktor, který tlumí diferenciaci a růst svalové tkáně hlavně v průběhu embryonálního vývoje • Produkován buňkami kosterních svalů, cirkuluje v krvi a účinkuje na svalovou tkáň – váže se na buněčný receptor • Tento gen kóduje vylučovaný protein, který negativně reguluje růst kosterního svalu – zvýšené hladiny myostatinu inhibují růst svalů a jeho vývoj • Mutace genu mají za následek nadměrný růst svalové hmoty ( jedinci s touto mutací jsou výrazně silnější)- vede to k nedostaku myostatinu Geny cytokinů, zánětlivé a protizánětlivé odpovědi • Intenzivní fyzická práce je provázena zánětlivou a protizánětlivou reakcí • Po dlouhodobém vyčerpávajícím cvičení nastane reakce akutní fáze ( do určité míry podobná sepsi) , což vede ke zvýšení hladiny cytokinů v krvi • Cytokiny = molekuly, které přenáší informace mezi buňkami a mají vliv na regulaci růstu, děleni buňky, zánět a obranyschopnost. Regulují imunitní systém • ze studií zjištěn vzestup hladin interleukinu-1 ( IL-1), tumor nekrotizujícího faktoru(TNF-α), interleukinu-6 (IL-6) po cvičení • Hladiny TNF po maratonu zvýšeny 2-3x • IL-6 postupné zvyšování během cvičení, maximální hladina ihned po cvičení, zánětlivá reakce způsobená IL-6 je spojována s únavou a schopností zotavení po tréninku a potencionálním rizikem přetrénování • IL-1 během cvičení hladina nestoupá, maximální hodnoty cca 2 hodiny po zátěži • Jedinci nesoucí genetické varianty, které zvyšují hladiny: - TNF nepřiměřeně mohou mít zvýšenou úroveň proteolýzy ( díky tomu mohou obtížně udržovat pozitivní proteinovou rovnováhu) - IL-6 vyšší riziko přetrénování, vyšší úroveň subjektivního vnímání únavy Genetické testy • Současné technologie umožňují stanovit pouze zlomek genotypu • Existuje ale řada metod ( např): - analýza fragmentů DNA - sekvenování DNA - hybridizace nukleových kyselin - mikroanalýza DNA Sportovní genomika – ovlivní budoucí vývoj sportu ( zatím v plenkách)