제1장 서 론 1
제1절 연구의 필요성 3
제2절 연구의 목적 5

제2장 연구내용 및 방법 7
제1절 연구 내용 9
제2절 연구방법 10
제3절 Replication 13
제4절 자료 처리 14

제3장 연구결과 및 논의 15
제1절 Replication 결과 17
제2절 GWAS에 의한 경기력관련 타겟 SNPs 수의 도출 29
제3절 각 경기력 특성 SNPs의 유전체(Gemonic) 특징 36
제4절 각 경기력 특성 SNP의 생물학적 기능 56

제4장 결론 및 제언 87
제1절 결론 89
제2절 제언 91

참고문헌 93

부록 97

□ 필요성
？엘리트 선수의 스포츠수행력은 운동능력별(최대근력, 심폐지구력, 스피드 등)로 차이는 있으나 적게는 50%에서 많게는 80%까지 유전적 요인에 의해 영향을 받는 것으로 밝혀지고 있음. 더욱이, 기존의 single nucleotide polymorphism(단일염기다형성, SNP) 연구의 한계점(한번에 1개의 SNP 분석)을 극복할 수 있는 기술력의 발전으로 한 번에 개인당 약 100만개의 SNP 분석이 가능해짐으로써 지금까지 보고되지 않았던 새로운 “한국형 운동능력 관련 SNP”를 밝혀낼 수 있을 것임(김광준 등, 2013; 김광준 등, 2015).

？하지만 기존의 비과학적인 연구 설계와 분석 방법을 활용하여 “운동선수의 유전자형(athletic genotype)”을 밝히는 데에는 한계가 있음. 첫째, SNP는 각 유전자별로 대략 300 base 마다 하나씩 나타나기(http://www.genome.gov/ 11006945, NHGRI) 때문에 인간이 가지고 있는 SNP의 수는 천여만 개에 이름(32억/300 bp). 따라서 개인의 특정 운동능력을 한 두 개의 SNP로 평가한다는 것은 분명한 한계가 존재하며, 모든 SNP을 하나씩 분석한다는 것 역시 엄청난 시간과 경비가 소요됨. 둘째, 대다수의 연구에서 낮은 통계적 검증력(statistical power < 0.8) 때문에 연구에 대한 신뢰도가 떨어져 결론을 유추하기가 어려움. 셋째, 연구를 위해 선정된 후보유전자(candidate gene)와 운동능력과 관련된 생물학적 기능에 대한 이론적 근거가 부족하여 연구를 통해 밝혀진 유전자형과 운동능력과의 상관관계에 대한 해석이 불가능함. 넷째, 유전자형과 운동능력에 대한 검사가 과학적인 방법으로 이루어지지 않았음(김광준 등, 2013; 김광준 등, 2015).

？위에서 언급한 한계점을 극복하기 위한 방법으로 첫째, 최근 개발된 SNP Chip이라고 불리는 “Affymetrix Genome-Wide Human SNP array 6.0”을 이용하여 한 번에 약 100만개의 SNP을 분석함(Lippi et al., 2009)으로써 기존의 SNP 연구의 한계점을 극복하고, 지금까지 보고되지 않았던 새로운 한국형 운동능력 관련 SNP를 밝혀낼 수 있을 것임. 둘째, 운동능력별로(최대근력, 심폐지구력, 스피드) 역대 올림픽 및 세계선수권 대회에서 메달을 획득한 메달리스트들을 대상으로 운동능력별 특이 유전자형을 밝힘으로써 기존의 SNP 연구에서 나타나는 연구 집단의 운동능력에 대한 이질성 문제를 해소할 수 있음. 마지막으로, SNP Chip 검사 결과로 얻어지는 다양한 SNP 데이터를 이용하면 새로운 SNP 조합(combination)을 통해 다원발생론적(polygenetic) 연구 또는 haplotype 연구도 가능하게 됨으로써 세계적으로 운동능력과 유전학에 대한 새 지평을 열 수 있음.

？이와 관련하여 2013년과 2015년 "한국형 운동능력별 엘리트선수의 우수체력 SNP 진단 Chip 개발을 위한 Pilot study“가 수행되었고, 이 연구를 통하여 운동능력별(심폐지구력, 최대근력 및 스피드) 운동 특성을 대변하는 유력한 SNPs를 도출한 바 있음. 즉, 2013년과 2015년 pilot study에서 밝혀진 심폐지구력, 최대근력 및 스피드 관련 SNPs는 향후 “한국인”만이 가지고 있는 심폐지구력, 최대근력 및 스피드 운동능력별 유전자형 도출을 위한 gene chip 제작의 가능성을 제시하였다고 할 수 있으며, 후속 연구를 위한 중요한 기초자료를 제공하였다고 사료됨. 그러나 2013년의 pilot study에서는 운동능력의 기본 구성 요소 중 하나인 스피드 종목이 포함되어 있지 않았고, 2015년 pilot study에서는 스피드 집단을 포함시켜 운동능력별 유전자형을 도출함으로써 운동능력별 gene chip 제작의 가능성을 확인하였으나, 일반인 집단의 샘플크기(n= 26)가 너무 적어 운동능력별로 도출된 SNPs의 신뢰성과 타당성을 담보하기에는 무리가 있었음. 본 연구에서는 2013년과 2015년에서 부족했던 일반인 통제집단(n= 1,525명)을 대규모로 확대하였고, 운동능력별로 도출된 SNPs의 신뢰성과 타당도를 확보하기 위하여 두 세트의 replication(일본인 일반인 집단과 국내수준의 운동능력별 선수집단을 통제집단으로 구성)을 실시하고자 함.

□ 목적
？첫째, 대규모 일반인 집단을 통제집단으로 구성하고, “Affymetrix Genome-Wide Human SNP array 6.0”을 이용하여 세계적 수준의 우리나라 엘리트 운동선수들의 운동 능력별(최대근력/파워, 심폐지구력, 스피드) SNP를 비교 분석하여, “한국인”만이 가지고 있는 운동능력별 유전자형을 밝혀 gene chip 제작을 위한 운동능력별 SNPs을 도출하고 둘째, 본 연구에서의 선수집단(국제수준)의 작은 샘플 사이즈로 인하여 유발될 수 있는 거짓 양성(false positive)의 가능성을 낮추기 위하여 Affymetrix Genome-Wide Human SNP array 6.0을 이용하여 도출된 심폐지구력, 최대근력 및 스피드와 관련된 SNPs에 대한 신뢰도와 타당도 검증을 위하여 두 세트의 replicate study를 통해 이를 확인하고자 함.

□ 연구방법
？대상 : 1,617명
？집단의 구성 : 국제 및 국내 수준 심폐지구력 집단 각각 15명과 18명, 국제 및 국내 수준 최대근력 집단 각각 18명과 19명, 국제 및 국내 수준 스피드 집단 각각 10명과 12명 그리고 일반인 1,525명(국립중앙인체자원은행 분양) 총 1,617명
- 국제수준: 올림픽과 세계선수권대회의 메달리스트 또는 국제/국내 기록보유자
- 국내수준: 국제수준 선수와 유사한 선수경력을 지녔으나 국가대표선수 경력이 없는 우수선수
* 참고: 심폐지구력 집단의 경우, 국제대회에서 2시간 13분이내의 기록을 보유 한 마라톤 남자 선수
？측정변인
- 인체의 모든 SNPs: SNPs의 quality control (QC) 과정을 통해, 총 904,333개의 SNPs에서 국제+국내수준 모든 선수 vs. 일반인 집단 495,986개(54.85%), 국제수준 심폐지구력 집단 vs. 일반인 집단 455,138개(50.33%)의 SNPs, 국제수준 최대근력 집단 vs. 일반인 집단 462,260개(51.12%)의 SNPs, 국제수준 스피드 집단 vs. 일반인 집단 410,996개(45.45%)의 SNPs가 분석에 포함됨.
- Replication을 위한 국제수준의 심폐지구력(39개 마커), 최대근력(43개 마커) 및 스피드(45개 마커) 선수 집단의 127개 마커를 대상으로, 두 세트의 replication을 실시함(일본인 통제집단과 국내수준의 운동능력별 선수집단을 통제집단으로 구성함).

□ 결과 및 결론
？심폐지구력, 최대근력 및 스피드와 같은 운동능력과 밀접한 관련이 있는 SNPs를 도출하기 위하여 다양한 통계분석(Cochran-Armitage Trend test, Jonckheere-Terpstra test)을 수행하여 얻은 결과는 다음과 같음.
첫째, 샘플 QC를 통해 국제+국내수준의 선수(모든 운동능력별), 국제수준의 심폐지구력, 최대근력 및 스피드 집단과 각각의 일반인 집단의 비교를 위한 최종 분석대상의 SNPs는 각각 495,986개(총 총 904,333개, 54.85%), 455,138개(총 904,333개, 50.33%), 462,260개(총 총 904,333개, 51.12%), 410,996개(총 904,333개, 45.45%) 이었음. 이중 유의 수준의 역치를 p<.0001로 낮추었을 때, 이를 만족하는 SNP는 각각 73개, 39개, 43개, 45개이었으며, 이들 중 p<.0001 미만을 만족하면서 100 kb 이내에 2개 이상의 SNPs이 존재하는 SNPs는 각각 42개(국제+국내수준 선수 모든 종목 포함), 20개(심폐지구력), 25개(최대근력), 20개(스피드)이었음. 즉, 이들은 높은 연관비평형(linkage disequilibrium, LD)을 나타내는 것으로, 이들 SNPs가 염색체 재조합(recombination)이 일어날 때 함께 움직이는(유전되는) 성향을 가지고 있다는 것을 의미함. 다시 말해, 유전학적인 측면에서 운동선수(국제+국내 수준)에게서만 그리고 심폐지구력, 최대근력, 스피드가 탁월하게 높은 사람들에게만 특이적으로 이러한 SNPs가 하나의 블록(군집)으로 나타난다는 것으로 해석할 수 있음. 따라서 운동선수들은 11개 구간의 42개 그리고 심폐지구력은 8개 구간의 20개의 SNPs, 최대근력은 10구간의 25개의 SNPs 그리고 스피드는 7개 구간의 20개의 SNPs가 각각의 운동 특성을 대변하는 유력한 SNPs일 수 있으며, 이러한 결과는 매우 의미 있는 발견이라 할 수 있음.

둘째, GWAS는 대량의 SNPs 데이터를 바탕으로 이루어지며, 종종 실험적 오류나 샘플의 bias로 인하여 거짓 양성결과가 도출될 수 있음. 따라서 본 연구에서는 운동선수만이 가지고 있는 SNPs, 심폐지구력, 최대근력 및 스피드 관련 SNPs에 대한 신뢰도와 타당도 검증을 위하여 두 세트(일본인 일반인 통재집단과 운동능력별 sub-elite 통제집단)의 replication을 실시하였음. 첫 번째 세트는 국제수준의 심폐지구력(마라토너, 39개 마커) 선수 집단, 최대근력(역도, 43개 마커) 및 스피드(숏트랙 및 스피드스케이트, 45개 마커) 선수 집단의 운동능력별 SNP를 대상으로 일본인 일반인 통제집단과의 비교에서 통계적 유의한 결과를 확인한 결과 대부분의 SNPs(39개 마커 중 37개 유의차= 95%, 최대근력 43개 마커 중 39개= 91%)에서 유의한 결과(평균적으로 94%)가 도출되었음. 따라서 본 연구에서 도출된 운동능력별 SNPs의 신뢰도와 타당도가 확보되었음을 의미함. 두 번째 세트의 replication 역시 국제수준의 심폐지구력(마라토너, 39개 마커) 선수집단, 최대근력(역도, 43개 마커) 및 스피드(숏트랙 및 스피드스케이트, 45개 마커) 선수 집단의 운동능력별 SNP를 대상으로 국내수준의 운동능력별 선수 통제집단과의 비교를 실시하였음. 심폐지구력의 경우, 39개의 마커 중 국제수준 vs. 국내수준의 심폐지구력 선수집단과의 SNP 비교에서 12개(39개 SNPs 중 12개로 31%), 최대근력과 스피드 집단의 경우는 각각 43개와 45개의 마커 중 각각 24개(56%)와 18개(40%)가 통계적으로 유의한 차이를 보여 평균적으로 약 42%의 마커가 유의한 차이를 보였음. 일본인 통제집단에 비해 다소 적은 SNPs에서의 차이를 보인 이유는 국제수준의 top-elite 선수들은 아니지만 국내수준에서 우수한 성적을 지닌 선수들이라는 점에서 일반인들만큼의 차이를 보이지 않은 것으로 사료됨. 그럼에도 이러한 차이가 나타났다는 것은 본 연구에서 도출된 운동능력별 SNPs의 신뢰도와 타당도가 확보되었음을 의미함.

셋째, 최우수(국제수준) 및 우수(국내수준) 엘리트 선수들의 종합운동력과 관련된 본 연구결과에 따르면, 총 42개의 SNPs 중 생물학적 기능이 밝혀진 SNPs는 36개로 나타났고, 그 중 GO 분석이 가능한 SNPs는 20개로 나타났음. 이들 SNPs은 11개의 유전자에 위치하고 있으며, 이들의 특성을 운동과의 관계와 비교하여 볼 때, 생물학적 조절 능력과 자극(신호)에 대한 반응 능력과 관련이 있음을 알 수 있었음. 또한, 이들 유전자들은 주로 세포막에 존재하고, 분자생물학적으로 단백질 결합을 통한 신호 전달에 관여하는 것으로 보임. 이러한 결과는 종합운동능력이 주로 운동 중 또는 트레이닝에 의한 다양한 자극에 반응하기 위한 세포막에서의 신호 전달 능력과 이러한 작용을 통한 전체적인 조절 능력에 의해서 결정된다는 것을 보여준다고 할 수 있음. 심폐지구력의 경우, 총 20개의 SNPs 중 생물학적 기능이 밝혀진 SNPs는 11개로 나타나 이들 모두 GO를 통해서 분석하였음. 이들 SNPs은 7개의 유전자에 위치하고 있으며, 이들의 특성을 운동과의 관계와 비교하여 볼 때, 생물학적 조절능력과 신진대사 과정 관련이 있음을 알 수 있음. 또한, 이들 유전자들은 주로 세포와 핵막에 존재하고, 분자생물학적으로 단백질 결합과 이온결합을 통한 신호 전달에 관여하는 것으로 보임. 이러한 결과는 심폐지구력이 주로 운동 중 또는 트레이닝에 의한 신진대사 능력과 조절 능력, 그리고 세포막과 핵에서의 신호 전달 능력에 의해서 결정된다는 것을 보여준다고 할 수 있음. 최대근력은 총 25개의 SNPs 중 생물학적 기능이 밝혀진 SNPs는 17개로 나타나 이들 모두 GO를 통해서 분석하였음. 이들 SNPs은 10개의 유전자에 위치하고 있으며, 이들의 특성을 운동과의 관계와 비교하여 볼 때, 생물학적으로 신진대사 과정과 다세포의 유기적 과정과 관련이 있음을 알 수 있었음. 또한, 이들 유전자들은 주로 세포와 핵막에 존재하고, 분자생물학적으로 단백질 결합과 뉴클레오타이드 결합을 통한 신호 전달에 관여하는 것으로 보임. 이러한 결과는 최대근력이 주로 운동 중 또는 트레이닝에 의한 신진대사 능력, 여러 조직의 세포 내 유기적 대사 능력, 그리고 세포막과 핵에서의 신호 전달 능력에 의해서 결정된다는 것을 보여준다고 할 수 있음. 마지막으로, 스피드의 경우, 총 20개의 SNPs 중 생물학적 기능이 밝혀진 SNPs는 11개로 나타나 이들 모두 GO를 통해서 분석하였음. 이들 SNPs은 7개의 유전자에 위치하고 있으며, 이들의 특성을 운동과의 관계와 비교하여 볼 때, 생물학적으로 자극에 대한 반응과 세포 간 상호작용과 관련이 있음을 알 수 있음. 또한, 이들 유전자들은 주로 세포막에 존재하고, 분자생물학적으로 단백질 결합과 뉴클레오타이드 결합을 통한 신호 전달에 관여하는 것으로 보임. 이러한 결과는 스피드가 주로 운동 중 또는 트레이닝에 의한 다양한 자극에 반응하기 위한 세포막에서의 신호 전달 능력과 이러한 작용을 통한 세포 간 상호작용에 의해서 결정된다는 것을 보여준다고 할 수 있음. 이러한 생물학적 기능들은 심폐지구력, 최대근력 그리고 스피드 운동능력의 두드러진 특성을 대변할 뿐만 아니라 분자생물학적·생화학적 기전 역시 뚜렷하게 밝혀진 경로이므로 매우 의미 있는 발견이라 할 수 있음.

이상의 연구결과를 종합하여 볼 때 Genome-Wide Human SNP Array 6.0을 이용하여 본 연구에서 밝혀진 심폐지구력 관련 SNPs, 최대근력 관련 SNPs 및 스피드 관련 SNPs는 향후 “한국인”만이 가지고 있는 최대근력, 심폐지구력 및 스피드 운동능력별 유전자형 도출을 위한 gene chip 제작의 가능성을 제시하였다고 할 수 있으며, 후속 연구를 위한 중요한 기초자료를 제공하였다고 사료됨.

□ 활용 방안
？본 연구를 통해 “한국형 운동능력별(근력, 심폐지구력, 스피드) 엘리트선수의 우수체력 SNP의 도출”이 이루어진다면, 향후 이를 통해 SNP chip의 개발이 가능하고, 이를 스포츠적성검사에 활용한다면 이들 운동능력별 유전자형을 가지고 있는 어린 선수 또는 일반 아동들을 조기에 발굴/육성함으로써 우리나라 “체육인재 발굴？육성”뿐만 아니라 국제 스포츠경쟁력에 크게 이바지할 수 있으리라 기대됨.
？톱 엘리트 선수들의 게놈(genome) 정보를 기초로 새로운 체력특성별 운동 관련 유전자의 발견이 가능해질 것으로 기대됨.
？유소년 선수들의 유전정보를 활용하여 개인의 유전적 특성에 맞는 종목의 선택이 가능해질 것으로 보임.
？선수들이 보유한 유전자의 특성에 따른 훈련 프로그램 개발 및 적용이 가능해짐.
？이러한 유전적 정보를 바탕으로 한 선수 발굴 및 훈련 프로그램 적용을 통한 스포츠강국의 위상 확대가 가능해짐.

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