Известно, что геном состоит из молекул дезоксирибонуклеиновых кислот – ДНК, состоящих из 4 типов нуклеотидов: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимидин (Т), которые соединены в определенной последовательности и образуют генетический код. Watson и Crick в 1953 году предложили модель организации молекулы ДНК в виде двойной спирали, согласно которой цепи ДНК комплиментарно соединены определенным образом: С с G, а А с Т (Watson J.D., 1953). Такая структурная особенность дает возможность ДНК себя реплицировать во время митоза клеток, в качестве матрицы используя одну из цепей. Хромосомы это сложным образом упакованные в структуры молекулы ДНК. В каждой клетке нашего организма содержится 23 пары хромосом.
Основой генетического кода является последовательность из трех нуклеотидов, называемая кодон. Одной аминокислоте соответствуют несколько кодонов, при этом одному кодону соответствует только одна аминокислота, это называется эффект вырожденности кода, так как аминокислот всего 20, а вариантов кодонов 64. Состав гена определяется последовательностью кодонов, организованных в кодирующие (экзоны) и некодирующие (интроны) регионы. По оценкам исследователей в геноме выделяется около 20 500 генов (Johanson, H, 2009).
С помощью фермента РНК-полимеразы последовательность нуклеотидов одной из двух цепей ДНК копируется в одноцепочечную рибонуклеиновую кислоту (РНК), этот процесс носит название транскрипции. В процессе сплайсинга интроны вырезаются из РНК, а оставшаяся после сплайсинга РНК называется матричная РНК (мРНК), служащей матрицей для биосинтеза белка, т.е. трансляции, при которой мРНК с помощью рибосом из свободных аминокислот синтезирует белок (Johanson, H, 2009).
Вариабельные участки в геноме человека, встречающиеся в популяции с частотой не менее 1%, называются ДНК-полиморфизмами. Некоторые полиморфизмы оказывают влияние на степень экспрессии генов и соответственно на активность их продуктов, таких как белки и РНК. Значимость этих полиморфизмов выражается в их расположении в кодирующих и регуляторных областях ДНК, что позволяет генетикам использовать их в ассоциативных исследованиях.
Все изменения последовательности ДНК являются результатом мутаций, которые могут быть определены как генетические вариации. На сегодняшний день различают несколько различных типов полиморфизмов;
- одиночных замен (SNPs – single nucleotide polymorphisms):
- инсерции и делеции (I/D),
- повтора и вариации количеств копий (CNVs – copy number variants).
Наиболее часто встречающейся формой полиморфизма является SNP, связанная с заменой одного нуклеотида на другой. При инсерции или делеции последовательности ДНК добавляются или удаляются из гена, а их длина варьирует в широких пределах. Полиморфизмы повтора CNV осуществляюся за счет повторения последовательности ДНК и состоят из повторяющихся различное количество раз фрагментов. Длины этих фрагментов могут варьировать в очень широких пределах от микросателлитов (двух-, трехнуклеотидных повторов), до превышающих 100 нуклеотидов последовательностей, такие повторы носят название VNTR (вариабельное количество тандемных повторов). Важным источником генетического разнообразия являются большие делеции и дупликации (размер которых превышает 1 килобаз), их называют CNV (copy number variants) или вариантность количества копий (Iafrate A.J., 2004, Sebat J., 2004).
Возможность оказывать фенотипический эффект зависит от природы и местоположения полиморфизма. Полиморфизмы, находящиеся в кодирующих областях, обусловливающие замены аминокислот или образования стопкодонов, оказывают наиболее существенное влияние на фенотипические признаки. Также весомое влияние на фенотип оказывают инсерции и делеции, изменяющие рамку считывания гена. Полиморфизмы располагающиеся в некодирующих и нетранслируемых областях ДНК, иногда обладают функциональной значимостью так как влиять путем создания или нарушения сайтов связывания для факторов транскрипции или микроРНК у них есть возможность на скорость транскрипции гена. Существуют также так называемые молчащие полиморфизмы, не влияющие на конечный продукт.
Наиболее частой причиной существования нескольких вариантов одного гена являются однонуклеотидные полиморфизмы, подавляющее большинство вариаций в геноме человека приходится на их долю. На сегодняшний день известно более 200 полиморфизмов, ассоциированных с морфофункциональными признаками и биохимическими показателями, которые характеризуют биологический отклик на экстремальные физические и нервно-эмоционльные нагрузки (Ахметов И.И., Федотовская О.Н., 2012).
Особенности полиморфизмов генов регуляторов метаболизма
Представлен перечень, на наш взгляд наиболее существенных полиморфизмов генов, ассоциированных с предрасположенностью к развитию и проявлению выносливости, силы и быстроты у спортсменов.
Ген α-актина-3 (ACTN3) – первый ген структурного белка скелетных мышц α-актинина-3, для которого показана связь с проявлением физических качеств спортсменов, полиморфизм гена ACTN3 являющегося основным компонентом Z-линий мышечных саркомеров. Этот ген определяет развитие быстрых мышечных волокон II типа, чем оказывает влияние на предрасположенность к экстремальным видам профессиональной деятельности.
Локализован ген ACTN3 в длинном плече 11 хромосомы (11q13-q14), состоит из 20 экзонов и 19 интронов. По данным И.И. Ахметова генотип R/R ассоциирован с наличием скоростно-силовых способностей, генотип R/X – со скоростно-силовыми способностями и выносливостью, а генотип Х/Х – со снижением скоростно-силовых способностей, но благоприятно влияет на выносливость. Функция гена ACTN3 заключается в кодировании белка (αактинин-3), контролирующего быстроту сокращения мышечных волокон. Полиморфизм гена ACTN3 приводит к замене аргинина (R) в положении 577 в стоп-кодон (X), поэтому гомозиготность по X-аллели связана со снижением белка (α-актинина-3), что негативно сказывается на скоростно-силовых показателях физических качеств человека
По мнению Ф.М. Дружевской достоверное снижение процента генотипа Х/Х в группе скоростно-силовых видов спорта, и у спортсменок, занимающихся видами спорта, требующими выносливости связано с отсеиванием спортсменов мышечные клетки которых не содержат этот миофибриллярный белок в процессе спортивного отбора (Дружевская А.М. и др., 2006).
Ген TFAM локализован на 10 хромосоме – 10q21.1 и кодирует белок «транскрипционный фактор А» митохондрий который активирует транскрипцию и участвует в репликации митохондриальной ДНК. Полиморфизм гена TFAM ассоциирован с физической работоспособностью. Полиморфизм гена TFAM в котором гуанин (G) заменяется на цитозин (С), в следствии чего происходит замена аминокислоты серин на треонин (Ser12Thr) в позиции 12 аминокислотной последовательности белка, приводит к изменению активности митохондриального фактора транскрипции А, что способствует повышению аэробной производительности (Rankinen T., 2006; Сологуб Е.Б. 2000).