西湖大学发现甜甜圈线粒体的神秘功能

近日，西湖大学生命科学学院吴连锋、马仙珏和杨剑团队合作，在 Cell Research 期刊发表了题为：Maternal aging increases offspring adult body size via transmission of donut-shaped mitochondria 的研究论文。

该研究在线虫、果蝇和人类中得出了一致的结论：“母亲”的生育年龄会影响“孩子”成年后的身高等特征。研究团队使用模式生物线虫详细解析了这一现象背后的生物学机制。

1、高龄生育现象逐年激增

近年来，随着经济和社会的迅速发展，高龄产妇的比例大大增加。一方面，二胎、三胎政策的开放使得许多高龄的母亲倾向于再次生育；另一方面，女性受教育年限延长等原因导致生育年龄推迟。统计数据显示，我国2016年高龄孕妇人数比例已从2011年的10.1%上升至19.9%，其中40岁以上的比例大幅增加。

以上海地区为例，2022年女性的平均初育年龄已经从已经从1980年的26.6岁上升至30.36岁。这种生育推迟的现象实际上在全世界都很普遍，例如英国、德国等发达国家女性平均初育年龄已经超过30岁。然而，这一现象对下一代的长远影响有哪些呢？对人类的健康繁殖会带来什么样的影响呢？

2、母亲高龄生育研究成热点

高龄女性还适合再生育吗？母亲高龄生育会影响孩子健康吗？这些问题一直备受社会关注。高龄生育对于母体的负担与压力是无可否认的，但对孩子长期健康的影响人们意见不一。

有人认为，高龄母亲生育的孩子会表现得更加聪明；然而，许多流行病学数据也显示，高龄生育对孩子健康的影响不能忽视，因为它增加了孩子患发育异常相关疾病的风险，如唐氏综合征等。因此，研究母亲的生育年龄对孩子的影响，以及高龄生育对孩子健康的影响，已成为衰老领域的研究热点。

3、高龄母亲生育的孩子在成年后身高会更高

吴连锋团队长期从事衰老相关研究，其中他们一直关注生殖衰老对后代健康的影响。在一次偶然的实验中，研究人员发现了一个有趣的现象：年老线虫子代的身体总是很长。这种现象与衰老是否直接相关？这个问题激发了研究人员极大的好奇心。

线虫作为一种特殊的模式生物，有两种性别：雌雄同体和雄虫。在平常的科研中，研究人员主要利用雌雄同体进行生物学实验，因此这样很难控制雄虫年龄对子代体长的影响。

为了探究雄虫的生育年龄是否也会影响子代的体长，研究团队利用雌雄杂交的实验进一步观察了来自年老雄虫的子代体长，令人惊讶的是，他们发现子代的体长并没有受到雄虫生育年龄的影响，而完全取决于“母亲”的生育年龄。

为了验证这一现象是否普遍存在于动物界，吴连锋团队与马仙珏和杨剑团队进行合作探究。马仙珏博士是果蝇研究专家，长期利用果蝇来研究器官大小和癌症的分子机制；杨剑博士则是人类遗传学专家，主要通过遗传分析手段研究人类复杂性状和疾病的关系。他们在三个独立的系统（线虫、果蝇和人类）中一致地证明了这一保守现象：“母亲”（而不是“父亲”）的生育年龄会影响“孩子”的身高。

图1：年老和年轻“母亲”子代的体长比较。年轻线虫的子代（OD2）；年老线虫的子代（OD5）；年轻果蝇的子代（OD5）；年老果蝇子代（OD20）

4、甜甜圈线粒体和“孩子身高”

既然“母亲”的生殖衰老会影响“孩子”的成年体长，那么是否在“母亲”的生殖系统中早就存在了导致“孩子”体长差异的证据呢？

研究人员通过电镜观察年轻和年老线虫的生殖系统差异后惊讶地发现：年老线虫“母亲”的生殖系统和后期胚胎中都有很多甜甜圈样的线粒体。他们随后追踪了“孩子”的发育过程，发现这种甜甜圈线粒体直到子代线虫的性成熟阶段才完全消失。因此，他们将重点放在了这种甜甜圈线粒体上。

什么是甜甜圈线粒体？线粒体是细胞制造能量的结构。甜甜圈线粒体就是线粒体的一种形态。一般认为，这种线粒体是低能“静息态”，在应激信号消失后，它们会恢复为棒状的正常形态，并重新恢复正常功能。

研究显示，在年轻线虫“母亲”的“孩子”身上诱导产生这种甜甜圈线粒体可以让孩子的体长增加。而敲除负责甜甜圈线粒体形成的关键基因则会阻断甜甜圈线粒体的形成，同时也阻断了“母亲”年龄效应的传递，充分证明了甜甜圈线粒体在“母亲”年龄效应传递中扮演着决定性的角色。

图2：年老线虫的生殖系统中出现甜甜圈状线粒体

截至目前，在动物水平上研究甜甜圈线粒体的文献相对较少。1982年，甜甜圈线粒体被首次发现于鸡视网膜中，并且随着鸡的年龄增加而增多。2006年，甜甜圈线粒体在成熟的大鼠脑干花萼突触中被发现。2014年，甜甜圈线粒体在老年恒河猴的前额叶脑区被发现。

该研究首次在年老线虫的性腺中发现了甜甜圈线粒体的存在，并证实其可以通过卵子传给后代。这也是动物水平上揭示甜甜圈线粒体生理功能的第一个研究报告。

5、甜甜圈线粒体和AMPK之间的相互调节

在研究甜甜圈线粒体的活力时，研究人员发现该线粒体处于低能状态，表现为线粒体膜电势低和ATP产量低。AMPK是细胞关键的生物代谢能量感应调节因子，它可以感知能量ATP的水平。当感知到细胞中ATP含量减少时，AMPK会被激活，从而帮助细胞产生更多ATP。

同时，AMPK也是调控线粒体稳态的重要元件。是否线虫“母亲”的甜甜圈线粒体通过激活AMPK来影响子代体长呢？为了验证这一问题，研究人员检测并对比了年轻和年老线虫“母亲”的“孩子”在发育过程中的AMPK活性。

结果显示，年老线虫“母亲”的“孩子”在胚胎发育阶段就表现出极强的AMPK活性，而这种活性一直持续到完全的性成熟阶段。研究者还发现，一旦抑制AMPK的活性，年老线虫“母亲”的“孩子”便不再表现出体长效应，而是呈现与年轻线虫“母亲”的”孩子“相同的身体长度。这表明，甜甜圈线粒体通过激活AMPK来促进线虫体长增加。

有趣的是，在年老线虫“母亲”的孩子中，甜甜圈线粒体的数量和AMPK的活性均较高。在发育过程中，甜甜圈线粒体的数量逐渐减少并恢复到正常水平的同时，AMPK的活性也随之降低。当AMPK发生突变后，甜甜圈线粒体的恢复速度变缓。

这显示甜甜圈线粒体可以激活AMPK，同时AMPK也能帮助甜甜圈线粒体的恢复，两者之间存在相互调节的关系。作为关键的生长代谢调控因子，AMPK的这种早期变化必然引起许多生理功能的改变。

图3：发育过程中，甜甜圈线粒体和AMPK之间的调节过程

6、生命早期活化的AMPK通过激活下游生长信号通路促进个体生长

在线虫中，最直接决定身体长度的信号通路是DBL-1/TGF-β，该信号通路和人类BMP（骨形态发生蛋白）信号通路同源。高龄因素是否通过这条信号通路影响子代身体长度的差异？研究人员分别检测了年轻线虫子代和年老线虫子代在发育时期的 DBL-1/TGF-β 信号的强弱，他们发现年老线虫子代的 DBL-1/TGF-β 信号通路活性明显增加，也就是说这条信号通路的激活使得线虫身体长度增加。

图4：甜甜圈线粒体通过AMPK对线虫生长和体长的调控

那么，AMPK的活化是否导致了这条信号通路的激活？如果只在发育时期特异性地激活年轻线虫子代的AMPK，是否会观察到DBL-1/TGF-β信号的增强？果不其然，激活AMPK后，DBL-1/TGF-β信号也被激活，同时线虫的身体也变长了。

研究者通过阻断DBL-1/TGF-β信号后发现，即使想办法激活AMPK，线虫也不会再变长。因此，该研究在模式生物线虫中发现了线粒体-AMPK-TGF-β信号轴，从而解释了为什么高龄“母亲”的“孩子”体长会增加。

该研究探讨了“母亲”年龄对子代性状形成的长远影响，并利用体长这一表型解析了其背后的生物学机制。

然而，相关机制在进化上是否高度保守？是否可以用来解释高龄“母亲”子代在成年期其他性状的形成以及幼年时期的健康状况？甜甜圈线粒体能否作为生殖衰老的生物标志物等这些重要问题，仍需进一步的研究加以解析。

西湖大学2020级博士研究生张润帅，科研助理方金安及副研究员祁婷为论文共同第一作者，吴连锋博士、马仙珏博士以及杨剑博士为论文共同通讯作者。该研究得到了南京大学陈迪教授和西湖大学杨丹教授团队的大力支持，受到国家自然科学基金、西湖大学、西湖实验室及浙江省生长调控及转化研究重点实验室的资助和支持。