Schauen Sie sich die Athleten an, die an den diesjährigen Olympischen Sommerspielen in London teilnehmen. Ihre Muskulatur sagt Ihnen viel darüber aus, wie sie ihren Elite-Status erreicht haben. Unendliche Stunden des Trainings und Engagements für ihren Sport spielten eine große Rolle beim Aufbau der Körper, die sie zum weltbesten Sportwettkampf brachten. Wenn Sie noch genauer hinschauen - dies erfordert Mikroskopie -, sehen Sie etwas anderes, etwas, das in die genetischen Pläne dieser jungen Männer und Frauen eingebettet ist und genauso wichtig für ihren Erfolg ist.
In fast allen Fällen haben diese Athleten das gesamte Potenzial dieser Gene ausgeschöpft. Und dieses Potenzial mag anfangs viel größer sein als für den Rest von uns Sterblichen. Zum Beispiel wurden die Gene in den Zellen, aus denen die Beine des Sprinters Tyson Gay bestehen, mit speziellen Anweisungen kodiert, um viele Muskeln mit schnellen Fasern aufzubauen, die seinen Beinen eine explosive Kraft aus den Startblöcken verleihen. Im Vergleich dazu ist die maximale Kontraktionsgeschwindigkeit der Beinmuskeln der Marathonläuferin Shalane Flanagan, wie sie von ihren Genen vorgegeben wird, viel langsamer als die von Gay, jedoch optimiert für die Ausdauer, die für stundenlanges Laufen bei geringer Ermüdung erforderlich ist. Eine solche genetische Feinabstimmung hilft auch den Wettbewerbern im Basketball, Volleyball und Synchronschwimmen, obwohl die Auswirkungen möglicherweise geringer sind, da eine effektive Teamarbeit und ein wirksames Amt auch den Erfolg in diesen Sportarten beeinflussen.
Wenn die Waffe für den 100-Meter-Sprint losgeht, wenn die Schwimmer Michael Phelps und Tyler McGill auf dem Wasser landen, wenn Tom Daley von seiner Tauchplattform springt, sehen wir das Beste, was der Genpool der Welt zu bieten hat, obwohl die Wissenschaftler es noch sind versuchen herauszufinden, welche Gene das sind. Leider schreibt die Geschichte vor, dass wir auch die besten Genmanipulationen sehen, da einige Athleten mithilfe illegaler Substanzen, die immer schwerer zu entdecken sind, nach Höchstleistungen streben.
Die mageren Muskeln
Der menschliche Körper produziert zwei Arten von Skelettmuskelfasern - langsam zuckende (Typ 1) und schnell zuckende (Typ 2). Die schnell zuckenden Fasern ziehen sich um ein Vielfaches schneller und kräftiger zusammen als die langsam zuckenden, ermüden aber auch schneller. Jeder dieser Muskeltypen kann in Abhängigkeit von der Kontraktionsgeschwindigkeit, der Kraft und dem Ermüdungswiderstand weiter in Unterkategorien unterteilt werden. Beispielsweise haben schnell zuckende Fasern vom Typ 2B eine schnellere Kontraktionszeit als Fasern vom Typ 2A.
Muskeln können von einer Unterkategorie in eine andere konvertiert werden, aber nicht von einem Typ in einen anderen. Dies bedeutet, dass Ausdauertraining Muskeln des Typs 2B einige der ermüdungsresistenten Eigenschaften von Muskeln des Typs 2A verleihen kann und dass Krafttraining Muskeln des Typs 2A einige der Krafteigenschaften von Muskeln des Typs 2B verleihen kann. Ausdauertraining wandelt jedoch weder Muskel Typ 2 in Muskel Typ 1 um, noch wandelt Krafttraining langsam zuckenden Muskel in schnellen Muskel um. Ausdauersportler haben einen höheren Anteil an langsam zuckenden Fasern, während Sprinter und Springer eher schnell zuckende Fasern haben.
So wie wir unsere Muskelmischung nur bis zu einem gewissen Grad verändern können, wird auch das Muskelwachstum im Körper sorgfältig reguliert. Ein Unterschied zwischen Muskelaufbau und -größe besteht jedoch darin, dass letztere leichter manipuliert werden können. Der insulinähnliche Wachstumsfaktor 1 (IGF-1) ist sowohl ein Gen als auch das von ihm exprimierte Protein, das während des Wachstums im Kindesalter eine wichtige Rolle spielt und anabole Effekte wie Muskelaufbau auslöst, wenn diese Kinder erwachsen werden. IGF-1 steuert das Muskelwachstum mithilfe des Myostatin-Gens (MSTN), das das Myostatin-Protein produziert.
Vor mehr als einem Jahrzehnt leitete H. Lee Sweeney, ein Molekularphysiologe an der University of Pennsylvania, ein Forscherteam, das die muskelgebundenen "Schwarzenegger-Mäuse" mithilfe genetischer Manipulation herstellte. Mäuse, denen eine zusätzliche Kopie des IGF-1- Gens injiziert wurde, fügten Muskel hinzu und wurden um bis zu 30 Prozent stärker. Sweeney kam zu dem Schluss, dass es sehr wahrscheinlich ist, dass Unterschiede in den IGF-1- und MSTN-Proteinspiegeln einer Person ihre Fähigkeit bestimmen, beim Training Muskeln aufzubauen, obwohl er zugibt, dass dieses Szenario nicht umfassend untersucht wurde.
Langsames Muskelwachstum und Ausdauer können ebenfalls durch Genmanipulation gesteuert werden. Im August 2004 berichtete ein Forscherteam, zu dem Ronald Evans vom Salk Institute for Biological Study gehörte, dass es ein Gen namens PPAR-Delta verändert, um seine Aktivität bei Mäusen zu verbessern und ermüdungsresistente, langsam zuckende Muskeln aufzubauen. Diese sogenannten "Marathon-Mäuse" konnten doppelt so weit und fast doppelt so lange laufen wie ihre unveränderten Gegenstücke.
Diese nachgewiesene Fähigkeit, an schnell oder langsam zuckenden Muskeltypen zu basteln, wirft die Frage auf: Was würde passieren, wenn man Gene einführt, um bei einem Athleten sowohl schnell als auch langsam zuckende Muskeln aufzubauen? "Wir haben darüber gesprochen, aber es nie getan", sagt Sweeney. "Ich gehe davon aus, dass Sie einen Kompromiss finden, der für eine Sportart wie Radfahren gut geeignet ist, bei der Sie eine Kombination aus Ausdauer und Kraft benötigen." Sweeney fügt hinzu, dass es bisher nur wenige wissenschaftliche Gründe (was sich in einer Finanzierung niederschlägt) gab, eine solche Studie an Mäusen und viel weniger an Menschen durchzuführen.
Die Genmanipulation wird sich vor allem auf die Behandlung von Krankheiten und die Förderung der Gesundheit auswirken, anstatt die sportlichen Fähigkeiten zu verbessern, obwohl der Sport sicherlich von dieser Forschung profitieren wird. Wissenschaftler untersuchen bereits, ob Gentherapien Menschen mit Muskelerkrankungen wie Muskeldystrophie helfen können. "Es wurde viel darüber gelernt, wie wir Muskeln stärker und stärker machen und mit größerer Kraft zusammenziehen können", sagt Theodore Friedmann, Genetiker an der Universität von Kalifornien in San Diego und Leiter eines Beratungsgremiums für Gendoping bei World Anti -Doping-Agentur (WADA). Wissenschaftliche Studien haben IGF-1-Protein in Mausgewebe eingeführt, um den normalen Muskelabbau während des Alterns zu verhindern. "Irgendwo in der Zukunft könnten Anstrengungen unternommen werden, um dasselbe bei den Menschen zu erreichen", fügt er hinzu. "Wer würde nicht für so etwas anstehen?"
Gentherapie hat sich bereits in Studien bewährt, die nicht mit der Muskeltherapie zusammenhängen. Im Dezember 2011 berichtete beispielsweise ein Team britischer Forscher im New England Journal of Medicine, dass sie sechs Patienten mit Hämophilie B - einer Krankheit, bei der das Blut nicht richtig gerinnt, um Blutungen zu kontrollieren - mit einem Virus behandeln konnten ein Gen, das es ihnen ermöglicht, mehr des Gerinnungsmittels Faktor IX zu produzieren.
Harte Ziele
Trotz Experimenten mit IGF-1- und MSTN-Proteinspiegeln im Mausmuskel ist es eine komplizierte Angelegenheit, zu identifizieren, welche Gene direkt für die sportliche Leistungsfähigkeit verantwortlich sind. "Was wir in den letzten 10 Jahren seit der Sequenzierung des menschlichen Genoms gelernt haben, ist, dass hier viel mehr Komplexität herrscht, als wir uns vorgestellt haben", sagt Stephen Roth, Professor für Bewegungsphysiologie und Altern an der Universität von Maryland und Genetik. "Jeder möchte wissen, welche Gene zur sportlichen Leistung im Allgemeinen oder zur Muskelkraft oder zur aeroben Kapazität oder dergleichen beitragen. Wir haben immer noch keine festen Ziele, die von der wissenschaftlichen Gemeinschaft für ihren Beitrag zur sportlichen Leistung anerkannt werden."
Bis 2004 hatten Wissenschaftler mehr als 90 Gene oder chromosomale Stellen entdeckt, von denen sie glaubten, dass sie für die Bestimmung der sportlichen Leistung am verantwortlichsten sind. Heute sind es 220 Gene.
Trotz dieser Unsicherheit haben einige Unternehmen bereits versucht, das bisher Gelernte zu nutzen, um Gentests auf den Markt zu bringen, von denen sie behaupten, dass sie die sportliche Veranlagung eines Kindes erkennen lassen. Solche Firmen "pflücken etwas Literatur und sagen:" Oh, diese vier oder fünf Genvarianten werden Ihnen etwas sagen ", erklärt Roth. Aber das Fazit ist, je mehr Studien wir durchgeführt haben, desto weniger sind wir uns sicher, dass eines dieser Gene für sich genommen wirklich einen starken Beitrag leistet. "
Atlas Sports Genetics, LLC, in Boulder, Colorado, begann im Dezember 2008 mit dem Verkauf eines 149-Dollar-Tests. Das Unternehmen sagte, es könne nach Varianten des Gens ACTN3 suchen, das bei Spitzensportlern mit dem Vorhandensein des Proteins Alpha-Actinin-3 in Verbindung gebracht wird Hilft dem Körper, schnell zuckende Muskelfasern zu produzieren. Muskeln in Labormäusen, denen Alpha-Actinin-3 fehlt, wirken eher wie langsam zuckende Muskelfasern und verbrauchen Energie effizienter, ein Zustand, der für Ausdauer besser geeignet ist als Masse und Kraft. "Die Schwierigkeit besteht darin, dass fortgeschrittenere Studien nicht genau herausgefunden haben, wie der Verlust von Alpha-Actinin-3 die Muskelfunktion beim Menschen beeinflusst", sagt Roth.
ACE, ein weiteres Gen, das in Bezug auf die körperliche Ausdauer untersucht wurde, hat zu unsicheren Ergebnissen geführt. Die Forscher argumentierten ursprünglich, dass Menschen mit einer Variante von ACE im Ausdauersport besser und solche mit einer anderen Variante besser für Kraft und Leistung geeignet wären, aber die Ergebnisse waren nicht schlüssig. Obwohl ACE und ACTN3 die bekanntesten Gene in Bezug auf Leichtathletik sind, lässt sich die Leistung nicht eindeutig vorhersagen. Die vorherrschende Idee vor 10 oder 15 Jahren, dass es zwei, drei oder vier wirklich starke Gene geben könnte, die zu einem bestimmten Merkmal wie Muskelkraft beitragen, "ist, dass sie auseinanderfallen", sagt Roth. "Wir haben erkannt, und es hat sich in den letzten Jahren bestätigt, dass es nicht in der Größenordnung von 10 oder 20 Genen liegt, sondern von Hunderten von Genen, von denen jedes sehr kleine Variationen und eine große Anzahl möglicher Kombinationen dieser vielen aufweist, viele Gene, die zu einer Veranlagung für Spitzenleistungen führen können.
"An der Wissenschaft hat sich nichts geändert", fügt er hinzu. "Wir haben frühzeitig eine Vermutung angestellt, die sich in den meisten Fällen als nicht richtig herausstellte - das ist Wissenschaft."
Gendoping
Die WADA wandte sich nach den Olympischen Sommerspielen 2000 in Sydney an Friedmann, nachdem Gerüchte aufkamen, dass einige der dortigen Athleten gentechnisch verändert worden seien. Nichts wurde gefunden, aber die Bedrohung schien real. Die Beamten waren sich einer kürzlich durchgeführten Gentherapie-Studie an der Universität von Pennsylvania bewusst, die zum Tod eines Patienten geführt hatte.
"In der Medizin werden solche Risiken von Patienten und von der Berufsgruppe akzeptiert, dass Gefahren eingegangen werden, um Schmerzen und Leiden zu heilen und zu verhindern", sagt Friedmann. "Wenn die gleichen Werkzeuge bei einem gesunden jungen Athleten schief gehen würden, wäre dies weitaus weniger ethisch vertretbar. Und man möchte nicht in einer Gesellschaft sein, die blindlings das Werfen von [ Erythropoetin ( EPA)] akzeptiert )] Gene in Athleten, so dass sie eine verbesserte Ausdauerleistung haben können. " EPO war ein beliebtes Ziel für Menschen, die daran interessiert sind, die Blutproduktion bei Patienten mit Krebs oder chronischen Nierenerkrankungen zu manipulieren. Es wurde auch von professionellen Radfahrern und anderen Athleten benutzt und missbraucht, um ihre Ausdauer zu verbessern.
Ein anderes Schema bestand darin, den Muskeln eines Athleten ein Gen zu injizieren, das Myostatin unterdrückt, ein Protein, das das Muskelwachstum hemmt. Damit, sagt Sweeney, "bist du weg und rennst wie ein Gen-Doper. Ich weiß nicht, ob es jemand tut, aber ich denke, wenn jemand mit wissenschaftlicher Ausbildung die Literatur liest, kann er vielleicht herausfinden, wie er erfolgreich sein kann zu diesem Zeitpunkt ", obwohl Tests von Myostatin-Inhibitoren, die direkt in bestimmte Muskeln injiziert wurden, nicht über Tiere hinaus fortgeschritten sind.
Myostatin-Inhibitoren sowie EPO- und IGF-1- Gene waren frühe Kandidaten für genbasiertes Doping, aber sie sind nicht die einzigen, sagt Friedmann. Das VEGF- Gen ( Vascular Endothelial Growth Factor ) weist den Körper an, Signalproteine zu bilden, die dazu beitragen, die Durchblutung zu steigern, indem neue Blutgefäße im Muskel sprießen. Diese Proteine wurden zur Behandlung der Makuladegeneration und zur Wiederherstellung der Sauerstoffversorgung des Gewebes bei unzureichender Durchblutung verwendet. Andere verlockende Gene könnten jene sein, die die Schmerzwahrnehmung beeinflussen, den Glukosespiegel regulieren, die Anpassung der Skelettmuskulatur an das Training beeinflussen und die Atmung unterstützen.
Spiele bei den Olympischen Spielen 2012
Laut Roth ist die Genmanipulation bei den diesjährigen Olympischen Spielen eine große Wild Card. "Die Menschen haben in den vergangenen Jahren mehrere Olympische Spiele vorhergesagt, dass es bei den nächsten Olympischen Spielen zu Gendoping kommen wird, aber es gab nie solide Beweise." Gentherapie wird oft im medizinischen Kontext untersucht und scheitert oft, bemerkt er. "Auch wenn bekannt ist, dass eine Gentherapie in Bezug auf die Behandlung einer Krankheit solide ist, haben Sie es mit dem Unbekannten zu tun, wenn Sie sie in den Kontext sportlicher Leistung werfen."
Das Vorhandensein von Gendoping ist schwer mit Sicherheit zu erkennen. Die meisten Tests, die erfolgreich sein könnten, erfordern Gewebeproben von verdächtigen Athleten. "Wir sprechen von einer Muskelbiopsie, und es gibt nicht viele Athleten, die bereit sind, Gewebeproben zu geben, wenn sie sich auf den Wettkampf vorbereiten", sagt Roth. Es ist unwahrscheinlich, dass sich eine Genmanipulation im Blutstrom, im Urin oder im Speichel zeigt, daher ist es unwahrscheinlich, dass die relativ nicht einschneidenden Tests dieser Flüssigkeiten viel bewirken.
Als Reaktion darauf hat die WADA einen neuen Testansatz mit dem Namen Athlete Biological Passport (ABP) eingeführt, der bei den Olympischen Spielen in London verwendet wird. Einige internationale Sportbehörden wie die International Cycling Union haben ebenfalls damit begonnen, sie zu nutzen. Der Schlüssel zum Erfolg von ABP liegt darin, dass das Programm den Körper eines Athleten im Laufe der Zeit auf plötzliche Veränderungen überwacht, z. B. einen Anstieg der Anzahl roter Blutkörperchen, anstatt ad hoc nach einem bestimmten Wirkstoff wie EPO Ausschau zu halten.
Eine andere Möglichkeit, das Vorhandensein von Gendoping festzustellen, besteht darin, zu erkennen, wie der Körper auf ein fremdes Gen reagiert - insbesondere auf die von ihm möglicherweise eingesetzten Abwehrmechanismen. "Die Wirkung eines Arzneimittels oder eines Fremdgens wird durch einen Organismus erschwert, der versucht, Schäden durch diese Manipulation zu verhindern", sagt Friedmann - und nicht durch beabsichtigte Änderungen, die beispielsweise durch EPO hervorgerufen werden.
Die Olympischen Spiele machen deutlich, dass nicht alle Athleten gleich sind, aber dass harte Arbeit und Engagement einem Athleten zumindest eine äußere Siegchance geben können, selbst wenn die Wettbewerber aus dem tieferen Bereich des Genpools kommen. "Elite-Leistung ist notwendigerweise eine Kombination aus genetisch bedingtem Talent und Training, die diese Gaben ausnutzt", sagt Roth. "Wenn Sie alle Umweltfaktoren ausgleichen könnten, würde die Person mit einem gewissen physischen oder mentalen Vorteil den Wettbewerb gewinnen. Glücklicherweise spielen diese Umweltfaktoren eine Rolle, die dem Sport die Unsicherheit und Magie verleiht, nach der sich die Zuschauer sehnen."
