青藏高原人群微生物组研究进展※

董文学综述 马利锋*审校

(1.西藏民族大学医学部高原相关疾病分子遗传机制与干预研究省级重点实验室；2.西藏民族大学医学部环境与疾病相关基因研究高校重点实验室)

青藏高原独特的生理性缺氧环境对这一地区的生物进化产生了在生理和遗传适应方面都不同于低海拔物种的独特亚群。这种环境也对人体微生物施加了巨大的选择性压力。本文对青藏高原人群微生物组研究进行回顾。

1.海拔因素对常住人群微生物组的影响

平原居民在很快到达海拔3 000米的区域时，约有50%～75%的人会有高原反应，严重时可造成心肺损伤，甚至危及生命。然而，生活在青藏高原上的人和动物可以正常生活，这可能是因为其与低氧适应相关的一些基因经历了正选择或者是经历了基因的扩张以对抗环境的压力[1]。大量的研究证实了人体微生物与宿主处于长期互惠共生状态，形成一种平衡而稳定的生理环境系统，这对宿主在特定环境的适应具有重要意义。地理环境、生理环境和健康状况等因素都会影响人体微生物群的组成。

皮肤微生物群是最先接触宿主所处环境的，也是最易被环境改变的组群。这种皮肤微生物组的改变也有助于宿主适应高原的高紫外线。Bo Zeng等人[2]对生活在不同海拔高度的猪与人的皮肤菌群进行研究时发现，与低海拔地区的个体相比，高海拔地区个体皮肤菌群的α多样性显著下降。其中节杆菌属(Arthrobacter)、类芽胞杆菌属(Paenibacillus)、肉食杆菌属(Carnobacterium)、纤维单胞菌科(Cellulomonadaceae)和黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)在高海拔地区的人及猪类中富集。这表明强紫外线、低温、低氧等高原环境因素的相互关联塑造了皮肤微生物组的多样性。

肠道菌群在食物消化和能量代谢中起到重要作用。长时间在高海拔、低温地区工作或运动的人，身体为了适应这种变化，热量消耗增加，糖原分解加速，代谢上升，身体水分和电解质丢失，肌肉蛋白转化失调，肠内渗透性提高，肠道菌群也会随之发生改变。随着海拔的升高，藏族群体的肠道细菌组成发生了显著变化[3]。我们在前期研究中发现藏族群体肠道菌群的α多样性随着海拔的升高而降低，而β多样性与海拔的相关性较低。LEfSe分析显示，海拔3 650米藏区人群肠道菌群的生物标志物为脱硫弧菌(Desulfovibrio)，而海拔4 000米的藏族肠道菌群的生物标志物是梭菌属(Clostridium)。Pearson相关分析显示，广古菌门(Euryarchaeota)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)和艰难杆菌属的丰度与海拔的高度呈负相关。随着海拔的升高，藏族人群肠道菌群网络更加脆弱[4]。 Long Li等人[5]比较了生活在低海拔地区汉族和高海拔地区汉族的肠道菌群，发现厚壁菌(Firmicutes)在高海拔地区汉族中富集，而拟杆菌(Bacteroides)在低海拔地区汉族肠道菌群丰度较高，在高海拔地区汉族肠道菌群中普氏菌(Prevotella)丰度较低。普氏菌丰度与饮食中是否富含碳水化合物有关。因此，微生物负荷的减少会降低肠道生态系统的稳定性。也有研究证明瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)、毛螺菌科(Lachnospiraseae)和普氏菌属丰度随海拔升高而降低。粪杆菌(Faecalibacterium)、双歧杆菌(Bifidobacterium)和拟杆菌丰度随海拔升高而增加。这些微生物群的变化可能在适应海拔方面发挥重要作用[6]。兼性厌氧菌数量随着海拔高度增加而增加，需氧菌数量则明显减少[5]。这些微生物组产生的短链脂肪酸，不仅可以为宿主提供能量，还可以通过嗅觉受体和G蛋白偶联受体降低宿主血压，这有利于适应高原活动中的能量需求和对抗肺动脉高压[7，8]。在高原动物中，研究者发现短链脂肪酸生成途径基因富集，与牦牛短链脂肪酸运输及吸收相关的基因表达明显上调，预示着寄主与肠道微生物的协同进化有利于高原动物对短链脂肪酸的吸收与利用[9]。

2.民族因素对高原常住人群微生物组的影响

已经有大量研究证实了不同地理、生活方式的人群微生物存在差异[3，4，10]。Zhang Jiachao等人[11]从全国20个地区采集了314个18到35岁的健康年轻人的粪便样品，包括7个不同的民族，对这些粪便样本进行测序分析发现，同一个民族的人的肠道菌群是相似的，不同民族的人的肠道菌群不同。另有研究者为规避地域对肠道微生物的影响，对同一个城市不同民族的人群的肠道菌群进行研究发现，不同民族居住在同一城市，其肠道菌群也有差异[10]。研究者观察到一些几乎所有的个体都有的群落，这些群落与民族无关。这个发现支持了肠道菌群中存在所有人都可以携带的微生物群亚组的说法，可能是因为它们对健康非常重要。同一民族的成员往往存在更多的共同的肠道微生物，提示该民族和特定肠道菌群之间存在一定的相关性，也提示了在单一城市人口中，个体的民族起源可能是导致其粪便微生物群组成差异的重要因素之一[10]。

Long Li等人[5]对居住在同一高海拔地区的12名藏族人和11名藏区汉族人的粪菌进行测序，藏族人群的肠道菌群中拟杆菌和普氏菌较汉族人群多，而Catenibacterium菌则较少。Kang Li等人[12]也利用宏基因组测序技术对生活在青藏高原的15名本地藏族人和12名汉族人的肠道微生物群进行研究，两组肠道菌群组成差异显著。藏族人群肠道菌群最丰富的依次是拟杆菌门、厚壁菌门、变形菌门、放线菌门和软壁菌门，而汉族最丰富的门则是拟杆菌门、厚壁菌门、变形菌门、放线菌门和蓝藻门。藏族的微生物基因数是汉族的4.9倍[12]。藏族的碳水化合物活性酶和抗生素抗性基因的丰度较汉族降低[12]。

造成以上不同地理或者民族人群微生物组差异的主要原因之一便是饮食习惯[10]。藏族人群的饮食中肉类和奶类占主要地位，辅之以青稞、蔬菜等。

Zhigang Zhang等人[9]将高原牦牛与普通黄牛相比，发现短链脂肪酸含量较高，甲烷排放量较低，并在瘤胃宏基因组研究中发现高原动物短链脂肪酸形成通路基因富集，而平原动物甲烷形成通路基因富集。研究发现[13]，来自不同海拔高度的高原鼠兔的饮食结构存在显著差异，其肠道菌群组成也显著不同。

过多的蛋白质摄取会降低肠道菌群的多样性，产生有毒的代谢物。动物性蛋白质摄入与拟菌门的丰度呈负相关[14，15]。动物性蛋白质摄入与拟菌门的丰度呈负相关。肠道菌群紊乱是高脂饮食引起肥胖和易过敏的原因之一，肠道菌群紊乱者的肠道菌群多样性丰度降低，部分拟杆菌科丰度增加；无论是否肥胖，移植了高脂饮食小鼠菌群的无菌小鼠对食物过敏的易感性增加[16]。这也可能是造成青藏高原人群体型健硕的原因之一。另有研究证明，饮茶能明显增加小鼠肠道菌群的多样性，使菌群结构发生变化[17]。普洱茶通过重塑肠道菌群干预机体脂代谢，以人源菌群肥胖症小鼠模型为实验对象，发现甲基化儿茶素具有潜在的益生元作用，厚壁菌群与拟杆菌比例下降，从而起到调节肠道菌群的作用[18]。茶皂素通过降低高脂饮食诱导的雄性小鼠内毒素和结肠巨噬细胞水平，可以逆转高脂饮食诱导的拟杆菌-普雷沃氏菌属的降低、双歧杆菌和乳酸菌的增加，以此提高葡萄糖耐量、降低体重[19]。

3.总结与展望

随着海拔、身体质量指数、年龄的改变，人体微生物会发生明显变化，特别是青藏高原高纬度的过滤与选择，会导致人体微生物群落结构的不稳定，且长期居住在高海拔地区人群的肠道菌群具有较强的能量代谢和物质(如纤维和纤维素)分解能力。讨论和研究青藏高原微生物群落的特征和多样性，要与宏代谢组学、宏转录组学等组学联系起来，要研究微生物种群在高原适应过程中的作用和机制，要寻找不同海拔高度和不同民族的微生物和代谢标志物。这可能是未来青藏高原人群微生物组学研究的方向。