Geny a svaly

Mnoho sportovců si uvědomuje zásadní vliv "genetiky" na výkon a i dnešní věda tvrdí, že za vším jsou geny. Biologie o tom nashromáždila množství zajímavých poznatků.

Hlavním cílem kulturistického snažení je nastartovat ve svalové tkáni anabolický proces. Nutnou podmínkou pro vznik tohoto stavu je dostatečný přísun zdrojů pro metabolismus. Na každou látku (vstupující do organismu nebo syntetizovanou uvnitř ) je možno nahlížet z různých hledisek. Pro nás nejdůležitější jsou a) funkce stavební, b) jako zdroj energie a c) jako nosič informace. Např. aminokyselina tryptofan je jedním ze základních stavebních kamenů bílkovin. Ačkoli je to nejméně častá aminokyselina, má důležitou funkci v aktivním centru některých enzymů (a). Mimo to však může po odstranění dusíku z molekuly sloužit jako zdroj energie (b) a také být v mozku přeměněn na serotonin, který má mimo jiné vliv na psychiku (c). Pro organismus jsou mimořádně důležité látky, jejichž hlavním účinkem je přenos informace a které tedy ovlivňují koordinaci jeho složek. Mnoho z těchto molekul (kam patří např. hormony, jejich analogy, interleukiny atd. ) se účastní regulace na úrovni zápisu v DNA. A to je téma, které nás bude zajímat.

Co jsou geny?

Abych stručně přiblížil, podle jaké předlohy vznikají všechny složky těla, dovolím si použít metaforu. Organismus si můžeme představit jako průmyslovou aglomeraci skládající se z jednotlivých továren (buňky). Každá továrna má řídící centrum (jádro), kde jsou v trezoru uloženy plány (geny). Genetická informace je zapsána na papíře (DNA) a v případě potřeby je vyrobena pracovní kopie plánu (mRNA), která je transportována k výrobní lince (ribozomy), na které vzniká finální výrobek (protein). Přenos informace od genu k proteinu se označuje jako genová exprese. Za velkou část vlastností organismu (od stavby buněk až po charakteristiky metabolismu ) jsou zodpovědné právě proteiny. Dále je důležité seznámit se s mechanismem regulace genové exprese. Ve všech buňkách jsou obsaženy stejné geny, ale každý buněčný typ exprimuje jen jejich určitou sadu. Např. gen pro myozin je exprimován jen ve svalových buňkách. Typ a množství vznikajících proteinů jsou složitě regulovány a dají se do jisté míry ovlivnit.

A to je také skrytou podstatou kulturistiky - cílem je nastartovat syntézu bílkovin a k jeho dosažení se používá nejrůznějších prostředků. Jejich společným znakem je to, že čím více jdou k jádru věci (a buňky), tím jsou účinnější (a nebezpečnější, pokud nejsou přirozené). Tak např. steroidy pronikají přímo do jádra a tam ovlivňují genovou expresi.

Které geny nás zajímají a jak byly objeveny?

Individuální vývoj (ontogeneze) svalů je velmi komplikovaná záležitost probíhající před i po narození a podílejí se na něm stovky genů a proteinů. Hledání konkrétních genů ovlivňujících tento proces tedy není jednoduché ani laciné, ale dá se to zvládnout. Jednou možností je použít to, co nám příroda sama nabízí. Populace organismů bývají variabilní a vyskytují se v nich jedinci s různým rozvojem jednotlivých znaků. Jedinci s extrémním svalovým rozvojem (hypertrofie nebo dystrofie) vyrostlí v normálních podmínkách budou mít pravděpodobně zvláštnosti v genetickém aparátu zodpovědném za vývoj svalů. U několika plemen hovězího dobytka byla popsána odchylka nazývaná "double- muscled" fenotyp (1,2; viz obr.). Jedná se o zvětšení kosterní svaloviny asi o 20% v důsledku hyperplazie (zvětšení počtu svalových vláken).

Není divu, že se tento jev setkal s velkým zájmem producentů masa. Dalšími výzkumy se podařilo odhalit jeho molekulární podstatu - tou je mutace (porucha) v genu MSTN, který kóduje myostatin. Myostatin (označovaný též GDF-8) je členem nadrodiny TGF-β, což je skupina malých proteinů s nejrůznějšími funkcemi (vesměs regulace růstu a diferenciace). Kvůli ověření funkce myostatinu se konaly další pokusy a byly připraveny myši s uměle porušeným genem pro myostatin (7). Takováto zvířata jsou větší a jejich svaly váží 2-3x více než u běžné myši (viz následující obr.). Je třeba upozornit, že genová úprava byla provedena ve stadiu blastocysty (velmi časná fáze embryogeneze). Obecně se dá říci, že největší vliv na vlastnosti jakéhokoli orgánu má prenatální vývoj a dosáhnout takového efektu u již narozených myší by bylo problematičtější. Obrázky demonstrují jakého efektu lze dosáhnout eliminací jediného genu. To ostatně není nic nepochopitelného - např. gorila má jen málo genů odlišných od člověka a přitom samci dosahují průměrné hmotnosti 180 kg na 175 cm (výjimečně až 300 kg) se značným objemem svalů, a to při vegetariánské stravě a bez tréninku. I v lidské populaci jsou jedinci se změnami genetického aparátu příznivými pro mohutnění svalů (Greg Kovacs & spol.).

Dalším experimentálním přístupem při lovu na geny je analýza mRNA. Dá se tak zjistit typ a množství genů momentálně exprimovaných v určité buňce. Tak byla zjištěna např. funkce Ski proto-onkogenu (13) nebo LIM (18) proteinu v biologii svalů. Touto metodou lze získat množství informací o mechanismu svalové hypertrofie. Sval můžeme vystavit nejrůznějším typům zátěže a pak sledovat změny v genové expresi. Mimochodem tyto experimenty vrhají na problém nové světlo. V buňce existují molekuly, které zřejmě dokáží reagovat na mechanické podněty (vznikající např. při tréninku) a po deformaci spouštějí signální kaskádu, na jejímž konci jsou geny potřebné pro růst.

Co z toho vyplývá?

Takže je vidět, že věda dnes dokáže manipulovat s genomem. Zdá se mi být jen otázkou času, kdy na toto téma začnou diskutovat i sportovci. Použití těchto metod ve sportu by však znamenalo nejúčinnější, nejriskantnější a prakticky nezjistitelnou formu dopingu. Tento článek měl také upozornit vyznavače "výkonu bez přívlastků", že u steroidů celá záležitost neskončila.

Postupy genové terapie (přenos genetického materiálu do buněk pacienta, který má léčebné účinky, a to buď tím, že potlačuje nějakou nenormální buněčnou funkci anebo tím, že buňce skýtá funkci novou) samozřejmě nevznikly kvůli ctižádostivým sportovcům. Jedná se o jednu z mála nadějí mnoha pacientů s rakovinou, AIDS nebo některými dědičnými chorobami. W.F.Anderson, jeden ze zakladatelů genové tetrapie, ji označil jako čtvrtou revoluci v medicíně (po zavedení veřejného zdravotnictví, asepse a antibiotik ) (21).

Věda bývá kritizována kvůli zneužívání jejích poznatků. Jistě, náš duch často ještě nedorostl tomu, do čeho svým intelektem už dokážeme zasahovat. Hermetická filozofie tvrdí, že náš svět má polární povahu, tedy že každé dobro plodí stejně velké zlo. Psycholog T. Dethlefsen o tom říká: "Nožem lze nejen krájet chléb, ale také zabít člověka. Změníme-li vlastnosti nože tak, že s ním nelze vraždit, nebude vhodný ani ke krájení chleba. Čím výše stoupáme, tím větší je náš rozhled, ale tím hlouběji také můžeme spadnout. Zůstat dole a plazit se po čtyřech je bezpečné, ale tomu také odpovídá výhled. Vykoupení a ztroskotání leží tak blízko sebe jako genialita a šílenství."

Použitá literatura:
1. Smith T.P.:Myostatin maps to the interval containing the bovine mh locus. Mamm.Genome 8: 742-744, 1997
2. Grobet.L.: A deletion in the bovine myostatin gene causes the double-muscled phenotype in cattle. Nat.Genet.17: 71-74, 1997
3. Floss T.: A role for FGF-6 in skeletal muscle regeneration. Genes.Dev. 11: 2040-2051, 1997
4. Allen S.P.: Myogenic tone attenuates pressure-induced gene expression in isolated small arteries. Hypertension 30: 203-208, 1997
5. Akasaka T.:The role of mel-18, a mammalian Polycomb group gene, during IL-7-dependent proliferation of lymphocyte precursors. Immunity 7: 135-146, 1997
6. Yang H.: Changes in muscle fiber type, muscle mass and IGF-1 gene expresion in rabbit skeletal muscle subjected to stretch. J.Anat. 190: 613-622, 1997
7. McPherron A.C.:Regulation of skeletal muscle mass in mice by a new TGF-beta superfamily member. Nature 387: 83-90, 1997
8. Tsika G.L.: Induction of beta-MHC transgene in overloaded skeletal muscle is not eliminated by mutation of conserved elements. Am.J.Physiol. 271: C690-699, 1996
9. Brownson C.: Alterations in the mRNA levels on two metabolic enzymes in rat skeletal muscle during stretch- induced hypertrophy and disuse atrophy. Pflugers Arch. 431:990-992, 1996
10. Salih M.A.: Muscular dystrophy associated with beta-Dystroglycan deficiency. Ann.Neurol. 40: 925-928,1996
11. Yang.S.: Cloning and characterization of an IGF-1 isoform expressed in skeletal muscle subjected to stretch. J.Muscle Res. Cell Motil. 17: 487-495,1996
12. Carson J.A.: SRF and TEF-1 control of chicken skeletal alpha-actin gene during slow-muscle hypertrophy. Am. J. Physiol. 270: C1624-1633, 1996
13. Engert J.C.: Activation of a muscle-specific enhancer by the Ski proto-oncogene. Nucleic Acids Res. 23: 2988-2994, 1995
14. Leferovitch J.M.: Regulation of c-ski transgene expression in developing and mature mice. J.Neurosci. 15: 596-603, 1995
15. Namciu S.: Enhanced expression of mouse c-ski accompanies terminal skeletal muscle differentiation in vivo and in vitro. Dev. Dyn. 204: 291-300, 1995
16. Sveistrup H.: Chronic enhancement of neuromuscular activity increases acetylcholin gene expression in skeletal muscle. Am. J. Physiol. 269: C856-862, 1995
17. Carson J.A.: Regulation of skeletal alpha-actin promoter in young chickens during hypertrophy caused by stretch overload. Am. J. Physiol. 268: C918-924, 1995
18. Morgan M.J.: The developmental regulation of a novel muscle LIM-protein. Biochem. Biophys. Res. Commun. 212: 840-846, 1995
19. Osbaldeston N.J.: The temporal and cellular expression of c-fos and c-jun in mechanically stimulated rabbit latissimus dorsi muscle. Biochem. J. 308: 465-471, 1995
20. Coleman. M.E.: Myogenic vector expression of IGF-1 stimulates muscle cell differentiation and myofiber hypertrophy in transgenic mice. J. Biol. Chem. 270: 12109-12116, 1995
21. V.Vonka: Základy genové terapie nádorů