第二節 第二節
第二節 運動基因 運動基因 運動基因 運動基因
一、運動基因
人類基因體計劃已於 2003 年完成，大約有 3-4 萬個基因，在每個個體間，
每一個基因都會有著些許之變異；最常見的基因變異是單一核苷酸多形性 (Single nucleotide polymorphisms, SNPs) (Payne & Montgomery, 2003；Rankinen et al., 2002)。SNPs 是一種普遍的遺傳變異，即在 DNA 序列上出現單一鹼基 (base) 的取代情形。一般而言，任意兩人之間均約有 0.1%的基因差異存在，
此乃造成不同之外觀或運動能力等。藉由影響運動能力的基因差異之鑑定，
即可得知其運動潛能，甚至，預測其是否能發展為特定項目之最佳運動人才：
如短跑、跆拳道、柔道等瞬發力項目，或是長距離游泳、馬拉松等耐力項目；
當然須具有個人動機，再配合後天妥切的飲食攝取與正確的運動訓練，方可 達成。
基本上，基因決定體內蛋白質之生成；而蛋白質影響著細胞、組織與器 官的結構與功能，而某些基因之特定基因型會影響人體的結構與代謝功能，
以及運動能力 (MacArthur & North, 2007)。因此擁有最佳運動基因型的組合 者，成為優秀運動人才的可能性最大。
與運動有關的基因仍在不斷地發掘中，其中已知基因 ACE (angiotensin converting enzyme) 與 ACTN3 (alpha-actinin-3; skeletal-muscle actin-binding protein) 二者分別與運動之耐力與瞬發力有密切相關。AGT (angiotensinogen) 基因被發現與西方優秀耐力選手之左心室肥大 (Karjalainenet al., 1999；Lynch et al., 2007) ，以及國人之高血壓 (Chianget al., 1997a) 相關。在國內，ACE 基因則發現與國人之高血壓 (Chianget al., 1996)、第二類型糖尿病（謝明家，
2000；Hsieh et al., 2000）有著密切相關；Payne 及 Montgomery 報 告中 (2003)，指出 ACE 基因會藉由軍事訓練而誘發左心室肥大。而 Wernstedt 等人 (2002) 的研究中發現，耐力運動訓練可使左心室容積與質量顯著改變。但亦 有學者持相反看法，Karjalainen 等人 (1999) 的研究中，沒有觀察到 ACE 基 因與左心室肥大之相關性。而 Harrap 等人 (2003) 指出，ACE 基因型與高血 脂、左心室肥大及心血管疾病皆沒有顯著的相關性。ACE 與 AGT 基因的產物 均 參 與 調 控 血 壓 的 「 腎 素 － 血 管 收 縮 素 － 腎 上 腺 醛 固 酮 系 統 」 (rennin-angiotensin-aldosterone system) ， AGT 基 因 的 產 物 是 血 管 收 縮 素 原 (angiotensinogen)，經腎素 (rennin) 作用後分解成血管收縮素 I (angiotensin I)，再經血管收縮素轉化酶 (angiotensin converting enzyme) 作用分解成血管收 縮素Ⅱ (angiotensin Ⅱ)，這是一強效血管收縮素，並可刺激醛固酮 (aldosterone) 的分泌，調節血液中鈉和水的保留，提升血壓。血管收縮素Ⅱ也會縮短具血 管鬆弛效果的緩動素 (bradykinin) 之半衰期，同樣能達到提升血壓的作用 (Thompsonet al., 2006；Whitney & Rolfes, 2005)。同時，緩動素半衰期之縮短，
會影響骨骼肌中之代謝作用，能促進骨骼肌收縮功能及效率，對運動表現有 益 (Myerson et al., 1999)。
二、ACE 基因
大部分真核細胞有兩套相同的染色體，於此兩套染色體上之同一個基因可 以以不同的形式存在，此即所謂之「對偶基因」 (allele)，通常控制相同的性 狀表現。
ACE 基因至少有兩種對偶基因決定血壓高低，一種是 I (insertion) 型，在 第 16 個 非 表 現 序 列 (intron) 內 多 了 287 個 鹼 基 對 (base pair) 片 段 (fragment)；另一種是 D (deletion) 型，則不含有此 287 個鹼基對片段 (Tsai et al., 2003; Amir et al., 2007)。D 對偶基因者有較高的血漿及組織血管收縮素轉化酶 濃度，因而產生的血管收縮素Ⅱ比 I 對偶基因者要多，因此有較高的高血壓風 險 (Chianget al., 1996)。而在運動表現方面，I 對偶基因者的血管收縮素Ⅱ的 量較少，且有著較好的代謝效率，而於運動訓練時，其德爾他效率（delta efficiency = △做的功/△消耗的能量）明顯地比 D 對偶基因者增加的多 (Williams et al., 2000)， 故 而 骨 骼肌 抗 疲 倦的 能 力 強 (Montgomery et al., 1998)。國外之研究顯示，優秀耐力選手多帶有 I 對偶基因，而瞬發力選手則 多帶有 D 對偶基因（Montgomery et al., 1998；表 4.1）。一項對奧運田徑選手 的研究更發現：徑賽的距離愈長，I 對偶基因的頻度就愈高 (Myerson et al., 1999；Nazarov et al., 2001)。
以組織染色法分析，I 對偶基因者的骨骼肌中之慢肌 (slow-twitch muscle fiber) 含量比 D 對偶基因者為高 (Zhang et al., 2003)，因此有較好的有氧代謝 能力，訓練後復原所需時間較短。血管收縮素Ⅱ可刺激動脈管壁平滑肌的增 生 (Touyz et al., 1999)，由於 D 對偶基因者可產生較多的血管收縮素Ⅱ，在耐
力訓練後，左心室肥大的程度比 I 對偶基因者嚴重 (Myerson et al., 2001)。血 管收縮素Ⅱ作用於肌肉，具有使肌肉肥大之作用 (hypertrophic effect)，造成 肌肉量增加，因而增加肌肉力量 (Gordon et al., 2001)。血管收縮素Ⅱ也可間接 促進血液由慢肌纖維流往快肌纖維 (Rattigan et al., 1996)，以上因素導致血管 收縮素Ⅱ有利於肌肉以最大力量收縮，因而有利於瞬發力型運動之表現。
三、ACTN3 基因
ACTN3 基因也影響運動能力，其產物α-actinin-3 蛋白質為肌動蛋白結合 蛋白 (actin-binding protein) 家族之一，其與骨骼肌的快肌纖維 (fast-twitch muscle fiber) 收縮有密切相關，利於瞬發力的產生；ACTN3 基因也只在這種 肌纖維中有表現 (MacArthur & North, 2007)。ACTN3 正常的對偶基因是 577R (arginine)，而其另一對偶基因則為 577X，於第 16 個表現序列 (exon) 內 C 突 變為 T (Anastasiya et al., 2008)，導致轉譯出的產物變為一終止密碼 (stop codon)，使得 ACTN3 的產物變短，喪失活性 (Moran et al., 2007；North et al., 1999)。然而 577X 也普遍存於人類族群中，因此 ACTN3 並非一必需基因；即 使喪失活性，也未發現會造成生理上的疾病 (MacArthur & North, 2007；Mills et al., 2001)。577XX 基因型的分佈因人種而異：非洲人種有< 1%是 577XX，
歐洲人種有 18%，亞洲人種有 25% (Goel et al., 2007；Yang et al., 2003)。一項 對優秀運動選手的研究顯示 577R 對偶基因和瞬發力運動項目相關，而 577X 對偶基因則和耐力運動項目相關（Niemi et al., 2005；Yang et al., 2003；表 4.1）。
在瞬發力的運動項目中，優秀的男、女選手皆有著較一般人顯著為高的 R 型基因頻度，然而 ACTN3 基因型 (RR、RX、XX) 所造成的運動表現，在男、
女選手中卻是不同的（邱麗玲、謝玲玲、顏克典、謝伸裕，2007；Clarkson et
al., 2005）。於女性運動選手中，瞬發力項目 RX 基因型呈現者較 Hardy-Weinberg equilibrium (Chen et al., 2005) 所預測值高，而耐力項目 RX 基因型呈現者則較 其所預測值低；然而此種基因型差異情形，在男性選手中卻沒有被觀察到，
或許是在運動訓練後，男性荷爾蒙有可能改善運動表現，因而降低了 ACTN3 在肌肉中的影響力 (Yang et al., 2003)。Hardy-Weinberg equilibrium 為由英國數 學家 Geoffrey Hardy、美國科學家 William W. Castle 及德國物理學家溫伯格 Wilhelm Weinberg 各自獨立發現的現象：在一個隨機交配的大族群中，除非有 外力的介入，否則基因出現的頻率將維持一個常數，且不同基因之間的出現 比例也是固定的。據此，即使是最稀有、有消失可能的基因形式也能被保存 下來。
四、AGT 基因
AGT 參與體內血壓的調控；不論是在芬蘭的耐力型選手 (Karjalainenet al., 1999) 或日本心血管病患中 (Iwaiet al., 1995)，均觀察到 AGT 基因與左心室 肥大之相關性。但在耐力運動選手中，沒有觀察到 AGT 基因型 (MM、MT、
TT) 所導致的血壓差異性 (Karjalainenet al., 1999)；而在心血管病患中卻發現 有血壓的顯著差異，而此血壓之差異性則被認為是 TT 基因型導致左心室肥大 的主要原因 (Iwaiet al., 1995)。芬蘭耐力型選手與日本心血管病患兩者中血壓 上的差異，可能緣自於受試者年齡層的不同（青年 vs.中年）、或有無接受運動 訓練，所造成之差異。
位於 AGT 基因 235 位置上之不同胺基酸會形成不同的對偶基因：235M (methionine) 與 235T (threonine) (Lynch et al., 2007)。而 235T 對偶基因產生 較高的血管收縮素Ⅱ，耐力訓練後誘發的左心室肥大的程度也比 235M 對偶
基因者為大 (Karjalainenet al., 1999)。不論是男、女耐力型運動選手，其 TT 基因型者均較 MM 基因型者有著較高之左心室肥大程度。相同的，如同 ACTN3 基因一般，AGT 基因異質體（MT 基因型）所造成的影響則也有著 性別上的差異。MT 基因型之男性，其左心室肥大程度較 MM 基因型之男性 為甚，但與 TT 基因型之男性無異。反之，MT 基因型之女性，其左心室肥 大程度與 TT 基因型之女性有顯著不同，卻無異於 MM 基因型之女性；或許 性荷爾蒙對心肌之成長有著不同的影響 (Karjalainenet al., 1999)。但是在健 康且非運動選手之受試者中，卻發現不同的 AGT 基因型與心臟之大小無顯 著相關 (Busjahnet al., 1997；Kaumaet al., 1998)，或許長期之耐力運動訓練 易導致左心室之肥大，其中 TT 基因型者尤為嚴重（表 4.1）。
第三節 第三節 第三節
第三節 營養素 營養素 營養素與基因之交互作用 營養素 與基因之交互作用 與基因之交互作用 與基因之交互作用
自 2003 年完成人類基因組圖譜之解碼後，進一步的研究，如了解藥物或飲食 與基因之交互作用成為多數研究重點，謂之藥物基因體學 (pharmacogenomics) (Shah et al., 2004) 或營養基因體學 (nutrigenomics) (Chavez et al., 2003)。而藥物基 因體學與營養基因體學，都是基因體學 (genomics)、蛋白質體學 (proteomics)、代 謝體學 (metabolomics 或 metabonomics) 的應用研究；基因體學旨在研究基因體 結構（圖譜與序列）、基因體功能（包括基因功能與蛋白質功能）及蛋白質間之 交互作用。蛋白質體學則研究蛋白質如何影響生物系統 (Zhu et al.,2003)。代謝體 學主要研究上述變化對於細胞的影響 (Harrigan et al., 2005)。而藥物基因體學是探 討基因如何影響生物個體對藥物反應。營養基因體學則是探討飲食攝入之營養素 與基因的交互作用，進而影響基因表現、細胞功能，最後如何影響疾病的形成
(Fogg-Johnson & Merolli, 2000；Patterson et al., 1999)。飲食營養素與基因之交互作 用，主要有下列兩項：一是營養素影響基因表現；二是基因表現影響飲食營養素 之代謝利用，及罹病風險；基因變異影響營養素之吸收、轉運、貯存及代謝利用，
進而影響功能，最終影響健康。
營養素對基因表現之影響，可能發生於（1）基因轉錄合成 mRNA 階段（如 葡萄糖、脂肪酸與鋅） (Berger et al., 2002；Chowanadisai et al., 2004；Iizuka et al., 2004)。（2）mRNA 加工 (processing) 階段（如 Methionine、Choline 與多元不飽 和脂肪酸） (Mater et al., 1999；Niculescu et al., 2002)。（3）mRNA 穩定性（如胺 基酸、維生素 D 與鈣） (Fafournoux & Jousse, 2000；Slattery et al., 2004)。（4）
mRNA 轉譯合成蛋白質階段（如葡萄糖、脂肪酸、胺基酸、礦物質與 conjugated linoleic acid (CLA)） (Brown et al., 2004； Fafournoux et al., 2000；Hasty et al., 2000；Redonnet et al., 2002)。（5）轉譯後之蛋白質修飾階段（如維生素與礦物質 cofactors） (Bailey & Gregory, 1999；Campbell et al., 1999)。這些營養素造成的影 響無論在哪一階段，均造成基因產物蛋白質量之改變，而此蛋白質所催化之生化 代謝反應或生理功能也會有所改變，進而對健康或運動表現造成影響。
目前已知，三大產能營養素均會透過調節基因之表現而影響運動能力。脂肪 酸會誘導轉錄因子 aP2 之表現，增加脂肪酸儲存至脂肪組織中。攝食脂肪酸亦會 活化 peroxisome proliferator-activated receptors，增加脂肪酸攝入細胞及粒線體中，
做為能量來源，以延長運動時間。葡萄糖及其代謝產物則透過 glucose response elements 和 CHO response elements 來調節基因表現。Pyruvate kinase 的基因包含
做為能量來源，以延長運動時間。葡萄糖及其代謝產物則透過 glucose response elements 和 CHO response elements 來調節基因表現。Pyruvate kinase 的基因包含