Ta en nærmere titt på utøverne som konkurrerer i årets sommer-olympiske leker i London - muskulaturen deres vil fortelle deg mye om hvordan de oppnådde sin elitestatus. Uendelige timer med trening og engasjement for idretten deres spilte en stor rolle i å bygge kroppene som fikk dem til verdens fremste friidrettskonkurranse. Ta en nærmere titt - denne krever mikroskopi - så ser du noe annet, noe innebygd i de genetiske tegningene til disse unge mennene og kvinnene som er like viktig for deres suksess.
I nesten alle tilfeller har disse utøverne realisert det fulle potensialet som legges ut av disse genene. Og det potensialet kan være mye større til å begynne med enn det var for resten av oss dødelige. For eksempel ble genene i cellene som utgjør sprinten Tyson Gays ben kodet med spesielle instruksjoner for å bygge opp masse raske fibermuskler, noe som ga bena hans eksplosiv kraft ut fra startblokkene. Til sammenligning er den maksimale sammentrekningshastigheten til benmuskulaturen til marathoner Shalane Flanagan, som diktert av genene hennes, mye langsommere enn Gay's ennå optimalisert for utholdenheten som kreves for å løpe i timevis av gangen med lite slitsomt. Slik genetisk finjustering hjelper også konkurrenter i basketball, volleyball og synkronisert svømming, selv om virkningen kan være mye mindre fordi effektivt teamarbeid og offisiell funksjon også påvirker suksessen i disse idrettene.
Når pistolen går av for 100 meter sprinten, når svømmerne Michael Phelps og Tyler McGill treffer vannet, når Tom Daley hopper fra sin dykkerplattform, ser vi det fineste som verdens genbasseng har å tilby, selv om forskere fortsatt er prøver å finne ut hvilke gener det er. Dessverre dikterer historien at vi kanskje også ser det beste innen genmanipulering, ettersom noen idrettsutøvere presser på for å oppnå topp ytelse ved hjelp av ulovlige stoffer som blir stadig vanskeligere å oppdage.
Den tynne på muskler
Menneskekroppen produserer to typer skjelettmuskelfibre - sakte rykninger (type 1) og raske rykninger (type 2). De raske rykningene trekker seg sammen mange ganger raskere og med mer kraft enn de som trekker langsomt, men de blir også mer utmattet. Hver av disse muskeltypene kan videre deles inn i underkategorier, avhengig av kontraktil hastighet, kraft og utmattelsesmotstand. Type 2B hurtig rykkefibre har for eksempel en raskere sammentrekningstid enn type 2A.
Muskler kan konverteres fra en underkategori til en annen, men kan ikke konverteres fra en type til en annen. Dette betyr at utholdenhetstrening kan gi type 2B-muskler noen av de utmattingsresistente egenskapene til type 2A-muskler, og at vekttrening kan gi type 2A-muskler noen av styrkeegenskapene til type 2B-muskler. Utholdenhetstrening vil imidlertid ikke konvertere type 2-muskel til type 1 og heller ikke styrketrening konvertere sakte rykke muskler til fort. Utholdenhetsidrettsutøvere har en større andel av langsomme rykninger, mens sprintere og hoppere har mer av raske rykninger.
Akkurat som vi bare kan endre muskelblandingen vår til en viss grad, reguleres også muskelveksten nøye i kroppen. En forskjell mellom muskelsammensetning og størrelse er imidlertid at sistnevnte lettere kan manipuleres. Insulinlignende vekstfaktor 1 (IGF-1) er både et gen og proteinet det uttrykker som spiller en viktig rolle under veksten av barn og stimulerer anabole effekter - som muskelbygging - når disse barna blir voksne. IGF-1 styrer muskelvekst ved hjelp av myostatin-genet (MSTN) -genet, som produserer myostatinproteinet.
For mer enn ti år siden ledet H. Lee Sweeney, en molekylær fysiolog ved University of Pennsylvania, et team av forskere som brukte genetisk manipulasjon for å lage de muskelbundne "Schwarzenegger-musene." Mus som ble injisert med en ekstra kopi av IGF-1- genet, la muskler til og ble hele 30 prosent sterkere. Sweeney konkluderte med at det er veldig sannsynlig at forskjeller i en persons IGF-1- og MSTN-proteinnivå avgjør hans eller hennes evne til å ta på seg muskler når du trener, selv om han innrømmer at dette scenariet ikke har blitt studert mye.
Muskelvekst og utholdenhet med langsom fiber kan på samme måte kontrolleres gjennom genmanipulering. I august 2004 rapporterte et team av forskere som inkluderte Ronald Evans fra Salk Institute for Biologic Study at de forandret et gen som heter PPAR-Delta for å øke aktiviteten hos mus, og hjalp til med å pleie utmattelsesresistente muskler med langsom rykning. Disse såkalte "maratonmusene" kunne løpt dobbelt så langt og nesten dobbelt så lenge som deres umodifiserte kolleger.
Denne demonstrerte evnen til å tulle med enten raske eller sakte rykke muskeltyper gir spørsmålet: Hva ville skje hvis man skulle introdusere gener for å bygge både hurtig- og sakte rykke muskler hos en idrettsutøver? "Vi har snakket om å gjøre det, men har aldri gjort det, " sier Sweeney. "Jeg antar at du vil ende opp med et kompromiss som ville være godt egnet til en sport som sykling, der du trenger en kombinasjon av utholdenhet og kraft." Fortsatt, legger Sweeney til, har det vært liten vitenskapelig grunn (som oversettes til finansiering) til å gjennomføre en slik studie på mus, mye mindre mennesker.
Genmanipulering vil ha sin mest betydningsfulle innvirkning på å behandle sykdommer og fremme helse i stedet for å styrke atletiske evner, selv om idrett absolutt vil dra nytte av denne forskningen. Forskere studerer allerede om genterapi kan hjelpe mennesker som lider av muskelsykdommer som muskeldystrofi. "Mye er lært om hvordan vi kan gjøre musklene sterkere og større og trekke seg sammen med større styrke, " sier Theodore Friedmann, genetiker ved University of California, San Diego, og leder for et rådgivende panel for gentoping for World Anti -Dopingbyrå (WADA). Vitenskapelige studier har introdusert IGF-1-protein til musevev for å forhindre normal muskelnedbrytning under aldring. Et eller annet sted nede i veien kan det arbeides for å oppnå det samme hos mennesker, legger han til. "Hvem ville ikke stå i kø for noe sånt som dette?"
Genterapi har allerede vist seg nyttig i studier som ikke er relatert til muskelbehandling. I desember 2011 rapporterte for eksempel et team av britiske forskere i The New England Journal of Medicine at de var i stand til å behandle seks pasienter med hemofili B - en sykdom der blod ikke kan koagulere ordentlig for å kontrollere blødning - ved å bruke et virus for å levere et gen som gjør dem i stand til å produsere mer av koaguleringsmiddelet, faktor IX.
Harde mål
Til tross for eksperimenter med IGF-1 og MSTN proteinnivåer i musemuskulatur, er det komplisert å identifisere hvilke gener som er direkte ansvarlige for atletisk dyktighet. "Det vi har lært de siste ti årene siden sekvenseringen av det menneskelige genomet, er at det er en pokker med mye mer kompleksitet her enn vi først så for oss, " sier Stephen Roth, University of Maryland førsteamanuensis i treningsfysiologi, aldring og genetikk. "Alle ønsker å vite hva som er generene som bidrar til atletisk ytelse i det store og hele, muskelstyrke eller aerob kapasitet eller noe sånt. Vi har fremdeles ingen harde mål som er anerkjent av det vitenskapelige samfunnet for deres bidrag til atletisk prestasjon."
I 2004 hadde forskere oppdaget mer enn 90 gener eller kromosomalokasjoner de mente var mest ansvarlige for å bestemme atletisk ytelse. I dag har talet steget til 220 gener.
Selv med denne mangelen på sikkerhet, har noen selskaper allerede prøvd å utnytte det som hittil har blitt lært for å markedsføre genetiske tester de hevder kan avsløre et barns atletiske predisposisjoner. Slike selskaper "er på en måte å plukke litt litteratur og sier: 'Åh, disse fire eller fem genvariantene vil fortelle deg noe, '" forklarer Roth. Men bunnlinjen er at jo flere studier vi har gjort, desto mindre sikre er vi på at noen av disse genene er veldig sterke bidragsytere av seg selv. "
Atlas Sports Genetics, LLC, i Boulder, Colo., Begynte å selge en $ 149 test i desember 2008 som selskapet sa kunne screene for varianter av genet ACTN3, som i eliteidrettsutøvere er assosiert med tilstedeværelsen av proteinet alfa-actinin-3 som hjelper kroppen med å produsere muskelfibre som rykker raskt. Muskler i labmus som mangler alfa-aktinin-3 fungerer mer som muskelfiber med langsom rykning og bruker energi mer effektivt, en tilstand som er bedre egnet til utholdenhet enn masse og kraft. "Vanskeligheten er at mer avanserte studier ikke har funnet nøyaktig hvordan tap av alfa-aktinin-3 påvirker muskelfunksjonen hos mennesker, " sier Roth.
ACE, et annet gen studert i forhold til fysisk utholdenhet, har gitt usikre resultater. Forskere hevdet opprinnelig at personer med en variant av ACE ville være bedre i utholdenhetsidretter og de med en annen variant ville være bedre egnet til styrke og kraft, men funnene har vært entydige. Så selv om ACE og ACTN3 er de mest anerkjente genene når det gjelder friidrett, er heller ingen av de klart forutsigbare resultatene. Den overveiende ideen for 10 eller 15 år siden at det kan være to, tre eller fire virkelig sterke bidragende gener til et bestemt trekk som muskelstyrke "er i ferd med å falle fra hverandre, " sier Roth. "Vi har innsett, og det er bare blitt utarbeidet de siste årene, at det ikke er i størrelsesorden 10 eller 20 gener, men snarere hundrevis av gener, hver med veldig små variasjoner og et enormt antall mulige kombinasjoner av de mange, mange gener som kan resultere i en predisposisjon for dyktighet.
"Ingenting om vitenskapen endret seg, " legger han til. "Vi gjorde en gjetning tidlig på at det viste seg å ikke stemme i de fleste tilfeller - det er vitenskap."
Gendoping
WADA henvendte seg til Friedmann for å få hjelp etter sommer-OL i Sydney i 2000 etter at ryktene begynte å fly om at noen av utøverne der hadde blitt genmodifisert. Ingenting ble funnet, men trusselen virket reell. Tjenestemenn var godt klar over en nylig genterapiforsøk ved University of Pennsylvania som hadde resultert i død av en pasient.
"I medisin aksepteres slike risikoer av pasienter og av yrket at det utføres fare for å helbrede og forhindre smerte og lidelse, " sier Friedmann. "Hvis de samme verktøyene når de ble brukt til en sunn ung atlet skulle gå galt, ville det være langt mindre etisk trøst for å ha gjort det. Og man vil ikke være i midten av et samfunn som blindt godtar å kaste [ erythropoietin ( EPO) )] gener i idrettsutøvere, slik at de kan ha forbedret utholdenhetsprestasjoner. " EPO har vært et yndet mål for mennesker som er interessert i å manipulere blodproduksjon hos pasienter med kreft eller kronisk nyresykdom. Det har også blitt brukt og misbrukt av profesjonelle syklister og andre idrettsutøvere som ønsker å forbedre utholdenheten.
Et annet opplegg har vært å injisere en atletes muskler med et gen som undertrykker myostatin, et protein som hemmer muskelvekst. Med det sier Sweeney, "du er i gang som en gendoper. Jeg vet ikke om noen gjør det, men jeg tror at hvis noen med vitenskapelig trening leser litteraturen, kan de kanskje finne ut hvordan de skal lykkes på dette tidspunktet, "selv om testing av myostatin-hemmere som ble injisert direkte i spesifikke muskler ikke har kommet lenger enn dyr.
Myostatin-hemmere så vel som EPO- og IGF-1- gener har vært tidlige kandidater for genbasert doping, men de er ikke de eneste, sier Friedmann. Det vaskulære endoteliale vekstfaktorgenet ( VEGF ) instruerer kroppen til å danne signalproteiner som hjelper den med å øke blodstrømmen ved å spire nye blodkar i muskelen. Disse proteinene er blitt brukt til å behandle makuladegenerasjon og for å gjenopprette oksygentilførselen til vev når blodsirkulasjonen er utilstrekkelig. Andre fristende gener kan være de som påvirker smerteoppfatningen, regulerer glukosenivået, påvirker tilpasning av skjelettmuskulaturen til trening og hjelper til respirasjon.
Spill ved OL 2012
Genmanipulering er et stort jokertegn ved OL i år, sier Roth. "Folk har spådd de siste flere OL om at det vil være gendoping ved neste OL, men det har aldri vært solide bevis." Genterapi blir ofte studert i medisinsk sammenheng, og det svikter mye av tiden, konstaterer han. "Selv om en genterapi er kjent for å være solid når det gjelder å behandle en sykdom, når du kaster den inn i sammenheng med atletisk prestasjon, har du å gjøre med det ukjente."
Tilstedeværelsen av gendoping er vanskelig å oppdage med sikkerhet. De fleste testene som kan lykkes krever vevsprøver fra idrettsutøvere under mistanke. "Vi snakker om en muskelbiopsi, og det er ikke mange idrettsutøvere som vil være villige til å gi vevsprøver når de gjør seg klare til å konkurrere, " sier Roth. Genmanipulasjon vil sannsynligvis ikke dukke opp i blodstrømmen, urin eller spytt, så de relativt ikke-påtrengende testene av disse væskene vil sannsynligvis ikke bestemme mye.
Som svar har WADA tatt i bruk en ny testtilnærming kalt Athlete Biologisk Passport (ABP), som skal brukes ved OL i London. Flere internasjonale sportslige myndigheter som International Cycling Union har også begynt å bruke den. Nøkkelen til ABPs suksess er at i stedet for å se ad hoc etter et spesifikt middel - som EPO - overvåker programmet en utøveres kropp over tid for plutselige forandringer, for eksempel et hopp opp i antall røde blodlegemer.
En annen måte å oppdage tilstedeværelsen av gendoping er å gjenkjenne hvordan kroppen reagerer på et fremmed gen - særlig forsvarsmekanismer den kan distribuere. "Effekten av et hvilket som helst medikament eller fremmed gen vil bli komplisert av en organisme som prøver å forhindre skade fra denne manipulasjonen, " sier Friedmann - snarere enn fra tiltenkte endringer indusert av EPO, for eksempel.
De olympiske lekene gjør det klart at alle idrettsutøvere ikke er skapt like, men at hardt arbeid og engasjement kan gi en utøver minst en seier utenfra selv om konkurrenter kommer fra den dypere enden av genpoolen. "Eliteprestasjoner er nødvendigvis en kombinasjon av genetisk basert talent og trening som utnytter disse gavene, " sier Roth. "Hvis du kunne utjevne alle miljøfaktorer, ville personen med fysisk eller psykisk fordel vinne konkurransen. Heldigvis kommer disse miljøfaktorene inn i spillet, noe som gir sporten usikkerheten og magien som tilskuere krever."
