© Copyright by PZWL Wydawnictwo Lekarskie, Warszawa 2021

Wszystkie prawa zastrzeżone.

Przedruk i reprodukcja w jakiejkolwiek postaci całości bądź części książki bez pisemnej zgody wydawcy są zabronione.

Autorzy i Wydawnictwo dołożyli wszelkich starań, aby wybór i dawkowanie leków w tym opracowaniu były zgodne z aktualnymi wskazaniami i praktyką kliniczną. Mimo to, ze względu na stan wiedzy, zmiany regulacji prawnych i nieprzerwany napływ nowych wyników badań dotyczących podstawowych i niepożądanych działań leków, Czytelnik musi brać pod uwagę informacje zawarte w ulotce dołączonej do każdego opakowania, aby nie przeoczyć ewentualnych zmian we wskazaniach i dawkowaniu. Dotyczy to także specjalnych ostrzeżeń i środków ostrożności. Należy o tym pamiętać, zwłaszcza w przypadku nowych lub rzadko stosowanych substancji.

Recenzenci: prof. dr hab. Cezary Cybulski, Pomorski Uniwersytet Medyczny
prof. dr hab. Maciej Pawlak, Akademia Wychowania Fizycznego w Poznaniu / University of Wolfsburg

Wydawca: Inga Markiewicz

Redaktor prowadzący: Beata Bednarczuk

Redaktor merytoryczny: Wojciech Szczepański

Producent: Adam Krajewski

Skład wersji elektronicznej na zlecenie PZWL Wydawnictwo Lekarskie: Michał Latusek

Projekt okładki i stron tytułowych: Magdalena Kocińska O!Studio

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020r. (wyd. I)

Warszawa 2021

ISBN 978-83-200-6383-7

PZWL Wydawnictwo Lekarskie

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 695 43 21

www.pzwl.pl

Księgarnia wysyłkowa:

tel. 42 680 44 88; infolinia: 801 33 33 88

e-mail: wysylkowa@pzwl.pl

Informacje w sprawie współpracy reklamowej: reklama@pwn.pl.

Prof. dr hab. Paweł Cięszczyk

Absolwent Wydziału Nauk Przyrodniczych, Instytutu Kultury Fizycznej w Uniwersytecie Szczecińskim. Pomysłodawca Centrum Badań Strukturalno-Funkcjonalnych Człowieka w Szczecinie. Obecnie pracownik Zakładu Biologii Molekularnej Akademii Wychowania Fizycznego i Sportu w Gdańsku. Autor kilkudziesięciu prac naukowych z zakresu genetyki w sporcie. Jego naukowe zainteresowania dotyczą przede wszystkim genetycznych uwarunkowań szeroko rozumianych predyspozycji do uprawiania sportu oraz molekularnych mechanizmów determinujących zwiększone ryzyko wystąpienia kontuzji w sporcie.

Autorzy

prof. dr hab. Ildus Ahmetov

Research Institute for Sport and Exercise Sciences

Liverpool John Moores University

prof. dr hab. n. biol. Ewa Bartnik

Instytut Genetyki i Biotechnologii

Wydział Biologii

Uniwersytet Warszawski

prof. dr hab. n. med. Monika Białecka

Zakład Farmakologii Doświadczalnej i Klinicznej

Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie

prof. dr hab. n. med. Ewa Brzeziańska-Lasota

Zakład Biomedycyny i Genetyki

Katedra Biologii i Mikrobiologii Medycznej

Uniwersytet Medyczny w Łodzi

prof. dr hab. n. kult. fiz. Paweł Cięszczyk

Zakład Biologii Molekularnej

Wydział Kultury Fizycznej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu

im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

dr hab. n. kult. fiz. Krzysztof Ficek, prof. AWF

Katedra Fizjoterapii w Dysfunkcjach Narządu Ruchu

i Medycyny Sportowej

Instytut Nauk o Sporcie,

Akademia Wychowania Fizycznego

im. Jerzego Kukuczki w Katowicach

Galen-Ortopedia Sp. z o.o. w Bieruniu

prof. dr hab. n. o zdr. Anna Grzywacz

Samodzielna Pracownia Promocji Zdrowia

Wydział Medycyny i Stomatologii

Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie

dr n. biol. Kinga Humińska-Lisowska

Zakład Biologii Molekularnej

Wydział Kultury Fizycznej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu

im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

lek. Karolina Kaźmierczak-Siedlecka

Katedra i Klinika Chirurgii Onkologicznej

Gdański Uniwersytet Medyczny

dr n. biol. Katarzyna Khalid

Zakład Biomedycyny i Genetyki

Katedra Biologii i Mikrobiologii Medycznej

Uniwersytet Medyczny w Łodzi

dr n. med. Justyna Kiszałkiewicz

Zakład Biomedycyny i Genetyki

Katedra Biologii i Mikrobiologii Medycznej

Uniwersytet Medyczny w Łodzi

dr hab. n. kult. fiz. Agata Leońska-Duniec, prof. AWFiS

Zakład Biologii Molekularnej

Wydział Kultury Fizycznej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu

im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

dr hab. n. kult. fiz. Katarzyna Leźnicka, prof. AWFiS

Zakład Biologii Molekularnej

Wydział Kultury Fizycznej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu

im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

dr n. med. Ewelina Lulińska

Zakład Terapii Manualnej i Fizykoterapii

Wydział Kultury Fizycznej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu

im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

dr hab. n. kult. fiz. Agnieszka Maciejewska-Skrendo, prof. AWFiS

Zakład Biologii Molekularnej

Wydział Kultury Fizycznej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu

im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku;

Instytut Nauk o Kulturze Fizycznej

Uniwersytet Szczeciński

dr n. kult. fiz. Monika Michałowska-Sawczyn

Zakład Dietetyki Sportowej

Wydział Kultury Fizycznej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu

im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

dr n. kult. fiz. Jan Mieszkowski

Zakład Gimnastyki, Tańca i Ćwiczeń Muzyczno-Ruchowych

Wydział Kultury Fizycznej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu

im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

Charles University in Prague,

Faculty of Physical Education and Sport, Czech Republic

dr n. kult. fiz. Barbara Morawin

Katedra Fizjologii Stosowanej i Klinicznej

Collegium Medicum, Uniwersytet Zielonogórski

mgr Justyna Olszewicz

Zakład Biomedycyny i Genetyki

Katedra Biologii i Mikrobiologii Medycznej

Uniwersytet Medyczny w Łodzi

prof. dr hab. n. med. Monika Puzianowska-Kuźnicka

Instytut Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej

im. Mirosława Mossakowskiego PAN w Warszawie;

Szkoła Zdrowia Publicznego

Centrum Medyczne Kształcenia Podyplomowego w Warszawie

dr n. farm. Andrzej Pokrywka

Zakład Biochemii i Farmakogenomiki

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Centralny Ośrodek Medycyny Sportowej

w Warszawie

mgr inż. Jolanta Rajca

Galen-Ortopedia Sp. z o.o w Bieruniu

dr hab. n. med., dr hab. n. o zdr. Karolina Skonieczna-Żydecka

Samodzielna Pracownia Badań Biochemicznych

Pomorski Uniwersytet Medyczny

dr hab. n. kult. fiz. Marek Sawczuk, prof. AWFiS

Zakład Biologii Molekularnej

Wydział Kultury Fizycznej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu

im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku;

Instytut Nauk o Kulturze Fizycznej

Uniwersytet Szczeciński

prof. dr hab. n. med. Ewa Stachowska

Katedra i Zakład Żywienia Człowieka i Metabolomiki

Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie

Eryk Wacka

Collegium Medicum, Uniwersytet Zielonogórski

dr Edyta Wawrzyniak-Gramacka

Katedra Fizjologii Stosowanej i Klinicznej

Collegium Medicum, Uniwersytet Zielonogórski

dr hab. n. kult. fiz. Agnieszka Zembroń-Łacny, prof. UZ

Katedra Fizjologii Stosowanej i Klinicznej

Collegium Medicum, Uniwersytet Zielonogórski

prof. dr hab. n. med. Cezary Żekanowski

Pracownia Neurogenetyki

Instytut Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej

im. Mirosława Mossakowskiego Polskiej Akademii Nauk

dr n. kult. fiz. Piotr Żmijewski

Katedra Nauk Biomedycznych

Akademia Wychowania Fizycznego

Józefa Piłsudskiego w Warszawie

Przedmowa

Genetyka we współczesnym rozumieniu jest jedną z młodszych, ale i z pewnością najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin nauki. W sporcie badania genetyczne zostały zapoczątkowane przez Montgomerego i wsp. badaniem zmienności w obszarze genu ACE w 1998 roku. Od tego czasu z roku na rok powstawały nie tylko nowe doniesienia naukowe dotyczące potencjalnych markerów molekularnych mogących znaleźć zastosowanie w procesie treningowym (np. w zakresie programów typu „talent search”), lecz także dynamicznie rozwijały się zupełnie nowe kierunki badań z zakresu możliwości wykorzystania genetyki w sporcie. Z nauki w dużej części teoretycznej genetyka w sporcie zyskała znaczenie jako nauka o niepodważalnej wartości aplikacyjnej.

Główną przesłanką do napisania Genetyki sportowej była chęć zaznajomienia czytelnika z obecnymi, a także i potencjalnymi w przyszłości możliwościami wykorzystania genetyki w sporcie. Książka została napisana w taki sposób, by znalazł coś dla siebie zarówno czytelnik niemający szerszej wiedzy z zakresu genetyki, jak i osoby uważające się w tej dziedzinie za ekspertów. Stąd też pierwsze z rozdziałów książki można traktować jako wprowadzenie do tematyki badań genetycznych w sporcie czy używanych aktualnie w laboratorium metod badań. Kolejne rozdziały to już z kolei swoiste kompendium wiedzy na temat realizowanych aktualnie kierunków badań nad szeroko rozumianymi genetycznymi determinantami statutu sportowego oraz możliwości wykorzystania tego typu wiedzy w praktyce. Oprócz rozdziałów będących usystematyzowanym podsumowaniem wiedzy na temat genetycznych podwalin procesów zachodzących w ludzkim organizmie (np. rozdziały dotyczące telomerów czy roli genetyki w procesach zapalnych indukowanych wysiłkiem), czytelnik znajdzie rozdziały dotyczące wiedzy, która już teraz może znaleźć szerokie zastosowanie w praktyce zawodnika, trenera czy lekarza sportowego (np. rozdziały dotyczące nutrigenetyki czy psychogenetyki). Książka została zatem napisana tak, by każdy mógł w niej znaleźć dla siebie coś interesującego.

Do napisania poszczególnych rozdziałów Genetyki sportowej zostali zaproszeni naukowcy zajmujący się na co dzień genetyką w swojej pracy zawodowej i co istotne, będący uważani w tej dziedzinie w środowisku naukowym za ekspertów, a to wydaje się być największym gwarantem zawartej w książce treści.

W czasie pisania Genetyki sportowej starano się przede wszystkim zwrócić szczególną uwagę na przygotowanie zawartej w niej treści zgodnie z najnowszymi dowodami naukowymi. Nie obyło się bez długotrwałych dyskusji naukowych dotyczących prezentowanych w książce informacji. Bardzo dziękuję wszystkim współautorom „Genetyki sportowej” za ich cierpliwość i wysiłek związanych z powstaniem książki. Mam nadzieję, że ich trud zostanie również doceniony przez czytelników i że książka spełni ich oczekiwania.

prof. dr hab. Paweł Cięszczyk

Słowo wstępne

Profesora Cezarego Cybulskiego

Genetyka sportowa jest pozycją zapełniającą lukę w wiedzy z zakresu determinantów efektywności treningu sportowego. Do tej pory mówiono i pisano o wpływie czynników środowiskowych i genetycznych na indywidualny status sportowy, przy czym nikt do tej pory w sposób kompleksowy nie przedstawił genetycznych aspektów predyspozycji do uprawiania sportu. Do chwili obecnej w języku polskim w tej tematyce ukazała się publikacja Badania genetyczne w sporcie, przy czym z racji roku, w którym została wydana (2008), praca ta nie jest aktualna, nie zawiera wyników najnowszych badań.

W skład Genetyki sportowej wchodzi 17 rozdziałów, które stanowią kompletne kompendium wiedzy na temat szerokorozumianego wykorzystania genetyki na potrzeby sportu. Co istotne, książka została napisana w sposób przystępny, zrozumiały nawet dla osób nie posiadających dogłębnej wiedzy z zakresu biologii molekularnej. Tak więc, znajdą w niej interesujące dla siebie treści zarówno sportowcy, trenerzy, lekarze sportowi …jak i wytrawni genetycy.

Pierwszy rozdział Genetyki sportowej jest wprowadzeniem czytelnika w zagadnienia genetyki, z omówioną szczegółowo terminologią i niezbędnymi podstawowymi informacjami z zakresu biologii molekularnej. Rozdział drugi stanowi przegląd wykorzystywanych obecnie metod laboratoryjnych. Począwszy od rozdziału trzeciego czytelnik wprowadzany jest w zagadnienia mające zastosowanie aplikacyjne. Do najciekawszych, wręcz unikatowych nawet w skali europejskiej, można zaliczyć rozdziały o genetycznych determinantach struktury i energetyki mięśniowej. Ich uzupełnieniem są rozdziały dotyczące genetycznego podłoża zwiększonego ryzyka uszkodzeń tkanek miękkich, ale także reakcji zapalnych czy adaptacji organizmu na wykonywany wysiłek fizyczny. Zwieńczeniem książki są rozdziały o charakterze wybitnie aplikacyjnym, między innymi o psychogenetyce czy nutrigenetyce. Należy podkreślić, że rozdziały napisane są przez cenionych ekspertów. Książka charakteryzuje się bogatością rycin i tabel, przystępnym sposobem przekazu wiedzy, kompleksowym i syntetycznym przedstawieniem najnowszych doniesień z literatury. W mojej ocenie jest to jeden z najlepszych podręczników z zakresu biologii molekularnej poświęcony genetycznym uwarunkowaniom statusu sportowego, który ukazał się w Polsce. Bardzo gorąco polecam.

prof. dr hab. Cezary Cybulski

Pomorski Uniwersytet Medyczny

Słowo wstępne

Profesora Macieja Pawlaka

Genetyka sportowa to tytuł nowej książki w planach wydawniczych największego i najstarszego polskiego wydawnictwa medycznego, PZWL Wydawnictwo Lekarskie. Podręcznik został przygotowany pod redakcją prof. dr hab. Pawła Cięszczyka, który jest również współautorem kilku rozdziałów. Ta nowa pozycja wymaga kilku zdań komentarza, bowiem dostępna informacja o prawie 400 stronach podręcznika rozdzielonych na 17 rozdziałów napisanych przez 31 autorów i zawierająca 23 tabele i 66 rycin charakteryzuje wprawdzie rozmach tego dzieła, nie oddaje jednak w pełni jego wymiaru naukowego i dydaktycznego. Już pierwsza część książki, zatytułowana „Wprowadzenie do genetyki i technik molekularnych w sporcie” obejmująca prawie 70 stron, wspomagana przez doskonałe, przemyślane ilustracje przekonuje czytelnika, że książka ma znaczny potencjał zarówno naukowy, jak i dydaktyczny, przez co staje się ogromnie atrakcyjna dla znacznie większej grupy odbiorców niż wspomniana przez PZWL grupa „studentów Akademii Wychowania Fizycznego i lekarzy specjalizujących się w dziedzinie medycyny sportowej”. Adresowana jest również do pracowników naukowych różnych specjalności, zwłaszcza tych związanych bezpośrednio lub pośrednio ze sportem i wysiłkiem fizycznym: psychologów, dietetyków, fizjoterapeutów lub trenerów, którzy potrzebują niezbędnych naukowych i praktycznych odniesień do tego trudnego i hermetycznego obszaru biologii molekularnej.

Lektura podręcznika Genetyka sportowa trzyma czytelnika w napięciu, zwłaszcza kiedy autorzy przechodzą do zagadnienia podłoża aktywności sportowej na poziomie komórki. Ten rozdział nie pozostawia złudzeń, że znalezienie genetycznych markerów sukcesu sportowego jest zadaniem wysoce złożonym. Wyniki sportowe to bowiem mozaika uwarunkowań wewnętrznych, determinowanych bezpośrednio podłożem genetycznym i pośrednio chociażby aktywnością metaboliczną, fizjologiczną sprawnością, ale też obiektywnymi możliwościami rozwoju biologicznych zdolności zawodnika. Kolejne rozdziały nie tracą na atrakcyjności, jednak ich tematyka ma charakter bardziej fakultatywny. Nie ograniczy to z pewnością pokusy zgłębienia przez czytelnika ciekawie opisanych aspektów odnoszących się do genetycznego podłoża energetyki mięśnia lub genetycznych determinantów właściwości strukturalnych i funkcjonalnych mięśni. Jak bowiem bez tej wiedzy zrozumieć i ocenić wypowiedzi, że właściwości mięśni i reakcje adaptacyjne zachodzące w nich pod wpływem wykonywanego, ujednoliconego wysiłku, są bardzo podobne u osób będących nosicielami takich samych wersji allelicznych wybranych genów? Bezsprzecznie atrakcyjny jest też rozdział traktujący o bólu i stanach zapalnych, mocny osadzony, ze względu na charakter publikacji, w uwarunkowaniach genetycznych.

Last but not least to adekwatne określenie do ostatniego rozdziału „Genetyka personalizowana w sporcie” i zarazem kolejnych 60 stron trzymającego w naukowym napięciu tekstu, z odniesieniami psychogenetycznymi (możliwość odniesienia sukcesu w sporcie jako wypadkowa oddziaływania bazy, czyli genetycznie zdeterminowanego temperamentu ze środowiskowo uwarunkowanym charakterem), przedyskutowaniem żywienia spersonalizowanego w sporcie, które w aspekcie genetycznym wydaje się być szczególnie zasadne, bowiem wyjaśnia zróżnicowaną odpowiedź zawodników na plany suplementacyjne czy treningowe, omówieniem dopingu genowego czy też przyszłością testów genetycznych w sporcie.

Warto wspomnieć, że sport nie był do końca XX wieku znaczącym obszarem praktycznych zastosowań badań genetycznych. Wpisanie słów kluczowych ’genetics’ i ‘sports’ do bazy PubMed wskazuje, że dopiero w 2016 roku przekroczony został poziom 1000 prac naukowych z tego obszaru publikowanych rocznie. Nie dziwi zatem znikoma wręcz liczba podręczników poświęconych genetyce sportu. Podręczników na temat genetyki na krajowym rynku wydawniczym jest wprawdzie sporo, ale dotyczą one wyłącznie zagadnień ogólnych lub genetyki medycznej. Czas zatem najwyższy, żeby czytelnik otrzymał podręcznik genetyki sportowej napisany przez wybitnych polskich naukowców będących ekspertami w obszarze biologii molekularnej, zajmujących się genetyką sportu na co dzień w swojej pracy zawodowej. Dodać trzeba, że do tej merytorycznej doskonałości dochodzi jeszcze perfekcyjna forma przekazu, tak ważna w przypadku podręcznika. Doświadczenie dydaktyczne autorów czuje się zwłaszcza w rozdziałach wprowadzających i metodycznych, a zatem tych najważniejszych dla niepewnego na gruncie genetyki czytelnika.

Konkludując, Genetyka sportowa to udana pozycja spełniająca cechy dobrego podręcznika, gdzie treść odpowiada aktualnemu stanowi wiedzy z danej dziedziny, a poziom merytoryczny jest niezaprzeczalny. Ponadto, podręcznik jest przydatny nie tylko dla osób poszerzających wiedzę z obszaru genetyki sportowej, zwłaszcza studentów, lecz także pełni swoją funkcję edukacyjną w przypadku wszystkich osób zainteresowanych tym obszarem wiedzy. Ma zatem bezsprzeczne walory dydaktyczne i popularyzatorskie. Jak zawsze w wydawnictwie PZWL zadbano o nowoczesną szatę graficzną podręcznika, dobre ilustracje oraz wykaz piśmiennictwa, który załączono do każdego podrozdziału.

Poznań, 6 kwietnia 2021

Z poważaniem

prof. dr hab. Maciej Pawlak

Zakład Fizjologii i Biochemii

Akademia Wychowania Fizycznego

im. Eugeniusza Piaseckiego w Poznaniu

Wykaz skrótów

3’UTR – 3′ untranslated region; nieulegający translacji region położony w kierunku 3′ od końca sekwencji kodującej

4EBP-1 – eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein 1; białko wiążące czynnik inicjacji translacji 4E

5-HT – serotonin (5-hydroxytryptamine); serotonina (5-hydroksytryptamina)

5-HTP – 5-hydroxytryptophan; 5-hydroksytryptofan

5-HTT – serotonin transporter; transporter serotoniny

5’UTR – 5′ untranslated region; nieulegający translacji region położony w kierunku 5′ od miejsca startu sekwencji kodującej

ACE – angiotensin-converting enzyme; konwertaza angiotensyny

ADI – acceptable daily intake; dopuszczalne dzienne spożycie

ADP – adenosine diphosphate; adenozyno-5′-difosforan

ADSC – adipose derived stem cell; komórka macierzysta pochodząca z tkanki tłuszczowej

AGO – agronaute; białko agronauta

AGT – angiotensinogen; angiotensynogen

AGTR – angiotensin II receptor; receptor dla angiotensyny II

AICAR – 5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide; rybonukleotyd 5-aminoimidazolo-4-korboksyamidu

AK – adenylate kinase; kinaza adenylanowa

Akt – protein kinase B; kinaza białkowa B

ALAS – 5-aminolevulinate synthase; syntaza kwasu aminolewulinowego

ALOX5 – arachidonate 5-lipoxygenase; 5-lipooksygenaza arachidonianu

ALP – alcaline phosphatase; fosfataza alkaliczna

AMP – adenosine monophosphate; adenozyno-5′-monofosforan

AMPD – adenosine monophosphate deaminase; deaminaza adenozyno-5′-monofosforanu

AMPK – AMP-dependent protein kinase; kinaza białkowa aktywowana przez AMP

AQP – aquaporin; akwaporyna

APS – adenosine 5′-phosphosulfate; adenozyno-5′-fosfosiarczan

AR – adrenergic receptor; receptor adrenergiczny

ARE – antioxidant response element; region odpowiedzi na stres oksydacyjny

A-SCS – adenosine triphosphate-specific succinyl coenzyme A synthetase; syntetaza sukcynylo-koenzymu A specyficzna dla adenozynotrifosforanu

AT – anaerobic threshold; próg przemian beztlenowych

ATP – adenosine triphosphate; adenozyno-5′-trifosforan

BAIBA – β-aminoisobutyric acid; kwas β-aminoizomasłowy

BCAA – branched-chain amino acids; aminokwasy o rozgałęzionych łańcuchach

BDNF – brain-derived neurotrophic factor; mózgopochodny czynnik neurotroficzny

BF – basal forebrain; część podstawna kresomózgowia

BH4 – tetrahydrobiopterin; tetrahydrobiopteryna

BMI – body mass index; wskaźnik masy ciała

Bmp – bone morphogenetic proteins; białka morfogenetyczne kości

CALM – calmodulin; kalmodulina

CaMKII – Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase 2, kinaza białkowa 2 zależna od jonów wapnia /kalmoduliny

cAMP – 3′,5′-cyclic adenosine monophosphate, cykliczny adenozyno-3′,5′-monofosforan

CAPS – cleaved amplified polymorphic sequences; fragmenty restrykcyjne amplifikowanych sekwencji

CBP – CREB-binding protein; białko wiążące CREB

cDNA – complementary DNA; komplementarny DNA

CDS – coding sequence; sekwencja kodująca

CGRP – calcitonin gene-related peptide; peptyd związany z genem kalcytoniny

CI – confidence interval; przedział ufności

CK – creatine kinase, kinaza keratynowa

CK-MM – creatine kinase muscle type; izoforma mięśniowa kinazy kreatynowej

c-miRNA – circulating microRNA; mikroRNA krążący we krwi

CNDP – carnosine dipeptidase; dipeptydaza karnozyny

CNTF – ciliary neurotrophic factor; rzęskowy czynnik neurotroficzny

CNTFR – ciliary neurotrophic factor receptor; receptor dla rzęskowego czynnika neurotroficznego

CNV – copy number variants; zmienność liczby kopii

CoA – coenzyme A; koenzym A

CODAT – change-of-direction and acceleration test; próba zmian kierunku i przyspieszania

COMT – catechol O-methyltransferase; katecholo-O-metylotransferaza

CREB – cAMP response element binding protein; czynnik transkrypcyjny aktywowany w odpowiedzi na cAMP

CRISPR – clustered regularly interspaced short palindromic repeats; zgrupowane, regularnie rozproszone, krótkie, powtarzające się sekwencje palindromiczne

CRP – C-reactive protein; białko C-reaktywne

CS – citrate synthase; syntaza cytrynianowa

CTSB – cathepsin B; katepsyna B

CXCL – chemokine (C-X-C motif) ligand; ligand chemokinowy motywu CXC

CYP – cytochrome P450; cytochromy P450

DAT – dopamine (active) transporter; transporter dopaminy

dATP – deoxyadenosine triphosphate; trójfosforan deoksyadenozyny

DBS – sucha kropla krwi; dried blood spot

dCTP – deoxycytidine triphosphate; trójfosforan deoksycytydyny

ddATP – dideoxyadenosine triphosphate; trójfosforan dideoksyadenozyny

ddCTP – dideoxycytidine triphosphate; trójfosforan dideoksycytydyny

ddGTP – dideoxyguanosine triphosphate; trójfosforan dideoksyguanozyny

ddNTP – dideoxyribonucleotide triphosphate; trójfosforan dideoksyrybonukleotydów

ddTTP – dideoxythymidine triphosphate; trójfosforan dideoksytymidyny

DEPC – diethyl pyrocarbonate; dietylopirowęglan

dGTP – deoxyguanosine triphosphate; trójfosforan deoksyguanozyny

DKK – dickkopf-related protein; białko związane z rodziną dickkopf

DMD – Duchenne muscular dystrophy, dystrofia mięśniowa Duchenne’a

DNA – deoxyribonucleic acid; kwas deoksyrybonukleinowy

DNMT – deoxyribonucleic acid metylotransferases, metylotransferazy kwasu deoksyrybonukleinowego

dNTP – deoxyribonucleoside triphosphate; trójfosforan deoksyrybonukleozydu

DOMS – delayed onset muscle soreness; opóźniona bolesność mięśni wywołana wysiłkiem fizycznym

DRD2 – dopamine receptor D₂; receptor dopaminy typu D₂

DRD4 – dopamine receptor D₄; receptor dopaminy typu D₄

DRIP – vitamin D receptor interacting protein; białko oddziałujące z receptorem witaminy D

Drp1 – dynamin related protein 1; białko dynaminopodobne 1

dsDNA – double stranded deoxyribonucleic acid; dwuniciowy kwas deoksyrybonukleinowy

dsRNA – double stranded ribonucleic acid; dwuniciowy kwas rybonukleinowy

DTC – direct-to-consumer; sprzedaż bezpośrednio klientowi końcowemu

dTTP – deoxythymidine triphosphate; trójfosforan deoksytymidyny

ECM – extracellular matrix; macierz pozakomórkowa

EEA – essential/indispensable amino acids; niezbędne/egzogenne aminokwasy

EIMD – exercise-induced muscle damage; uszkodzenie mięśni wywołane wysiłkiem

ELAV – embryonic lethal abnormal visual system ; embrionalne letalne zaburzenia wzroku

EPAS1 – endothelial PAS domain-containing protein 1; śródbłonkowe białko 1 zawierające domenę PAS

EPO – erythropoetin; erytropoetyna

ERK – extracellular signaling-regulated kinase; kinaza regulowana zewnątrzkomórkowo

ERR – estrogen-realted receptor; receptor związany z estrogenem

FACIT – fibril associated collagens with interrupted triple helices; kolageny z przerwaną strukturą superhelisy zasocjowane z fibrylami

FAD – flavin adenine dinucleotide; dinukleotyd flawinoadeninowy

FAMS – fatigued athlete myopathic syndrome; zespół miopatyczny sportowców

FAS – fatty acid synthase; syntaza kwasów tłuszczowych

FATP-4 – fatty acid transport protein; transporter długołańcuchowych kwasów tłuszczowych

FGF – fibroblast growth factor; czynnik wzrostu fibroblastów

FGFR – fibroblast growth factor receptor; receptor czynnika wzrostu fibroblastów

FIH-1 – factor inhibiting HIF-1; inhibitor czynnika HIF-1

FRET – fluorescence resonance energy transfer; transfer energii między flourochromami na drodze rezonansu

FSTL – follistatin-like protein; białko folistatynopodobne

FT – fast-twitch; włókna szybkokurczliwe

FTa – fast-twitch a; włókna pośrednie

GABA – γ-aminobutyric acid; kwas γ-aminomasłowy

GABRR1 – γ-aminobutyric acid receptor subunit rho-1; podjednostka rho-1 receptora dla kwasu γ-aminomasłowego

GC/C/IRMS – gas chromatography combustion isotope ratio mass spectrometry, chromatograf gazowy sprzężony z komorą spalania i izotopowym spektrometrem mas

G-CSF – granulocyte colony-stimulating factor; czynnik stymulujący tworzenie kolonii granulocytów

GDF – growth/differentiation factor; czynnik wzrostu i różnicowania

GDP – guanosine-5′-diphosphate; guanozyno-5′-difosforan

GH – growth hormone; hormon wzrostu

GLUT – glucose transporter; transporter glukozy

GM-CSF – granulocyte-macrophage colony-stimulating factor; czynnik stymulujący tworzenie kolonii granulocytów i makrofagów

GPCR – G protein-coupled receptor; receptor sprzężony z białkiem G

GRIK – glutamate ionotropic receptor kainate type; kainianowy receptor jonotropowy glutaminianu

GRIPS – glypican-related integral membrane proteoglycans; zintegrowane proteoglikany błonowe z grupy glipikanów

GSK – glycogen synthase kinase; kinaza syntazy glikogenu

GSTT – glutathione S-transferase theta; S-transferaza glutationowa theta

GTP – guanosine-5′-triphosphate; guanozyno-5′-trifosforan

GTPCH – guanosine-5′-triphosphate cyclohydrolaze; cyklohydrolaza guanozyno-5′-trifosforanu

GWAS – genome wide association study; badanie asocjacyjne całych genomów

GWLS – genome wide linkage study; badanie sprzężeń całego genomu

HAT – histone acetyltransferases; acetylotransferazy histonowe

HDAC – histone deacetylases; deacetylazy histonowe

HDL – high density lipoprotein; lipoproteina wysokiej gęstości

HDM – histone demethylase; demetylaza histonowa

hgDNA – human genomic deoxyribonucleic acid; ludzki genomowy kwas deoksyrybonukleinowy

HGF – hepatocyte growth factor; czynnik wzrostu hepatocytów

HGFR – hepatocyte growth factor receptor; receptor dla czynnika wzrostu hepatocytów

HGP – Human Genome Project; projekt poznania ludzkiego genomu

HIF – hypoxia-inducible factor; czynnik indukowany hipoksją

HIIT – high-intensity interval training; trening interwałowy o wysokiej intensywności

HMT – histone methyltranferases; metylotransferazy histonowe

HOMA-IR – homeostatic model assessment for insulin resistance; wskaźnik insulinooporności

HPLC-HRMS/MS – high performance liquid chromatography high-resolution tandem mass spectrometry; wysokosprawna chromatografia cieczowa w połączeniu z tandemową spektrometrią mas wysokiej rozdzielczości

HSD17B – 17β-hydroxysteroid dehydrogenase; dehydrogenaza 17β-hydroksysteroidowa

HSP – heat shock protein; białko szoku cieplnego

HVR – hypervariable region; region hiperzmienny

IAAF – International Association of Athletics Federations; Międzynarodowe Stowarzyszenie Federacji Lekkoatletycznych

IASP – International Association for the Study of Pain; Międzynarodowe Towarzystwo Badania Bólu

IFN – interferon; interferon

IGF – insulin-like growth factor; insulinopodobny czynnik wzrostu

IGF1R – insulin-like growth factor 1 receptor; receptor insulinopodobnego czynnika wzrostu 1

IGFBP – insulin-like growth factor-binding protein; białko wiążące insulinopodobny czynnik wzrostu

IL – interleukin, interleukina

IL-1RA – interleukin-1 receptor antagonist; antagonista receptora interleukiny-1

IMP – inosine monophosphate; monofosforan inozyny

IP6K3 – inositol hexakisphosphate kinase 3; kinaza 3 heksafosforanu inozytolu

IPK – inositol polyphosphate kinase; kinaza polifosforanu inozytolu

iPSC – induced pluripotent stem cell; indukowana pluripotencjalna komórka macierzysta

IRE – inflammatory response to exercise; odpowiedź zapalna na wysiłek fizyczny

Jak – Janus-activated kinase; kinaza janusowa

JHDM – Jumonji C domain-containing histone demethylase; demetylaza histonowa zawierająca domenę JmjC

JNK – c-Jun N-terminal kinase; kinaza c-Jun N-terminalna

KDR – kinase domain receptor; receptor domeny kinazy

LCFA – long-chain fatty acids; długołańcuchowe kwasy tłuszczowe

LINE – long interspersed nuclear elements; długie rozproszone elementy jądrowe

lncRNA – long non-coding RNA; długie niekodujące RNA

LPS – lipopolysaccharide; lipopolisacharyd

LSD1 – lysine-specific demethylase 1; lizynowa demetylaza histonowa 1

MAF – minor allele frequency; częstość najrzadszego z alleli

MAOA – monoamine oxidase A; monoaminooksydaza A

MAPK – mitogen-activated protein kinase; kinaza białkowa aktywowana mitogenami

MCP – monocyte chemoattractant protein; białko chemotaktyczne monocytów

M-CSF – macrophage colony-stimulating factor; czynnik stymulujący tworzenie kolonii makrofagów

MCT – monocarboxylate transporter; transporter monokarboksylanu

MEF – myocyte enhancer factor; miogenny czynnik wzmacniający

MELAS – mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis, stroke-like episodes; miopatia mitochondrialna, encefalopatia, kwasica mleczanowa, incydenty przypominające udary

MET – tyrosine kinase receptor; receptor kinazy tyrozynowej

Metrnl – meteorin-like protein, białko meteorynopodobne

Mff – mitochondrial fission factor; czynnik rozszczepienia mitochondriów

MGF – mechano growth factor; mechaniczny czynnik wzrotu

MHC – major histocompatibility complex; główny układ zgodności tkankowej

MHC – myosin heavy chain; łańcuch ciężki miozyny

miRNA – microRNA; mikroRNA

MKOl – Międzynarodowy Komitet Olimpijski

MMP – matrix metalloproteinase; metaloproteinaza macierzy pozakomórkowej

MnSOD – manganese-dependent superoxide dismutase; dysmutaza ponadtlenkowa z centralnym jonem manganu

MPRIP – myosin phosphatase Rho-interacting protein; kinaza zależna od białka Rho oddziałująca z fosfatazą miozyny

Mpz – milion para zasad

MRE – microRNA response elements; elementami odpowiedzi mikroRNA

MRF – myogenic regulatory factor; miogeniczny czynnik regulatorowy

mRNA – messenger ribonucleic acid, matrycowy kwas rybonukleinowy

MSC – muscle satellite cells; mięśniowe komórki satelitowe

mtDNA – mitochondrial deoxyribonucleic acid; mitochondrialny kwas deoksyrybonukleinowy

MTERF – mitochondrial transcription termination factor, mitochondrialny czynnik terminacji transkrypcji

MTHFR – methylenetetrahydrofolate reductase; reduktaza metylenotetrahydrofolianowa

mTOR – mammalian target of rapamycin; ssacze białko docelowe dla rapamycyny

Myf – mioogenic regulatory factor; czynnik miogenezy

myomiRNA – muscle-specific miRNA; mięśniowo-specyficzny miRNA

MUFA – monounsaturated fatty acids; jednonienasycone kwasy tłuszczowe

MyoD – myoblast determination protein 1; czynnik determinujący miogenezę 1

NA – nucleus accumbens; jądro półleżące

NAD – nicotinamide adenine dinucleotide; dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy

NCBI – National Center for Biotechnology Information; Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej

NF – nuclear factor; czynnik jądrowy

NFAT – nuclear factor of activated T-cells; czynnik jądrowy aktywowanych komórek T

NF-κB – nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells; jądrowy czynnik transkrypcyjny κB

NIH – National Institutes of Health; Narodowy Instytut Zdrowia

NK – natural killer; naturalny zabójca

NLM – National Library of Medicine; Narodowa Biblioteka Medyczna

NMD – nonsense-mediated (mRNA) decay; zjawisko polegające na rozpoznawaniu i niszczeniu mRNA zawierających przedwczesny kodon STOP

NOS – nitric oxide synthase; syntaza tlenku azotu

NREM – non-rapid eye movements, faza snu charakteryzująca się wolnymi ruchami gałek ocznych

NRF – nuclear respiratory factor; jądrowy czynnik oddechowy

NRG – neuregulin; neuregulina

NRS – numeric rate scale; skala numeryczna (do oceny bólu)

NUMT – nuclear mitochondrial (DNA); sekwencje (mtDNA) zintegrowane z genomem jądrowym

OMIM – Online Mendelian Inheritance in Man

ONT – Oxford nanopore technologie; sekwencjonowanie nanoporowe wynalezione przez Oxford Technologies

OPG – osteoprotegerin; osteoprotegeryny

OPN – osteopontin; osteopontyna

OR – odds ratio; iloraz szans

OXPHOS – oxidative phosphorylation; fosforylacja oksydacyjna

p – probability value; prawdopodobieństwo testowe

p70S6K – ribosomal protein S6 kinase β-1; kinaza rybosomalna p70S6

PABPC – cytoplasmic poly(A)-binding protein; cytoplazmatyczne białko wiążące poli(A)

PADI – protein-arginine deiminase type 4; deaminaza peptydyloargininowa

PAX – paired box protein; czynnik transkrypcyjny zawierający domenę paired

PBMC – peripheral blood mononuclear cell; jednojądrzaste komórki krwi obwodowej

PCr – phosphocreatine; fosfokreatyna

PCR – polymerase chain reaction; reakcja łańcuchowa polimerazy

PCR-RFLP – restriction fragment lenght polymorphism; polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych

PDGF – platelet-derived growth factor; płytkopochodny czynnik wzrostu

PDK – pyruvate dehydrogenase kinase; kinaza dehydrogenazy pirogronianowej

PDPK – phosphoinositide-dependent protein kinase; kinaza białkowa zależna od fosfatydyloinozytolu

PFC – prefrontal cortex; kora przedczołowa

PFN – profilin; profilina

PGC-1α – peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1α; koaktywator typu 1α receptora aktywowanego proliferatorami peroksysomów typu γ

PGE – prostaglandin E; prostaglandyna E

PHD – proline hydroxylaze; hydroksylaza prolinowa

PI3K – phosphatidylinositol-3-kinase; kinaza 3-fosfatydyloinozytolu

PIC – interstitial progenitor cel; progenitorowa komórka interstycjalna

PIP₂ – phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate; fosfatydyloinozytolo-4,5-bisfosforan

PIP₃ – phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate; fosfatydyloinozytolo-3,4,5-trisfosforan

piRNA – piwi-interacting RNA; cząsteczki RNA tworzące kompleksy z białkami piwi

PKC – protein kinase C; kinaza białkowa C

PKD – protein kinase D; kinaza białkowa D

pO₂ – partial pressure of O₂, ciśnienie parcjalne tlenu

POLG – DNA polymerase subunit γ; podjednostka γ polimerazy DNA (mitochondrialna polimeraza DNA)

POT – protection of telomeres protein; białko chroniące telomery

PP2AC – protein phosphatase 2A catalytic subunit; podjednostka katalityczna fosfatazy białkowej 2A

PP2B – Protein phosphatase 2B; fosfataza białkowa 2B

PPAR – peroxisome proliferator-activated receptor; receptor aktywowany przez proliferatory peroksysomów

PTC – premature termination codon; przedwczesny kodon STOP

PUFA – polyunsaturated fatty acids; wielonienasycone kwasy tłuszczowe

pVHL – Von Hippel-Lindau tumor suppressor; białko von Hippla-Lidaua

pz – par zasad

Q-FISH – quantitative fluorescent in situ hybridization; ilościowa fluorescencyjna hybrydyzacja in situ

QTL – quantitative trait locus/loci; locus/loci cechy ilościowej

RANK – receptor activator of nuclear factor NF-kB; receptor aktywujący jądrowy czynnik NF-kB

RANKL – receptor activator of nuclear factor NF-kB ligand; ligand receptora aktywującego jądrowy czynnik NF-kB

RAP – repressor/activator protein; białko represorowo-aktywatorowe

RAS – renin-angiotensin system; układ renina-angiotensyna

RDA – recommended daily allowance; zalecane dzienne spożycie

RFLP – restriction fragment lenght polymorphism; polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych

RISC – ribonucleic acid-induced silencing complex; kompleks wyciszający indukowany przez kwas rybonukleinowy

RNA – ribonucleic acid, kwas rybonukleinowy

ROS – reactive oxygen species; reaktywne formy tlenu

rRNA – ribosomal ribonucleid acid; rybosomowy kwas rybonukleinowy

RT-PCR – reverse transcription PCR, PCR z wykorzystaniem odwrotnej traskryptazy

RUNX – runt-related transcription factor; czynnik transkrypcyjny związany z domeną runt

SAM – S-adenosyl methionine; S-adenozylometionina

SBS – sequencing by synthesis; sekwencjonowanie przez syntezę

SCS – succinyl coenzyme A synthetase; syntetaza sukcynylo-koenzymu A

SGK – serine/threonine-protein kinase; kinaza białkowa serynowo-treoninowa

sgRNA – single guide RNA; przewodnik RNA

SINE – short interspersed nuclear elements; krótkie rozproszone elementy jądrowe

siRNA – small interfering RNA; mały interferujący RNA

SMRT – single molecule real-time sequencing; sekwencjonowanie pojedynczych cząsteczek w czasie rzeczywistym

SMS – single molecule sequencing; sekwencjonowanie pojedynczych cząsteczek

snoRNA – small nucleolar ribonucleid acid; mały jąderkowy kwas rybonukleinowy

SNP – single nucleotide polymorphism, polimorfizm pojedynczego nukleotydu

Sp3 – stimulatory protein 3; czynnik transkrypcyjny 3

ST – slow-twitch; wolnokurczliwe

STAT – signal transducers and activators of transcription; przekaźnik sygnału i aktywator transkrypcji

STELA – single telomere length analysis; analiza długości pojedynczego telomeru

STK – serine/threonine kinase; kinaza treoninowo-serynowa

11 (STK11) or liver kinase B1 (LKB1)

TAE – Tris-acetate-EDTA; bufor Tris-octan-EDTA

TBE – Tris-borate-EDTA; Tris-boran-EDTA

TBP – TATA-box binding protein; białko wiążące element TATA

TE – transposable element; transposon

TERC – telomerase RNA component; matryca RNA telomerazy

TERF – telomeric repeat-binding factor; czynnik wiążący się do powtórzeń telomerowych

TERT – telomerase reverse transcriptase; odwrotna transkryptaza telomerazy

TeSLA – telomere shortest length assay; test najkrótszej długości telomerów

TFAM – mitochondrial transcription factor A; mitochondrialny czynnik transkrypcyjny A

TGF – transforming growth factor; transformujący czynnik wzrostu

TGS – third generation sequencing; sekwencjonowanie trzeciej generacji

TGS – total genotype score; całkowity wynik genotypowy

TIN – TRF1- and TRF2-interacting nuclear protein 2; czynnik jądrowy oddziałujący z TRF1 i TRF2

TL – telomere length; długość telomeru

TNC – tenascin C; tenascyna C

TNF – tumor necrosis factor; czynnik martwicy nowotworów

Tnfrsf1a – tumor necrosis factor receptor superfamily, member 1a; członek 1a nadrodziny receptorów czynnika martwicy nowotworów

TPK – thiamin pyrophosphokinase; pirofosfokinaza tiaminy

TPP – shelterin complex subunit and telomerase recruitment factor; podjednostka szelteryny, czynnik rekrutujący telomerazę

TRAF – tumor necrosis factor receptor-associated factor; białko adaptorowe związane z receptorem dla czynnika martwicy nowotworów

TRF – terminal restriction fragment; końcowy fragment restrykcyjny

TRF1 i TRF2 (telomere repeat binding factor)

tRNA – transfer ribonucleid acid; transferowy kwas rybonukleinowy

TRH – thyrotropin-releasing hormone; hormon uwalniający tyreotropinę (tyreoliberyna)

TSC2 – tuberous sclerosis complex 2; tuberyna

TSH – thyroid-stimulating hormone, tyreotropina (hormon tyreotropowy)

Tudor-SN – Tudor staphylococcal nuclease; nukleaza gronkowca Tudora

Tyk – tyrosine kinase; kinaza tyrozynowa

UCP – uncoupling protein; białko rozprzęgające

UDP – uridine diphosphate; urydyno-5′-difosforan

UTR – untranslated region; fragment genu nie podlegający translacji

VAS – Visual analogue scale; wizualna skala analogowa (do oceny bólu)

VEGF – vascular endothelial growth factor; czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego

VEGFR – vascular endothelial growth factor receptor; receptor dla czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego

VNTR – variable number of tandem repeats; zmienna liczba powtórzeń tandemowych

VO2max – maximal oxygen consumption; pułap tlenowy

WADA – World Anti-Doping Agency; Światowa Agencja Antydopingowa

WAPL – wings apart-like protein homolog; białko pośredniczące w regulacji kohezji

WGS – whole genome sequencing; sekwencjonowanie całych genomów

XPO – exportin; eksportyna

ZNT – zinc transporter; transporter cynku

Bezpłatny fragment

Autorzy

Przedmowa

Słowo wstępne

Słowo wstępne

Wykaz skrótów

WPROWADZENIE DO GENETYKI I TECHNIK MOLEKULARNYCH W SPORCIE

1. WPROWADZENIE DO GENETYKI SPORTOWEJ - Marek Sawczuk, Agnieszka Maciejewska-Skrendo

1.1. Budowa DNA

1.2. Budowa genomu jądrowego człowieka

1.3. Zmienność osobnicza genomu jądrowego człowieka

1.4. Mechanizmy epigenetyczne

1.5. Budowa genomu mitochondrialnego człowieka

1.6. Dziedziczenie jednoczynnikowe i wieloczynnikowe, cechy jakościowe i ilościowe

1.7. Molekularne badania genetyczne w sporcie

2. TECHNIKI BADAŃ MOLEKULARNYCH STOSOWANE W GENETYCE SPORTOWEJ - Agnieszka Maciejewska-Skrendo, Kinga Humińska-Lisowska, Marek Sawczuk

2.1. Pobranie prób materiału biologicznego

2.2. Izolacja materiału genetycznego

2.3. Reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR)

2.4. Elektroforeza kwasów nukleinowych

2.5. Enzymy restrykcyjne i ich zastosowanie w molekularnych badaniach genetycznych

2.6. Techniki analizy produktów PCR w czasie rzeczywistym – odmiany i zastosowania

2.7. Mikromacierze

2.8. Sekwencjonowanie

PODŁOŻE AKTYWNOŚCI SPORTOWEJ NA POZIOMIE KOMÓRKI

3. MITOCHONDRIA, MITOCHONDRIALNY DNA I SPORT - Cezary Żekanowski, Ewa Bartnik

3.1. Biologiczne podłoże aktywności sportowej jest złożone

3.2. Mitochondria – różnorodne funkcje, starożytne pochodzenie

3.3. mtDNA – wspomnienie przeszłości, zabezpieczenie autonomii mitochondriów

3.4. Mitochondria i molekularne podstawy aktywności fizycznej

3.5. Białkowo-nukleinowa struktura genomu mitochondrialnego jest złożona

3.6. Mitochondrialny DNA: mutowanie i polimorfizmy

3.7. Zmienność mtDNA może wpływać na aktywność fizyczną

3.8. Od pojedynczych polimorfizmów do pełnej sekwencji mtDNA

3.9. Haplogrupy mtDNA wiązano z fenotypem sportowca w różnych populacjach

3.10. Nowe techniki i nowe wyzwania

4. OCHRONNY WPŁYW WYSIŁKU FIZYCZNEGO NA TEMPO SKRACANIA TELOMERÓW - Monika Puzianowska-Kuźnicka

4.1. Telomery

4.2. Metody analizy długości telomerów

4.3. Tkanki, w których u sportowców mierzy się długość telomerów

4.4. Wpływ aktywności fizycznej na długość telomerów

4.5. Intensywność wysiłku a długość telomerów

4.6. Rodzaj aktywności fizycznej a długość telomerów

4.7. Krótki i długi okres uprawiania sportu a długość telomerów

4.8. Wpływ wieku i płci na efekty aktywności fizycznej a długość telomerów

4.9. Potencjalne mechanizmy, w których uprawianie sportu może spowalniać skracanie telomerów

4.10. Konkluzje

MIĘŚNIE SZKIELETOWE I WYSIŁEK FIZYCZNY

5. GENETYCZNE DETERMINANTY WŁAŚCIWOŚCI STRUKTURALNYCH I FUNKCJONALNYCH MIĘŚNI SZKIELETOWYCH - Agata Leońska-Duniec, Paweł Cięszczyk

5.1. Mięśnie szkieletowe: budowa, funkcje, adaptacje do wysiłku fizycznego

5.2. Charakterystyka wybranych genów markerowych

6. GENETYCZNE PODŁOŻE ENERGETYKI MIĘŚNI - Kinga Humińska-Lisowska, Jan Mieszkowski, Monika Michałowska-Sawczyn, Paweł Cięszczyk

6.1. Molekularne i komórkowe podstawy wysiłku fizycznego

6.2. Bioenergetyka mięśni

6.3. Adaptacja do treningu w odniesieniu do genetycznych determinant energetyki mięśni

6.4. Zależna od zapotrzebowania energetycznego ekspresja genów w mięśniach szkieletowych

6.5. Polimorfizmy a bioenergetyka mięśni

7. MARKERY GENETYCZNE ZWIĄZANE Z ADAPTACJĄ ORGANIZMU DO WYSIŁKU FIZYCZNEGO - Agnieszka Maciejewska-Skrendo, Paweł Cięszczyk, Ildus Ahmetov, Marek Sawczuk

7.1. Modele eksperymentalne w genomice sportowej

7.2. Geny związane z adaptacją człowieka do wysiłku fizycznego

7.3. Ograniczenia stosowania markerów genetycznych w badaniach adaptacji organizmu człowieka do wysiłku fizycznego

8. MARKERY EPIGENETYCZNE SKORELOWANE Z ADAPTACJĄ UKŁADU RUCHU DO WYSIŁKU FIZYCZNEGO - Justyna Olszewicz, Justyna Kiszałkiewicz, Ewa Brzeziańska-Lasota

8.1. Epigenetyczne mechanizmy regulacyjne

8.2. Aktywacja szlaków sygnałowych w adaptacji mięśni szkieletowych do wysiłku fizycznego – udział mechanizmów epigenetycznych

9. MikroRNA W PROCESIE ADAPTACJI MIĘŚNI SZKIELETOWYCH DO WYSIŁKU FIZYCZNEGO - Justyna Kiszałkiewicz, Katarzyna Khalid, Ewa Brzeziańska-Lasota

9.1. Biogeneza mikroRNA

9.2. MikroRNA zaangażowany w adaptację mięśni szkieletowych do wysiłku

STAN ZAPALNY, REGENERACJA I BÓL

10. GENETYCZNE PODŁOŻE REAKCJI ZAPALNEJ INDUKOWANEJ WYSIŁKIEM FIZYCZNYM - Eryk Wacka, Edyta Wawrzyniak-Gramacka, Agnieszka Zembroń-Łacny

10.1. Udział cytokin w metabolizmie mięśni szkieletowych

10.2. Indukcja i rozwój odpowiedzi zapalnej na wysiłek fizyczny

10.3. Rola biologiczna cytokin uwalnianych z mięśni szkieletowych

10.4. Miokiny stosowane w monitorowaniu natężenia stanu zapalnego u sportowców

11. GENETYCZNE UWARUNKOWANIA USZKODZEŃ MIĘŚNI, ŚCIĘGIEN I WIĘZADEŁ - Krzysztof Ficek, Jolanta Rajca, Ewelina Lulińska, Agata Leońska-Duniec, Paweł Cięszczyk

11.1. Uszkodzenia tkanek miękkich związane z uprawianiem sportu

11.2. Aktualny stan wiedzy o urazach mięśni, więzadeł i ścięgien

11.3. Genetyczne podłoże uszkodzeń mięśni

11.4. Genetyczne podłoże uszkodzeń ścięgien i więzadeł

11.5. Perspektywy badań

12. GENETYCZNE I MOLEKULARNE MECHANIZMY REGENERACJI MIĘŚNI SZKIELETOWYCH - Barbara Morawin, Agnieszka Zembroń-Łacny

12.1. Udział komórek macierzystych w regeneracji mięśni szkieletowych

12.2. Terapia z zastosowaniem mięśniowych komórek satelitowych

12.3. Terapia oparta na technologii edytowania genomu

13. GENETYKA A BÓL W SPORCIE - Katarzyna Leźnicka, Monika Białecka

13.1. Podstawowe informacje o bólu

13.2. Genetyczne aspekty bólu

13.3. Czynniki genetyczne wpływające na odbiór bólu u sportowców

13.4. Perspektywy genetyki bólu w sporcie

GENETYKA PERSONALIZOWANA W SPORCIE

14. PSYCHOGENETYKA W SPORCIE - Anna Grzywacz, Paweł Cięszczyk

14.1. Wprowadzenie do psychogenetyki

14.2. Markery psychogenetyczne i sport

14.3. Perspektywy psychogenetyki w sporcie

15. NUTRIGENETYKA W SPORCIE - Karolina Skonieczna-Żydecka, Karolina Kaźmierczak-Siedlecka, Ewa Stachowska

15.1. Nutrigenetyka i nutrigenomika

15.2. Personalizacja żywienia a wydolność sportowa w świetle medycyny opartej na dowodach

15.3. Personalizacja diety w codziennej praktyce dietetyka sportowego

16. DOPING GENOWY - Andrzej Pokrywka, Piotr Żmijewski

17. TESTY GENETYCZNE W SPORCIE - Marek Sawczuk, Paweł Cięszczyk, Agnieszka Maciejewska-Skrendo

17.1. Testy genetyczne DTC – zarys legislacyjny na świecie, w Europie i w Polsce

17.2. Testy genetyczne w sporcie

WPROWADZENIE DO GENETYKI I TECHNIK MOLEKULARNYCH W SPORCIE

1

WPROWADZENIE DO GENETYKI SPORTOWEJ

Marek Sawczuk, Agnieszka Maciejewska-Skrendo

Sprawność fizyczna (physical fitness, physical performance) w szerokim ujęciu rozumiana jest jako „zdolność do efektywnego wykonania pracy mięśniowej”. Bardziej szczegółowo można ją określić jako „całość możliwości i umiejętności człowieka pozwalających na efektywne wykonywanie wszelkich działań ruchowych”, które zależne są od wielu czynników, w tym płci, wieku, stanu zdrowia, budowy ciała, umiejętności ruchowych, poziomu rozwoju osobnika i jego zdolności motorycznych, stanu psychicznego, a także wydolności narządów i tkanki mięśniowej zaangażowanych w wykonywanie wysiłku oraz treningu. Sprawność fizyczną rozumie się także jako możliwość wykonywania czynności ruchowych angażujących siłę i moc, szybkość, wytrzymałość (zarówno w rozumieniu wydolności fizycznej tlenowej, jak i beztlenowej), zręczność oraz zwinność osobnika.

Możliwości wykonywania różnych typów wysiłku (zależnych od ogólnej i specjalnej sprawności fizycznej) są odmienne u poszczególnych osobników, dlatego od wielu lat prowadzi się badania, których wyniki mają udzielić odpowiedź na podstawowe pytanie: skąd biorą się te różnice? Dlaczego niektórzy zawodnicy osiągają poziom mistrzowski, inni zaś nie? Osiągnięcie wyniku sportowego na miarę mistrzostwa jest zjawiskiem niezwykle złożonym, determinowanym przez liczne czynniki wewnętrzne i zewnętrzne – bardzo ważna jest także interakcja między nimi. Do głównych czynników zewnętrznych zaliczyć można trening oraz odżywianie i suplementację. Powszechnie przyjmuje się, że każda osoba, która sumiennie realizuje plan treningowy jest w stanie poprawić swoje wyniki sportowe. Podobnie, w przypadku sportu wyczynowego, co najmniej kilkuletni staż treningowy jest rzeczywiście warunkiem koniecznym do osiągniecia sukcesu sportowego, nie jest jednak gwarancją sukcesu. Dlaczego przy równych warunkach treningu, odżywiania i suplementacji różni zawodnicy osiągają odmienne wyniki sportowe? Odpowiedź na to pytanie może stanowić fakt, że większość opisanych powyżej składowych sprawności fizycznej w mniejszym lub większym stopniu zależy od wewnętrznych, tzw. „wrodzonych” właściwości danego człowieka, które mają podłoże genetyczne. Właśnie zmienność genetyczna może przekładać się na różnice w osiąganiu określonego poziomu sprawności fizycznej i w przypadku niektórych osób wpływa na wyjątkowo wysoki poziom zdolności wysiłkowych/wydolności fizycznej jeszcze przed podjęciem przez nie ukierunkowanego procesu treningu. Różnice genetyczne mogą także wpływać na uzyskiwanie przez niektórych zawodników pożądanych reakcji na bodźce treningowe szybciej lub w większym wymiarze niż u innych osób trenujących, a także warunkują sprawniejszą regenerację powysiłkową i szybsze przywrócenie homeostazy organizmu, co w konsekwencji przekłada się na adaptację do wysiłku.

Od kilku dekad wśród wielu specjalistów, w tym z dziedziny nauk o kulturze fizycznej (sport science), istnieje przeświadczenie o znaczącym wpływie komponentu genetycznego na wykształcenie pewnych właściwości organizmu człowieka, które są kluczowe w kontekście sprawności fizycznej/wydolności sportowej. Różny poziom rozwoju tych cech u zawodników pozwala nielicznym na osiągnięcie sukcesu sportowego na miarę mistrzostwa. Badania mające na celu ustalenie determinant genetycznych w sporcie trwają od lat 70. XX wieku i można je podzielić na dwa etapy. W początkowej fazie badań genetycznych, w tzw. erze przedmolekularnej, stosując takie podejścia metodologiczne jak badania bliźniąt oraz badania rodzinne, koncentrowano się na porównywaniu podobieństwa wykształcenia różnych cech mierzalnych organizmu człowieka, cech fenotypowych, w konsekwencji szacując odziedziczalności tych cech u poszczególnych członków rodzin (odziedziczalność definiowana jako proporcja zmienności fenotypowej wyjaśnianej zmiennością genetyczną w populacji). W ten sposób oszacowano procentowy udział czynników genetycznych w wykształceniu ważnych dla sprawności fizycznej właściwości, takich jak: rodzaje włókien mięśniowych, aktywność enzymatyczna, gęstość kości i siła mięśniowa, czy zdolność wysiłkowa o charakterze beztlenowym.

Jednym z przykładów precyzyjnie zaplanowanych i przeprowadzonych analiz genetycznych w erze przedmolekularnej był cykl badań rodzinnych w ramach konsorcjum HERITAGE (Health, Risk, Training And Genetic, https://www.pbrc.edu/heritage/). Konsorcjum to zostało utworzone w 1992 roku przez naukowców z 5 uczelni wyższych ze Stanów Zjednoczonych, a uzasadnieniem dla jego powstania było postawienie takich hipotez badawczych, jak:

• regularne ćwiczenia o charakterze wytrzymałościowym mają korzystny wpływ na zmniejszenie ryzyka chorób serca oraz cukrzycy typu 2;

• istnieją znaczne międzyosobnicze różnice w reakcji na bodźce treningowe;

• komponent genetyczny odgrywa ważną rolę w determinowaniu właściwości organizmu związanych z udziałem w aktywności fizycznej.

W toku prowadzonych na przestrzeni 12 lat badań, które podzielono na 3 fazy, zrekrutowano grupę ponad 700 osób nieaktywnych fizycznie (niezaangażowanych w żadną zorganizowaną aktywność fizyczną), które poddano 20-tygodniowemu treningowi. Przed treningiem, w jego trakcie i po nim mierzono wiele parametrów związanych z odpowiedzią na submaksymalne i maksymalne wysiłki, m.in. pułap tlenowy (VO2max, maksymalny pobór tlenu), ciśnienie tętnicze, częstość akcji serca, objętość wyrzutową i pojemność minutową serca. Po skorygowaniu o wiek, płeć, wskaźnik masy ciała i wyjściowe wartości wspomnianych parametrów, odziedziczalność maksymalnego poboru tlenu, submaksymalnego tętna i submaksymalnej zdolności wysiłkowej oszacowano na poziomie odpowiednio 47%, 34% i 26%.

Ze względu na ograniczenia metodologiczne badania bliźniąt i badania agregacyjne rodzin nie dostarczyły niezbędnych informacji, które geny i zlokalizowane w nich warianty genetyczne mogłyby wpływać na opisane powyżej właściwości. Dopiero systematyczne doskonalenie istniejących technik molekularnych i wynalezienie nowych, a także progres badań mających na celu poznanie sekwencji ludzkiego genomu, pozwoliły na zapoczątkowanie drugiego etapu badań genetycznych w sporcie, tzw. ery molekularnej. Jednym z kluczowych etapów badań genomu człowieka było powstanie konsorcjum projektu poznania ludzkiego genomu (HGP, Human Genome Project, https://www.genome.gov/human-genome-project), które w ciągu 14 lat (1990–2003) zakończyło z sukcesem sekwencjonowanie pierwszego genomu człowieka. Badania prowadzone nad ludzkim genomem pozwoliły na jego poznanie, ale również dopracowanie istniejących lub opracowanie nowych technik, w tym sekwencjonowania DNA nowej generacji, różnych odmian amplifikacji kwasów nukleinowych opartych na reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR, polymerase chain reaction) czy technik mikromacierzowych. Metody te stały się dokładniejsze, szybsze, tańsze i co ważne, ogólnodostępne dla naukowców z różnych dziedzin, co stworzyło nowe możliwości wglądu w architekturę genomu człowieka. W związku z poruszaną w monografii tematyką oraz w celu ułatwienia zrozumienia przekazywanych w niej treści poniżej przedstawiono podstawowe informacje oraz wybrane pojęcia z zakresu genetyki (tab. 1.1).

TABELA 1.1. Wybrane pojęcia genetyczne

Pojęcie/termin

Definicja

3′

Określa ten koniec nici DNA lub RNA, przy którym znajduje się wolna grupa hydroksylowa przy trzecim węglu deoksyrybozy (DNA) lub rybozy (RNA); w języku angielskim określenie „downstream” oznacza „w kierunku 3′ sekwencji”

5′

Określa ten koniec nici DNA lub RNA, przy którym znajduje się wolna grupa fosforanowa piątego węgla deoksyrybozy (DNA) lub rybozy (RNA), wchodzącego w skład nukleotydu; w języku angielskim określenie „upstream” oznacza „w kierunku 5′ sekwencji”

3′UTR (3′ untranslated region)

Fragment genu, który podlega transkrypcji do mRNA, ale nie ulega translacji, położony w kierunku 3′ (downstream, na prawo) od końca sekwencji kodującej, za kodonem STOP; zawiera regiony regulacyjne wpływające na proces poliadenylacji, wydajność translacji i stabilność mRNA

5′UTR (5′ untranslated region)

Fragment genu, który podlega transkrypcji do mRNA, ale nie ulega translacji, położony w kierunku 5′ (upstream, na lewo) od miejsca startu sekwencji kodującej; zawiera sekwencje sygnałowe i regulatorowe (typu cis i/lub trans), kluczowe dla przeprowadzenia prawidłowego procesu translacji transkryptów mRNA

Allel

Jedna z dwóch lub większej liczby alternatywnych form sekwencji nukleotydowych – często odnosi się do różnych form genu; allele zajmują to samo miejsce w genomie, w chromosomach homologicznych

Chromatyna

Struktura znajdując się w jądrze komórkowym zbudowana z DNA, histonów, białek niehistonowych i RNA; jest głównym składnikiem chromosomów

Ekson

Fragment sekwencji DNA znajdującej się w obrębie genu, która ulega transkrypcji i koduje informację o sekwencji aminokwasowej; w czasie usuwania z transkryptu mRNA intronów eksony są łączone w jedną sekwencję nukleotydową

Epigenom

Kompletny zestaw chemicznych modyfikacji genomu, w tym DNA i białek histonowych, który wpływa na funkcjonowanie genomu poprzez regulację struktury chromatyny

Fenotyp

Uwarunkowany genetycznie i kształtowany przez czynniki środowiskowe zestaw cech/właściwości organizmu

Gen

Fragment DNA ulegający ekspresji pozwalający na syntezę RNA lub łańcucha aminokwasowego; fragment DNA będący jednostką dziedziczenia decydujący o przekazywaniu poszczególnych cech organizmu

Genom

Kompletny materiał genetyczny właściwy dla danego gatunku (np. genom człowieka, genom szympansa); materiał genetyczny zawarty w podstawowym, tzw. haploidalnym, zestawie chromosomów; informacja genetyczna zawarta w pojedynczej gamecie

Genotyp

Zestaw genów bądź układ genów danego osobnika; także układ alleliczny danego genu lub genów, które są analizowane w trakcie molekularnych badań genetycznych, np. genotypy AA, AG, GG polimorfizmu genetycznego typu SNP A/G, gdzie adenina (A) została zastąpiona guaniną (G)

Heterozygota

Organizm, który posiada dwa różne allele pod względem rozpatrywanej sekwencji nukleotydowej (np. w przypadku polimorfizmu typu SNP A/G – AG)

Homozygota

Organizm, który posiada dwa identyczne allele pod względem rozpatrywanej sekwencji nukleotydowej (np. w przypadku polimorfizmu typu SNP A/G – AA lub GG)

Intron

Fragment sekwencji DNA znajdującej się w obrębie genu, który ulega transkrypcji, nie koduje jednak sekwencji aminokwasowej; introny występują na zmianę z eksonami w obrębie sekwencji większości genów człowieka

Locus (liczba mnoga – loci)

Ściśle określony obszar (miejsce) zajmowany przez sekwencję nukleotydową w genomie (np. locus genu, locus sekwencji mikrosatelitarnego DNA)

Marker molekularny

Charakterystyczna właściwość kwasu nukleinowego (DNA i/lub RNA) danego organizmu, która wykorzystywana jest do określenia jego genotypu; inaczej dowolny gen lub fragment DNA o znanym położeniu w chromosomie, którego obecność można łatwo zidentyfikować, wykorzystywany do różnicowania posiadających go osobników

Mutacja

Nagła zmiana materiału genetycznego; może dotyczyć sekwencji nukleotydowej (np. mutacja punktowa), a także struktury (np. inwersja, translokacja) lub liczby chromosomów (np. aneuploidia)

NCBI (National Center for Biotechnology Information)

Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej, będące częścią Narodowej Biblioteki Medycznej Stanów Zjednoczonych (NLM, National Library of Medicine) wchodzącej w skład Narodowego Instytutu Zdrowia (NIH, National Institutes of Health) Stanów zjednoczonych. NCBI zawiera liczne bazy danych dotyczące biotechnologii i medycyny i jest ważnym zasobem informacji oraz narzędzi i usług bioinformatycznych, w tym bazy GenBank dla sekwencji DNA, dbSNP dla niewielkich wariantów genetycznych (także SNP), OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man) będącej internetową aż o genach, chorobach dziedzicznych i cechach fenotypowych człowieka, a także PubMed, która jest bibliograficzną bazą danych dla literatury biomedycznej

Nukleotydy

Podstawowe składniki kwasów nukleinowych (w tym DNA i RNA), organiczne związki chemiczne będące estrami nukleozydów i kwasu fosforowego

Nukleozydy

Organiczne związki chemiczne zbudowane z jednej z zasad azotowych (m.in. adeniny, guaniny, cytozyny, tyminy, uracylu) połączonej wiązaniem β-N-glikozydowym z pentozą – deoksyrybozą w DNA lub rybozą w RNA

Polimorfizm genetyczny

Jednoczesne występowanie w populacji zmienności sekwencyjnej (allelicznej), tj. różnych odmian tej samej sekwencji w danym locus DNA

PCR (polymerase chain reaction)

Reakcja łańcuchowa polimerazy; technika molekularna polegająca na amplifikacji wybranego fragmentu DNA poprzez zastosowanie m.in. komplementarnych do matrycy DNA sekwencji starterowych, termostabilnej polimerazy DNA oraz mieszaniny 4 trifosforanów nukleozydów (A, T, G, C)

Promotor

Sekwencja nukleotydowa, położona zazwyczaj powyżej sekwencji kodującej genu, która zawiera fragmenty rozpoznawane przez czynniki transkrypcyjne i polimerazę RNA zależną od DNA, umożliwia rozpoczęcie transkrypcji

SNP (single nucleotide polymorphism)

Polimorfizm pojedynczego nukleotydu, zjawisko zmienności sekwencji DNA polegające na zmianie pojedynczego nukleotydu, np. A/G, gdzie adenina (A) została zastąpiona guaniną (G) w danym miejscu w DNA; prowadzi do wytworzenia alternatywnych wersji sekwencji nukleotydowych zwanych allelami

Transkrypcja

Proces syntezy RNA na matrycy DNA z wykorzystaniem polimerazy RNA zależnej od DNA

Translacja

Proces syntezy łańcucha aminokwasowego na matrycy mRNA przy udziale rybosomów i tRNA (RNA transportującego aminokwasy do miejsca syntezy białka)

1.1. Budowa DNA

Kwas deokyrybonukleinowy (DNA, deoxyribonucleic acid) zwykle jest strukturą dwuniciową (dsDNA), tzw. helisą, skręconą najczęściej prawoskrętnie (A-DNA, B-DNA), rzadziej lewoskrętnie (Z-DNA). Łańcuchy DNA, ułożone w stosunku do siebie antyrównolegle (koniec 5′ jednej nici leży naprzeciwko końca 3′ drugiej nici), zbudowane są z nukleotydów, tj. estrów nukleozydów i kwasu fosforowego (5′-monofosforany nukleozydów). Każdy nukleozyd składa się z jednej z czterech zasad azotowych – z grupy puryn (adenina, A; guanina, G) lub pirymidyn (cytozyna, A; tymina, T) oraz cukru (pentozy) – deoksyrybozy (D). Reszty deoksyrybozy i kwasu ortofosforowego połączone są ze sobą wiązaniami fosfodiestrowymi 3′-5′ i znajdują się na zewnątrz helisy. Zasady azotowe skierowane są do wnętrza struktury, tworząc pary zasad, które łączą się zgodnie z regułą komplementarności, tj. A łączy się z T podwójnym wiązaniem wodorowym, natomiast G z C potrójnym wiązaniem wodorowym (ryc. 1.1).

Informacja genetyczna zakodowana jest w postaci liniowego ułożenia nukleotydów, a ich kombinacja nie jest przypadkowa. Sposób zapisu informacji związany jest m.in. z kodem genetycznym, który ściśle określa kolejność nukleotydów, która musi znaleźć się w DNA, aby odpowiadająca jej sekwencja aminokwasów w białkach była prawidłowa (ryc. 1.2). Kod genetyczny jest więc zbiorem pewnych reguł, wykorzystywanych przez organizmy do „tłumaczenia” informacji genetycznej zakodowanej w materiale genetycznym na „język aminokwasów”. Spośród wielu cech kodu genetycznego (uniwersalny, niezachodzący, zdegenerowany, bezprzecinkowy, jednoznaczny, kolinearny) należy zwrócić uwagę na to, że jest on przede wszystkim trójkowy, co oznacza, że kolejne trzy nukleotydy w nici DNA kodują dany aminokwas w białku. Pojęcie kodu genetycznego nie jest tożsame z pojęciem informacji genetycznej – używanie tych terminów zamiennie jako synonimy stanowi błąd.

Rycina 1.1.

Schematy budowy: A – kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA); B – kwasu rybonukleinowego (RNA).

Rycina 1.2.

Kod genetyczny (za: Dariusz Adryan, licencja: CC BY 3.0, zmienione).

Informacja genetyczna w postaci DNA zdeponowana jest w jądrach komórek (u ssaków DNA nie występuje w erytrocytach, będących komórkami bezjądrzastymi) oraz w mitochondriach. DNA jądrzasty zawiera większość informacji genetycznej i w połączeniu z białkami tworzy chromatynę. Chromatyna jądrowa nie stanowi jednej cząsteczki DNA – jest podzielona na liniowe fragmenty o różnej długości zwane chromosomami. Gdy komórki nie dzielą się, chromosomy występują jako zdespiralizowane nici, natomiast gdy komórka przygotowuje się do podziału materiału genetycznego, chromosomy wyraźnie „grubieją”, tj. ulegają maksymalnej kondensacji (w metafazie podziału komórkowego materiał genetyczny jest najlepiej widoczny w postaci pałeczkowatych struktur z charakterystycznym przewężeniem, czyli centromerem). Centromer dzieli większość chromosomów na dwie części – ze względu na położenie centromeru wyróżnia się chromosomy metacentryczne (centromer położony w połowie długości chromosomu), submetacentrycze (centromer położony w pobliżu środka chromosomu, ramiona takiego chromosomu nie mają równej długości), akrocentryczne (centromer położony w pobliżu jednego z końców chromosomu, ramiona o dużej dysproporcji długości) oraz telocentryczne (centromer położony na końcu chromosomu, jest tylko jedno ramię chromosomu).

W jądrach większości komórek somatycznych (komórek budujących tkanki i narządy ciała) standardowo występuje u człowieka 46 chromosomów – 44 autosomy i 2 chromosomy płci. Możliwe są również chromosomowe aberracje strukturalne i liczbowe, które powodują odstępstwa od tej reguły. Wszystkie autosomy (tj. chromosomy, które nie są bezpośrednio zaangażowane w determinację płci) tworzą 22 pary chromosomów homologicznych, ponumerowane od 1 do 22. Chromosomy danej pary mają bardzo podobna strukturę i skład nukleotydowy, dochodzi między nimi do wymiany fragmentów chromatyd niesiostrzanych w procesie zwanym crossing-over. Natomiast chromosomy płci, zwane także allosomami, uczestniczą w determinacji płci i oznaczane są jako X i Y. W ich przypadku regiony wspólne są niewielkie, to tzw. regiony pseudoautosomalne (niesymetryczny crossing-over występujący pomiędzy tymi regionami może niekiedy być przyczyną zaburzeń determinacji płci).

Prawidłowy kariotyp (kompletny zestaw chromosomów komórki somatycznej) mężczyzny to 44 autosomy i 2 różne chromosomy płci – X i Y (46,XY). Prawidłowy kariotyp kobiety to 44 autosomy i 2 chromosomy X (46,XX). W jądrach komórek generatywnych (plemniki i komórki jajowe) ilość materiału genetycznego zredukowana jest o połowę – chromosomy występują pojedynczo jako tzw. haploidalny garnitur chromosomów (1n), tak aby po zapłodnieniu odtworzyć komórkę diploidalną (2n chromosomów).

Ekspresja informacji genetycznej („uwolnienie” jej z jądra komórkowego w celu tworzenia funkcjonalnych produktów genów) znajdującej się w jądrze komórkowym wymaga przepisania materiału genetycznego w procesie zwanym transkrypcją na kwas rybonukleinowy (RNA). RNA jest kwasem nukleinowym, który różni się od DNA m.in. tym, że rzadko tworzy struktury dwuniciowe, zamiast cukru deoksyrybozy zawiera rybozę (R), a w miejscu tyminy znajduje się uracyl (U). Jeśli końcowym produktem genu jest RNA (np. mikroRNA, snoRNA), to na etapie przepisania informacji z DNA na RNA ekspresja genetyczna się kończy. Jeśli zaś gen koduje informację o sekwencji aminokwasowej białka, to po przepisaniu z DNA na mRNA ulega ona translacji z wytworzeniem w cytoplazmie łańcucha peptydowego (ryc. 1.3).

Rycina 1.3.

Schemat budowy typowego genu Eucaryota, w tym człowieka (A), a także procesu transkrypcji i translacji (B–D).

1.2. Budowa genomu jądrowego człowieka

Szacuje się, że genom jądrowy człowieka ma wielkość około 3,1 × 10⁹ pz. Największym z chromosomów jest chromosom 1 (2,5 × 10⁸ pz), stanowiący około 8% wielkości genomu jądrowego, najmniejszym zaś chromosom 21 (4,8 × 10⁷ pz). W genomie jądrowym znajduje się od 1,9 × 10⁴ do 2,1 × 10⁴ genów kodujących białka. Liczba ta jest niższa od wcześniejszych założeń, które w początkowej fazie projektu sekwencjonowania genomu człowieka określały liczbę genów kodujących białka na 5 × 10⁴ – 1 × 10⁵. Większą część genów (około 95%) stanowią tzw. geny podzielone (nieciągłe) – w ich strukturze można wyróżnić zarówno sekwencje kodujące informacje o polipeptydach (eksony, stanowią około 1% sekwencji genomu jądrowego), jak też sekwencje niekodujące (introny, około 24% sekwencji genomu jądrowego). Całkowita długość sekwencji intronowych jest większa niż eksonów – średnio geny podzielone człowieka mają w swojej strukturze 8–9 intronów, które stanowią niekiedy znaczną część genu. Przykładowo gen DMD, który koduje białko dystrofinę, jest jednym z największych ludzkich genów, ma długość około 2,3 × 10⁶ pz i zawiera 79 eksonów. Długość sekwencji polipeptydowej dla dystrofiny to 3685 aminokwasów – pomijając introny, sekwencja kodująca to białko (CDS, coding sequence) zawiera jedynie nieco ponad 1,1 × 10⁴ pz. Taka budowa genu (podział na introny i eksony) pociąga za sobą konieczność usunięcia intronów w procesie zwanym splicingiem (składanie eksonów, wycinanie intronów), katalizowanym przez kompleksy białek i kwasów nukleinowych, w tym małe jądrowe RNA (snRNA, small nuclear RNA).

Mogłoby się wydawać, że taki sposób kodowania informacji genetycznej jest bardziej kłopotliwy dla organizmu (w porównaniu z genami ciągłymi, bezintronowymi). Jednak wyniki badań pokazują, że obecność intronów i eksonów w genie wpływa na możliwość alternatywnego odczytu informacji genetycznej, tzw. alternatywnego splicingu (np. gen TTN kodujący tytynę zawiera 363 eksony, co pozwala na ekspresję 13 izoform tego białka). W intronach genów mogą znajdować się również niekodujące sekwencje regulatorowe, sekwencje niekodującego RNA, np. wszystkie małe jąderkowe RNA (snoRNA, small nucleolar RNA) odgrywające znaczącą rolę w potranskrypcyjnej obróbce rybosomalnego RNA (rRNA), wiele mikroRNA (miRNA) i długie niekodujące RNA (lncRNA, long non-coding RNA) lub nawet całe geny kodujące inne białka (tzw. nested genes, geny wewnętrzne). Niskocząsteczkowe RNA, w postaci mikroRNA, mają duży wpływ na potranskrypcyjną regulację ekspresji genetycznej – w genomie człowieka jest około 2300 loci dla mikroRNA (ryc. 1.4).

Rycina 1.4.

Schemat organizacji genomu człowieka.

Szacuje się, że znaczną część genomu jądrowego człowieka (od 45% do 55% całkowitej długości sekwencji) stanowią sekwencje powtórzone. W ich obrębie znajdują się sekwencje powtórzone tandemowo (satelitarne DNA) oraz rozproszone. Sekwencje powtórzone tandemowo to zblokowane, seryjne powtórzenia krótkiej sekwencji nukleotydów, które dzieli się na frakcje: mikrosatelitarny (jednostka powtórzona to przeważnie od 1 do 6 nukleotydów), minisatelitarny (jednostka powtórzona zawiera przeważnie od 7 do 100 nukleotydów) i satelitarny DNA (jednostka powtórzona to ponad 100 nukleotydów). Dwie pierwsze klasy satelitarnego DNA, tj. mikro- i minisatelitarne DNA, określane są także jako zmienna liczba powtórzeń tandemowych (VNTR, variable number of tandem repeats). Sekwencje rozproszone w genomie to głównie sekwencje pochodzące z aktywności elementów ruchomych – transpozonów (TE, transposable elements). Transpozony są klasyfikowane na podstawie sekwencji i metody transpozycji na retrotranspozony (transpozony klasy I), które mogą samoistnie lub za pomocą innych sekwencji ruchomych kopiować się, a także na transpozony DNA (transpozony klasy II) mogące wycinać się i dokonywać insercji w różne lokalizacje genomowe.

Najliczniejszą w genomie grupą elementów ruchomych są należące do rertrotranspozonów długie rozproszone elementy jądrowe (LINE, long interspersed nuclear elements), stanowiące do 20% genomu, krótkie rozproszone elementy jądrowe (SINE, short interspersed nuclear elements), stanowiące około 11% genomu, oraz występujące tylko u naczelnych sekwencje SVA (SINE-VNTR-Alu). Sekwencje Alu należą do rodziny krótkich (około 300 pz), rozproszonych elementów jądrowych (SINE), najliczniej powtarzających się w genomie człowieka (około 1 mln kopii).

Istnieje hipoteza, że transpozony są pozostałością po infekcjach wirusowych (w przypadku retrotranspozonów retrowirusowych) – wirusy w toku ewolucji utraciły geny odpowiedzialne za zjadliwość i jako takie nie są zdolne do wywołania infekcji. Mogą natomiast samoistnie lub za pomocą innych sekwencji kopiować się i wykorzystując proces odwrotnej transkrypcji, dokonywać rearanżacji DNA w różnych miejscach w genomie jądrowym.

Ograniczenie ekspresji elementów ruchomych przez organizm wydaje się mieć zasadnicze znaczenie dla zachowania integralności genomu, ponieważ wstawienie do niego nowych elementów mogłoby zakłócić funkcję genów (poprzez zmianę ekspresji lub ich całkowite wyciszenie), przyczyniając się do wystąpienia choroby. Jednym z elementów kontroli ekspresji transpozonów i retrotranspozonów w organizmach eukariotycznych są niskocząsteczkowe RNA, takie jak piRNA (piwi-interacting RNA), które jako składniki kompleksów białkowych biorą udział w epigenetycznych oraz potranskrypcyjnych mechanizmach wyciszania elementów ruchomych. Z punktu widzenia ewolucyjnego wewnętrzny potencjał regulacyjny tych sekwencji może zapewniać jednak unikalną możliwość kształtowania nowych właściwości organizmu, będąc motorem napędowym ewolucji. Jeśli bowiem wstawienie elementu ruchomego w danym regionie genomu nie upośledza funkcji, a jednocześnie osobniki, które posiadają element transpozycyjny są lepiej dostosowane do lokalnych warunków środowiska, to będą posiadały przewagę nad osobnikami, które tego elementu nie mają. W takim układzie elementy transpozycyjne mogą stać się powszechnymi wariantami (allelami), które poprzez dryf genetyczny lub dodatnią selekcję naturalną będą utrwalane w populacji. Przykładem dodatniej selekcji naturalnej, utrwalającej sekwencję retrotranspozonową typu SINE (sekwencja Alu) w populacji ludzkiej może być jej obecność w intronie 16 genu ACE, kodującego konwertazę angiotensyny. Gen ten został zaproponowany w 1998 roku jako pierwszy marker genetyczny mający tłumaczyć różnice w zdolnościach wysiłkowych ludzi.