董文學綜述 馬利鋒*審校

(1.西藏民族大學醫(yī)學部高原相關疾病分子遺傳機制與干預研究省級重點實驗室；2.西藏民族大學醫(yī)學部環(huán)境與疾病相關基因研究高校重點實驗室)

青藏高原獨特的生理性缺氧環(huán)境對這一地區(qū)的生物進化產(chǎn)生了在生理和遺傳適應方面都不同于低海拔物種的獨特亞群。這種環(huán)境也對人體微生物施加了巨大的選擇性壓力。本文對青藏高原人群微生物組研究進行回顧。

1.海拔因素對常住人群微生物組的影響

平原居民在很快到達海拔3 000米的區(qū)域時，約有50%～75%的人會有高原反應，嚴重時可造成心肺損傷，甚至危及生命。然而，生活在青藏高原上的人和動物可以正常生活，這可能是因為其與低氧適應相關的一些基因經(jīng)歷了正選擇或者是經(jīng)歷了基因的擴張以對抗環(huán)境的壓力[1]。大量的研究證實了人體微生物與宿主處于長期互惠共生狀態(tài)，形成一種平衡而穩(wěn)定的生理環(huán)境系統(tǒng)，這對宿主在特定環(huán)境的適應具有重要意義。地理環(huán)境、生理環(huán)境和健康狀況等因素都會影響人體微生物群的組成。

皮膚微生物群是最先接觸宿主所處環(huán)境的，也是最易被環(huán)境改變的組群。這種皮膚微生物組的改變也有助于宿主適應高原的高紫外線。Bo Zeng等人[2]對生活在不同海拔高度的豬與人的皮膚菌群進行研究時發(fā)現(xiàn)，與低海拔地區(qū)的個體相比，高海拔地區(qū)個體皮膚菌群的α多樣性顯著下降。其中節(jié)桿菌屬(Arthrobacter)、類芽胞桿菌屬(Paenibacillus)、肉食桿菌屬(Carnobacterium)、纖維單胞菌科(Cellulomonadaceae)和黃色單胞菌科(Xanthomonadaceae)在高海拔地區(qū)的人及豬類中富集。這表明強紫外線、低溫、低氧等高原環(huán)境因素的相互關聯(lián)塑造了皮膚微生物組的多樣性。

腸道菌群在食物消化和能量代謝中起到重要作用。長時間在高海拔、低溫地區(qū)工作或運動的人，身體為了適應這種變化，熱量消耗增加，糖原分解加速，代謝上升，身體水分和電解質丟失，肌肉蛋白轉化失調，腸內滲透性提高，腸道菌群也會隨之發(fā)生改變。隨著海拔的升高，藏族群體的腸道細菌組成發(fā)生了顯著變化[3]。我們在前期研究中發(fā)現(xiàn)藏族群體腸道菌群的α多樣性隨著海拔的升高而降低，而β多樣性與海拔的相關性較低。LEfSe分析顯示，海拔3 650米藏區(qū)人群腸道菌群的生物標志物為脫硫弧菌(Desulfovibrio)，而海拔4 000米的藏族腸道菌群的生物標志物是梭菌屬(Clostridium)。Pearson相關分析顯示，廣古菌門(Euryarchaeota)、脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)、甲烷桿菌屬(Methanobacterium)和艱難桿菌屬的豐度與海拔的高度呈負相關。隨著海拔的升高，藏族人群腸道菌群網(wǎng)絡更加脆弱[4]。 Long Li等人[5]比較了生活在低海拔地區(qū)漢族和高海拔地區(qū)漢族的腸道菌群，發(fā)現(xiàn)厚壁菌(Firmicutes)在高海拔地區(qū)漢族中富集，而擬桿菌(Bacteroides)在低海拔地區(qū)漢族腸道菌群豐度較高，在高海拔地區(qū)漢族腸道菌群中普氏菌(Prevotella)豐度較低。普氏菌豐度與飲食中是否富含碳水化合物有關。因此，微生物負荷的減少會降低腸道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。也有研究證明瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)、毛螺菌科(Lachnospiraseae)和普氏菌屬豐度隨海拔升高而降低。糞桿菌(Faecalibacterium)、雙歧桿菌(Bifidobacterium)和擬桿菌豐度隨海拔升高而增加。這些微生物群的變化可能在適應海拔方面發(fā)揮重要作用[6]。兼性厭氧菌數(shù)量隨著海拔高度增加而增加，需氧菌數(shù)量則明顯減少[5]。這些微生物組產(chǎn)生的短鏈脂肪酸，不僅可以為宿主提供能量，還可以通過嗅覺受體和G蛋白偶聯(lián)受體降低宿主血壓，這有利于適應高原活動中的能量需求和對抗肺動脈高壓[7，8]。在高原動物中，研究者發(fā)現(xiàn)短鏈脂肪酸生成途徑基因富集，與牦牛短鏈脂肪酸運輸及吸收相關的基因表達明顯上調，預示著寄主與腸道微生物的協(xié)同進化有利于高原動物對短鏈脂肪酸的吸收與利用[9]。

2.民族因素對高原常住人群微生物組的影響

已經(jīng)有大量研究證實了不同地理、生活方式的人群微生物存在差異[3，4，10]。Zhang Jiachao等人[11]從全國20個地區(qū)采集了314個18到35歲的健康年輕人的糞便樣品，包括7個不同的民族，對這些糞便樣本進行測序分析發(fā)現(xiàn)，同一個民族的人的腸道菌群是相似的，不同民族的人的腸道菌群不同。另有研究者為規(guī)避地域對腸道微生物的影響，對同一個城市不同民族的人群的腸道菌群進行研究發(fā)現(xiàn)，不同民族居住在同一城市，其腸道菌群也有差異[10]。研究者觀察到一些幾乎所有的個體都有的群落，這些群落與民族無關。這個發(fā)現(xiàn)支持了腸道菌群中存在所有人都可以攜帶的微生物群亞組的說法，可能是因為它們對健康非常重要。同一民族的成員往往存在更多的共同的腸道微生物，提示該民族和特定腸道菌群之間存在一定的相關性，也提示了在單一城市人口中，個體的民族起源可能是導致其糞便微生物群組成差異的重要因素之一[10]。

Long Li等人[5]對居住在同一高海拔地區(qū)的12名藏族人和11名藏區(qū)漢族人的糞菌進行測序，藏族人群的腸道菌群中擬桿菌和普氏菌較漢族人群多，而Catenibacterium菌則較少。Kang Li等人[12]也利用宏基因組測序技術對生活在青藏高原的15名本地藏族人和12名漢族人的腸道微生物群進行研究，兩組腸道菌群組成差異顯著。藏族人群腸道菌群最豐富的依次是擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門、放線菌門和軟壁菌門，而漢族最豐富的門則是擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門、放線菌門和藍藻門。藏族的微生物基因數(shù)是漢族的4.9倍[12]。藏族的碳水化合物活性酶和抗生素抗性基因的豐度較漢族降低[12]。

造成以上不同地理或者民族人群微生物組差異的主要原因之一便是飲食習慣[10]。藏族人群的飲食中肉類和奶類占主要地位，輔之以青稞、蔬菜等。

Zhigang Zhang等人[9]將高原牦牛與普通黃牛相比，發(fā)現(xiàn)短鏈脂肪酸含量較高，甲烷排放量較低，并在瘤胃宏基因組研究中發(fā)現(xiàn)高原動物短鏈脂肪酸形成通路基因富集，而平原動物甲烷形成通路基因富集。研究發(fā)現(xiàn)[13]，來自不同海拔高度的高原鼠兔的飲食結構存在顯著差異，其腸道菌群組成也顯著不同。

過多的蛋白質攝取會降低腸道菌群的多樣性，產(chǎn)生有毒的代謝物。動物性蛋白質攝入與擬菌門的豐度呈負相關[14，15]。動物性蛋白質攝入與擬菌門的豐度呈負相關。腸道菌群紊亂是高脂飲食引起肥胖和易過敏的原因之一，腸道菌群紊亂者的腸道菌群多樣性豐度降低，部分擬桿菌科豐度增加；無論是否肥胖，移植了高脂飲食小鼠菌群的無菌小鼠對食物過敏的易感性增加[16]。這也可能是造成青藏高原人群體型健碩的原因之一。另有研究證明，飲茶能明顯增加小鼠腸道菌群的多樣性，使菌群結構發(fā)生變化[17]。普洱茶通過重塑腸道菌群干預機體脂代謝，以人源菌群肥胖癥小鼠模型為實驗對象，發(fā)現(xiàn)甲基化兒茶素具有潛在的益生元作用，厚壁菌群與擬桿菌比例下降，從而起到調節(jié)腸道菌群的作用[18]。茶皂素通過降低高脂飲食誘導的雄性小鼠內毒素和結腸巨噬細胞水平，可以逆轉高脂飲食誘導的擬桿菌-普雷沃氏菌屬的降低、雙歧桿菌和乳酸菌的增加，以此提高葡萄糖耐量、降低體重[19]。

3.總結與展望

隨著海拔、身體質量指數(shù)、年齡的改變，人體微生物會發(fā)生明顯變化，特別是青藏高原高緯度的過濾與選擇，會導致人體微生物群落結構的不穩(wěn)定，且長期居住在高海拔地區(qū)人群的腸道菌群具有較強的能量代謝和物質(如纖維和纖維素)分解能力。討論和研究青藏高原微生物群落的特征和多樣性，要與宏代謝組學、宏轉錄組學等組學聯(lián)系起來，要研究微生物種群在高原適應過程中的作用和機制，要尋找不同海拔高度和不同民族的微生物和代謝標志物。這可能是未來青藏高原人群微生物組學研究的方向。