Se nøje på atleterne, der konkurrerer i dette års sommer-olympiske lege i London - deres muskulatur vil fortælle dig meget om, hvordan de opnåede deres elitestatus. Uendelige timers træning og engagement i deres sport spillede en stor rolle i opbygningen af de kroppe, der fik dem til verdens førende atletik konkurrence. Se endnu nærmere - denne kræver mikroskopi - så ser du noget andet, noget indlejret i de genetiske tegninger fra disse unge mænd og kvinder, der er lige så vigtigt for deres succes.
I næsten alle tilfælde har disse atleter realiseret det fulde potentiale, der er lagt af disse gener. Og dette potentiale kan være meget større til at begynde med, end det var for resten af os dødelige. For eksempel blev generne i cellerne, der udgør sprinter Tyson Gay's ben, kodet med specielle instruktioner om at opbygge masser af hurtige fibermuskler, hvilket gav hans ben eksplosiv kraft ud af startblokkene. Til sammenligning er den maksimale sammentrækningshastighed for marathoner Shalane Flanagans benmuskler, som dikteret af hendes gener, meget langsommere end Gay's endnu optimeret til den udholdenhed, der kræves for at køre i timer ad gangen med lidt trættende. En sådan genetisk finjustering hjælper også konkurrenter i basketball, volleyball og synkroniseret svømning, selvom virkningen måske er meget mindre, fordi effektivt teamwork og officiating også har indflydelse på succes i disse sportsgrene.
Når pistolen slukker for 100 meter sprinten, når svømmere Michael Phelps og Tyler McGill rammer vandet, når Tom Daley springer fra sin dykkerplatform, ser vi det fineste, som verdens genpool har at tilbyde, selvom forskere stadig er forsøger at finde ud af hvilke gener det er. Desværre dikterer historien, at vi måske også ser det fineste i genmanipulation, da nogle atleter presser på for at opnå toppræstationer ved hjælp af ulovlige stoffer, der bliver stadig sværere at opdage.
Den tynde på muskler
Den menneskelige krop producerer to typer knoglemuskelfibre - langsomt rykning (type 1) og hurtig rykkelse (type 2). De hurtige trækfibre trækker sig sammen mange gange hurtigere og med mere kraft end de langsomt rygende gør, men de træder også hurtigere ud. Hver af disse muskeltyper kan yderligere opdeles i underkategorier, afhængigt af kontraktil hastighed, kraft og træthedsmodstand. Type 2B hurtig-rykninger fibre, for eksempel, har en hurtigere sammentrækningstid end type 2A.
Muskler kan konverteres fra en underkategori til en anden, men kan ikke konverteres fra en type til en anden. Dette betyder, at udholdenhedstræning kan give type 2B-muskler nogle af de træthedsresistente egenskaber ved type 2A-muskler, og at vægttræning kan give type 2A-muskler nogle af styrkeegenskaberne for type 2B-muskler. Utholdenhedstræning konverterer imidlertid ikke type 2-muskler til type 1 og heller ikke styrketræning konverterer langsomt rygende muskler til hurtigt. Utholdenhedsatleter har en større andel af langsomme trækfibre, hvorimod sprintere og springere har mere af sort-rykningerne.
Ligesom vi kun kan ændre vores muskelblanding i en vis grad, reguleres muskelvæksten også omhyggeligt i kroppen. En forskel mellem muskelsammensætning og størrelse er imidlertid, at sidstnævnte lettere kan manipuleres. Insulinlignende vækstfaktor 1 (IGF-1) er både et gen og det protein, det udtrykker, der spiller en vigtig rolle under væksten i børnene og stimulerer anabole effekter - såsom muskelopbygning - når disse børn bliver voksne. IGF-1 styrer muskelvækst ved hjælp af myostatin-genet (MSTN) -gen, der producerer myostatin-proteinet.
For mere end et årti siden førte H. Lee Sweeney, en molekylær fysiolog ved University of Pennsylvania, et team af forskere, der brugte genetisk manipulation til at skabe de muskelbundne "Schwarzenegger-mus." Mus, der blev injiceret med en ekstra kopi af IGF-1- genet, tilføjede muskler og blev så meget som 30 procent stærkere. Sweeney konkluderede, at det er meget sandsynligt, at forskelle i en persons IGF-1- og MSTN-proteinniveauer bestemmer hans eller hendes evne til at lægge muskler under træning, selvom han indrømmer, at dette scenarie ikke er blevet undersøgt bredt.
Muskelvækst og udholdenhed med langsom fiber kan ligeledes kontrolleres gennem genmanipulation. I august 2004 rapporterede et team af forskere, der omfattede Salk Institute for Biologic Study's Ronald Evans, at de ændrede et gen kaldet PPAR-Delta for at forbedre dets aktivitet i mus og hjælpe med at pleje træthedsresistente muskler med langsomt træk. Disse såkaldte "maratonmus" kunne løbe dobbelt så langt og næsten dobbelt så længe som deres umodificerede kolleger.
Denne demonstrerede evne til at kløe med enten hurtige eller langsomme rykkemuskeltyper giver anledning til spørgsmålet: Hvad ville der ske, hvis man introducerede gener til at opbygge både hurtig- og langsomt rykkemuskulatur i en atlet? "Vi har talt om at gøre det, men har aldrig gjort det, " siger Sweeney. "Jeg antager, at du ville ende med et kompromis, der ville være velegnet til en sport som cykling, hvor du har brug for en kombination af udholdenhed og magt." Stadig, tilføjer Sweeney, har der været ringe videnskabelig grund (som kan oversættes til finansiering) til at gennemføre en sådan undersøgelse hos mus, langt mindre mennesker.
Genmanipulation vil have sin mest betydningsfulde indflydelse på behandling af sygdomme og fremme af sundhed snarere end at styrke atletiske evner, selvom sport bestemt vil drage fordel af denne forskning. Forskere undersøger allerede, om genterapi kan hjælpe mennesker, der lider af muskelsygdomme som muskeldystrofi. "Der er lært meget om, hvordan vi kan gøre muskler stærkere og større og trække sig sammen med større kraft, " siger Theodore Friedmann, en genetiker ved University of California, San Diego, og leder af et rådgivningspanel for gendoping for World Anti -Doping Agency (WADA). Videnskabelige undersøgelser har introduceret IGF-1 protein til musevæv for at forhindre normal muskelnedbrydning under aldring. ”Et sted nede på vejen kunne der gøres en indsats for at opnå det samme hos mennesker, ” tilføjer han. "Hvem ville ikke stå i kø for noget lignende?"
Genterapi har allerede vist sig nyttig i studier, der ikke har relation til muskelbehandling. I december 2011 rapporterede for eksempel et team af britiske forskere i The New England Journal of Medicine, at de var i stand til at behandle seks patienter med hæmofili B - en sygdom, hvor blod ikke kan koagulere ordentligt for at kontrollere blødning - ved at bruge en virus til at levere et gen, der sætter dem i stand til at producere mere af koagulationsmidlet, faktor IX.
Hårdt mål
På trods af eksperimenter med IGF-1 og MSTN proteinniveauer i musemuskler er det en kompliceret sag at identificere, hvilke gener der er direkte ansvarlige for atletisk dygtighed. "Det, vi har lært i løbet af de sidste 10 år siden sekventeringen af det menneskelige genom, er, at der er en masse mere kompleksitet her, end vi først forestillede os, " siger Stephen Roth, University of Maryland lektor i træningsfysiologi, aldring og genetik. "Alle ønsker at vide, hvad er generne, der bidrager til atletisk præstation bredt eller muskelstyrke eller aerob kapacitet eller lignende. Vi har stadig ingen hårde mål, der er anerkendt af det videnskabelige samfund for deres bidrag til atletisk præstation."
I 2004 havde forskere opdaget mere end 90 gener eller kromosomale placeringer, som de mente var mest ansvarlige for at bestemme atletisk præstation. I dag er antallet steget til 220 gener.
Selv med denne mangel på sikkerhed har nogle virksomheder allerede forsøgt at udnytte det, der hidtil er blevet lært til at markedsføre genetiske test, som de hævder kan afsløre et barns atletiske forudsætninger. Sådanne firmaer "vælger slags kirsebærplukke noget litteratur og siger, 'Åh, disse fire eller fem genvariationer vil fortælle dig noget, '" forklarer Roth. Men bundlinjen er, jo flere undersøgelser vi har foretaget, jo mindre sikre er vi på, at nogen af disse gener virkelig er stærke bidragydere af sig selv. "
Atlas Sports Genetics, LLC, i Boulder, Colo., Begyndte at sælge en $ 149-test i december 2008, som virksomheden sagde kunne screene for varianter af genet ACTN3, som i elite-atleter er forbundet med tilstedeværelsen af proteinet alfa-actinin-3, hjælper kroppen med at fremstille hurtige ryk muskelfibre. Muskler i laboratoriemus, der mangler alpha-actinin-3, fungerer mere som muskelfibre med langsomt rykning og bruger energi mere effektivt, en tilstand der er bedre egnet til udholdenhed end masse og kraft. "Problemet er, at mere avancerede studier ikke har fundet nøjagtigt, hvordan tab af alpha-actinin-3 påvirker muskelfunktionen hos mennesker, " siger Roth.
ACE, et andet gen undersøgt i relation til fysisk udholdenhed, har givet usikre resultater. Forskere argumenterede oprindeligt, at folk med en variant af ACE ville være bedre til udholdenhedsidræt, og dem med en anden variant ville være bedre egnet til styrke og magt, men resultaterne har været uomstrækkelige. Så selvom ACE og ACTN3 er de mest anerkendte gener, når det kommer til atletik, er ingen af disse tydeligt forudsigelige for præstationer. Den fremherskende idé for 10 eller 15 år siden om, at der måske er to, tre eller fire virkelig stærke bidragende gener til et bestemt træk som muskelstyrke "falder i stykker, " siger Roth. "Vi har været klar over, og det er netop blevet påvist i løbet af de sidste flere år, at det ikke er i størrelsesordenen 10 eller 20 gener, men snarere hundreder af gener, hver med virkelig små variationer og et enormt antal mulige kombinationer af disse mange, mange gener, der kan resultere i en tilbøjelighed til ekspertise.
"Intet om videnskaben ændrede sig, " tilføjer han. "Vi lavede tidligt en gæt om, at det viste sig ikke at stemme i de fleste tilfælde - det er videnskab."
Gendoping
WADA henvendte sig til Friedmann for at få hjælp efter sommer-OL i Sydney 2000, efter at rygterne begyndte at flyve om, at nogle af atleterne der var blevet genetisk modificeret. Intet blev fundet, men truslen virkede virkelig. Tjenestemænd var godt opmærksomme på en nylig genterapiforsøg ved University of Pennsylvania, der havde resulteret i en patients død.
"I medicin accepteres sådanne risici af patienter og af erhvervet, at der udføres en fare med henblik på heling og forebyggelse af smerte og lidelse, " siger Friedmann. "Hvis de samme værktøjer, når de blev anvendt til en sund ung atlet, skulle gå galt, ville der være langt mindre etisk komfort for at have gjort det. Og man vil ikke gerne være i midten af et samfund, som blindt accepterer at kaste [ erythropoietin ( EPO) )] gener til atleter, så de kan have forbedret udholdenhedspræstation. " EPO har været et foretrukket mål for mennesker, der er interesseret i at manipulere blodproduktion hos patienter med kræft eller kronisk nyresygdom. Det er også blevet brugt og misbrugt af professionelle cyklister og andre atleter, der ønsker at forbedre deres udholdenhed.
Et andet skema har været at injicere en atletes muskler med et gen, der undertrykker myostatin, et protein, der hæmmer muskelvækst. Med det siger Sweeney, "du er i gang som en gendoper. Jeg ved ikke, om nogen gør det, men jeg tror, at hvis nogen med videnskabelig uddannelse læser litteraturen, kunne de måske finde ud af, hvordan man skal lykkes på dette tidspunkt, "selvom testning af myostatin-hæmmere, der er injiceret direkte i specifikke muskler, ikke er kommet videre end dyr.
Myostatin-hæmmere såvel som EPO- og IGF-1- gener har været tidlige kandidater til genbaseret doping, men de er ikke de eneste, siger Friedmann. Genet for den vaskulære endotelvækstfaktor ( VEGF ) instruerer kroppen til at danne signalproteiner, der hjælper det med at øge blodgennemstrømningen ved at spire nye blodkar i musklerne. Disse proteiner er blevet brugt til behandling af makuladegeneration og til at genoprette iltforsyningen til væv, når blodcirkulationen er utilstrækkelig. Andre fristende gener kan være dem, der påvirker smerteopfattelse, regulerer glukoseniveauer, påvirker tilpasning af knoglemuskler til træning og hjælper med respiration.
Spil ved OL i 2012
Genmanipulation er et stort vilde kort på dette års OL, siger Roth. "Folk har i de seneste adskillige OL forudsagt, at der vil være gendoping ved de næste OL, men der har aldrig været solid bevis." Genterapi studeres ofte i en medicinsk sammenhæng, og den svigter meget af tiden, bemærker han. "Selvom det er kendt at en genterapi er solid med hensyn til behandling af en sygdom, når du kaster den ind i sammenhæng med atletisk præstation, har du med det ukendte at gøre."
Tilstedeværelsen af gendoping er svært at påvise med sikkerhed. De fleste af de test, der kan lykkes, kræver vævsprøver fra atleter under mistanke. "Vi taler om en muskelbiopsi, og der er ikke mange atleter, der er villige til at give vævsprøver, når de gør sig klar til at konkurrere, " siger Roth. Genmanipulation vil sandsynligvis ikke dukke op i blodstrømmen, urin eller spyt, så de relativt ikke-påtrængende test af disse væsker er sandsynligvis ikke meget.
Som svar har WADA vedtaget en ny testmetode kaldet Athlete Biologisk Passport (ABP), som vil blive brugt ved OL i London. Flere internationale sportslige myndigheder som International Cycling Union er også begyndt at bruge den. Nøglen til ABP's succes er, at programmet snarere end at se ad hoc efter et specifikt middel - såsom EPO - overvåger programmet en atletes krop over tid for pludselige ændringer, såsom et spring op i antallet af røde blodlegemer.
En anden måde at detektere tilstedeværelsen af gendoping er at genkende, hvordan kroppen reagerer på et fremmed gen - især forsvarsmekanismer, den måtte implementere. "Virkningen af ethvert lægemiddel eller fremmed gen vil blive kompliceret af en organisme, der prøver at forhindre skade fra denne manipulation, " siger Friedmann - snarere end fra tilsigtede ændringer fremkaldt af EPO, for eksempel.
De olympiske lege gør det klart, at alle atleter ikke er skabt lige, men at hårdt arbejde og dedikation kan give en atlet i det mindste en chance for udenfor, selvom konkurrenter kommer fra den dybere ende af genpuljen. "Elite-præstation er nødvendigvis en kombination af genetisk baseret talent og træning, der udnytter disse gaver, " siger Roth. "Hvis du kunne udjævne alle miljømæssige faktorer, ville personen med en fysisk eller mental forkant vinde konkurrencen. Heldigvis kommer disse miljøfaktorer ind i spillet, hvilket giver sport den usikkerhed og magi, som tilskuere beder om."
