摘要：精準醫(yī)學是一個強調個體化的預防、診斷和治療疾病的新興領域。從一個人的遺傳信息，環(huán)境和生活方式，表觀遺傳學及其在其他精準醫(yī)學領域中的表現，醫(yī)生可以最大化利用分子水平上的病理學靶向治療疾病。因此，本文的目的是介紹精準醫(yī)學的基本概念，以突出它們在運動醫(yī)學和提高性能方面的潛在應用。本文提供了目前在體育屆一些精準醫(yī)學概念實施的建議。
前言
在2015年1月的國情演說中，奧巴馬總統(tǒng)宣布了精確醫(yī)學倡議（PMI）的啟動。PMI的目標是“讓我們更接近于治愈癌癥和糖尿病等疾病，并讓我們所有人都接觸到以保持我們自己和我們的家人更健康的個性化信息”。 精準醫(yī)學是一種個體化的預防、診斷和治療疾病的方法。這種個性化的方法側重于每個人的基因、生活方式和環(huán)境的獨特變異。人類基因組測序及其后續(xù)開發(fā)分析大數據集的方法和工具為臨床實踐創(chuàng)新和個性化的療法創(chuàng)造了機會。
人類基因組計劃，包括繪制和解析所有人類基因，于2003年完成。這一發(fā)現為精準醫(yī)學的擴散奠定了基礎。全基因組關聯(lián)研究（GWAS）完成，或研究分析全基因組發(fā)現的遺傳變異與特定疾病有關，使人們有可能從遺傳角度識別疾病發(fā)展。雖然精準醫(yī)學的當務之急是與癌癥的預防和治療有關，但長期重點是在健康和疾病的各個領域推進個性化醫(yī)學知識。這篇系統(tǒng)回顧的目的是向醫(yī)生介紹精準醫(yī)學的基本組成部分。這些組成部分包括遺傳學和基因組學、表觀遺傳學和生物標記、環(huán)境和生活方式等等。不僅可以根據分子特征調整一些醫(yī)療干預措施，而且還可以在某些人身上調整訓練方案，以最大限度地提高運動成績。運動醫(yī)學和力量訓練專家都應該意識到精確醫(yī)學的進步，利用這些概念最終影響到臨床、運動訓練室以及最終在游戲領域的決策。
遺傳學和基因組學
遺傳學是研究個體基因及其在遺傳中的作用?；蚴沁z傳的基本單位，由DNA堿基對組成。DNA為基因提供指令，基因為蛋白質的生產提供指令，蛋白質為整個細胞和機體的功能做出貢獻。人類基因組中大約有20000到25000個基因。不同個體（頭發(fā)顏色、眼睛顏色等）的差異是由等位基因或同一基因的不同版本引起的。
對所有基因（基因組）及其相互作用和環(huán)境的相互作用的研究被稱為基因組學。分析基因和基因組是通過生物信息學的一個分支，結合生物學、計算機科學、統(tǒng)計科學和數學分析大型遺傳數據集。生物信息學使單核苷酸多態(tài)性（SNP）的識別成為可能。單核苷酸多態(tài)性是由一個核苷酸被另一個核苷酸替換而引起的常見遺傳變異（圖一）。比如,在人口中的大多數人可能是一個胸腺嘧啶，一小部分人中，可能在基因組上的相同位置是一個胞嘧啶。SNP的影響取決于它的位置。如果SNP位于基因編碼區(qū)或調控基因的區(qū)域，那么個體對疾病的易感性或對刺激的傷害或反應，如訓練，可能會被改變。
圖1 描述一個單核苷酸多態(tài)性(SNP)的例子及其最終產物在蛋白質合成中的結果。（a）在基因型和合成蛋白上給定位置的正常核苷酸堿基對。b）同一SNP改變蛋白質的位置。轉載自營養(yǎng)和飲食的科學院學報，114/2，凱瑟琳M.營，Elaine Trujillo，科學院營養(yǎng)和飲食的位置：營養(yǎng)基因組學，299–312，版權（2014），獲得Elsevier的許可。
至少部分歸因于單核苷酸多態(tài)性的疾病包括亨廷頓氏病和不同類型的癌癥。識別與這些疾病相關的基因中的單核苷酸多態(tài)性（導致Huntington的亨廷頓基因突變）疾病和導致乳腺癌和卵巢癌的BRCA1和BRCA2基因突變分別存在通過基因檢測導致疾病的早期發(fā)現。
具體到運動醫(yī)學，導致軟組織損傷位點已經確定（42,64,65,75）。膠原蛋白，包含身體內的韌帶和其他軟組織的蛋白質，對于各種膠原基因編碼。各種膠原編碼基因中的單核苷酸多態(tài)性與人類骨骼肌損傷相關。這些遺傳變異（42,64,65,75）的個體在前交叉韌帶（ACL）斷裂、跟腱斷裂、與肩關節(jié)脫位的風險增加。遺傳損傷的貢獻還在雙胞胎身上得到進一步支持。研究表明異卵雙胞胎表現出類似的ACL損傷高危著地力學和模式。隨后經歷ACL損傷的女性雙胞胎在著地時膝關節(jié)屈曲峰值降低，關節(jié)松弛增加，股四頭肌力矩減少，并相對于對照組降低髁間切跡寬度。結合雙胞胎和家族研究引發(fā)識別出以前不知道的ACL損傷相關的SNPs，進一步強調韌帶損傷的遺傳易感性。此外，研究表明，有ACL損傷的人比沒有ACL損傷的人更容易有ACL損傷的親屬。
這些發(fā)現表明，損傷是一種強烈的遺傳易感性，它是損傷的一個被動危險因素。目前,被動的危險因素無法改變。與此相反，活動危險因素，如膝蓋落地伸展和/或依賴于在著地過程中的正面平面控制策略，可以通過適當的神經肌肉訓練在更大程度上改變被動危險因素。為了優(yōu)化神經肌肉訓練的效果，特別是對有被動和積極危險因素的年輕人，ACL損傷預防方案應在年輕時開始，以適應與生長和成熟有關的變化。應向教練員提供額外的訓練，以幫助減輕青春期發(fā)育的影響，而不需要用力量和神經肌肉控制相匹配的適應性反應。此外，從業(yè)人員應考慮實施篩查工具來識別這些潛在的危險在遺傳易感性運動員中實施減輕傷害風險的策略的因素。這些策略包括收集與肌肉骨骼損傷有關的詳細家族史，評估關節(jié)松弛和強度以及神經肌肉不對稱性，并實施運動篩選。
關于性能，精確醫(yī)學可用于個性化培訓。已發(fā)現幾個與運動引起的肌肉損傷相關的單核苷酸多態(tài)性。這些SNPs包括ACTN3，TNF和IGF2，但在這里以ACTN3為例討論。ACTN3基因SNP是胞嘧啶取代一個硫胺核苷酸核苷酸。這個SNP的個體不在一種無法表達的精氨酸的氨基酸，結果表達a-輔肌動蛋白-3蛋白。在這種蛋白質的缺乏與肌肉體積、力量、功率減少，（即，快肌纖維的改變）相對于沒有缺陷的人，劇烈運動的易感性增加。除了肌肉損傷，SNPs也與動力性能有關。CNTFR SNP的TT基因型比對照組明顯更頻繁的出現在精英力量的運動員中。鑒于運動員的這些信息，從業(yè)者可能是能夠更好地決定如何訓練運動員沒有多態(tài)性，最大限度地發(fā)揮力量。從業(yè)人員從中獲得運動員從艱苦訓練中恢復的能力及他們對訓練的反應，可能最大限度地訓練處方并減少受傷的危險。在這些運動員相關的SNPs識別可用于個體化訓練方案。目前，運動員按計劃一起訓練，但也許提高成績的一個更有效的方法是按照基因型個性化訓練與恢復。
雖然在SNP相關疾病的預防和治療方面的進展仍然落后于我們識別它們的能力，但識別這些單核苷酸多態(tài)性為開發(fā)新的個性化干預提供了機會。例如，已經申請了多項專利以進行基因測試。確定可能受到肌腱和韌帶損傷的個人。專門從事運動員基因測試的公司分析了已知基因變異的基因組，包括性能和傷害風險。也有一些公司為特定的SNP提供固定比率的測試。雖然基因測試無法預測腱或韌帶損傷，這是一個不可改變的危險因素是預防損傷和性能增強的戰(zhàn)略考慮。沒有進行基因檢測的從業(yè)人員應該知道遺傳對受傷風險、訓練和恢復的反應的貢獻。通過簡單地掌握信息，從業(yè)者可以努力減輕遺傳對傷害的貢獻。認識到運動員對訓練有獨特的反應。表1列出了將遺傳學和基因組學整合到訓練中的實際應用?？茖W的進步可能最終導致采用基因干預的新方法。
表1 遺傳學和基因組學的實際應用
利用基因檢測服務識別運動員易患肌肉骨骼損傷（COL1A1，COL12A1，等），包括ACL和跟腱肌腱斷裂、肩關節(jié)脫位、目標資源的預防策略。
利用基因檢測服務識別運動員容易從激烈的運動恢復差（ACTN3）最大限度地提高訓練效果和了解其他基因單核苷酸多態(tài)性與運動成績的相關。
了解其他的單核苷酸多態(tài)性影響運動表現，包括肌肉生長抑制素（肥大），ADRB1（耐力），EPAS1，andcntfr（功率），以及許多其他的人。
深入了解家族史（父母和兄弟姐妹）對肌肉骨骼損傷和對訓練的反應，以便了解預防策略和訓練處方的決定。
評估關節(jié)松弛，并進行運動篩選，以減少損傷的遺傳易感性為目標的預防策略。
環(huán)境和生活方式
盡管基因是遺傳的基本單元，越來越多的證據表明基因對患病的影響只占患病風險的一小部分?；蚪M是預先確定而具體的，沒有遺傳易感性就能導致疾病。特殊疾病的高患病風險或者同一暴露環(huán)境的不同表現可能是基因-環(huán)境的交互作用（GEI）。
GEI是個人基因和環(huán)境因素組合的患病結果。這些環(huán)境因素可分為物理、化學、生物、行為等，其中包括接觸污染、服用藥物和不同類型的食物等。從本質上講，GEI決定遺傳差異會導致個人以不同的方式對環(huán)境作出反應。在醫(yī)學的支持給的證據表明，出生人數與LSP1基因變異與CASP8基因變異的女性飲酒的女性患乳腺癌的風險增加有關。這些數據表明環(huán)境暴露的差異。（出生人數、飲酒）改變結局（乳腺癌風險）在相同基因型的婦女（LSP1，CASP8）。除了GEI，無論基因型，可能是環(huán)境因素導致的變化。在研究雙胞胎（同卵和不同卵）一個患帕金森一個不患病問題中，兩者暴露于一種從植物中提取的常用于發(fā)動機脫脂劑的化學物質三氯乙烯下，該物質與發(fā)展中國家的疾病的風險增加相關。這個研究顯示在環(huán)境暴露存在的情況下，共享相同或相似基因組的個體不會共享疾病風險。
關于運動醫(yī)學，人們越來越關注ACL損傷與骨關節(jié)炎的后續(xù)發(fā)展之間的關系。研究表明，經歷了單側前交叉韌帶重建（ACLR）與健膝相比，患膝骨關節(jié)炎的患病率增加了3倍。這一結果表明，環(huán)境暴露（要么損傷或ACLR），通過一定的機制增加疾病（骨關節(jié)炎）的風險。這一發(fā)現突出了力量和條件訓練者的作用的重要性。首先，應采取措施來防止ACL損傷和滑膜關節(jié)的初始損傷，以減少生命中的負面結局。其次，應選擇合適的恢復-訓練協(xié)議保證運動員確實可以訓練起到降低并發(fā)癥風險。從業(yè)者有多種工具可供選擇，包括識別損傷的遺傳易感性、運動屏障和預防性鍛煉計劃的實施。環(huán)境和生活方式的實際應用列在表2。
表2 環(huán)境和生活方式的實際應用
實施傷害預防計劃，特別注重保護關節(jié)關節(jié)，以減少運動員持續(xù)受傷的風險，從而導致晚期骨關節(jié)炎的發(fā)生。
檢查和調整回打協(xié)議來減少再損傷的風險，尤其是對運動員從傷病恢復滑膜關節(jié)。
深入了解環(huán)境暴露，可能會對工作表現產生負面影響，如壓力水平、飲食、營養(yǎng)、睡眠量、家庭環(huán)境等。
教育運動員如何做出良好的食物選擇，以促進恢復和最大限度地發(fā)揮作用。
與運動成績相關的，通常研究的是營養(yǎng)。由于基因表達的變化，個體將根據營養(yǎng)狀況對運動做出不同的反應，下一節(jié)將對此進行進一步的探討。白細胞介素-6（IL-6）是一種炎性細胞因子是運動性肌肉損傷指標。在低糖原條件下，IL-6濃度為顯著高于高糖原和控制條件下。IL - 6濃度的增加與運動成績下降有關。這些發(fā)現強調了適當營養(yǎng)和適當恢復運動的重要性。在降低運動成績的情況下，從業(yè)者應該意識到營養(yǎng)扮演的角色。運動員，尤其是青年運動員，可能不知道營養(yǎng)對成績和恢復的影響。因此，從業(yè)人員應向運動員提供改善食物選擇的策略，以提高培訓和業(yè)績。
通過對環(huán)境暴露的了解，包括可能增加疾病風險的行為或事件，它可以減輕或消除風險的干預策略（例如，酒精消費教育計劃與CASP8基因變異的婦女減少患乳腺癌的風險；接觸三氯乙烯工人減少帕金森病風險的新安全指南；ACL損傷預防計劃。它也可能為病理學的新的預防和治療提供機會。雖然一些導致疾病的環(huán)境因素可能是顯而易見的，但未來的研究應該集中于確定新的風險，例如終生接觸身體活動對傷害風險或運動潛能的影響。此外，傳統(tǒng)暴露，如飲食，睡眠量和家庭環(huán)境，應該更具體地調查。確定它們對基因表達的影響，以及對傷害風險和運動成績的影響。
表觀遺傳及基因表達
前面關于環(huán)境和生活方式的章節(jié)引出了表觀遺傳學的概念。表觀遺傳學被定義為“遺傳功能變化的研究，它是遺傳的，不需要改變DNA序列”。 如前所述，基因組是遺傳的和穩(wěn)定的。然而，有基因的表達導致變化的過程中發(fā)生了變化基因的功能?；虮磉_的改變可能與環(huán)境和生活方式有關，例如污染物暴露和缺乏鍛煉。
對基因表達的理解需要理解基本概念?；?，更具體地說是個體繼承的等位基因，被稱為基因型。這種基因型的外向表達稱為表型，基因表達依賴于核糖核酸（RNA）的轉錄和翻譯（圖2）。轉錄是在RNA從DNA片段中產生時發(fā)生的。在轉錄過程中，通過轉錄產生的RNA被用來制造氨基酸。表觀遺傳修飾，包括DNA甲基化，組蛋白修飾和microRNA（miRNA）的表達，導致基因表達的改變?；虮磉_是指轉錄和翻譯的連續(xù)過程所產生的表型或外在表現，受表觀遺傳修飾的調節(jié)。先前討論過的環(huán)境因素可能導致表觀遺傳修飾，導致基因被激活（表達）或失活（被抑制）。
圖2 脫氧核糖核酸（DNA）轉錄和翻譯過程的圖解。在轉錄過程中，DNA被用來制造RNA。在翻譯過程中，RNA被用來在蛋白質合成過程中生成氨基酸。轉載自營養(yǎng)和飲食的學術期刊，114 / 2，凱瑟琳M.營，Elaine Trujillo，科學院營養(yǎng)和飲食的位置：營養(yǎng)基因組學，299–312、著作權（2014），Elsevier允許轉載。
在醫(yī)學上，由內源性和環(huán)境壓力引起的炎癥是導致某些癌癥發(fā)展的一個已知因素。炎癥引起的受感染、吸煙、肥胖等。可能導致DNA甲基化（表觀遺傳修飾），進而導致基因表達的改變。細胞的信號物質，如細胞因子，包括白介素家族，干擾素，轉化生長因子β家族（TNF- b）其中，促進炎癥反應。它們介導炎癥引起的表觀遺傳修飾，改變基因表達并最終導致癌癥的發(fā)展。研究發(fā)現，細胞因子可以誘導DNA甲基化、組蛋白修飾和miRNA表達的表觀遺傳變化。這些變化將改變多個基因的表達誘導甲基化DNA的酶，誘導或抑制miRNA的幾種形式，并改變合成蛋白特異的基因。這導致細胞轉化并導致癌癥的發(fā)生和發(fā)展。因此，細胞因子可用于確定起始，癌癥的診斷、預后和發(fā)展治療。
在運動員中，暴露于創(chuàng)傷性膝關節(jié)損傷（如ACL損傷、重建）和異常加載模式會導致骨關節(jié)炎的發(fā)展。在GDF5基因SNP已與GWAS骨關節(jié)炎易感性相關。該基因的部分家庭的其他成員扮演的角色維護和修復滑膜關節(jié)。而不是在一個特定的基因定位的硫胺胞嘧啶核苷酸的表達與骨關節(jié)炎易感性相關；因此，在軟骨和關節(jié)中，胞嘧啶核苷酸的表達是最好的。在SNP的等位基因GDF5基因胞嘧啶表達上調的結果。研究表明，基因上調與DNA去甲基化有關，這是一種表觀遺傳修飾。這一發(fā)現有助于開發(fā)新的預防疾病的途徑。預防疾病的新途徑。在這種情況下，干預（生活或其他）可以上調GDF5基因降低易患骨關節(jié)炎。這些干預措施對于那些沒有經歷過傷害后遺癥的年輕運動員尤為重要。早期干預可能導致壽命延長，降低生活費用。然而，需要更多的研究來確定當前干預/暴露條件對表觀遺傳修飾的影響。例如，ACL手術類型的影響（自體移植或異體移植）、康復時間等等，在GDF5表達應確定做出臨床決策，降低在以后的生活中的發(fā)生風險。關于訓練，已發(fā)現與肌肉發(fā)育相關的表觀遺傳修飾。通過組蛋白修飾抑制大鼠的基因導致的慢肌纖維形成減少。對人類來說，這將提高輸出功率。此外，組蛋白修飾的MHC基因在大鼠改變肌纖維類型的表達。組蛋白修飾決定肌纖維類型會是快收縮還是慢收縮。盡管在大鼠中，這些發(fā)現表明肌肉的功能可以改變，以最適合這項運動的要求。然而，由于人類表現的表觀遺傳是一個新生的話題，實踐者們將其應用的能力還處于探索階段。類似的GDF5基因表達上調，未來的研究應集中在如何改變基因表達來優(yōu)化運動能力。在MEF2 / MHC基因的情況下，未來的研究應確定什么樣的環(huán)境和生活方式因素可以改變，以達到最佳的肌肉纖維型配置為一個特定的運動員。
精準醫(yī)療的其他課題
藥物基因組學
藥物基因組學是藥理學和基因組學結合的一門學科。藥物基因組學是研究基因是如何影響個體對藥物的反應的。遺傳因素對藥代動力學和藥效學的影響可能是不良事件和臨床結局的重要決定因素。在房顫患者中，2種基因型（CYP2C9和VKORC1）被確定為與藥物華法林早期出血和相關的響應更安全的藥物exoban。有證據支持這一觀點，即結果可能是考慮到個人的基因構成而改進。
在運動醫(yī)學中的藥物基因組學應用延伸主要為抗炎藥物的個體反應。布洛芬和體藥代動力學被發(fā)現是由CYP2C9基因多態(tài)性與性別的影響。遺傳藥理學和藥物基因組學的個性化疼痛管理是高度相關的多個基因，因為含能影響疼痛的感知和反應的鎮(zhèn)痛。哮喘治療反應和不良反應的異質性對運動醫(yī)學也有重要意義。未來的研究應采用GWAS研究遺傳學對常用藥物的作用，尤其是在疾病是難以治療的情況下（例如，膝關節(jié)積液，跟腱炎等）。
宏基因組學
人類微生物組是指在人體和基因發(fā)現微生物的不同類型。微生物疾病是人類抵抗作用的敏感性，尤其是炎癥性疾病。宏基因組學是一個環(huán)境樣品中所有的基因組的遺傳分析。對人類來說，這意味著分析基因組和微生物。研究表明，腸道菌群的變化可能有助于1型糖尿病、2型糖尿病與肥胖的發(fā)生。這些知識有助于預防疾病提供新的途徑。
人類微生物組和哮喘之間的聯(lián)系是運動醫(yī)學相關。健康和哮喘患者的肺部微生物被發(fā)現不同，與下呼吸道菌群是哮喘的嚴重程度相關。哮喘患者比非哮喘患者有更明顯的致病菌。腸道菌群的影響介導的免疫反應，過敏和哮喘。這些發(fā)現表明，一些人固有的有害細菌的存在會對運動成績產生負面影響。研究需要確定肺和腸道微生物的調控可能對運動成績有積極影響。
微生物是在皮膚狀況特別關注。體育館運動器材中的微生物群落與人類皮膚相互作用而形成的。健身房里的墊子和地板被發(fā)現的細菌濃度最高，很可能通過人類皮膚、人的汗液和足部接觸傳播細菌。這些發(fā)現特別適用于體操（摔跤、體操）和在草地上運動的運動員。未來運動醫(yī)學的研究應該發(fā)現可能導致皮膚菌群傳播減少的行為，消毒表面的新技術，以及MRSA的新干預措施，以減少皮膚疾病的獲得和傳播的風險。
結論
精準醫(yī)學結合了各種新興學科的內容達到想要提高的結果。遺傳學和基因組學用來識別基因變異導致的疾病。這些信息可以用來及早發(fā)現運動員易受傷害的情況，并決定運動員是否會對特定類型的干預作出反應。培訓，并通過確定治療的藥物基因組學。個體的環(huán)境和生活方式影響基因和基因組功能。應考慮到環(huán)境暴露問題。減少生活中受傷帶來的消極后果，并提高目前的表現。表觀遺傳變化源于個體基因與其環(huán)境之間的相互作用，決定了這些基因的外顯表達。這個領域在人類研究方面還不夠先進，無法為實踐提出建議。
由于精準醫(yī)學的概念對運動醫(yī)學和力量和調節(jié)來說是如此的新，所以很難對具體的策略提出更具體的建議。為了使精準醫(yī)學增長，因為它涉及到這些對于實驗室科學家和研究人員來說，促進轉化研究是非常重要的。目前，遺傳學已經被用來識別可能受到傷害的人和那些可能對訓練反應最好的人。有機會在藥理學的分支識別預防或治療干預可能是特定的基因型。這可能會導致運動損傷后的愈合增強，并通過個性化訓練處方改善運動成績。與環(huán)境和環(huán)境有關的非傳統(tǒng)因素應該調查生活方式，以確定他們對運動損傷和運動成績的貢獻。此外，還應研究這些暴露對基因表達的影響及其機制。用于量化受傷風險并確定對運動成績的影響。這可能允許創(chuàng)建新的干預措施來減少。傷害風險與提高運動成績。
精準醫(yī)學和癌癥研究的進展正在為跨學科研究創(chuàng)造一個新的框架。正如腫瘤學家和基礎科學研究人員必須工作一樣。在治療癌癥的目標上，從業(yè)者和基礎科學研究人員必須共同努力，在預防損傷和提高性能方面做出創(chuàng)造性的發(fā)現。遵循精準醫(yī)學的原則，醫(yī)生可以找到新的和個性化的方法來預防損傷和提高性能。通過對青年運動員預防和訓練中精準醫(yī)學的努力，有可能改善長期結果，以確保這一群體在其一生中保持健康和體力活動。
作者簡介
文章來源：NSCA
翻譯：時旺然
責編：Elena返回搜狐，查看更多
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