Genetica

e

sport performance

L’attività fisica è un importante fattore che ha modellato il genoma

umano durante l’evoluzione (Bouchard & Hoffman, 2011)

Daily energy

expenditure:

49kcal/kg

Daily energy

expenditure:

32kcal/kg

La perfomance sportiva ha

sempre mostrato un elevato

grado di variazione inter-

individuale anche in campioni

di atleti ben allenati.

Sino agli anni ‘40 del secolo

scorso la maggior parte degli studi

sulla performance fisica erano

basati sulle dimensioni e gli indici

antropometrici.

Tunner nel 1964 sosteneva che

senza il fisico adeguato l’atleta

aveva scarse possibilità di

raggiungere alti livelli di

performance.

Carter nel 1970 ipotizzò che il

somatotipo rappresentasse un

importante fattore selettivo per il

successo nella performance d’elite

Last Name, First Name

(Sex/Age)

Time

Country

Rop, Rodgers (M29) 2:08:07 1 KEN

Cheboiboch, Christopher

(M25)

2:08:17 2 KEN

Kipkemboi, Laban (M24) 2:08:39 3 KEN

Ouaadi, Mohamed (M33) 2:08:53 4 FRA

Baldini, Stefano (M31) 2:09:12 5 ITA

Carroll, Mark (M30) 2:10:54 6 IRL

Thys, Gert (M30) 2:11:48 7 RSA

O'Dowd, Matt (M26) 2:12:20 8 GBR

Keflezighi, Meb (M27) 2:12:35 9 CA, USA

Ndungu, Stephen (M35) 2:13:28 10 KEN

Schiebler, Jeff (M29) 2:14:13 11 CAN

Musto, Wilson (M26) 2:15:45 12 KEN

Palumbo, Matteo (M29) 2:16:06 13 ITA

Ramaala, Hendrik (M30) 2:17:10 14 RSA

Hirayama, Mitsunori (M26) 2:17:14 15 JPN

Muchiri, Gabriel (M22) 2:17:30 16 KEN

Rutto, David (M22) 2:18:43 17 KEN

Ryzhov, Fedor (M42) 2:18:46 18 RUS

Kosgei, Japhet (M34) 2:18:55 19 KEN

Tarus, Henry (M23) 2:19:40 20 KEN

Classifica Maratona di New

York 2000

atleti classificati 21694

9 atleti keniani nei primi 20

At Boston Marathon of 2002

13 out of 14 athletes from Kenia completed the race within the first 25 positions.

1 out 1122 athletes from Canada ended the race within the first 25.

Clearly, Kenyans appear to have some inherent abilities that favor them in long-distance running.

Ranking (men)

1- Rogers Pop (Kenya)

2- Cristopher Cheboiboch

(Kenya)

3- Fred Kiprop (Kenya)

4- Mbarak Hussein (Kenya)

5- Lee Bong-Ju (Korea)

6- Elias Chebet (Kenya)

7- Simon Bor (Kenya)

8- Getachew Kebede (Etiopia)

9- Luis Fonseca (Venezuela)

10- Silvio Guerra (Ecuador)

Ranking (women)

1- Margaret Okayo (Kenya)

2- Catherine Ndereba (Kenya)

3- Elfenesh Alemu (Etiopia)

4- Sun Yingjie (Cina)

5- Firaya Sultanova (Russia)

Performance by ethnicity

Ranking 200m

Usain Bolt (Giamaica)

Yohan Blake (Giamaica)

Warren Weir (Giamaica)

Olimpic Games 2012

Ranking 100m

Usain Bolt (Giamaica)

Yohan Blake

(Giamaica)

Justin Gatlin (USA)

“You can never make a donkey

to a race horse...that’s why

genes matter when it comes to

sport”.

Prof. Lee Sweeny

L’esercizio fisico è il risultato una complessa

interazione tra i diversi sistemi anatomici e

fisiologici.

L’adattamento all’esercizio richiede che vengano

prodotti movimenti coordinati che implicano

cambiamenti cellulari e molecolari, che coinvolgono

l’espressione genica. Per es., i muscoli scheletrici

possono risultare più o meno efficienti e il sistema

cardiocircolatorio più o meno soggetto alla fatica in

relazione a come i geni sono espressi.

il consumo massimale e submassimale di O2,

l’attività degli enzimi ossidativi,

la percentuale di contrazione delle fibre lente,

Sezione trasversale delle fibre muscolari,

Caratteristiche antropometriche,

La performance sportiva sembra influenzata da:

La maggior parte dei lavori hanno studiato la VO2max e l’istologia delle fibre muscolari in

relazione alla capacità di performance.

La domanda: sono questi 2 parametri capaci di predire in modo assoluto la possibilità di performance?

Un atleta d’elite può essere riconosciuto in base a questi elementi?

Numerose ricerche, pubblicate nell’ultima

decade, hanno evidenziato che variazioni in

singoli geni possono influenzare la performance

sportiva. Molti di questi lavori, per esempio,

mostrano un associazione tra le frequenze

alleliche di un determinato gene e una specifica

caratteristica, come un alto consumo di ossigeno

(VO2max), la capacità aerobica, l’efficienza o la

forza muscolare.

La performance sportiva è sicuramente un tratto

poligenico e un singolo gene non può essere

responsabile del successo sportivo, ma può

diminuire o aumentare la capacità fisica (Dionne

et al., 1991). Inoltre, non tutti i genotipi favorevoli

sono presenti nello stesso atleta, e la variazione

nella performance è il risultato della

combinazione di fattori genetici e ambientali,che

include, naturalmente l’allenamento.

ambiente Life style

Genetica

sport

In che misura un determinato carattere (es.

performance o il fenotipo) è espressione delle

componenti genetiche e dei fattori ambientali?

Cioè quanto di quel fenotipo spetta alla “nature”

e quanto alla “nurture”?

La frazione di variazione fenotipica attribuibile

alle differenze genetiche può essere misurata

mediante la stima dell’ereditabilità del carattere

Vt= Vg+Va+Vi

dove:

VT = varianza fenotipica totale;

VG = frazione della varianza fenotipica dovuta ai

fattori genetici (cioè alle differenze genetiche tra gli

individui);

VA = frazione varianza fenotipica dovuta ai fattori

ambientali (cioè alle differenze nelle condizioni

ambientali nelle quali gli individui sono esposti)

VI = interazione tra geni e ambiente.

Esempio:

E’ stato dimostrato che la percentuale di

variabilità genetica ammonta a circa il 5% per il

grasso sottocutaneo, il 25% per la massa grassa

totale e il 30% per la massa magra e per il

rapporto tra il grasso sottocutaneo e quello

totale.

Ma quali geni sono implicati e come agiscono?

In che misura un carattere è dovuto a fattori ambientali e a fattori genetici?

Studi sui gemelli monozigotici (MZ) e dizigotici (DZ)

Studi familiari

Elevato contributo dei fattori genetici per la determinazione del VO2max

L’attività enzimatica implicata nella produzione di ATP mostra una base d’ereditarietà tra il 25-50%

Phenotypes and Genotypes

Solamente in questi ultimi anni si è iniziata una ricerca sistematica tesa a scoprire i geni che potrebbero essere coinvolti nella determinazione delle qualità fisiche e della performance sportiva.

Il gene candidato ideale è quello che mostra un effetto funzionale

STRATEGIE GENETICHE

Fisiopatologia Modelli animali

Studio Caso-Controllo Studio Familiare

Associazione marcatore-fenotipo Trasmissione gene-fenotipo

Screening

molecolare

GENI O LOCI CANDIDATI

1968

•TAPPE FONDAMENTALI degli STUDI CONDOTTI

1976

QESTI PRIMI TENTATIVI, SI BASARONO TUTTI

SULLO STUDIO DEL

POLIMORFISMO NEGLI ANTIGENI E NEGLI

ENZIMI DEI GLOBULI ROSSI.

•Studio sugli atleti partecipanti •alle Olimpiadi del Mexico

•Studio sugli atleti partecipanti •alle Olimpiadi di Montreal

TAPPE FONDAMENTALI degli STUDI CONDOTTI E’ solo nel:

1990 STUDIO sul Livello della MOLECOLA di DNA

• GENI MAGGIORMENTE STUDIATI

• nel CAMPO dello SPORT D’ELITE

dal 1988 al 2002

• Meta-Analisi 40 Pubblicazioni Scientifiche

Ricavate da Banca dati Specializzata

GENI MAGGIORMENTE STUDIATI NEL

CAMPO DELLO SPORT D’ELITE DAL

1985 AL 2002

0

5

10

15

20

25

Gru

ppo

Sanguig

no A

B0

Enzim

a

Convert

itore

dell'A

ngio

tensin

a

(AC

E)

Recettore

Alfa 2

Adre

nerg

ico

(AD

RA

2A

)

Recettore

Beta

2

Adre

nerg

ico

(AD

RB

2A

)

Recettore

1

dell'A

gio

tensin

a

(AG

TR

1)

Recettore

2

dell'A

ngio

tensin

a

(AG

TR

2)

Cre

atin K

inasi

Muscolo

Specific

a (

CK

M)

Apolip

opro

tein

a E

(AP

OE

)

Marcatori genetici studiati nel campo della performance sportiva

15/05/2018 27

ACE Angiotensin-Converting Enzyme

Woods et al., 2001 0.004 Nuotatori

Alvarez et al., 2000 0.0009 Ciclisti, corridori, pallamano

Montgomery et al., 1997 0.02 Scalatori

Myerson et al., 1999 0.039 Corridori

Gaygay et al., 1998 0.03 Atleti Endurance

FENOTIPO: ENDURANCE E STUDI CASO-CONTROLLO

Rankinen et al., 2000 0.0006 Battito cardiaco a 50W Caucasoidi

0.0001 Indice massa VS

0.0001 Massa VS

0.02 Diam. Diastolico

0.0001 Spessore parete post.

Montgomery et al., 1997 0.0001 Spessore setto Militari

Fatini et al., 2000 0.02 Massa ventricolo sn Giocatori di soccer

FENOTIPO: RISPOSTE EMODINAMICHE ALL’ALLENAMENTO (studi di associazione)

Hagberg et al., 2000 0.04 Battito cardiaco es.submass Donne PM

Kanazawa et al., 2002 0.08 Pressione arteria polmonare Pazienti

Friedl et al., 1996 0.01 Pressione diastolica M+F

Hagberg et al., 1998 <0.05 Massimo battito cardiaco M+F

FENOTIPO:ESERCIZIO INTENSO E FENOTIPI EMODINAMICI (studi di associazione)

0.04 Tempo esercizio

Abraham et al., 2002 0.05 Picco VO2 Cardiopatici

Myerson et al., 1999 0.009 Corsa lunga distanza Caucasici

Hagberg et al., 1999 e 2002 <0.05 VO2max Donne PM

Bibliografia Probabilità Carattere Campione

FENOTIPO: ESERCIZIO INTENSO

Correla zioni con il gene ACE

L’ACE è risultato correlato con:

VO2max

Efficienza muscolare

Massimo battito cardiaco

Pressione diastolica

Diametro diastolico

Massa ventricolo Inoltre, sono risultate significative le differenze delle frequenze alleliche tra sportivi e controllo per i seguenti sport:

Atletica endurance

Corsa

Scalata

Ciclismo

Pallamano

Nuoto

15/05/2018 30

ACE Funzioni e Meccanismo d’Azione

15/05/2018 31

ACE Funzioni e Meccanismo d’Azione

AZIONE a livello

della

Muscolatura

Liscia Arterie

Per AUMENTO RESISTENZE VASCOLARI

ACE La mia analisi è stata condotta sul

POLIMORFISMO del gene ACE, presente

nelle forme:

Omozigosi: II, DD;

Eterozigosi: ID LA PRESENZA DI UN FRAMMENTO DI 287 BP (INSERZIONE o allele +) E’ ASSOCIATO CON

MINORI LIVELLI di ACE

L’ASSENZA DI UN FRAMMENTO DI 287 BP (DELEZIONE o allele -) E’ ASSOCIATO CON

MAGGIORI LIVELLI di ACE

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

II ID DD

Distribuzione dei genotipi dell'ACE.

Potenza

Met. Misto

Controllo

ACE genotype frequency in 91 Olympic-standard runners. The proportion of I

alleles increased with distance run from 0.35 to 0.53 and 0.62 among those running

<=200 m (N = 20), 400–3000 m (N = 37), and >=5000 m (N = 34), respectively (P

= 0.009 for linear trend). The excess of I alleles (P = 0.012) and the II genotype (P

= 0.019) in the runners as a whole compared with controls was due to a skew

toward the I allele in the >=5000 m group, with a skew in favor of the D allele

among the sprinters. From: Jones, A et al: Exerc Sport Sci Rev, Volume 30(4).October 2002.184-190

II; 10%

ID; 10%

DD; 80%

II

ID

DD

II; 12%

ID; 48%

DD; 40%

II

ID

DD

Ginnasti

Controllo

ACE

Gene ACTN3

Le alfa-actine sono una famiglia di proteine leganti l’actina collegate alla distrofina e alle spectrine (Blanchard et al.,1989).

Nelle cellule non muscolari le isoforme del citoscheletro, alfa-actina 1 e 4 sono situate lungo le bande dei microfilamenti, dove mediano l’adesione alle membrane e le giunzioni di aderenza in maniera dinamica regolata dal legame con il calcio (Honda et al.,1998; Youssoufian et al.,1990).

Nel muscolo scheletrico, l’alfa-actina 2 e 3 sono le maggiori

componenti strutturali della linea Z del sarcomero dove

hanno la funzione di ancoraggio per il legame con l’actina

nei sottili filamenti in maniera costitutiva (Beggs et al., 1992).

L’alfa actina del sarcomero si lega ai sottili filamenti,alle proteine della linea Z e al fosfatidilinositolo, 4,5-bifosfato, fosfatidilinositolo 3 chinasi e PDZ-LIM proteine

adattatrici. Il gene alfa-actina 2 è espresso in tutte le fibre del muscolo scheletrico, mentre l’ACTN3 che codifica l’alfa-actina 3 è limitata alle fibre di tipo 2 veloci. L’alfa-actina 2 è capace di compensare l’assenza dell’alfa-actina 3 nelle fibre di tipo 2 veloci.

E’ stato identificato un polimorfismo SNP

(R577X) all’interno dell’esone 16 del gene

ACTN-3 (11q13–q14). associato con la

completa assenza della proteina Atn3 (North

et al. 1999).

Questo SNP è dovuto alla tranversione C – T e

converte un’ arginina in un prematuro codone

di stop nel residuo 577 (North et al. 1999).

La condizione omozigote per il codone di stop

(XX) ha una frequenza del 18% tra gli Europei

e del 16% a livello mondiale (Mills et al. 2001;

Yang et al. 2007).

Da un punto di vista evoluzionistico la sfida è spiegare l’elevata frequenza del genotipo dell’ACTN3 577XX e del genotipo 577RR.

Il genotipo 577XX sembra migliorare la performance di resistenza (allele R potrebbe diminuire la forza muscolare) mentre l’allele R aumenta l’abilità negli sport di potenza. Entrambi gli alleli potrebbero essere mantenuti ad alte frequenze nella popolazione perché entrambi conferiscono un vantaggio selettivo sotto differenti condizioni ambientali e perciò sono mantenuti ad alte frequenze per effetto di una selezione bilanciata.

5053

2830

50

39

5254

0

8

20

16

0

10

20

30

40

50

60

NATIONAL

GYMNASTICS

TEAM

SPRINT/POWER ENDURANCE CONTROLS

% RR

RX

XX

ACNT3

7572

5457

2528

4643

0

10

20

30

40

50

60

70

80

NATIONAL

GYMNASTICS TEAM

SPRINT/POWER ENDURANCE CONTROLS

% R

X

http://1.bp.blogspot.com/_dRj9DN75euI/STLxwT3v_1I/AAAAAAAAAXo/qtoV7sWuEK8/s1600-h/actn3-nyt.jpg

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

Distribuzione dei genotipi dell'ACTN3.

RR

RX

XX

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Distribuzione degli alleli dell'ACTN3.

X

R

0

20

40

60

RR RX XX

actn3

ginnasti

controllo

ACTN3 genotype P value X allele (%) P value

RR (%) RX (%) XX (%)

Gymnasts

All, n= 35 48.5 48.5 2.8* 0.04 27.1* 0.03

Male, n=17 58.8 41.1 0* 0.03 20.5* 0.03

Female, n=18 38.8 55.5 5.5 0.35 33.4 0.35

Controls

All, n=53 32.0 49.0 18.8* __ 43.3* __

Male, n=31 32.2 51.6 16.1* __ 42.0* __

Female, n=22 31.8 45.4 22.7 __ 45.0 __

Higher

frequency of

the R allele

only in male

gymnasts with

respect to male

controls.

Male gymnastic

performance

requires a

greater degree

of muscular

strength than

female

performance

ACTN3 Genotype X allele (%) References

RR (%) RX (%) XX (%)

Gymnasts

All, n= 35 48.5 48.5 2.8 27.1

Male, n=17 58.8 41.1 0 20.5 Present Study

Female, n=18 38.8 55.5 5.5 33.4

Sprint Athletes

All, n=107 49.5 44.8 5.6 28.0

Male, n=72 52.8 38.8 8.3 27.8 Yang et al (2003)

Female, n=35 42.8 57.1 0 28.6

Endurance Athletes

All, n=194 30.9 45.3 23.7 49.2

Male, n=122 27.9 51.6 20.5 46.3 Yang et al (2003)

Female, n=72 36.1 34.8 29.1 46.5

Endurance Cycliste

Male, n=50 28.0 46.0 26.0 49.0 Lucia et al (2006)

No difference

between

gymnasts and

sprint athletes

Highly

significant

difference

between male

gymnasts and

male

endurance

athletes

0

50

100

150

200

In rosa: RR, in blu: RX

Questions about Jamaican Sprinters ?

• Jamaica a small island:

more Olympic medals than

countries many times its

size and wealth.

• 2008 Olympic Jamaica has

• 4 fastest women at 200 M,

• 4 of the top 6 at 100 M

• The fastest man 100 m

Medal record

Competitor for

Jamaica

Men's athletics

Olympic Games

Gold 2008 Beijing 100 m

Gold 2008 Beijing 200 m

Gold 2008 Beijing 4 × 100 m relay

An International Centre

for East African Running Science (ICEARS)

Established in Glasgow

Preliminary findings

• 70 % Jamaicans habitants have the ACTN3 gene

version that produce Actinin-3 protein

• 28 % of Jamaicans are heterozygous for ACTN3 gene,

which has the same effect but to a lesser degree.

• The rest have the “null” form of the gene that produces no

protein at all.

• Australians: only 30 % per cent were found with the

speed protein Actinin-3

• At least one billion people worldwide must be

completely deficient in Actinin-3

Studio sulla Nazionale Ginnastica maschile

10 atleti

Misurazioni antropometriche. Indici antropometrici

Composizione corporea, somatotipo

Analisi genetica: ACE e ACTN3

Gli atleti con il genotipo ACTN3*RR sono risultati

caratterizzati da un volume di massa muscolare

significativamente più alto, espresso da i valori di

mesomorfia, area muscolare del braccio (AMA), della

coscia (TMA) e del polpaccio (CMA), e circonferenza del

braccio, dei fianchi e della coscia.

TEST

SQUAT JUMP (TEMPO DI VOLO MIGLIORE)

SQUAT JUMP (TEMPO DI VOLO MEDIA)

SQUAT JUMP (ALTEZZA MASSIMA)

SQUAT JUMP (ALTEZZA MEDIA)

SALTO IN LUNGO DA FERMO (DISTANZA MASSIMA)

SALTO IN LUNGO DA FERMO (DISTANZA MEDIA)

CONTRO MOVIMENTO JUMP (TEMPO DI VOLO MIGLIORE)

CONTRO MOVIMENTO JUMP (TEMPO DI VOLO MEDIA)

CONTRO MOVIMENTO JUMP (ALTEZZA MASSIMA)

CONTRO MOVIMENTO JUMP (ALTEZZA MEDIA)

LANCIO PALLA ZAVORRATA AVANTI (DISTANZA MASSIMA)

LANCIO PALLA ZAVORRATA AVANTI (DISTANZA MEDIA)

STIFFNESS TEST (TEMPO DI VOLO MIGLIORE)

STIFFNESS TEST (TEMPO DI VOLO MEDIA)

STIFFNESS TEST (POTENZA MASSIMA)

STIFFNESS TEST (POTENZA MEDIA)

STUDIO SULE GINNASTE SARDE

23 ginnaste

Età media 10 anni (da 7 a 15 anni)

Analisi genetica: ACTN3

Test motori

Suddivisione del campione in due gruppi:

10 ginnaste con età 10-15 anni

13 ginnaste di età 7-9 anni.

Significativi i risultai per il gruppo 10-15 anni

Squot jump

SJBF SJMF SJBH SJMH

best p media p best p media p

RR 0,553 0,039 0,516 0,016 0,375 0,037 0,327 0,015

RX 0,517 0,039 0,460 0,016 0,328 0,037 0,261 0,015

SLMJ (salto in lungo) PZBA (palla

zavorrata) PZMA

media p best p media p

RR 57,778 0.020 490 0.008 435,667 0.011

RX 43,056 0.020 388 0.008 306,222 0.011

La divergenza di risultati statisticamente significativi nei due

sottogruppi potrebbe essere spiegata evidenziando la

componente “allenamento” che

nelle ginnaste di età maggiore e quindi con più anni di

allenamento potrebbe aver favorito l’espressione di valori

importanti di forza esplosiva.

avrebbe migliorato quelle caratteristiche di forza muscolare in

cui l’alfa actinina 3 risulta essere coinvolta, mentre nelle

ginnaste più giovani, la quantità di allenamento potrebbe non

essere stata sufficiente ad esplicitare tutte le potenzialità di

questa proteina muscolare.

ACE

Risultati significativi solo per la forza relativa

(Handgrip/peso corporeo)

Genotipi II e ID mostrano valori di forza relativa

significativamente più alti rispetto a quelli del genotipo II

(p=0,01)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

DD ID II

Association between ACE genotype and Relative Strengh

DD

ID

II

Squadra Nazionale Senior Maschile

L’allele D potrebbe quindi conferire un vantaggio in

termini di sviluppo di forza in risposta

all’allenamento.

La maggiore quantità di Angiotensina II (genotipo

DD) nel plasma e nei tessuti potrebbe facilitare la

redirection del flusso sanguigno dalle fibre di tipo I

(lente) a quelle di tipo II (rapide), che sono favorite

nella performance degli sport di potenza, e quindi

anche nella ginnastica artistica.

Tipo I Tipo II

34

35

36

37

38

39

40

41

42

DD ID II RR RX XX

Relationship between SJ (cm) and ACE and ACTN-3 genotype in soccer players.

22%

10%

9%

59%

Competition Level ACE Genotype

ACTN-3 Genotype

Unexplained variability

Percentage of explained and unexplained variability in muscle strength of the lower limbs measured by Squat Jump (SJ) Test.

Med Sci Sports Exerc. 2009 Jan;41(1):35-73.

The human gene map for performance and health-related fitness phenotypes: the 2006-2007

update.

Bray MS1, Hagberg JM, Pérusse L, Rankinen T, Roth SM, Wolfarth B, Bouchard C.

Abstract

This update of the human gene map for physical performance and health-related fitness phenotypes

covers the research advances reported in 2006 and 2007. The genes and markers with evidence of

association or linkage with a performance or a fitness phenotype in sedentary or active people, in

responses to acute exercise, or for training-induced adaptations are positioned on the map of all

autosomes and sex chromosomes. Negative studies are reviewed, but a gene or a locus must be

supported by at least one positive study before being inserted on the map. A brief discussion on the

nature of the evidence and on what to look for in assessing human genetic studies of relevance to

fitness and performance is offered in the introduction, followed by a review of all studies published in

2006 and 2007. The findings from these new studies are added to the appropriate tables that are

designed to serve as the cumulative summary of all publications with positive genetic associations

available to date for a given phenotype and study design. The fitness and performance map now

includes 214 autosomal gene entries and quantitative trait loci plus seven others on the X

chromosome. Moreover, there are 18 mitochondrial genes that have been shown to influence fitness

and performance phenotypes. Thus,the map is growing in complexity. Although the map is exhaustive

for currently published accounts of genes and exercise associations and linkages, there are

undoubtedly many more gene-exercise interaction effects that have not even been considered thus

far. Finally, it should be appreciated that most studies reported to date are based on small sample

sizes and cannot therefore provide definitive evidence that DNA sequence variants in a given gene are

reliably associated with human variation in fitness and performance traits.

The lean, “double-muscled ” Belgian Blue Bull breed

a Mutated form of the Myostatin gene

(Sweeney, 2004)

The leg muscles of mice treated with IGF-1

(right) are bigger than the leg muscles of

untreated mice (left).

Peroxisome proliferator-activated receptor gamma,

coactivator 1 alpha, also known as PPARGC1A, PGC-1α is

a human gene.

The protein encoded by this gene is a transcriptional coactivator that

regulates the genes involved in energy metabolism.

This protein can interact with, and regulate the activities of cAMP

response element binding protein (CREB) and nuclear respiratory

factors (NRFs).

It provides a direct link between external physiological stimuli and

the control of oxidative phosphorylation and the regulation of

mitochondrial biogenesis.

This protein may be also involved in determination of muscle

fiber type, controlling blood pressure, regulating cellular

cholesterol homoeostasis, and the development of obesity.

Peroxisome proliferator-activated receptor-γcoactivator 1α

(PPARGC1A)

The peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α

(PPARGC1A) is a coactivator of a subset of genes that control

oxidative phosphorylation (OXPHOS) and it is expressed

predominantly in tissues with high metabolic activity (e.g., heart,

skeletal muscles, and brown fat). It controls glucose transportation

and lipid and glucose oxidation, and modulates muscle oxidative

capacity.

It has been investigated whether the Gly482Ser polymorphism

in PPARGC1A might an important determinant in aerobic fitness

(Mootha et al., 2003).

Copyright ©2005 American Physiological Society

Lucia, A. et al. J Appl Physiol 99: 344-348 2005;

doi:10.1152/japplphysiol.00037.2005

PPARGC1A Ser482 allele frequency in unfit UK men (Unfit), Spanish men unselected for fitness (Unselected), fit UK men (Fit), and World-class Spanish athletes (Athletes)

CONCLUSIONI

Primi risultati: le componenti genetiche sono pienamente

coinvolte nella determinazione dei fenotipi correlati

all’attività fisico-sportiva dei ginnasti d’elite.

FUTURI SVILUPPI:

Identificazione di talenti o alla formulazione di programmi di

allenamento specifici in base alle caratteristiche genetiche

dell’atleta.

I veri benefici nella caratterizzazione genetica dell’atleta

potranno avvenire solo con una collaborazione tra genetisti

ed esperiti nel campo dell’attività motoria.

Does Gene

the only effect on

Physical Performance ?

You can never make a donkey to a

race horse...that’s why genes

matter when it comes to sport.

But By training you can make a

slow donkey to a faster one ,

Lee Sweeny, Geneticist

Importanza della composizione corporea.

Geni implicati nella determinazione della

composizione corporea

Gene localizzazione fenotipo riferimento

GDF8 2q32.2 Massa muscolare gamba

Ivey et al., 2000

ADRB2

ADRB3

5q31-q32

8p12-p11.2

Peso, BMI, circ. vita e fianchi, grasso sottocutaneo

Garenc et al,2003; Meirhaeghe et al,1999; Sakane et al.,1997

LPL 8p22 BMI, %FAT, grasso viscerale

Garenc et al., 2001

IL15RA 10p15-p14 FFM, circ. braccio e gamba

Riechman et al., 2004

UCP3 11q13 BMI, grasso sottocutaneo

Lanouette et al., 2002; Otabe et al., 2000

ACE 17q23 Peso, FFM, FAT Montgomery et al., 1999

IGF1 12q22-q23 FFM Sun et al., 1999

GNB3 12p13 FAT, %FAt Rankinen et al., 2003

CYP19A1 15q21.1 BMI, FAT, %FAT Tworoger et al., 2004

Geni correlati con un aumento della densità minerale ossea e

l’aumento dello spessore osseo:

Gene localizzazione Riferimento

VDR 12q12-q14 Kitagawa et al., 2001; Lorentzon et al., 2001; Blanchet et al., 2002

ESR1 6q25.1 Remes et al., 2003

IL6 7q21 Dhamrait et al., 2003

… … …

Altri geni che influenzano la morfologia corporea:

I recettori adrenergici alfa sembrano avere un ruolo importante nella

regolazione della lipolisi del tessuto adiposo.

I soggetti con genotipo ADRB2 Gln27Gln tendono ad aumentare di

peso e a guadagnare grasso sottocutaneo più facilmente degli individui

Glu27Glu/Gln27Glu dopo un periodo di sovralimentazione. Simili

differenze sono state trovate per i portatori e non portatori della

variante ADRB2 3.7/3.4 kb BanI.

Le variazioni genetiche nel locus ADRB2 potrebbero quindi

rappresentare uno dei fattori responsabili delle ampie differenze

individuali osservate in risposta ad alterazioni a lungo termine nel

bilancio energetico

Un polimorfismo nel gene CY19 (aromatase cytochrome P-450) è

stato trovato associato con una maggiore riduzione del BMI e

massa grassa

I polimorfismi del gene IL15RA (interleukin 15 receptor, alpha) sono

stati trovati associati con una maggiore aumento della massa

muscolare in risposta all’allenamento, e spiegano il 7,1% e il 3,5%

dell’aumento della massa magra.

I polimorfismi del gene IL15AR sono stati trovati in associazione

anche con i cambiamenti della circonferenza della gamba e delle

braccia.

Alcune problematiche …

Extract from web page

Arranging an ACTN3 Sports Gene Test There are various ways of arranging an ACTN3 Sports

Gene Test®. Testing costs $110 including GST. To

request a test kit to be sent out to you, choose from one

of the following options.

Call us

Call us on telephone +61 3 9415 7688

Website

Click here to order an ACTN3 Sports Gene Test® kit.

Write to us

Write to Genetic Technologies Limited, PO Box 115,

Fitzroy 3065, Victoria Australia.

Individuals under the age of 18 must have their parent,

or legal guardian, sign the test request form.

Visit a participating Healthclub

You can pick up an ACTN3 Sports Gene Test® kit at any

of the following healhclubs.

www.gtg.com.au/HumanDNATesting/index.asp?menuid=070.110

Gene Doping

Doping is defined as using forbidden substances or

methods in order to increase physical and/ or mental

performance.

The definition of “gene doping” is the non-therapeutic

use of genes, genetic elements and/or cells that have the

capacity to enhance athletic performance.

• Gene doping contains the insertions of artificial genes

in patients. The artificial gene produces an appropriate

RNA which synthesizes protein.

• Although gene therapies are developed for the

treatment of disease, it´s very likely that gene therapy

can increase performance if used by healthy athletes

2. Gene Doping.

• Presently, numerous genes are being studied with regard to

gene therapy. These genes will find an application area

when their effects on different treatments have been

shown. Many of these gene therapies will contain the

potential for gene doping.

• The artificial gene is introduced by:

– Direct injection of DNA into the muscle.

– Insertion of genetically modified cells.

– Introduction utilizing a virus.

3.How is the Artificial Gene

Introduced? • Some of the genes used to performance enhancing are:

• Gene for Erythropoietin.

• The Insulin-like Growth Factor-1 Gene.

• The gene for Myostatin.

• The vascular Endothelial Growth Factor Gene.

Methods for gene manipulation

1. Harvest cells, manipulate ex-vivo, then re-introduce.

E.g. Method used for treating the SCID children.

2. Directly inject the viral vector into the body, either

systemically or into chosen tissue. E.g. Method used

in trials of VEGF gene injection to poorly

vascularised heart muscle in patients with heart

disease.

See next 2 slides.

From Kresina and Branch, Chapt 1, in An introduction to molecular medicine and gene

therapy, ed T.F.Kresina, 2001, Wiley

By modifying the serotype can get tissue specific transfection, e.g. just to muscle. Or

can use tissue-specific promoters.

From Kresina and Branch, Chapt 1, in An introduction to molecular medicine and gene therapy, ed

T.F.Kresina, 2001, Wiley

Methods for gene manipulation – problems/alternatives

1. Ex-vivo methods, often life of introduced cells is short

2. In-vivo, directly inject the viral vector. Immune system

attacks vector very effectively.

3. Injecting plasmid DNA, no vector, less immunogenic,

but rate of incorporation very low

4. Other approaches. Not strictly gene doping but closely

related:

1. Inhibition of promoters

2. RNA antisense sequences.

Risks of Gene Doping

The aspects of gene therapy that causes the most concern is

the know and unknow health risks

Heart attack and paralysis

Scientists emphasise that it is not the few detectable risks

that are the most dangerous aspects of gene therapy, but the

risks that are totally unknown

Tear or fractures in the muscles.

Tests to detect Gene Doping :

• A biopsy of suspected muscle tissue

• Suspicious elevations key biologic

substances that indicate gene doping by

serial monitoring of blood parameters.

• Detect abnormal gene activity: uses cutting-

edge microchip gene array technology or

nanotechnology breakthroughs

• A ‘‘protein fingerprint’’ or a ‘‘genetic map’’ of

the biochemistry of individual athletes

• Genetic barcodes

Discussion: the key issues for sport:

1. If gene therapy is used for curing disease, will it

then be used for fixing marginal insufficiencies

and for aiding recovery from injury? If so will

there be a clear enough line between these uses

and performance enhancement?

2. Can gene doping be detected, i.e. can the

authorities police its use anyway?

3. What happens when parents select/manipulate

embryos to create champions – are we going to

ban the children?

Investigation of

Differences between human populations.

Racial discriminations ?

Correlazione tra alcuni polimorfismi

genetici e infortuni muscolo tendinei

Ultimamente le analisi genetiche sono

state utilizzate nel campo degli

infortuni sportivi per verificare una

possibile correlazione tra il profilo

genetico di un individuo e gli infortuni

a cui è andato incontro.

Gli infortuni sportivi si manifestano per un interazione tra fattori intrinseci e

fattori estrinseci

Nonostante un rigoroso controllo di questi fattori, esiste un

grande range di differenze individuali nel numero e nella

gravità degli infortune, suggerendo che altri fattori, come la

variazione genetica, possa influenzare queste differenze

IMPORTANCE OF GENETICS IN INJURIES

IMPORTANCE OF GENETICS IN INJURIES

ACTN3 R577X polymorphism is associated with the incidence

and the severity of injuries in professional football players.

Massidda M.a, Voisin S.b, Culigioni C.a, Piras F.c,Cugia P.c, Yan

X.d, Eynon N.d*, C.M. Calòa* (in press)

La prevenzione degli infortuni è un fattore critico per

ottimizzare la performance di uno sport individuale o di

squadra

Polymorphism associated with musculoskeleton injuries/disorders

Negli ultimi decenni, ci sono state numerose evidenze scientifiche che

supportano la relazione tra polimorfismi del DNA e suscettibilità a

sviluppare infortune legati all’attività sportiva

INFORTUNI A LEGAMENTI E TENDINI

Incidenti da overuse includono

tendinopatie e rottre legamenti

In the last decades, new evidences supported the relationship

between polymorphisms and the susceptibility to develop

ligament and tendon injuries (Lippi et al. 2010; Maffulli et al. 2013;

Ficek et al. 2013; Pruna et al. 2014; O’Connel et al. 2015).

Polymorphism

associated with the

susceptibility to

develop ligament

and tendon injuries

(Longo et al., 2015)

INFORTUNI A LEGAMENTI E TENDINI

COL1A1

gene

A polymorphism (rs1800012) in the COL1A1 gene (GT):

The majority of people carry a G nucleotide at this

polymorphic position, and approximately 20% carry a T

nucleotide The T allele leads to increased expression of type I

collagen alpha polypeptides compared with the G allele,

which may increase the tensile strength of tendons and

ligaments.

INFORTUNI A LEGAMENTI E TENDINI

La variante genica è associata ad una riduzione dell’85% del rischio di

infortuni.

Infortuni tra i calciatori

•80 Elite Football players (Cagliari Calcio team serie A

from 2009 to 2014)

Severità:

Infortuni classificati in 4 gradi di severità

sulla base del numero di giorni di

assenza dagli allenementi:

Minimal (code 1), 1-3 days; mild (code

2), 4-7 days; moderate (code 3), 8-28

days; and severe (code 4), >28 days.

Incidenza:

Calcolata per 1000 h of attività

(allenamento e partite)

Il COL5A1 ha la funzione di codificare la catena α1 del collagene di tipo V, un collagene fibrillare che regola la fibrillogenesi. Le fibrille di collagene sono i componenti di base del tessuto connettivo fibroso come tendini, legamenti, cartilagini e di altri tessuti come i muscoli scheletrici.

Il polimorfismo preso in esame è lo SNP BstU, che sembra influenzi la funzionalità genica determinando l’insorgenza di patologie dell’ achilleo (Mokone et al., 2006).

The COL5A1 rs12722

accounted for 44% of severity

of injuries (P=0.002) (T

dominant model)

2

2.5

3

3.5

4

4.5

TT TC CC

sev

eri

ty

COL1A1 rs1800012 A/T

COL5A1 rs12722 C/T

COL12A1 rs970547 G/A

COL12A1 rs240736 T/C

COL14A1 rs4870723 A/C

MMP3 rs520540 A/G

MMP3 rs679620 A/G

MMP3 rs602128 T/C

GDF rs143383 T/C

TGFβ1 rs1800469 T/C

Correlazione tra GDF-5, TGFβ1 e COL1A1

con la predisposizione verso le lesioni

tendinee.

INFORTUNI MUSCOLARI

Interindividual differences in muscle injury severity,

recovery time, and injury rate could be explained by the

presence of (SNPs) in genes involved in the muscle

function and its mechanical property and in the

reparation and regeneration of connective tissue .

Gli infortune muscolari sono un

gruppo eterogeneo di infortune

con un’eziologia complessa e

sono influenzati da fattori

genetici e ambientali

Damage to skeletalmuscle

require

regeneration to maintain proper

muscle form and function.

Gli infortuni muscolari rappresentano il 31% di

tutti gli infortuni nei calciatori

Infortuni muscolari

Muscoli posteriori della coscia

37%

Adduttori 23%

Quadricipiti 19%

Muscoli dei polpacci

13%

muscle injuries account for 20 to 37%

of all time loss injuries at

men’s professional level and 18 to

23% at men’s amateur level.

The understanding of the factors that

predispose players to muscle injuries is

limited and it

is still not thoroughly understood why some

athletes are at higher risk than others

under

non-contact conditions.

Alpha actinine 3

SNP Polymorphism: non sense mutation:

tranversion C-T that causes a substitutin of an

arginine into a STOP codone at position 577

(R577X).

ACTN3

Professional soccer athletes

homozygous to ACTN3XX gene are more

susceptible to eccentric damage and

present a higher catabolic

state, demonstrated by metabolic,

hormonal and immune responses post an

eccentric training, in comparison to

ACTN3RR and ACTN3RX

groups

XX individuals would need

a

longer

time of recovery between

training sessions and

differentiated

distribution of training

content

with the aim of avoiding the

overtraining and muscle

lesions.

Muscle injury classification according to the Munich consensus statement.

Type of Injury n. of injuries % of total

injuries

Injuries by genotype (%)

RR (%) RX (%) XX (%)

Overexertion-related muscle

disorder

19 15.8 3(17.6) 11(64.7) 3(17.6)

Neuromuscular muscle disorder 64 53.3 18(45.0) 16(40.0) 6(15.0)

Minor partial muscle tear 24 20.0 6(28.5) 11(52.3) 4(19.2)

Moderate partial muscle tear 12 10 1(10.0) 6(60.0) 3(30.0)

Sub(total) muscle tear 1 0.8 0(0) 1(100.0) 0(0.0)

Muscle injuries in football players

The ACTN3 577XX players had 2.66

greater injury incidences than their RR

counterparts

INJURIES SEVERITY

XX = 3,64 ± 0,66, n = 13 RR = 2,91 ± 0,82, n = 24

INJURIES INCIDENCE

* p<0.05

Gli MCT (trasportatori monocarbossilato)

catalizzano la diffusione facilitata del lattato.

L’ MCT1 è particolarmente evidente nel cuore

e nelle fibre rosse del muscolo (fibre di tipo I),

dove è regolato in risposta ad un aumento di

lavoro, suggerendo un ruolo specifico nella

ossidazione dell’acido lattico.

Anche in questo caso è stato

analizzato uno SNP al’interno del

gene, il A1470T

Lactate transport across the

plasma membrane is mainly

mediated by proton-linked

monocarboxylate transporters

(MCT1 and MCT4) that play a

relevant role in the intracellular pH

homeostasis

Lactic acid transport across

the plasma membrane is

fundamental for the

metabolism and pH

regulation of all cells,

removing lactic acid

produced by glycolysis.

Cupeiro et al. [2010] : association between MCT1

rs1049434 and lactate accumulation;

higher capillary lactate accumulation was noted in men

carrying T allele during high-intensity circuit training.

Cupeiro et al. [2012] published another study in which

they found a higher lactate accumulation in AA males,

which would reflect a higher release of this molecule from

the active fiber to the blood

MCT1

Hypothesizs: the presence of the T allele (associated with

greater arterial blood lactate levels) could be protective in

developing pathogenesis of indirect

muscle injuries due to the decreased transport mediated

by MCT1 proteins from arterial blood into the muscle

fibers for its oxidation

Sampling: 173 male elite football players

That have played at the Official National

Football Championship during

five consecutive seasons (2009–2014).

Injury incidence was calculated per

1000 h of training Exposure ((Σ

number of muscle injuries/Σ h

training exposure) ×1000).

Football players with

the TT genotype had

lower incidence of

muscle injuries

compared to AA

genotype carriers

The highest incidence of muscle injuries displayed by

football players with AA genotype could be due to acidic

intracellular environment created by muscle activity due to

the elevated lactate transport from arterial blood into the

muscle fibers for its oxidation, as noted in the Cupeiro at al.

study.

Considering that muscle fatigue has been shown to

predispose to injury, lactate transporter variations in

skeletal muscle might provide an explanation for some

cases of muscle injuries due to the higher intramuscular

lactate concentration, and genetic variations can explain

some of the predisposition to injuries.

Distribuzione mondiale dell’MCT1

Genoty

pe

AA TT

AFRICAN ACB 2,1% 80%

ASW 1,6% 75%

ESN 2% 88%

LWK 0% 85%

GWD 0% 81%

MSL 1,2% 83%

YRI 1,9% 84%

AMERICAN CLM 14% 44%

MXL 22% 20%

PEL 22% 33%

PUR 24% 24%

EAST ASIA CDX 12% 42%

CHB 14% 42%

CHS 15% 50%

JPT 8,7% 42%

KHV 12% 49%

EUROPEAN CEU 16% 38%

FIN 21% 34%

GBR 22% 33%

IBS 19% 24%

TSI 15% 26%

SOUTH ASIA BEB 24% 35%

GIH 23% 34%

ITU 16% 35%

PJL 17% 40%

STU 17% 36%

T A H n.b N African

ACB 0.8906 0.1094 0.1958 96

ASW 0.8689 0.1311 0.2298 61

ESN 0.9293 0.0707 0.1321 99

LWK 0.9242 0.0758 0.1407 99

GWD 0.9071 0.0929 0.1693 113

MSL 0.9118 0.0882 0.1619 85

YRI 0.9120 0.0880 0.1612 108

American

CLM 0.6489 0.3511 0.4581 94

MXL 0.4922 0.5078 0.5038 64

PEL 0.5529 0.4471 0.4973 85

PUR 0.5000 0.5000 0.5024 104

East Asia

CDX 0.6505 0.3495 0.4571 93

CHB 0.6408 0.3592 0.4626 103

CHS 0.6762 0.3238 0.4400 105

JPT 0.6683 0.3317 0.4455 104

KHV 0.6869 0.3131 0.4323 99

European

CEU 0.6111 0.3889 0.4777 99

FIN 0.5657 0.4343 0.4939 99

GBR 0.5549 0.4451 0.4967 91

IBS 0.5280 0.4720 0.5008 107

TSI 0.5561 0.4439 0.4960 107

South Asia

BEB 0.5523 0.4477 0.4974 86

GIH 0.5534 0.4466 0.4967 103

ITU 0.5931 0.4069 0.4850 102

PJL 0.6146 0.3854 0.4762 96

Allele T of rs1049434 is the common

variant (wild type) and hence it shows

higher frequencies than the A allele

(missense variant) in all populations. The

frequencies of T range from 69% - 49% in

all geographical areas except in Africa.

Sub-Saharan populations show remarkable

high values (86% - 91%).

SNPs in HGF genes have an important role as biomarkers of

biological processes fragility within muscle

injuries related to injury rate, severity, and long recovery time.

BONE INJURIES

The genetic predisposition to develop a stress fracture is still a largely

unexplored area.

Stress fracture

injuries in

athletes

Diet

Training Environment

Biomechanics

Genetic susceptibility suggetsed by:

Monozygotes twin studies (VanMeensel and Peers, 2010)

multiple stress fractures occurring in the same individual (Lambros

and Alder, 1997)

stress fractures occurring in some individuals but not in others

undertaking identical training protocols (Lappe et al. 2001; Bennel et

al. 1999)

and a family history of stress fracture injury acting as a risk factor

(Loud et al. 2007).

Genetic factors account for

up to 50-75%of the

variability of bone mineral

density (BMD) in the

population

The few studies (limited by the small number of

subjects investigated) that have looked for

a link between specific genes and the development of

stress fractures have not produced

any conclusive results.

Only two studies are recently

focused on the relation between genetics and

stress fracture injury risk in elite athletes

Is important in the regulation of

bone turnover, with single

nucleotide polymorphisms

(SNPs) in genes within this

pathway associated with bone

phenotypic adaptations.

changes in bone mineral density

(BMD),bone cross sectional

area, osteoporotic fracture risk

and bone resorption and

formation

AA genotype and a copy of

the variant A allele was

associated with stress

fracture in the whole group

in comparison to the

Control group (P b 0.05)

A key regulator of

bone remodelling, is

a genetic

candidate that may

contribute to stress

fracture

predisposition

Homozygotes for the A allele of rs1718119 were present in only 2.4 %

of the multiple stress fracture cohort in comparison to 18.9 %of the

non-stress fracture group.

TGS

Per valutare l’influenza combinata di tutti i genotipi studiati è stato applicato il modello

proposto da Williams e Folland (2008), con il calcolo del TGS (Total Genotype

Score), che utilizza un algoritmo che consente di analizzare l’influenza combinata

di diversi geni su un carattere fenotipico.

• Incidenza lesioni (r=-0.53, p<0.05) (R2=27.74)

• Entità lesioni (r=-0.56, p<0.05) (R2=31.10)

Genetic profile could explain why some elite soccer players

are predisposed to suffer more injuries than others and why

they need more time to recover from a particular injury.

CONCLUSION

It is too early to measure the effect of genetic testing on

reducing the incidence of injuries or inducing behavioral

changes that will promote health and/or prevent injury.

Athletes, coaches, and medical practitioners can use

this information to generate personalized training

regimens for athletes.

Conclusioni

Da quanto emerso si capisce come nonostante i grandi progressi

avvenuti negli ultimi decenni in questo ambito, la relazione tra

predisposizione agli infortuni indiretti e genetica è ancora da

indagare. L’obiettivo finale di questa ricerca sarebbe quello di

lavorare in sinergia tra scienziati e esperti di attività motoria

al fine di programmare allenamenti personalizzati per

migliorare la perfomance e prevenire gli infortuni.