Whole-genome sequencing of athletes: the effect of nonsense mutations on functional variables
Authors: Булыгина Е.А. , Борисов О.В. , Валеева Е.В. , Семенова Е.А. , Ларин А.К. , Набиуллина Р.М. , Мавлиев Ф.А. , Ахатов А.М. , Генерозов Э.В. , Ахметов И.И. 
Published: August 2021

Применение технологии полногеномного секвенирования предоставляет обширные возможности для обнаружения новых генетических маркеров, определяющих результативность спортсмена. Целью исследования является определение особенностей геномного профиля спортсменов высокого класса и выявление генетических вариантов, ассоциированных с некоторыми функциональными показателями, влияющими на спортивную успешность. Впервые проведено секвенирование геномов 20 профессиональных борцов татарской национальности. Найденные генетические варианты валидированы с использованием ДНК-микрочипов и/или импутации. Из всего спектра полиморфных вариантов отобраны мутации в гомозиготном состоянии, имеющие аннотацию «stop gain» (нонсенс-мутации) и показавшие ассоциацию со следующими фенотипами: мышечная масса, пиковая мощность нижних конечностей, время реакции и спринтерские способности. Частоты встречаемости мутантных аллелей таких вариантов сравнивались с частотами в других популяциях Волго-Уральского региона. В геномах борцов найдено около 11 млн полиморфных локусов, в среднем 3,62 млн однонуклеотидных замен и 617 тыс инделов на геном. Из них 347 вариантов потенциально вызывают преждевременную терминацию трансляции белка. Корреляция со спортивными фенотипами была выявлена для 6 нонсенс-мутаций (гены ANKDD1B, SLC6A18, CCHCR1, VOPP1, ADAMTS12 и ZACN), в гомозиготном состоянии приводящих к достоверному изменению функциональных показателей спортсменов. У носителей замены p.Tyr319* (rs7447815) в гене SLC6A18 обнаружено снижение относительной пиковой мощности нижних конечностей. В то же время у борцов-татар была зарегистрирована меньшая частота мутантного аллеля в этом локусе по сравнению с башкирами и русскими. Также, согласно исследованиям GWAS, замена rs7447815 ассоциирована с риском развития остеоартроза и пониженной физической активностью. Количество полиморфных вариантов, найденных в геномах спортсменов, и доля нонсенс-мутаций в них соотносятся с результатами, описанными для других популяций. Нонсенс-мутация p.Tyr319* (rs7447815) в гене SLC6A18 является потенциальным маркером, ухудшающим значение относительной пиковой мощности нижних конечностей.

The use of whole-genome sequencing technology provides extensive opportunities for the detection of new genetic markers that determine athletic performance. The aim of the study was to characterize the genome profile of high-class athletes and to identify genetic variants associated with some functional variables which can affect sports success. Materials and methods. For the first time, whole-genome sequencing of 20 professional belt wrestlers of Tatar nationality was carried out. Genetic variants were validated using microarray technology and/or imputation procedure. From the entire spectrum of variants those that were annotated as nonsense mutations, were found at the homozygous state and showed association with muscle mass, lower-extremity peak power, reaction time, and sprinting abilities were selected. The mutant allele frequencies of these variants were compared with the frequencies in other populations of the Volga-Ural region. Results. About 11 million polymorphic loci were found in the genomes of wrestlers, an average of 3.62 million single nucleotide polymorphisms and 617 thousand indels per genome. Of these, 347 variants potentially cause premature termination of protein translation. Correlation with sports phenotypes was found for 6 nonsense mutations (ANKDD1B, SLC6A18, CCHCR1, VOPP1, ADAMTS12, and ZACN genes), which in a homozygous state lead to significant changes in functional indicators of athletes. Wrestlers with p.Tyr319* (rs7447815) substitution in the SLC6A18 gene had decreased relative lower-extremity peak power. At the same time, a lower mutant allele frequency at this locus was registered in Tatar wrestlers compared to the Bashkirs and Russians. Also, according to the GWAS, the rs7447815 substitution is associated with the risk of osteoarthritis and decreased physical activity. Conclusions. The number of polymorphic variants found in the genomes of athletes and the proportion of nonsense mutations in them correlate with the results described for other populations. The nonsense mutation p.Tyr319* (rs7447815) in the SLC6A18 gene is a potential marker that reduces the relative peak power of the lower extremities.