除了強大的基因之外，還有哪些因素會影響人類的身高？自然界總會給我們一些意外的答案。
最近，西湖大學生命科學學院吳連鋒、馬仙玨和楊劍團隊合作在 Cell Research 雜志發表了一篇題為 "Maternal aging increases offspring adult body size via transmission of donut-shaped mitochondria"的最新研究成果。該研究在線蟲、果蠅和人類中得出了一致的結論：“母親”的生育年齡會影響“孩子”成年后的身高等特征。研究團隊使用模式生物線蟲詳細解析了這一現象背后的生物學機制1。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41422-023-00854-8
01高齡生育現象逐年激增
近年來，隨著經濟和社會的迅速發展，高齡產婦的比例大大增加。一方面，二胎、三胎政策的開放使得許多高齡的母親傾向于再次生育；另一方面，女性受教育年限延長等原因導致生育年齡推遲。統計數據顯示，我國2016年高齡孕婦人數比例已從2011年的10.1%上升至19.9%，其中40歲以上的比例大幅增加2。
以上海地區為例，2022年女性的平均初育年齡已經從已經從1980年的26.6歲上升至30.36歲3。這種生育推遲的現象實際上在全世界都很普遍，例如英國、德國等發達國家女性平均初育年齡已經超過30歲。然而，這一現象對下一代的長遠影響有哪些呢？對人類的健康繁殖會帶來什么樣的影響呢？
02母親高齡生育研究成熱點
高齡女性還適合再生育嗎？母親高齡生育會影響孩子健康嗎？這些問題一直備受社會關注。高齡生育對于母體的負擔與壓力是無可否認的，但對孩子長期健康的影響人們意見不一。
有人認為，高齡母親生育的孩子會表現得更加聰明；然而，許多流行病學數據也顯示，高齡生育對孩子健康的影響不能忽視，因為它增加了孩子患發育異常相關疾病的風險，如唐氏綜合征等。因此，研究母親的生育年齡對孩子的影響，以及高齡生育對孩子健康的影響，已成為衰老領域的研究熱點。
03高齡母親生育的孩子在成年后身高會更高
吳連鋒團隊長期從事衰老相關研究，其中他們一直關注生殖衰老對后代健康的影響。在一次偶然的實驗中，研究人員發現了一個有趣的現象：年老線蟲子代的身體總是很長。這種現象與衰老是否直接相關？這個問題激發了研究人員極大的好奇心。
線蟲作為一種特殊的模式生物，有兩種性別：雌雄同體和雄蟲。在平常的科研中，研究人員主要利用雌雄同體進行生物學實驗，因此這樣很難控制雄蟲年齡對子代體長的影響。
為了探究雄蟲的生育年齡是否也會影響子代的體長，研究團隊利用雌雄雜交的實驗進一步觀察了來自年老雄蟲的子代體長，令人驚訝的是，他們發現子代的體長并沒有受到雄蟲生育年齡的影響，而完全取決于“母親”的生育年齡。
為了驗證這一現象是否普遍存在于動物界，吳連鋒團隊與馬仙玨和楊劍團隊進行合作探究。馬仙玨博士是果蠅方面的專家，長期利用果蠅來研究器官大小和癌癥的分子機制；楊劍博士則是人類遺傳學專家，主要通過遺傳分析手段研究人類復雜性狀和疾病的關系。他們在三個獨立的系統（線蟲、果蠅和人類）中一致地證明了這一保守現象：“母親”（而不是“父親”）的生育年齡會影響“孩子”的身高。
圖1 年老和年輕“母親”子代的體長比較。年輕線蟲的子代（OD2）；年老線蟲的子代（OD5）；年輕果蠅的子代（OD5）；年老果蠅子代（OD20）
04甜甜圈線粒體和“孩子身高”
既然“母親”的生殖衰老會影響“孩子”的成年體長，那么是否在“母親”的生殖系統中早就存在了導致“孩子”體長差異的證據呢？
研究人員通過電鏡觀察年輕和年老線蟲的生殖系統差異后驚訝地發現：年老線蟲“母親”的生殖系統和后期胚胎中都有很多甜甜圈樣的線粒體。他們隨后追蹤了“孩子”的發育過程，發現這種甜甜圈線粒體直到子代線蟲的性成熟階段才完全消失。因此，他們將重點放在了這種甜甜圈線粒體上。
什么是甜甜圈線粒體？線粒體是細胞制造能量的結構。甜甜圈線粒體就是線粒體的一種形態。一般認為，這種線粒體是低能“靜息態”，在應激信號消失后，它們會恢復為棒狀的正常形態，并重新恢復正常功能4。
研究顯示，在年輕線蟲“母親”的“孩子”身上誘導產生這種甜甜圈線粒體可以讓孩子的體長增加。而敲除負責甜甜圈線粒體形成的關鍵基因則會阻斷甜甜圈線粒體的形成，同時也阻斷了“母親”年齡效應的傳遞，充分證明了甜甜圈線粒體在“母親”年齡效應傳遞中扮演著決定性的角色。
圖2 年老線蟲的生殖系統中出現甜甜圈狀線粒體
截至目前，在動物水平上研究甜甜圈線粒體的文獻相對較少。1982年，甜甜圈線粒體被首次發現于雞視網膜中，并且隨著雞的年齡增加而增多5。2006年，甜甜圈線粒體在成熟的大鼠腦干花萼突觸中被發現6。2014年，甜甜圈線粒體在老年恒河猴的前額葉腦區被發現7。
本研究首次在年老線蟲的性腺中發現了甜甜圈線粒體的存在，并證實其可以通過卵子傳給后代。這也是動物水平上揭示甜甜圈線粒體生理功能的第一個研究報告。
05甜甜圈線粒體和AMPK之間的相互調節
在研究甜甜圈線粒體的活力時，研究人員發現該線粒體處于低能狀態，表現為線粒體膜電勢低和ATP產量低。AMPK是細胞關鍵的生物代謝能量感應調節因子，它可以感知能量ATP的水平。當感知到細胞中ATP含量減少時，AMPK會被激活，從而幫助細胞產生更多ATP。
結果顯示，年老線蟲“母親”的“孩子”在胚胎發育階段就表現出極強的AMPK活性，而這種活性一直持續到完全的性成熟階段。研究者還發現，一旦抑制AMPK的活性，年老線蟲“母親”的“孩子”便不再表現出體長效應，而是呈現與年輕線蟲“母親”的”孩子“相同的身體長度。這表明，甜甜圈線粒體通過激活AMPK來促進線蟲體長增加。
有趣的是，在年老線蟲“母親”的孩子中，甜甜圈線粒體的數量和AMPK的活性均較高。在發育過程中，甜甜圈線粒體的數量逐漸減少并恢復到正常水平的同時，AMPK的活性也隨之降低。當AMPK發生突變后，甜甜圈線粒體的恢復速度變緩。
這顯示甜甜圈線粒體可以激活AMPK，同時AMPK也能幫助甜甜圈線粒體的恢復，兩者之間存在相互調節的關系。作為關鍵的生長代謝調控因子，AMPK的這種早期變化必然引起許多生理功能的改變。
圖3 發育過程中，甜甜圈線粒體和AMPK之間的調節過程
06生命早期活化的AMPK通過激活下游生長信號通路促進個體生長
在線蟲中，最直接決定身體長度的信號通路是DBL-1/TGF-β，該信號通路和人類BMP（骨形態發生蛋白）信號通路同源9。高齡因素是否通過這條信號通路影響子代身體長度的差異？研究人員分別檢測了年輕線蟲子代和年老線蟲子代在發育時期的 DBL-1/TGF-β 信號的強弱，他們發現年老線蟲子代的 DBL-1/TGF-β 信號通路活性明顯增加，也就是說這條信號通路的激活使得線蟲身體長度增加。
圖4 甜甜圈線粒體通過AMPK對線蟲生長和體長的調控
那么，AMPK 的活化是否導致了這條信號通路的激活？如果只在發育時期特異性地激活年輕線蟲子代的 AMPK，是否會觀察到 DBL-1/TGF-β 信號的增強？果不其然，激活 AMPK 后，DBL-1/TGF-β 信號也被激活，同時線蟲的身體也變長了。
研究者通過阻斷 DBL-1/TGF-β 信號后發現，即使想辦法激活 AMPK，線蟲也不會再變長。因此，本研究在模式生物線蟲中發現了線粒體-AMPK-TGF-β 的信號軸，從而解釋了為什么高齡“母親”的“孩子”體長會增加。
該研究探討了“母親”年齡對子代性狀形成的長遠影響，并利用體長這一表型解析了其背后的生物學機制。然而，相關機制在進化上是否高度保守？是否可以用來解釋高齡“母親”子代在成年期其他性狀的形成以及幼年時期的健康狀況？甜甜圈線粒體能否作為生殖衰老的生物標志物等這些重要問題，仍需進一步的研究加以解析。
西湖大學2020級博士研究生張潤帥，科研助理方金安以及副研究員祁婷為本文共同第一作者，吳連鋒博士、馬仙玨博士以及楊劍博士為本文的共同通訊作者。該研究得到了南京大學陳迪教授和西湖大學楊丹教授團隊的大力支持，受到國家自然科學基金、西湖大學、西湖實驗室及浙江省生長調控及轉化研究重點實驗室的資助和支持。
參考文獻：
【1】 https://www.nature.com/articles/s41422-023-00854-8
【2】 Zhang, Y., & Tang, Y. (2018). Analysis on the Current Situation and Influencing Factors of Elderly Pregnant Women in China. Chinese Journal of Family Planning, 26(4), 279-283.
【3】 Li, J., & Liu, Y. (2023). Analysis of the Factors Influencing the Increase of Average Age of First Childbearing in Shanghai. Population Journal, 35(1), 67-72.
【4】 Liu, X. & Hajnoczky, G. Altered fusion dynamics underlie unique morphological changes in mitochondria during hypoxia-reoxygenation stress. Cell Death Differ. 18, 1561–1572 (2011)
【5】 JK Lauber. Retinal pigment epithelium: ring mitochondria and lesions induced by continuous light. Curr Eye Res. 1982;2(12):855-62.
【6】 V.C Wimmer, H. Horstmann, A. Groh, T. Kuner. Donut-like topology of synaptic vesicles with a central cluster of mitochondria wrapped into membrane protrusions: a novel structure-function module of the adult calyx of Held. J Neurosci. 2006 Jan 4;26(1):109-16.
【7】 Y. Hara, F. Yuk, R. Puri, W. GM Janssen, P. R Rapp, J. H Morrison. Presynaptic mitochondrial morphology in monkey prefrontal cortex correlates with working memory and is improved with estrogen treatment. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014 Jan 7;111(1):486-91.
【8】 Herzig, S. & Shaw, R.J. AMPK: guardian of metabolism and mitochondrial homeostasis. Nat Rev Mol Cell Biol 19, 121-135 (2018).
【9】 Gumienny, T.L. & Savage-Dunn, C. TGF-beta signaling in C. elegans. WormBook, 1-34 (2013).