人的身高70%是由遺傳決定的?  

在小兒內分泌門診,經常有家長問:

  • 人的身高是由什麼決定的呢?
  • 我和我老公都不高,孩子現在也不高,可否改變遺傳?
  • 孩子每年都看醫生,也做好飲食、運動、睡眠和心理等工作,為啥還是只能達到遺傳身高?
  • 人的身高,遺傳究竟起多大作用?
  • 我每年都帶孩子看身高,就是希望能突破遺傳……

那麼,我們究竟能否突破遺傳呢?

    人的身高70% 是由遺傳決定的?  

    在很多正式和非正式的場合,我都聽到一樣的聲音,「人的身高70% 是由遺傳決定的」。但是,從來沒有哪位主任或專家,會解釋說這個70% 是怎麼來的,也從來沒有看到該數據研究的出處。70%?確定嗎?為什麼不是60%,或者80%?70% 是怎麼來的?難道是“三分天注定,七分靠打拼”的反話?

    讀書人有個毛病,就是喜歡較真,很遺憾,我也是。熟悉我的讀者都知道,我科普文章的觀點,多數都有權威出處,絕不僅僅是我的個人看法(除非單獨說明)。此外,文章中重要的數字,一定會有出處。這樣做的目的,是為了最大程度避免由於個人偏見,而給讀者傳遞錯誤的醫學信息

    但是,不得不承認,在人身高多大程度由遺傳決定這個問題上面,“70% 由遺傳決定”是來自於前輩的無數次“教導”,還真從沒有較真過。

    今天,我們就一起來較真一下這個話題。為什麼要較真?因為這個問題很重要,如果身高完全由遺傳決定,那我們就沒必要掙扎,乾脆躺平算了;如果醫學乾預不能改變遺傳,我們又何必增加用藥風險?

    多少基因與身高有關?  

    一些罕見的基因變異對身高產生顯著的影響,例如FGFR3 基因變異會導致軟骨發育不全,這是一種以身材矮小、四肢短小為特徵的罕見疾病;SHOX 基因外顯子缺失也會導致身材矮小;

    特納綜合徵(45,X)也會導致身材矮小,是人類唯一可以存或的染色體單體綜合徵,外觀表型為女性,但染色體比正常女性少了一條X 染色體,該綜合徵身材矮小可能與SHOX 單倍體劑量不足有關;此外,Prader-Willi 綜合徵、Russell-Silver 綜合徵、3M 綜合徵、Noonan 綜合徵也會導致嚴重的身材矮小……

    對於大多數健康個體來說(理解為“健康矮”或“自然矮”),身高在很大程度上由基因變異的組合控制的(即,多基因遺傳),每種基因變異對身高的影響都比較溫和

    目前,已經發現了700 多個這樣的基因變異和身高有關,預計還會有更多的基因變異有待鑑定。

    對於病理性身材矮小的個體來說(理解為“生病矮”),除了FGFR3 基因,研究人員還發現了數百個與罕見疾病有關的其他基因,這些基因對身高有極端影響

    這些基因包括FBN1 基因(肩峰發育不良、腦發育不良、馬凡綜合徵)、GH1 基因(孤立性生長激素缺乏症)、EVC (Ellis-van Creveld 綜合徵)、Weyers 肢端面部發育不良和GPC3 基因(Simpson-Golabi-Behmel 綜合徵)等等。

    如果有這些基因突變,身高不會遵循遺傳靶身高的規律,身材會非常矮小。

    通過研究這些基因的突變對身高的顯著影響,科學家們能更好地理解影響正常身高的基因之間複雜的相互作用。

    身高屬於多基因遺傳。

    父母高,孩子也會相應高一些;父母矮,孩子也會相應矮一些;父母一高一矮,那就要看誰的基因佔優勢了,孩子可能高,可能矮,也可能身高中等。

    身高遺傳公式

    那麼,如何根據父母的身高,計算出孩子成年後的身高呢?即遺傳靶身高的計算,公式如下:

    我們臨床上呢,多用第一個公式,即CMH 法

    • 舉個例子,父親身高173cm,母親身高160cm,那兒子的遺傳靶身高=(173+160+13)/2±5cm = 173±5cm,也就是兒子的成年終身高在168~178cm 都屬於在遺傳範圍內。
    • 女兒的遺傳靶身高在=(173+160-13)/2±5cm = 160±5cm,也就是女兒成年終身高在155~165cm 之間都屬於在遺傳範圍內。

    身高是遺傳因素和環境因素的總和  

    但是,需要強調的是,由於身高是由多個基因變異決定的(即,多基因遺傳),所以很難準確預測一個孩子的身高。

    從父母那裡遺傳的這些變異,有助於解釋為什麼孩子們通常會長得差不多和父母一樣高,但變異的不同組合可能導致兄弟姐妹的身高不同。身高受其他生物機制(如激素)的影響,這些機制也可能由遺傳決定,儘管這些機制的作用尚未完全了解。

    除了遺傳和生物決定因素外,身高還受環境因素的影響,包括母親在懷孕期間的營養狀況、是否吸煙,以及是否接觸有害物質。此外,生後的營養和社會心理因素也可能對兒童身高有影響。一個營養良好、健康和活躍的兒童,成年後可能比一個飲食不良、患有傳染病或衛生保健不足的兒童要高。諸如收入、教育和職業等社會經濟因素也會影響身高。

    在某些情況下,種族因素對成年人的身高也有影響,但對移民家庭的研究表明,移民到一個能更好地獲得營養食物、醫療保健和就業機會的國家,會對下一代的身高產生重大影響。這表明,種族間身高的一些差異可以用非遺傳因素來解釋。

    GIANT 研究:迄今為止最大的身高遺傳研究  

    這是迄今為止規模最大的全基因組關聯研究(GWAS),涉及300 多個機構和25 萬多名研究對象,其影響身高的已知基因區域數量約為400 多個。這項由國際人體測量特徵遺傳調查聯盟(GIANT)開展的研究,讓人們對身高生物學有了更好的了解,並為研究由許多常見基因變化共同作用引起的特徵和疾病提供了一個模型。該研究結果於2014 年10 月5 日,由Nature Genetics 在線發表。

    “身高幾乎完全由基因決定,但我們早期的研究只能解釋這種基因影響的10% 左右,”喬爾·赫希霍恩說,他是波士頓兒童醫院、麻省理工學院布羅德研究所和哈佛大學的醫學博士,也是GIANT 聯盟的領導人和這項研究的高級聯合研究員。“現在,通過將參與我們研究的人數翻倍,我們對常見的基因變異如何影響身高有了更全面的了解——有多少基因變異,以及它們對身高的影響有多大。”

    數百名GIANT 研究人員分析了來自253,288 人(25 萬)的基因組數據。他們檢查了大約200 萬個常見的基因變異。從這個基因庫中,他們確定了697 個變異(在424 個基因區域)與身高有關,這是迄今為止與任何性狀或疾病相關的最大數量。

    研究報告的第一作者之一、波士頓兒童醫院、布羅德研究所和塔爾圖大學(愛沙尼亞)的托努·埃斯科博士說:“我們現在可以解釋身高遺傳因素的20%,而以前只有12%。”

    通過研究身高,了解人體如何通過多基因影響某個形狀。身高很容易測量,估計80% 的身高變異是遺傳的(前提條件:在營養充足及醫療保障完善的發達國家,健康個體)

    此前的大規模全基因組關聯研究(GWAS)表明,大量基因影響身高,並表明大多數遺傳力來自常見的遺傳變異,而不是罕見的遺傳變異。前者影響正常人群的身高,後者除了影響身高之外,還會導致疾病。由於樣本量還不足以得出明確的結論,GIANT 團隊建立了迄今為止最大的樣本量。

    英國埃克塞特大學的高級研究員Timothy Frayling 博士說:“2007 年,我們發表了第一篇論文,第一個確定了影響身高的基因,現在我們已經確定了近700 個與決定身高有關的遺傳變異。

    他們還發現的許多基因很可能是骨骼生長的重要調控因子,有些可能還會導致不明原因的兒童骨骼生長異常綜合徵。例如,眾所周知,mTOR 基因與細胞生長有關,但此前並未與人類骨骼生長聯繫起來。其他被證實重要的基因包括膠原蛋白(骨骼的一種成分)和硫酸軟骨素(軟骨的一種成分)代謝相關的基因,以及生長板(長骨末端附近的生長組織區域)中活躍的基因網絡。

    身高因人而異,遺傳和營養是關鍵因素  

    據報導,世界上最高的人身高2.72 米(Robert Wadlow),而最矮的人只有67 厘米(26 英寸)。有人認為身高是不可改變的,這是由我們受孕時的基因構成決定的。畢竟,高大的父母通常會生出高大的孩子,反之亦然。

    來自澳大利亞昆士蘭大學的遺傳學專家Peter Visscher 教授說:“有很多證據表明,隨著國家工業化,變得更富有,身高會隨著時間的推移而增加,而這種變化一定是環境因素造成的,因為遺傳因素不會在短時間內(例如幾十年)發生變化。”他接著說,“可能的特定環境因素是豐富的食物和更好的醫療保健。”

    多個案例研究都強調了飲食如何影響身高。意大利梅西納大學的遺傳學專家薩維里奧·阿爾貝蒂(Saverio Alberti)教授說:“1944 年荷蘭飢荒期間新生兒的身高可能是一個合適的例子。在這場飢荒中出生或長大的孩子比當時荷蘭人的平均身高要矮4 厘米。”

    人們普遍認為,大約80% 的身高受遺傳影響。你的DNA 決定了你的最大潛在身高,而環境因素決定了你是否達到了這個最大值。因此,在兒童普遍營養不良的國家,僅從基因來預測身高是很困難的。另一方面,在營養充足的國家,利用基因預測身高是可能的,最接近3cm。

    人的身高,遺傳起多大作用?  

    這個問題可以被改寫為:“有多少身高差異(個體間的差異)是由基因影響引起的,又有多少是由營養影響引起的?”這個問題的簡單答案是,大約60% 到80% 的個體身高差異是由遺傳因素決定的,而20% 到40% 可以歸因於環境影響,主要是營養和疾病(其他因素影響小)

    人的身高是一種數量性狀,即一種由多種基因和環境因素控制的數量性狀。許多研究估計了人類身高的遺傳性。通常,這些研究通過估計親戚之間的相似程度來確定遺傳力。人們可以通過將親屬(雙胞胎、兄弟姐妹、父母和後代)的遺傳相似性與身高相似性聯繫起來,將遺傳效應與環境效應區分開來。

    為了準確地測量基因相似性,我們可以測量他們共有的基因標記的數量。例如,澳大利亞昆士蘭醫學研究所(Queensland Institute of Medical Research)的Peter M. Visscher 最近報告稱,根據3375 對澳大利亞雙胞胎和兄弟姐妹的研究,身高的遺傳率為80%。這一估計被認為是不偏不倚的,因為它是基於大量的雙胞胎和兄弟姐妹人口以及對基因標記的廣泛調查。

    在美國,白人男性的身高遺傳率估計為80%。這些估計得到了另一項對8798 對芬蘭雙胞胎的研究的有力支持,在這項研究中,男性的遺傳率為78%,女性為75%。其他研究表明,白人的身高遺傳率甚至高於80%。

    然而,由於不同種族的人口具有不同的遺傳背景和不同的生活環境,身高遺傳力在不同的地區和種族存在差異。在亞洲人口中,身高的遺傳率遠低於80%。例如,2004 年,中國湖南師範大學的Miao-Xin Li 等根據中國385 個家庭的數據,估計身高遺傳率為65%。在非洲人口中,身高遺傳率也較低。根據當時在英國紐卡斯爾大學(Newcastle University)工作的DF Roberts 等1978 年的一項研究,西非人口的身高遺傳率為65%

    這種遺傳多樣性,主要是由於不同民族的遺傳背景和不同環境(氣候、飲食習慣和生活方式)所致。其中,營養越好的種族的身高遺傳率越高,營養越差的種族身高的遺傳率越低。上述中國人口遺傳率的數據是基於2004 年,現在人們生活水平的提高,尤其是沿海城市的人們,營養條件和發達國家幾乎沒有差別,因此遺傳率上升是可以預期的。

    如何計算改善環境因素能增加多少身高?  

    遺傳性讓我們可以研究基因是如何直接影響個體身高。例如,白人男性的遺傳率為80%,他們的平均身高為178 厘米。如果我們在街上遇到一個183 厘米高的白人,遺傳力告訴我們他的額外身高有多少是由基因變異引起的,有多少是由他的環境(飲食習慣和生活方式)引起的。這個人比平均身高高5 厘米。因此,增加的5 厘米或4 厘米中,80% 是遺傳變異,而1 厘米是營養等環境影響。

    如果父母的身高是已知的,遺傳力也可以用來預測個體的身高。例如,一個身高175 厘米的男人娶了一個身高165 厘米的女人,並且他們都來自中國人口,中國人口的平均身高是男性170 厘米,女性160 厘米。我們可以預測他們孩子的身高,假設這個人群中男性的遺傳率是65%,女性是60%。

    對於男孩,預期身高與總體均值的差值為=0.65 x[(175 – 170)+(165 – 160)] / 2,等於3.25 cm;

    如果是女兒,則差值為=0.6 x[(175 – 170) +(165 – 160)]/ 2,等於3cm;

    因此,兒子的預期身高為170 + 3.2(173.2cm),女兒的預期身高為160 + 3(163cm);

    環境影響會使兒子的身高增加1.75cm=0.35 x[(175 -170)+(165 – 160)] / 2;

    環境影響會使女兒的身高增加2cm=0.4 x[(175 – 170) +(165 -160)] / 2。

    當然,60% 的遺傳率,用的是2004 年的研究數據。假設沿海城市的遺傳率和發達國家相近,男女遺傳率均達到75%,還是上面那個案例,我們再來算一算:

    男孩女孩預期身高,與總體均值的差值為=0.75 x[(175 – 170)+(165 – 160)] / 2,等於3.75 cm;

    因此,兒子的預期身高為170 + 3.75(173.5cm),女兒的預期身高為160 + 3.75(163.75cm);

    環境影響會使兒子/女兒的身高增加1.25cm=0.25 x[(175 – 170) +(165 – 160)] / 2。

    也就是說,環境因素越好(主要是營養、醫療和生病),身高的遺傳率越高,反之亦然。因此,可以說,身高很大程度上是由遺傳決定的,我們所做的事情,對身高改善影響很小。當然,這些預測只反映了兩個兄弟姐妹的平均預期身高,實際觀測到的身高可能不同。

    通過這些計算,我們意識到在中國,環境(主要是營養物質)只能改變一個給定後代的身高約2 厘米。當然,這是正向的說法,如果是因為嚴重疾病,可能距離遺傳身高更遙遠。也因此,醫生在診療工作中,更重視矮身材兒童是否由於患病引起的“病理性矮小”,而對“天然矮小”則傾向於不干預。

    是否意味著,遺傳之外的所有努力都是徒勞?  

    這是否意味著不管孩子的環境發生了什麼,身高的變化不會超過這個?特殊處理和營養補充能進一步增加身高嗎?答案是肯定的,確保均衡營養攝入是長高的基礎條件。

    因此,兒童時期的營養不良對身高是有害的。但是,同時也要提出,營養過剩,特別是肥胖,會導致骨齡加快,增加性早熟發生率,反而對身高有害。

    一般來說,男孩在十八九歲時達到最大身高,而女孩在十五六歲左右達到最大身高。因此,青春期前充足的營養對身高至關重要。

    此外,雖然兒童疾病會影響最終身高,重組人生長激素治療可以彌補這種生長缺陷(主要是適用於生長激素缺乏症)。然而,通過這種治療改善身高,不能根據遺傳力預測。

    原因有二:第一,未對生長激素處理過的種群的遺傳力進行估計。第二,基因和生長激素可以協同作用來影響身高,也就是說,它們的影響可能不是簡單地相互疊加,而是成倍增加最終的效果。

    當然,需要特別提出的是,重組人生長激素的使用具有嚴格適應症,需要經過醫生的嚴格評估,不可以盲目為了長身高而使用,特別是對於身高沒有達到矮小症標準的兒童(只是沒有達到父母的預期身高或遺傳身高),可以說是濫用,具有較大用藥風險。

    然而,問題是,為什麼基因背景相似的不同群體可能有不同的遺傳力。早在高中生物課時,老師就告訴我們,表型=基因型+環境因素,所以答案當然是環境影響。當一個給定的環境使一個種群的某一特定性狀的遺傳潛力最大化時,這個種群往往對該性狀具有更高的遺傳力,反之亦然。

    在發達國家,兒童發育所需的營養豐富,如果沒有選擇或新的突變,這將最大限度地提高身高的遺傳潛力。因此,整體的遺傳率估計往往更高,即80%。相反,在發展中國家,營養不足導致較低的遺傳率。

    在過去的十年中,美國人口的平均身高幾乎趨於平穩,這一事實表明,營養環境幾乎使身高的遺傳潛力最大化,至少在這個國家是這樣。改善其他地方的營養可能在身高方面有類似的好處。