Читать полный текст статьи в формате pdf - АГ-инфо

ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Смолянинов А.Б., Жаров Е.В., Новикова П.Ю., Цымбалюк И.Н.
Исследование ДНК и определение длины теломер
у профессиональных спортсменов
СПб Государственный университет, Медицинский факультет
Институт цитологии РАН, Санкт-Петербург
Покровский банк стволовых клеток, Санкт-Петербург
Центр восстановительной медицины, Москва
Д
лительные тренировки, тре$
бующие больших затрат сил,
с весовой нагрузкой вызыва$
ют острые и хронические повреждение
мышечной системы [12]. Взрослые
мышцы скелета состоят из очень диф$
ференцированных, удлиненных много$
ядерных клеток. Они содержат не$
большое количество неподвижных од$
ноядерных стволовых клеток, которые
расположены между сарколеммой и
базальной мембраной [13]. Эти клетки
ответственны за рост и восстановление
мышцы. После повреждения скелетной
мышцы, спутники клеток пролифери$
руют и затем соединяются, чтобы вос$
становить или заменить поврежденные
волокна. Некоторые из этих много$
ядерных клеток возвращаются к со$
стоянию покоя, чтобы восстановить
численность спутников стволовых кле$
ток [3]. С возрастом происходит про$
грессивное сокращение пролифера$
тивной способности и общего количе$
ства стволовых клеток спутников [15,
16]. Пролиферативная способность
стволовых клеток частично ограниче$
на, потерей теломерных последова$
тельностей, которые являются специа$
лизированными структурами белка
ДНК в конце хромосомы [1]. Во время
каждого телесного клеточного деле$
ния, маленькая часть теломеры ДНК
теряется. Длина тепломер определяет
количество процессов деления, кото$
рое данная клетка может пережить, и
потому является своеобразными био$
логическими часами, укорачиваясь в
процессе каждого деления. Считается,
что именно укорочение теломер в ДНК
клеток, составляющих ткани организ$
ма, приводит к постепенному старе$
нию и определяет продолжительность
жизни человека, его биологический
возраст. Когда теломеры становятся
слишком короткими – клетка погиба$
ет. Начиная с пролиферирования,
стволовые клетки теряют маленькую
АГинфо
●
2/2010
часть теломер ДНК во время каждого
репликационного цикла. Недавно со$
зданные ДНК в восстановленном во$
локне будут иметь более короткие те$
ломеры [5]. Таким образом, число цик$
лов пролиферирования клетки так же
как их остаточная регенеративная спо$
собность может быть определена кос$
венно. Измерять длину теломеры или,
минимум теломерного рестрикционно$
го фрагмента (TRF) можно по длине
ДНК скелетной мышцы. Материал по$
лучают при биопсии мышцы [5, 16].
Профессиональные атлеты, еже$
дневно занимающиеся спортивными уп$
ражнениями, страдают от хронической
усталости связанной с осуществлением
упражнений. Они идеально подходят
для изучения любого потенциального
долговременного вредного физическо$
го воздействия, полученного в резуль$
тате длительных тренировок на вынос$
ливость. У этой группы атлетов очень
длительные и большие нагрузки. Они
систематически участвуют в экстре$
мальных для здоровья соревнованиях,
состязаниях, олимпиадах. Они при дли$
тельной физической нагрузке проде$
монстрировали резкое снижение рабо$
тоспособности. Это снижение не связа$
на с обычным старением организма.
Спортсмены при этом жалуются на хро$
ническую усталость, преобладающую в
симптомах скелетных мышц, у них раз$
вивается крепатура.
Крепатура (забитость) – боли в
мышцах, вызванные накоплением в них
токсинов (молочной кислоты), кото$
рые могут вырабатываться при физи$
ческой нагрузке. Обычно, поводом к её
появлению служит непривычно боль$
шая для организма мышечная актив$
ность. Как правило, медицинская вра$
чебная помощь не приносит облегче$
ния. В иностранной литературе такой
атлет описан, как «утомленный атлет с
миопатическим синдромом» (FAMS)
[7, 20, 21].
M. Collins et al. (2003) провели иссле$
дование длины теломер и сравнили дли$
ну TRF ДНК. У спортсменов была взята
биопсия мышцы. Группу исследования
составили усталые атлеты, страдающих
от FAMS или крепатуры. В группу кон$
троля взяли атлетов с оптимальной с
точки зрения возраста и адекватности
физической нагрузкой. Оказалось, что
симптомы скелетной мышцы атлетов,
страдающих от FAMS, могли быть вы$
званы обширным поражением мышеч$
ной ткани.
Одобрение этого исследования было
получено от Комитета Исследования
Факультета Науки Здоровья, универси$
тета Кейптауна (ЮАР). Под наблюде$
нием M. Collins et al. (2003) в течении 3$х
лет находилось тринадцать атлетов с
диагназом FAMS и 13 здоровых атлетов,
участников международных соревнова$
ний. Все они были одинакового возрас$
та. Пациенты с диагнозом FAMS были
приняты от Спортивной медицинской
Клиники в Спортивном Институте На$
уки Южной Африки, Кейптауна
(ЮАР).
Все профессиональные атлеты с ди$
агнозом FAMS имели большой опыт
тренировок, хроническую или чрезмер$
ную усталость, которая преобладала в
скелетных мышцах, включая чрезмер$
ную крепатуру, неподвижность и спаз$
мы скелетных мышц [7]. Профессио$
нальные спортсмены контрольной груп$
пы были подобраны по возрасту и физи$
ческой нагрузке и не имели ни одного из
признаков FAMS. Атлеты из группы ис$
следования с диагнозом FAMS были по$
добраны по уровню их спортивной под$
готовки. Обе группы атлетов (с FAMS и
контрольная группа) были обследова$
ны, чтобы исключить присутствие раз$
личных органических заболеваний, ко$
торые объясняли бы симптомы болезни.
Биопсия скелетной мышцы и тип волок$
на были получены из латеральной ши$
рокой мышци всех исследуемых атле$
3
ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
тов. Тип волокна мышцы был опреде$
лен, используя миофибриллярный АТФ
метод.
В FAMS группу входили 10 мужчин и
3 женщины. Это были профессиональ$
ные спортсмены участники междуна$
родных соревнований. Среди них 11 бе$
гунов на длинные расстояния, триатло$
нист, один международный сквош иг$
рок, который обучался на высоком
уровне. Спортивные достижения атле$
тов были зафиксированы на междуна$
родном уровне.
Контрольная группа состояла из де$
вяти мужчин и четырех здоровых жен$
щин спортсменов в составе 11 бегунов
на длинные дистанции, триатлонист и
велосипедист.
Каждая группа соответствовала по
полу, возрасту, росту и весу. Обе груп$
пы также имели аналогичную долю I ти$
па скелетных мышечных волокон, за ис$
ключением одного спортсмена с FAMS у
которого скелетные мышцы составили
91% волокон типа I, диапазон тип I во$
локна была аналогичной пропорции в
FAMS (31–67%) и контрольной
(37–60%) группе.
Спортсмены FAMS показали значи$
тельное снижение физической нагрузки
при тренировке. Группа атлетов с FAMS
и контрольная группа спортсменов, бы$
ли бегунами на выносливость. Они про$
бежали более чем 40 км. Подготовка
спортсменов контрольной группы была
очень похожа на подготовку спортсме$
нов с FAMS до начала развития у них
симптомов заболевания, но больше, чем
нынешняя подготовка группы FAMS по$
сле появления симптомов.
Длины теломер. Минимальная дли$
на теломерного рестрикционного
фрагмента (TRF) в латеральной мышце
спортсменов с FAMS была значительно
короче, чем у субъектов контрольной
группы (P=0,017). Даже с поправкой на
возраст, минимальная длина теломер
TRF остается значительно короче у ат$
летов с FAMS. Не было существенной
разница в среднем (P =0,052) длины те$
ломер TRF у атлетов с FAMS и кон$
трольной группы спортсменов. У троих
спортсменов с FAMS были значительно
короче среднего и минимального зна$
чения длина теломер TRF, чем у ос$
тальных 10 атлетов с FAMS. Когда дан$
ные этих трех испытуемых были ис$
ключены, минимальная длина длины
теломер TRF оставшихся 10 спортсме$
нов с FAMS была по$прежнему значи$
4
тельно меньше, чем у контрольной
группы (P =0,043).
Выводы этого исследования то, что
минимальная длина теломер TRF при
исследовании ДНК из мышцы спортсме$
нов с FAMS (4,0±1,8 kb) была значитель$
но короче, чем у субъектов контрольной
группы (5,4±0,6 kb). S. Decary et al. [5]
сообщали, что минимальная длина тело$
мер TRF латеральной широкой мышцы
уменьшается примерно на 13 bp в год от
рождения до 86 bp. После поправки на
возраст, минимальная длина теломер
TRF остается значительно короче у
спортсменов с FAMS. Регенерация
мышцы бедра у атлетов с FAMS проис$
ходит быстрее, чем в контрольной груп$
пе. Это говорит о том, что при попытках
восстановить мышцы при их травме во
время занятий спортом, стволовые
клетки больных FAMS подвергаются
репликации чаще. В результате наблю$
дается обширная регенерация мышц,
которые участвуют в сокращениях
мышц во время бега.
Действительно, гистологические ис$
следования образцов у атлетов с FAMS
показали значительно большую распро$
страненность гистологических призна$
ков мышечной дистрофии или митохон$
дриальной миопатии. Повреждения
мышц у спортсменов с FAMS может по$
казывать ускоренный процесс старения
[23, 24].
S.Decary et al. [5] сообщили, что
мышцы у больных с мышечной дистро$
фией Дюшенна и капиллярный пояс мы$
шечной дистрофии имеет в 14 раз более
ускоренный темп уменьшения длины те$
ломер. Минимальная длина теломер
TRF у спортсменов при занятии про$
фессиональным спортом становилась
короче [5]. Это свидетельствует о том,
что хотя профессиональные спортсме$
ны не имели симптомов FAMS, тем не
менее они имели такие же показатели
по длине теломер, как и спортсмены
страдающие FAMS.
Внимательный анализ максималь$
ной, средней и минимальной длины те$
ломер TRF у спортсменов с FAMS пока$
зали, что у 3 из 13 спортсменов имеют
значительно более короткие теломеры.
Средняя и минимальная длина теломер
TRF этих трех спортсменов были значи$
тельно – короче, чем у контрольной
группы. Средняя и минимальная длина
теломер TRF остается постоянной на
протяжении всей жизни [5]. Средняя и
минимальная длина теломер TRF у этих
трех спортсменов были значительно ко$
роче, чем у остальных 10 атлетов с
FAMS или спортсменов контрольной
группы. Теломерные последовательнос$
ти также подвержены поломокам [11].
Во время упражнений наблюдается уве$
личенный метаболизм и образуются
кислородные радикалы: супероксид
анион, перекись водорода и гидро$
ксильный радикал, которые отрица$
тельно влияют на длину теломер.
B.Dufaux et al. [9] продемонстриро$
вали большие межличностные измене$
ния окислительного стресса путем
умеренной подготовки спортсменов
после 2,5 часового бега. Поэтому за$
манчиво предположить, что некоторые
спортсмены более подвержены окси$
дативной физической нагрузке, при
которой наблюдается повреждение те$
ломер. Однако одному из этих спортс$
менов ранее был поставлен диагноз
анорексия, а второй имел сахарный
диабет II типа. Нет доказательств то$
го, что диагноз поставлен из$за усло$
вий, связанных с ускорением сокраще$
ния теломер в скелетных мышцах. Од$
нако, влияние этих условий на прежде$
временное сокращение длины теломер
исследуются до сих пор. Наконец, хо$
тя у атлетов с FAMS были короткие те$
ломеры их VO2 и MVC не отличаются
от контрольных.
Таким образом, теломеры, выделен$
ные при биопсии мышц спортсменов в
группе исследования с FAMS были зна$
чительно короче, чем у атлетов кон$
трольной группы. Эти данные свиде$
тельствуют о том что скелетные мышцы
спортсменов с FAMS показывают об$
ширную регенерацию, которая скорее
всего является следствием более частых
циклов клеточной пролиферации инду$
цированной повторяющимися присту$
пами поврежденных мышц у этих про$
фессиональных атлетов.
Литература:
1. Allsopp R.C., Chang E., Kashefi$Aazam
M. et al. Telomere shortening is associated
with cell division in vitro and in vivo //
Exp.Cell Res. – №220, 1995. – P.: 194–200.
2. Allsopp R.C., Vaziri H., Patterson C. et al.
Telomere length predicts replicative capac$
ity of human fibroblasts // Proc. Natl.
Acad. Sci. USA. – № 89, 1992. –
P.:10114–10118.
3. Bischoff R. and Heintz C. Enhancement of
skeletal muscle regeneration// Dev. Dyn. –
№ 201, 1994. P.:41–54.
АГинфо
●
2/2010
ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
4. Decary S., Ben Hamida C., Mouly V. et al.
Shorter telomeres in dystrophic muscle
consistent with extensive regeneration in
young children // Neuromuscul. Disord. –
№ 10, 200. P.:113–120.
5. Decary S., Ben Hamida C., Mouly V. et al.
Replicative potential and telomere length in
human skeletal muscle: implications for
satellite cellmediated gene therapy // Hum.
Gene Ther. – № 8, 1997. – P.:1429–1438.
6. Decary S., Mouly V. and Butler$Browne
G.S. Telomere length as a tool to monitor
satellite cell amplification for cellmediated
gene therapy // Hum. Gene Ther. – № 7,
1996. – P.:1347–1350.
7. Derman W., Schwellnus M.P., Lambert
M.I. et al. The "wornout athlete": a clinical
approach to chronic fatigue in athletes // J.
Sports Sci. – № 15, 1997. – P.:341–351.
8. Dubowitz V. Muscle Biopsy: A Practical
Approach // Eastbourne, England: Bailliere
Tindall/ – 1985/ – P. 3–40.
9. Dufaux B., Heine O., Kothe A. et al. Blood
glutathione status following distance run$
ning // Int. J. Sports Med. – № 18, 1997. –
P.:89–93.
10. Harley C.B., Futcher A.B. and Greider
C.W. Telomeres shorten during ageing of
human fibroblasts // Nature. – № 345,
1990. – P.:458–460.
11. Hastie N. D. and Allshire R.C. Human
telomeres: fusion and interstitial sites //
Trends Genet. – № 5, 1989. – P.:326–331.
12. Lambert M.I., St. Clair Gibson A.,
Derman
E.W.
and
Noakes
T.D.
Regeneration after ultra$endurance exer$
cise // In: Overload, Performance
Incompetence and Regeneration in Sport,
M. Lehmann, C. Foster, U. Gastmann, H.
Keizer and J. M. Steinacker (Eds.). New
York:
Kluwer
Academic/Plenum
Publishers. – 1999. – P.163–172.
13. Mauro A. Satellite cell of skeletal muscle
fibres // J. Biophys.Biochem. Cytol. – № 9,
1961. – P.:493–495.
14. Poulsen H.E., Loft S. and Vistisen K.
Extreme exercise and oxidative DNA modi$
fication // J. Sports Sci. – № 14, 1996. –
P.:343–346.
15. Renault V., Piron$Hamelin G., Forestier
C. et al. Skeletal muscle regeneration and
the mitotic clock // Exp. Gerontol. – № 35,
2000. – P.:711–719.
16. Renault V., Thornell L$E., Ericksson P$
O. et al. Regenerative potential of human
skeletal muscle during aging // Aging Cell –
№ 1, 2002. P.:132–139.
17. Retel J.B., Hoebee J.E., Braun D. et al.
Mutational specificity of oxidative DNA
damage // Mutat. Res. – № 299, 1993. –
P.:165–182.
18. Scrimgeour A.G., Noakes T.D., Adams
B. and Myburgh K. The influence of weekly
training distance on fractional utilization of
maximum aerobic capacity in marathon
and ultramarathon runners // Eur. J. Appl.
Physiol. Occup. Physiol. – № 5, 1986. –
P.:202–209.
19. Sharwood K.A., Lambert M.I., St. Clair
Gibson A., and Noakes T.D. Changes in
muscle power and neuromuscular efficiency
after a 40$minute downhill run in veteran
long distance runners // Clin. J. Sport Med.
– № 10, 2000. – P.:129–135.
20. St. Clair Gibson A., Fatigue, aging and
the neuromuscular system // M.D. Thesis,
University of Cape Town. – № 2000, 2002. –
P. 1–446.
21. St. Clair Gibson A., Lambert M.I.,
Collins M. et al. Chronic exercise activity
and the fatigued athlete myopathic syn$
drome (FAMS) // Int. SportMed. J. – № 1,
2000. – P.:1–7.
22. Vaziri H., Schachter F., Uchida I. et al.
Loss of telomeric DNA during aging of nor$
mal and trisomy 21 human lymphocytes //
Am. J.Hum. Genet. – № 52, 1993. –
P.:661–667.
23. Vihko V., Salminen A. and Rantamaki О.
Acid hydrolase activity in red and white
skeletal muscle of mice during a two$week
period following exhausting exercise //
Pflugers Arch. – № 378, 1978. – P.:99–106.
24. Vihko V., Salminen A. and Rantamaki J.
Exhaustive exercise, endurance training,
and acid hydrolase activity in skeletal mus$
cle // J. Appl. Physiol. – № 47, 1979. –
P.:43–50.
ПОДПИСКА НА ЖУРНАЛ
в каталоге «Роспечать» на 2010 г.
индекс 80709
АГинфо
●
2/2010
5