서 론
1990년대 후반부터 발표된 Bouchard et al. [
1,
2]의 연구에 의하면 스포츠수행력과 관련하여 엘리트 선수의 스포츠수행력의 약 50%가 유전적 요인에 의해 영향을 받는다는 것이며, 최근 대규모 쌍둥이 Genome-wide linkage scan 연구[
3]에 의하면 엘리트 선수의 유전적 영향이 약 66%에 해당된다고 제안되었다. 더욱이, Bouchard et al. [
1], Fox et al. [
4], Lortie et al. [
5]에 의하면, 훈련에 대한 개인의 적응능력은 매우 큰 차이를 보이며, 이는 개인의 유전적 요인의 차이에서 비롯된다고 제안되었다. 예를 들면, 유산소성 지구력을 평가하는 주요 지표로 사용되는 최대산소섭취량(VO2max)의 경우 유전적 요인이 약 50%를 차지하며[
1,
2], 동일한 훈련자극에 대한 개인의 반응 역시 매우 큰 차이를 보인다는 점이다(5-88% 향상됨). 즉, 동일한 훈련자극에 대하여 어떤 사람의 경우는 5%의 매우 낮은 향상을 보이는 반면 어떤 사람은 88%의 급격한 향상을 보인다는 것이며[
5], 이러한 개인의 훈련 적응력 또는 향상도의 차이는 유전적 요인의 차이에서 기인하는 것으로 보여진다.
유전학 연구의 핵심 분야는 유전적 표현형(heritable phenotype; 유전자의 작용과 환경에 의해 외부로 나타나는 성질)과 DNA 염기서열변이(sequence variation)의 관련성이다. 즉, 유전적 표현형은 스포츠경기력을 좌우하는 최대산소섭취량(VO2max), 근력, 순발력, 민첩성 등 뿐만 아니라 개인의 체지방률, 신장 등을 의미하며, DNA 염기서열변이는 흔히 말하는 유전자형(genotype)을 의미한다. 따라서 스포츠수행력과 관련이 있는 인간의 DNA 염기서열변이를 찾아낸다면 “운동선수 유전자형(athletic genotype)”을 밝힐 수 있을 것이다.
현재까지 밝혀진 인간의 유전자 수는 약 20,500개로 알려져 있으며[
6], 가장 일반적인 DNA 염기서열변이는 단일염기다형성(single nucleotide polymorphism, SNP)으로 대략 300 base pair마다 하나씩 나타난다. 인간의 경우, DNA는 22의 상염색체(autosomes)와 2개의 성염색체 (sex chromosome)에 배열되어 있으며, 각각의 길이는 최소 3천4백만 개 (21번 염색체)에서 최대 2억 6천3백만(1번 염색체) 염기쌍(base pair)으로 총 31억 9천5백5십 개의 염기쌍(base pair, bp)에 이르며[
7], 인간이 가지고 있는 총 SNP의 수는 1천만여 개(32억/300 bp)에 이른다[
6].
그러나 모든 인간은 염기서열의 99.9%가 똑같은 것으로 나타났으며, 이러한 0.1% SNP(천만여 개×0.1%=10만 개 SNP)의 개인차 때문에 인간은 생물학적으로(질환의 감수성, 외모 등) 조금씩 서로 다르며, 스포츠수행력에 대한 개인차도 마찬가지 원리로 설명될 수 있다.
최근 스포츠수행력 및 건강관련 체력과 관련하여 약 239개의 유전자가 제안되고 있지만[
7], 지금까지 제안된 스포츠수행력 및 건강관련 체력과 관련이 있다고 제안된 유전자들을 우리나라의 스포츠영재발굴에 직접적으로 사용하거나 인간의 모든 SNP를 하나씩 분석한다는 것은 엄청난 시간과 경비가 소요되므로 현실적으로 매우 어려운 실정이다. 특히, 스포츠수행력이 단순히 하나의 유전자의 기능으로 결정되기보다는 다유전자의 영향으로 나타나는 표현형으로, 이러한 유전자의 고유기능이 동일 염색체 내(haplotype) 또는 다른 염색체에서 기능이 유사한 다른 유전자형 또는 기능이 상반되는 다른 유전자와의 조합(combination)에 따라 강화되거나 억제될 수 있으며, 이러한 유전자간의 조합이 인종 간(흑인, 백인, 황색인 등) 또는 지역 간(아시아, 유럽, 아프리카 등)에 존재하기 때문이다. 현재 microarray 기술을 이용하여 약 90-100만 개의 SNP를 한 번에 분석할 수 있고[
8], 이 기술에 대한 신뢰도와 타당도는 이미 다양한 인종들을 대상으로 한 여러 SNP 연구들에 의해서 입증되었으며, Genome-Wide Human SNP Array를 이용하여 세계적 수준의 우리나라 엘리트 운동선수들(올림픽 참가자/세계선수권대회 메달리스트)의 SNP를 분석한다면 “한국인”만이 가지고 있는 공통적인 유전자형을 밝힐 수 있을 것으로 여겨진다. 따라서 본 연구의 목적은 Genome Wide Association Human SNP Array 6.0을 이용하여 세계적 수준의 우리나라 엘리트 운동선수들의 운동능력별(최대근력 vs. 지구력) SNP를 분석하여, “한국인”만이 가지고 있는 최대근력과 지구력 운동능력별 유전자형을 도출하는 것이며, 이를 통해 “한국형 엘리트선수의 유전자형”을 찾아낼 수 있다면 향후 “체육인재 발굴, 육성”뿐만 아니라 국제 스포츠경쟁력에 크게 이바지할 수 있으리라 기대된다.
논 의
본 연구는 심폐지구력을 대표하는 마라톤 종목 최고의 우수 선수들(2시간 12분 이내의 기록 보유자)과 일반인, 그리고 근력(최대근력)을 대표하는 역도 종목 최고의 우수 선수들(올림픽 및 세계선수권 메달리스트)과 일반인들의 Genome wide association 연구를 통해 심폐지구력 및 최대근력을 대변할 수 있는 SNPs 도출하였다.
심폐지구력 관련 SNPs는 총 78개였으나, 100 Kb 이내에 2개 이상의 SNPs를 갖는 구간에 있는 60개의 SNPs에 대해서만
Table 3에 제시하였다. 심폐지구력 관련 SNPs는 총 15개 구간(100 Kb 거리 이내에 2개 이상의 SNPs를 갖는 구간)에 존재했으며, 상염색체(Autosome) 1번, 2번, 3번, 7번, 8번, 9번, 10번, 11번, 21번에 존재하는 것으로 나타났다. 이들은 모두 높은 연관비평형(linkage disequilibrium, LD)을 나타내었는데, 이는 이들 SNPs가 염색체 재조합(recombination)이 일어날 때 함께 움직이는(유전되는) 성향을 가지고 있다는 것을 의미한다. 즉, 유전학적인 측면에서 볼 때 심폐지구력이 탁월하게 높은 사람들에게만 특이적으로 이러한 SNPs가 하나의 블록(군집)으로 나타난다는 것으로 해석할 수 있다. 따라서 이러한 SNPs 특히, 심폐지구력의 경우, 60개의 SNPs가 운동 특성을 대변하는 유력한 SNPs일 수 있으며, 이러한 결과는 매우 의미 있는 발견이라 할 수 있다.
최대근력과 관련된 SNPs는 총 45개였으나, 100 Kb 이내에 2개 이상의 SNPs를 갖는 구간에 있는 18개의 SNPs에 대해서만
Table 4에 제시하였다. 최대근력과 관련된 SNPs는 총 7개 구간(100 Kb에 2개 이상의 SNPs를 갖는 구간)에 존재했으며, 상염색체(Autosome) 2번, 7번, 10번, 16번, 18번, 20번에 존재하는 것으로 나타났다. 이들은 모두 높은 연관비평형(LD)을 나타내었는데, 이는 이들 SNPs가 염색체 재조합(recombination)이 일어날 때 함께 움직이는(유전되는) 성향을 가지고 있다는 것을 의미한다. 유전학적인 측면에서 볼 때 최대근력이 우수한 대상자들에게서 특이적으로 이러한 SNPs가 하나의 블록(군집)으로 형성된다는 것으로 해석할 수 있으며, 이러한 최대근력 관련 18개의 SNPs가 최대근력 관련 운동 특성을 대변하는 유력한 SNPs일 수 있는 것이다.
GWAS를 통하여 p-value<.0001을 기준으로 선정된 심폐지구력 관련 SNP는 총 78개였으며, 이들 중 31개가 인트론(intron)에 위치하고 있고, 2개는 엑손(exon)에, 나머지 45개는 상단(upstream) 또는 하단(downstream)에 위치하고 있었다.
인트론의 대부분 서열들은 기능이 없는 DNA라고 여겼지만, 짧은 염기서열의 반복은 효과적인 mRNA절단에 영향을 미친다는 것이 밝혀지면서 전사과정(transcription)에서 스플라이오솜(spliceosome)을 안정화시키며 단백질과 결합하는 부위로 작용하는 것으로 알려져 있다. 한편, 엑손은 최종 단백질을 만들어내는 서열들을 포함하고 있는 부분이며, 유전자의 상단과 하단은 전사과정과 번역과정(translation)을 조절하는 기능을 가지고 있으므로 이 영역에 위치한 SNP는 중요한 생물학적 기능을 가지고 있을 가능성이 매우 높은 것이다. GWAS를 통하여 p-value<.0001을 기준으로 선정된 심폐지구력 관련 78개의 SNP 중 생물학적 기능이 밝혀져 있는 유전자에 위치한 SNP는 55개이다. 본 연구를 통해 밝혀진 심폐지구력 관련 SNPs 중 심폐지구력에 직접적인 영향을 줄 수 있는 생물학적 기능을 가지고 있는 대표적인 SNPs는 다음과 같다.
SNP rsx82042x가 위치한 CACNA1S (calcium channel, voltage-de-pendent, L type, alpha 1S subunit)는 심장근육 조직에서 L-형 변압가변칼슘채널(L-type voltage-dependent calcium channel)을 인코딩(encoding)한다. 세포막 탈분극에 따른 L-형 변압가변칼슘채널의 활성은 심근세포 내 Ca2+의 유입을 일으키고, 이는 근소포체의 Ca2+ 방출을 유발한다. 방출된 Ca2+는 수축성 단백질이 트로포닌 C와 결합하도록 유도하여 심근섬유의 수축이 일어나게 된다[
9].
SNP rsx8xxx4x와 rsxxxx4x42가 위치한 CACNA2D1 (calcium channel, voltage-dependent, alpha 2/delta subunit 1)은 L-형 변압가변칼슘채널(L-type voltage-dependent calcium channel)의 알파-2/델타 subunit을 암호화(encoding) 한다. 심장근육세포는 6종류의 아드레날린 수용체를 분출하는데, 3종류의 베타 수용체(베타-1, 베타-2, 베타-3)와 3 종류의 알파 수용체(알파-1A, 알파-1B, 알파-1C)가 있으며, 인간에게는 베타-1 수용체가 지배적인데, 아드레날린에 의한 지속적인 베타-1 수용체에 대한 자극은 G 단백질 결합, cAMP 생성, 그리고 L-형 변압가변칼슘채널의 PKA 인산화에 의해서 심장 수축을 증가시키게 된다[
10].
SNP rsx82042x가 위치한 CACNA1S와 SNP rsx8xxx4x와 rsxxxx4x42가 위치한 CACNA2D1은 심장근육조직에서 L-형 변압가변칼슘채널을 인코딩하고, 심근세포 내 Ca2+의 유입을 조절한다. 운동으로 인한 자울신경계의 활성화와 심근섬유의 Ca2+ 민감도 증가는 심근의 수축력을 증가시키고, 결과적으로 좌심실의 비대를 초래하게 된다[
9,
10].
SNP rsxxxx82x6가 위치한 fms-related tyrosine kinase 4 (FLT4)는 혈관내피세포 성장인자 수용체(vascular endothelial growth factor recep-tor, VEGFR)를 인코딩(encoding) 한다. 혈관내피세포 성장인자(vascular endothelial growth factor) VEGF는 혈관내피세포(endothelial cell)의 세포 분화를 촉진시켜 혈관 형성과 신생을 유발하며, VEGF는 혈관내피세포에 위치한 3개의 수용체(VEGFR-1/Flt-1, VEGFR-2/KDR/Flk-1, VEGFR-3/Flt-4)와 결합하여 활성화된다. 활성화된 VEGFR-3/FLT4는 인산화된 후 STAT3와 STAT5뿐만 아니라 Src, PLC-g, MAPK 등 일련의 세포신호전달 과정을 활성화시켜 혈관 생성을 유발하게 된다[
11]. SNP rsxx2xx04가 위치한 MMP2 (matrix metallopeptidase 2)는 (MMP) 단백질 그룹 중 하나이다. MMP는 세포 외 단백질 분해효소(extracel-lular endopeptidases)로서 정상적인 생리적 상태에서 선택적으로 세포 외 기질의 분해에 관여하는데, 기저막의 주요 구조 물질인 type IV 콜라겐을 분해함으로써 혈관생성 조절에 매우 중요한 역할을 담당한다[
12].
SNP rs28xxxxx가 위치한 PDE9A (phosphodiesterase 9A)는 phosphodiesterase (PDE) 단백질 그룹 중 하나이다. PDE는 이차전령물질(sec-ond messenger)인 cGMP가 GMP로 가수분해 되는 반응을 촉진시키는 효소로서, 세포 내 신호전달 조절에 매우 중요한 역할을 담당한다. PDE9이 강력한 혈관 이완 인자로 알려진 일산화질소(nitric oxide)의 신호전달 과정에서 cGMP를 GMP로 가수분해 시킴으로써 cGMP의 활성을 감소시켜 혈관 이완을 조절하는 기전을 나타낸다. PDE가 심장세포에서 cGMP의 활성을 저해함으로써 Protein Kinase G (PKG)를 감소시켜 결과적으로 심근의 수축을 감소되는 기전을 보이게 된다[
13].
SNP rsx68x842x가 위치한 FBXO32 (F-box protein 32)는 forkhead box O (FOXO) 단백질 그룹 중 하나이다. FOXO 단백질은 전사인자 (transcription factor)로서 세포 자멸(apoptosis), 세포 주기 조절 (cell-cy-cle control), 당 대사(glucose metabolism), 산화스트레스 저항(oxidative stress resistance), 근 위축(muscle atrophy) 등에 관여하는 유전자들의 발현을 조절한다. FOXO 단백질은 serine-threonine kinase Akt/protein kinase B (Akt/PKB)와 phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)의 인산화에 의해서 조절된다[
14].
GWAS를 통하여 p-value<.0001을 기준으로 선정된 최대근력 관련 45개의 SNP 중 생물학적 기능이 밝혀져 있는 유전자에 위치한 SNP은 41개이며, 이들 중 23개가 인트론(intron)에 위치하고 있고, 3개는 엑손(exon)에, 나머지 19개는 상단(upstream) 또는 하단(downstream)에 위치하고 있었다.
앞서 언급한 바와 같이 인트론 역시 mRNA절단뿐만 아니라 전사과정(transcription)에서의 스플라이오솜(spliceosome)의 안정화 그리고 단백질과 결합하는 부위로 작용하는 것으로 알려져 있고, 엑손은 최종 단백질을 만들어내는 서열들을 포함하고 있는 부분이며, 유전자의 상단과 하단은 전사과정과 번역과정(translation)을 조절하는 기능을 가지고 있으므로 이 영역에 위치한 SNP는 중요한 생물학적 기능을 가지고 있을 가능성이 매우 높은 것이다. 본 연구를 통해 밝혀진 최대근력 관련 SNPs 중 최대근력에 직접적인 영향을 줄 수 있는 생물학적 기능을 가지고 있는 대표적인 SNPs는 다음과 같다.
세포의 성장 및 분화, 대사작용, 생식, 노화와 같은 기본적인 생리현상들은 세포들 간의 유기적인 정보 교환에 의해 조절되고 유지되며, 이는 외부인자(신경전달물질, 호르몬, 성장인자 등)에 의한 신호가 세포막에 존재하는 특이적인 수용체에 의해 세포 내로 전달되고 증폭됨으로써 이루어진다. 따라서, 세포들 간의 유기적인 신호전달은 근육 생성, 신경계 발달, 혈관 생성, 신진대사 조절 등에 관여하므로 최대근력에 직접적인 영향을 줄 수 있는 것이다. 신호전달 수용체는 채널과 연계된 수용체(이온채널 수용체), 효소활성과 연계된 수용체(예: 단백질 키나아제), G-단백질과 연계된 수용체와 같이 세포막에 존재하는 수용체가 있고, 세포막을 통과하기 어려운 물질을 운반하는 운반체(예: 단백질 운반체)가 있다. 수용체에 의해 세포 내로 전달된 신호는 주로 이차전령(예: cGMP, cAMP), 신호전달 단백질, 조절 단백질 간의 일련의 화학 반응(예: 인산화)을 통해서 목표 물질(예: 핵, DNA)까지 전달되는 것이다.
최대근력 관련 SNP 중 15개 SNP (rsx868x0x, rs26x0xx8, rs4x8xxxx, rsxxxx82x6, rs42x66xx, rsxxx6x6xx, rsxxxx04xx, rsx6x24xx6, rs2240xx, rsx08x8x6x, rsxxxxxxx0, rsx08868x2, rsxx6x64x, rsx826644, rs6xxxxx4)가 신호전달 과정과 관련이 있는 유전자(THRB, LPHN3, TMEM167A, FLT4, SLC13A4, DPP6, DMRT1, SLC24A2, GPR144, PSMB7, FGFR2, ABAT, DLGAP1, SNX5)에 위치하고 있다. SNP rsx868x0x가 위치한 THRB는 갑상선 호르몬(thyroid hormone)의 신호전달경로에 관여할 뿐만 아니라 세포 간 소통, 세포 주기 조절, 성장 조절, 근 수축, 탄수화물 및 지질의 신진대사 등 다양한 생물학적 기능에 관여하게 된다[
15].
근육 세포(myocyte)는 근섬유로 이루어져 있으며, 이는 트로포미오신, 트로포닌 등과 같은 단백질을 함유하고 있는 액틴과 미오신으로 이루어져 있다. 섬유아세포(fibroblast)는 섬유 모세포 등으로 이루어진 증식력이 강한 어린 결합 조직으로 세포 외 기질과 콜라겐을 생성하여 근육 조직의 구조적 골조를 형성한다. 신경근접합부(neuromuscular junction)는 운동신경종말과 근섬유를 연결하는 부위로 축삭세포막과 근세포막은 시냅스를 이루고 있으며, 아세틸콜린과 같은 자극전달물질에 의해 전기적 자극이 시냅스전막을 통해 근세포막에 전달되면 근섬유는 수축하게 되고 이때 근력이 발생하게 된다. 최대근력 관련 SNP 중 18개 SNP (rs2x628x6, rs6xx2x0x, rsxx04xx00, rsx0x8xx2x, rsxx04xx06, rsx04x4x2x, rsx02x4xxx, rsx826xx8, rsx006xxx, rsx0x0xxx0, rsx0x4044x, rsxx0x0xx, rsxxxxxxx0, rsx08868x2, rsxxx8xxx, rsx0x6xxxx, rsxxx82xx, rs6x06xxx)는 근육 조직의 형성 및 발달 과정과 관련이 있는 유전자 (PADI6, MYCN, HS6ST1, COBL, KCNU1, ZNF703, VLDLR, SMAR-CA2, ADK, FGFR2, CDH11, PTPRM)에 위치하고 있다. SNP rsxxx8xxx 와 rsx0x6xxxx가 위치한 CDH11은 액틴 Rho family 신호전달 경로 재생, 근세포 형성, 세포 분화 등을 조절하는 Rho 그룹의 신호전달에 관여한다[
16].
신경 세포(neuron)는 핵이 있는 신경세포체와 다른 세포에서 신호를 받는 수상돌기, 그리고 다른 세포에 신호를 주는 축삭돌기로 이루어져 있고 돌기 사이에 신호를 전달하는 부분이 시냅스이며 그 역할에 따라 감각뉴런, 연합뉴런, 운동뉴런의 세 종류가 있다. 운동뉴런은 근섬유와 시냅스를 이루어 신경근접합부(neuromuscular junction)를 형성함으로써 근 수축을 유발하게 된다. 최대근력 관련 SNP 중 18개 SNP (rsxx04xx00, rsx0x8xx2x, rsxx04xx06, rsx04x4x2x, rsx868x0x, rs26x0xx8, rsx88xx2x, rs4xx4x26, rsx08x8x6x, rsxxxxxxx0, rsx08868x2, rsxx2xx6x, rs6x00xxx, rsxx6x64x, rsx826644, rs60xx8xx, rs60xx844, rs60xxxxx)가 신경 조직의 형성 및 발달 과정과 관련이 있는 유전자 (HS6ST1, THRB, LPHN3, CNTNAP2, NTRK2, GPR144, PSMB7, FGFR2, COL4A2, RBFOX1, ABAT, DLGAP1, ATRN)에 위치하고 있다. SNP rs4xx4x26가 위치한 NTRK2는 tropomyosin-related kinase (TRK) family 중 하나로 nerve growth factor (NGF), brain-derived neurotroph-ic factor (BDNF), neurotrophin-3 (NT-3), neurotrophin-4 (NT-4) 등과 결합하여 Ras/Raf/MEK/ERK 경로와 PI3K/AKT 경로를 활성화시키는 신호를 전달함으로써 신경세포의 분화를 촉진하고 중추와 말초신경계의 신경세포 기능을 향상시키게 된다[
17].
생체의 모든 세포는 생명활동을 위해 당질, 지질, 단백질을 외부로부터 섭취하여 내부에 축적하고 생체 내에 화학반응에 이용할 수 있는 형태로 동화 또는 이화하는 과정을 필요로 한다. 특히, 근 수축 시 최대 근력을 유발하기 위해서는 이러한 일련의 과정이 매우 유기적이고 효과적으로 일어나야한다. 최대근력 관련 SNP 중 15개 SNP (rsxx04xx00, rsx0x8xx2x, rsxx04xx06, rsx04x4x2x, rsx2xx4x4x, rsx868x0x, rsx0xxx4, rsx006xxx, SMARCA2, rsx08x8x6x, rsx0x0xxx0, rsx0x4044x, rsxx0x0xx, rsxxx82xx, rs6x06xxx)는 신진대사에 관련된 유전자(HS6ST1, VENTXP7, THRB, DENND3, VLDLR, SMARCA2, GPR144, PSMB7, ADK, PTPRM)에 위치하고 있다. SNP rsxx04xx00, rsx0x8xx2x, rsxx04xx06, rsx04x4x2x 가 위치한 HS6ST1이 탄수화물 신진대사와 관련해서 여러 유전자, 단백질, 효소들과 복잡하게 연결되어있다. 이러한 네트워크 현상으로 섭취한 당질로부터 생합성을 위해 에너지와 탄소를 추출해내는 과정, 체내에 글리코겐 형태로 당을 잠시 저장하는 과정, 그리고 좀 더 긴 시간 동안 피루브산으로부터 당을 합성하는 과정을 가능하게 해주는 것이다[
18].
최대근력 관련 SNP 중 8개 SNP (rsxx04xx00, rsx0x8xx2x, rsxx04xx06, rsx04x4x2x, rsxxxx82x6, rsx826xx8, rsxxxxxxx0, rsx08868x2)는 혈관 생성, 사지(팔, 다리) 형성 및 성장에 관련된 유전자(HS6ST1, FLT4, KCNU1, ZNF70, FGFR2)에 위치하고 있다. SNP rsxxxx82x6가 위치한 FLT4는 혈관내피성장인자(VEGF)의 수용체 역할을 담당하며, 인체 내에서 혈관생성을 위한 주요한 역할을 담당하고 있으며, FLT4 신호전달은 CASP1 (caspase 1) 의존성 인플라마좀 활성화를 억제하면서도 박테리아 제거를 위한 MAP1LC3/LC3 활성화를 높여주는 역할을 담당한다[
19].