Lihatlah atlet yang bersaing di Sukan Olimpik Musim Panas tahun ini di London-otot mereka akan memberitahu anda tentang bagaimana mereka mencapai status elit mereka. Jam latihan dan komitmen yang tidak berkesudahan untuk sukan mereka memainkan peranan besar dalam membina badan-badan yang membawa mereka ke persaingan olahraga utama dunia. Lihatlah lebih dekat-ini memerlukan microscopy-dan anda akan melihat sesuatu yang lain, sesuatu yang tertanam dalam pelan genetik lelaki dan wanita muda ini sama pentingnya dengan kejayaan mereka.
Dalam hampir semua kes, atlet-atlet ini telah menyedari potensi penuh yang diletakkan oleh gen tersebut. Dan potensi itu mungkin lebih besar untuk bermula daripada yang lain bagi kita manusia. Sebagai contoh, gen-gen dalam sel-sel yang membentuk kaki sprinter Tyson Gay telah dikodkan dengan arahan khas untuk membina banyak otot serat cepat, memberikan kakinya letupan keluar dari blok permulaan. Sebagai perbandingan, halaju penguncupan maksima otot kaki marathon Shalane Flanagan, sebagaimana yang ditentukan oleh gennya, jauh lebih perlahan daripada gay yang dioptimumkan untuk ketahanan yang diperlukan untuk berlari berjam-jam pada suatu masa dengan sedikit memenatkan. Penalaan halus genetik sedemikian juga membantu para pesaing dalam bola keranjang, bola tampar dan renang yang disegerakkan, walaupun impaknya mungkin lebih kurang kerana kerja berpasukan yang berkesan dan merasmikan juga mempengaruhi kejayaan dalam sukan tersebut.
Apabila pistol dimatikan untuk pecut 100 meter, ketika perenang Michael Phelps dan Tyler McGill melanda air, ketika Tom Daley melompat dari platform menyelamnya, kami melihat yang terbaik yang dimiliki oleh kumpulan gen dunia, walaupun saintis masih cuba mencari gen yang mereka ada. Malangnya, sejarah menunjukkan bahawa kita juga boleh melihat yang terbaik dalam manipulasi gen, kerana sesetengah atlet menaikkan prestasi puncak dengan bantuan bahan haram yang menjadi semakin sukar untuk dikesan.
Kurus pada otot
Tubuh manusia menghasilkan dua jenis gentian otot rangka-lambat-berkedut (jenis 1) dan cepat-berkedut (jenis 2). Kontrak serat pantas berkali-kali berkali-kali lebih cepat dan lebih berkuasa berbanding yang lambat, tetapi mereka juga keletihan lebih cepat. Setiap jenis otot ini boleh dipecahkan lagi ke dalam subkategori, bergantung kepada kelajuan kontraksi, daya dan rintangan keletihan. Tipe gentian berkebun 2B jenis, contohnya, mempunyai masa pengecutan yang lebih cepat daripada jenis 2A.
Otot boleh ditukar daripada satu subkategori yang lain tetapi tidak boleh ditukar dari satu jenis ke satu lagi. Ini bermakna latihan ketahanan boleh memberikan otot jenis 2B beberapa ciri tahan keletihan otot jenis 2A dan latihan berat dapat memberi otot jenis 2A beberapa ciri kekuatan otot jenis 2B. Latihan ketahanan, bagaimanapun, tidak akan menukar jenis 2 otot untuk mengetik 1 atau tidak akan kekuatan latihan menukar otot perlahan-berkedut cepat. Atlet ketahanan mempunyai bahagian yang lebih besar dari gentian berkurang yang perlahan, sementara pelari dan pelompat mempunyai lebih banyak keparahan cepat.
Sama seperti kita boleh mengubah campuran otot kita hanya untuk tahap tertentu, pertumbuhan otot juga dikawal dengan teliti di dalam badan. Namun, satu perbezaan antara komposisi dan saiz otot adalah bahawa ia lebih mudah dimanipulasi. Faktor pertumbuhan insulin seperti 1 (IGF-1) adalah kedua-dua gen dan protein ia menyatakan bahawa memainkan peranan penting semasa pertumbuhan kanak-kanak dan merangsang kesan anabolik-seperti pembinaan otot-apabila anak-anak menjadi dewasa. IGF-1 mengawal pertumbuhan otot dengan bantuan daripada gen myostatin (MSTN), yang menghasilkan protein myostatin.
Lebih sedekad lalu, H. Lee Sweeney, ahli fisiologi molekular di Universiti Pennsylvania, mengetuai pasukan penyelidik yang menggunakan manipulasi genetik untuk mencipta tikus Schwarzenegger yang terikat pada otot. Tikus yang disuntik dengan salinan tambahan gen IGF-1 menambah otot dan menjadi sebanyak 30 peratus lebih kuat. Sweeney menyimpulkan bahawa kemungkinan perbezaan dalam tahap protein IGF-1 dan MSTN seseorang menentukan keupayaannya untuk memakai otot ketika bersenam, walaupun dia mengakui senario ini tidak dipelajari secara meluas.
Pertumbuhan otot-serat lambat dan ketahanan juga boleh dikawal melalui manipulasi gen. Pada bulan Ogos 2004, satu pasukan penyelidik yang termasuk Institut Penyelidikan Biologi Salk, Ronald Evans melaporkan bahawa mereka mengubah gen yang dipanggil PPAR-Delta untuk meningkatkan aktivitinya pada tikus, membantu memelihara otot-otot lambat yang tahan keletihan. Ini yang disebut "tikus maraton" boleh berjalan dua kali sejauh dan selama hampir dua kali selagi rakan-rakan mereka yang tidak dimodifikasi.
Keupayaan yang ditunjukkan untuk mengkilap sama ada jenis otot yang cepat atau lamban menimbulkan persoalan: Apa yang akan berlaku jika seseorang memperkenalkan gen untuk membina kedua-dua otot yang pantas dan lambat dalam atlet? "Kami telah bercakap tentang melakukannya tetapi tidak pernah melakukannya, " kata Sweeney. "Saya menganggap anda akan berakhir dengan kompromi yang akan sesuai dengan sukan seperti berbasikal, di mana anda memerlukan gabungan ketahanan dan kuasa." Namun, Sweeney menambah, terdapat sedikit sebab saintifik (yang diterjemahkan ke dalam pembiayaan) untuk menjalankan kajian seperti pada tikus, lebih kurang manusia.
Manipulasi gen akan mempunyai kesan yang paling penting dalam merawat penyakit dan menggalakkan kesihatan daripada meningkatkan kebolehan olahraga, walaupun sukan pasti akan mendapat manfaat daripada penyelidikan ini. Para saintis sudah mempelajari sama ada terapi gen dapat membantu orang yang menderita penyakit otot seperti distrofi otot. "Banyak yang telah dipelajari tentang bagaimana kita boleh membuat otot menjadi lebih kuat dan lebih besar dan kontrak dengan kekuatan yang lebih besar, " kata Theodore Friedmann, seorang ahli genetik di University of California, San Diego, dan ketua panel penasihat gene-doping untuk World Anti -Doping Agency (WADA). Kajian saintifik telah memperkenalkan protein IGF-1 kepada tisu tikus untuk mengelakkan kemerosotan otot normal semasa penuaan. "Di suatu tempat di bawah usaha jalan boleh dilakukan untuk mencapai perkara yang sama pada orang, " tambahnya. "Siapa yang tidak bertanding untuk sesuatu seperti ini?"
Terapi gen telah terbukti berguna dalam kajian yang tidak berkaitan dengan rawatan otot. Sebagai contoh, pada Disember 2011, satu pasukan penyelidik British melaporkan dalam The New England Journal of Medicine bahawa mereka dapat merawat enam pesakit dengan hemofilia B-penyakit di mana darah tidak boleh beku dengan betul untuk mengawal pendarahan-dengan menggunakan virus untuk menyampaikan gen yang membolehkan mereka menghasilkan lebih banyak agen pembekuan, faktor IX.
Sasaran keras
Walaupun eksperimen dengan tahap protein IGF-1 dan MSTN dalam otot tikus, mengenal pasti gen-gen yang bertanggungjawab secara langsung untuk kehebatan atlet adalah satu perkara yang rumit. "Apa yang telah kita pelajari sejak 10 tahun yang lalu sejak penjujukan genom manusia adalah bahawa terdapat banyak kerumitan di sini daripada yang kita mula-mula dibayangkan, " kata Stephen Roth, profesor bersekutu fisiologi senaman Universiti Maryland dan genetik. "Semua orang mahu mengetahui gen yang menyumbang kepada prestasi olahraga secara meluas atau kekuatan otot atau keupayaan aerobik atau sesuatu seperti itu. Kami masih tidak mempunyai sebarang sasaran keras yang diiktiraf oleh komuniti saintifik atas sumbangan mereka kepada prestasi sukan."
Menjelang tahun 2004 saintis telah menemui lebih daripada 90 gen atau lokasi kromosom yang mereka anggap paling bertanggungjawab untuk menentukan prestasi sukan. Hari ini tally telah meningkat kepada 220 gen.
Walaupun dengan kekurangan kepastian ini, sesetengah syarikat telah berusaha mengeksploitasi apa yang telah dipelajari setakat ini untuk memasarkan ujian genetik yang mereka tuntut dapat mendedahkan kecenderungan atletik kanak-kanak. Syarikat-syarikat sedemikian "adalah sejenis ceri-mengambil beberapa kesusasteraan dan berkata, 'Oh, variasi gen atau lima ini akan memberitahu anda sesuatu, '" kata Roth. Tetapi perkara paling bawah adalah lebih banyak kajian yang kami lakukan, yang kurang pasti bahawa mana-mana gen ini adalah penyumbang yang sangat kuat dengan sendirinya. "
Atlas Sports Genetics, LLC, di Boulder, Colo., Mula menjual ujian $ 149 pada bulan Disember 2008, kata syarikat itu boleh menyiarkan variasi gen ACTN3, yang pada atlit elit dikaitkan dengan kehadiran protein alfa-actinin-3 membantu badan menghasilkan serat otot berputar cepat. Otot dalam tikus makmal yang tidak mempunyai alfa-actinin-3 bertindak lebih seperti serat otot lambat-berkedut dan menggunakan tenaga dengan lebih cekap, suatu keadaan yang lebih sesuai untuk bertahan daripada massa dan kuasa. "Kesukaran adalah bahawa kajian yang lebih maju tidak dapat dipastikan sama ada kehilangan alpha-actinin-3 mempengaruhi fungsi otot pada manusia, " kata Roth.
ACE, satu lagi gen dikaji berhubung dengan ketahanan fizikal, telah menyebabkan keputusan yang tidak menentu. Para penyelidik pada asalnya berpendapat bahawa orang dengan satu varian ACE akan lebih baik pada sukan ketahanan dan mereka yang mempunyai varian yang berbeza akan lebih sesuai untuk kekuatan dan kekuatan, tetapi penemuannya tidak dapat disimpulkan. Jadi walaupun ACE dan ACTN3 adalah gen yang paling terkenal ketika datang ke atletik, tidak jelas ramalan prestasi. Idea utama 10 atau 15 tahun yang lalu, mungkin ada dua, tiga atau empat gen yang menyumbang sangat kuat kepada sifat tertentu seperti kekuatan otot "adalah berantakan, " kata Roth. "Kami telah menyedari, dan ia hanya diturunkan sejak beberapa tahun kebelakangan, bahawa ia bukan pada urutan 10 atau 20 gen tetapi lebih daripada ratusan gen, masing-masing dengan variasi yang sangat kecil dan jumlah kombinasi yang mungkin banyak, banyak gen yang boleh menyebabkan kecenderungan untuk kecemerlangan.
"Tiada apa-apa tentang sains berubah, " tambahnya. "Kami membuat tanggapan awal bahawa ternyata tidak benar dalam kebanyakan keadaan-itulah sains."
Doping gen
WADA berpaling kepada Friedmann untuk membantu menyusul Sukan Olimpik Sydney 2000 2000 selepas khabar angin mula terbang bahawa sesetengah atlet di sana telah diubah suai secara genetik. Tiada apa yang dijumpai, tetapi ancaman itu kelihatan nyata. Para pegawai menyedari percubaan terapi gen baru-baru ini di University of Pennsylvania yang mengakibatkan kematian seorang pesakit.
"Dalam bidang perubatan, risiko seperti ini diterima oleh pesakit dan profesion bahaya sedang dilakukan untuk tujuan penyembuhan dan mencegah kesakitan dan penderitaan, " kata Friedmann. "Sekiranya alat-alat yang sama apabila digunakan untuk atlet muda yang sihat akan menjadi salah, akan ada keselesaan etika yang jauh lebih rendah kerana telah melakukannya. Dan seseorang tidak suka berada di tengah-tengah masyarakat yang secara buta menerima melontar [ erythropoietin ( EPO )] gen menjadi atlet supaya mereka dapat meningkatkan prestasi daya tahan. " EPO menjadi sasaran kegemaran orang yang berminat memanipulasi pengeluaran darah pada pesakit kanser atau penyakit ginjal kronik. Ia juga telah digunakan dan disalahgunakan oleh penunggang basikal profesional dan atlet lain yang ingin meningkatkan ketahanan mereka.
Satu lagi skim telah menyuntik otot atlet dengan gen yang menindas myostatin, protein yang menghalang pertumbuhan otot. Dengan itu, Sweeney berkata, "anda berjalan dan berlari sebagai doper gen Saya tidak tahu jika ada orang yang melakukannya, tetapi saya fikir jika seseorang dengan latihan saintifik membaca kesusasteraan, mereka mungkin dapat mengetahui cara untuk berjaya pada ketika ini, "walaupun pengujian inhibitor myostatin yang disuntik terus ke dalam otot tertentu tidak berkembang melebihi haiwan.
Inhibitor Myostatin serta gen EPO dan IGF-1 telah menjadi calon awal untuk doping berasaskan gen, tetapi mereka bukan satu-satunya, kata Friedmann. Faktor pertumbuhan endothelial vaskular ( VEGF ) mengarahkan tubuh membentuk protein isyarat yang membantu meningkatkan aliran darah dengan membangkitkan saluran darah baru dalam otot. Ini protein telah digunakan untuk merawat degenerasi makula dan untuk memulihkan bekalan oksigen ke tisu semasa peredaran darah tidak mencukupi. Gen yang menggoda lain boleh menjadi yang mempengaruhi persepsi rasa sakit, mengawal tahap glukosa, mempengaruhi penyesuaian otot rangka untuk bersenam dan membantu pernafasan.
Sukan Olimpik 2012
Manipulasi gen adalah kad liar yang besar di Olimpik tahun ini, kata Roth. "Orang ramai telah memprediksi beberapa Olimpik yang lalu bahawa akan ada doping gen pada Sukan Olimpik yang akan datang, tetapi tidak pernah ada bukti kukuh." Terapi gen sering dikaji dalam konteks perubatan, dan ia gagal banyak masa, katanya. "Walaupun terapi gen diketahui kukuh dari segi merawat penyakit, apabila anda membuangnya ke dalam konteks prestasi atletik, anda berurusan dengan yang tidak diketahui."
Kehadiran doping gen adalah sukar untuk dikesan dengan pasti. Kebanyakan ujian yang mungkin berjaya memerlukan sampel tisu daripada atlet yang disyaki. "Kami bercakap mengenai biopsi otot, dan tidak banyak atlet yang sanggup memberikan contoh tisu ketika mereka bersiap-siap untuk bersaing, " kata Roth. Manipulasi gen tidak mungkin muncul dalam aliran darah, air kencing atau air liur, jadi ujian yang agak tidak sinaran daripada cecair itu tidak mungkin banyak menentukan.
Sebagai tindak balas, WADA telah menerima pendekatan ujian baru yang dinamakan Pasport Biologi Pasport (ABP), yang akan digunakan di Sukan Olimpik London. Beberapa pihak berkuasa sukan antarabangsa seperti Kesatuan Berbasikal Antarabangsa juga mula menggunakannya. Kunci kejayaan ABP adalah, bukannya mencari ad hoc untuk agen tertentu seperti EPO - program memantau badan atlet dari masa ke masa untuk perubahan secara tiba-tiba, seperti melompat dalam kiraan sel darah merah.
Satu lagi cara untuk mengesan kehadiran doping gen adalah untuk mengenali bagaimana tubuh bertindak balas kepada gen asing-terutamanya, mekanisme pertahanan yang mungkin digunakan. "Kesan mana-mana ubat atau gen asing akan menjadi rumit oleh organisme yang cuba menghalang bahaya dari manipulasi itu, " kata Friedmann-bukannya dari perubahan yang dimaksudkan oleh EPO, sebagai contoh.
Permainan Olimpik menjelaskan bahawa semua atlet tidak dicipta sama, tetapi kerja keras dan dedikasi dapat memberi atlet sekurang-kurangnya peluang luar kemenangan walaupun pesaing datang dari kolam gen yang lebih dalam. "Prestasi Elite semestinya merupakan kombinasi bakat dan latihan berdasarkan genetik yang mengeksploitasikan hadiah tersebut, " kata Roth. "Sekiranya anda mampu menyamakan semua faktor persekitaran, maka orang yang mempunyai kelebihan fizikal atau mental akan memenangi persaingan. Untungnya faktor persekitaran yang dimainkan, yang memberi sukan ketidakpastian dan keajaiban yang mengidamkan penonton."
