奧林匹克格言、細胞記憶與興奮劑的表觀遺傳效應

類固醇等增強體能的物質在運動員停止使用後仍可能產生影響

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更快、更高、更強。現代奧林匹克格言由皮埃爾·德·顧拜旦在 1894 年國際奧林匹克委員會成立時提出。它旨在捕捉體育競賽的精髓,但也向許多人發出訊號,他們試圖透過使用“興奮劑”形式的外部增強手段來超越人類的生物學極限。體育運動中使用興奮劑的一個非常著名的例子是使用雄激素類固醇。然而,力量訓練圈子之外的人們不一定知道的是,像類固醇這樣的物質在運動員停止使用後仍可能產生影響。

即使不使用類固醇,一個經過大量訓練然後停止訓練的人,也會比一個從未訓練過的人更快地恢復肌肉質量和力量。人們認為這歸因於神經系統的快速變化,影響了肌肉的協調和啟用,這可能反過來與科學家所謂的表觀遺傳學有關。”


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十年前人類基因組首次測序時,人們感到非常興奮,但最近的熱門話題——以及對興奮劑、停賽和可能重返賽場具有重大影響的話題——是表觀基因組。表觀基因組決定了哪些基因實際被哪種細胞啟用和表達,以及何時啟用和表達。如果說基因組包含著你遺傳潛力的本質,那麼表觀遺傳學就是你更快、更高、更強的潛力被提出並利用的方式。基因組就像一本充滿單詞的詞典,其中大多數單詞不會一次性全部使用——有些單詞甚至永遠不會使用。表觀遺傳學是將這些單詞提取出來,並在你需要進行的對話中將它們有效地應用到句子中的過程。表觀遺傳學本質上彌合了先天和後天之間的差距。

更具體地說,它描述了基因表達是如何被調節的,以及在一個生物體中哪些基因被表達。這不會改變基因中實際的核苷酸序列——構成基因的基石。你在生活中發生的表觀遺傳變化會影響你產生的下一代細胞。

雖然你身體的每個細胞都攜帶著你的基因組,但你的表觀基因組有許多型別,具體取決於細胞和組織型別。表觀遺傳學的關鍵之處在於它會影響基因表達,在發育過程中發生變化(當幹細胞分化成它們將要變成的細胞時),以及在疾病狀態下發生變化。

在所有疾病中,癌症與表觀遺傳變化的聯絡最為明確。例如,一個當被啟用時會產生肺癌的基因可能只在存在環境線索(如香菸煙霧)時才會被表達和啟用。但生物學通常沒有那麼簡單:將疾病直接與 DNA 變化聯絡起來很困難。這主要是因為導致疾病的變化通常發生在 DNA 中編碼蛋白質且我們更瞭解的部分之外。

挪威的生物學家 Ingrid Egner 和她的同事們就是在這個時候進入這個故事的。他們對訓練對肌肉生長的影響感興趣。與大多數其他細胞型別不同,肌肉纖維具有多個細胞核。在力量訓練期間,肌肉質量增加,每個細胞中的細胞核數量也會增加。該團隊想知道這種“細胞記憶機制”是否會受到類固醇的影響。他們給小鼠服用了一種睪酮衍生物 14 天,這導致細胞核增加了約 66%,肌肉纖維的尺寸增加了 77%。停止服用睪酮三週後,肌肉纖維的尺寸恢復到從未訓練或服用過藥物的動物的水平。

實驗的這一部分是為了引起肌肉纖維細胞核內的“記憶”發生變化。雖然纖維的尺寸會波動,但細胞核的數量在停止服用睪酮後三個月內仍然保持升高。這是否意味著肌肉纖維會對訓練做出不同的反應?也就是說,由於細胞核數量較多,它們會像“正常”肌肉還是增強肌肉一樣做出反應?

在實驗的下一部分中,兩組動物(之前接觸過睪酮衍生物的動物和沒有接觸過的“對照”動物)進行了六天的力量訓練。對照組小鼠在這段時間後肌肉纖維尺寸沒有明顯增加,而相比之下,接觸過睪酮的小鼠肌肉纖維尺寸增加了 31%。

之前未經訓練的肌肉纖維會在增大之前從啟用的衛星(幹)細胞中募集細胞核。細胞核是驅動肌肉細胞產生更多蛋白質以使其更大更強的指揮中心,而且似乎這種更多的細胞核數量會被保留和保護下來。當給予像力量訓練這樣的運動壓力時,具有更多細胞核的肌肉纖維會生長得更快。這種先前力量的“記憶”顯然可以穩定長達 15 年,並且可能是永久性的。

在體育運動中使用興奮劑的相關性是,即使是短暫的合成代謝類固醇使用也可能導致持久的效能增強,這種增強在停止使用後多年仍然持續。這幾乎就像“用進廢退”的格言已經改為“取決於你使用的東西,你可能永遠不會真正失去它”。我們不確定這與其他的增強體能的藥物有何關係。但是,如果一名運動員服用某種東西來快速增強她的能力,然後停止服用,她可能永遠擁有快速重新訓練的增強能力。

在沒有競爭規則的現實生活中,這是生理可塑性的一個很好的例子。在體育運動中,這是一個很好的例子,說明如何以規避比賽規則的方式來實現更快、更高、更強的目標。

E. Paul Zehr is professor of neuroscience and kinesiology at the University of Victoria in British Columbia. His research focuses on the neural control of arm and leg movement during gait and recovery of walking after neurotrauma. His recent pop-sci books include "Becoming Batman: The Possibility of a Superhero (2008)", "Inventing Iron Man: The Possibility of a Human Machine (2011)", "Project Superhero (2014)", and "Chasing Captain America: How Advances in Science, Engineering and Biotechnology Will Produce a Superhuman (2018)". In 2012 he won the University of Victoria Craigdarroch Research Communications Award for Knowledge Mobilization and in 2015 the Science Educator Award from the Society for Neuroscience. Project Superhero won the 2015 Silver Medal for teen fiction from the Independent Book Sellers of North America. Paul is also a regular speaker at San Diego International Comic-Con, New York Comic-Con, and Wonder Con. He has a popular neuroscience blog "Black Belt Brain" at Psychology Today.

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