“ 2023年9月 BMC (BioMed Central)发表了一篇题为“Meta-analysis identifying gut microbial biomarkers of Qinghai-Tibet Plateau populations and the functionality of microbiota-derived butyrate in high-altitude adaptation”的文章，该文章找到了可能与高原适应相关的肠道微生物标志物，并揭示了丁酸在减轻高原环境造成的肠道损伤和缓解缺氧反应中的潜在功能。”
高原的极端环境对人体健康构成了严重威胁，暴露在高海拔环境下会导致多种疾病，特别是由肠道损伤引起的胃肠道症状。肠道损伤不仅会导致细菌易位（进入其他器官），还会引发系统性炎症。然而，青藏高原的藏族居民在长期适应进化后，发展出了对高原病的独特适应性。研究表明，肠道微生物的高原相关变化直接影响宿主的健康。但目前仍不清楚肠道微生物是否在高原适应中起因果作用。
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实验设计和结果
该研究从中国18个省份收集了688个公开的肠道微生物组数据集，包含了参与者的基本信息、疾病状态、饮食习惯和生活方式等。在这些样本中，有263个低海拔汉族样本（LH）、105个高海拔汉族样本（HH）、60个低海拔藏族样本（LT），以及240个高海拔藏族样本（HT）。由于一些样本的族群信息不明确，但考虑到中国人口91.11%为汉族，这些样本可能也包含汉族个体。经过质量控制后，最终保留了647个高质量样本，共计26,020个特征序列，每个样本的平均读数为48,891。研究通过校正批次效应和族群差异，识别出高原人群中的肠道微生物标志物，并通过数据集间验证和逐个数据集剔除验证了这些标志物的稳健性，为进一步理解肠道微生物在高原适应中的作用奠定了基础。
01. 批次效应问题处理
为了解决批次效应问题，该研究使用了ConQuR方法对样本进行处理。校正批次效应后，通过Shannon指数分析发现，高海拔汉族和藏族人群的肠道微生物组Shannon指数显著高于低海拔汉族人群，但低海拔汉族与低海拔藏族之间没有显著差异。这种差异主要体现在物种丰富度上，高海拔人群的OTU丰富度显著高于低海拔人群，而均匀度的差异较小。进一步的PERMANOVA和PCoA分析显示，不同研究（Study）之间的伪差异在校正后消失或减少，而不同群体（Group）之间的差异则得以保留。Beta多样性分析结果也表明，高低海拔人群的肠道微生物组成存在显著差异。最终，研究决定仅使用ConQuR方法进行后续分析，以减少数据处理过多带来的潜在偏差。
02. 生物标志物的鉴定
该研究通过特定方法识别和验证了高原人群的肠道微生物标志物。结果显示，为了最大限度地减少模型误差，在不同人群对比中需要的标志物数量分别为：LH vs. HH 72个，LH vs. HT 62个，LH vs. LT 12个。这些标志物主要来自 Ruminococcaceae 和 Lachnospiraceae 科，且高原人群中常见的属包括 Dorea、Roseburia、Prevotella 9 和 Faecalibacterium，尽管 Faecalibacterium 的某些OTU在低海拔人群中更丰富，但总体而言在高原人群中更为丰富。为了验证这些标志物的区分能力，研究构建了三种分类模型（随机森林、广义线性模型和支持向量机）。结果显示，这些模型在不同人群对比中表现良好，特别是随机森林模型在区分不同海拔人群时表现最佳。例如，随机森林模型在区分HH和LH、HT和LH、LT和LH时的AUC分别达到了0.990、0.998和0.995，表现出极高的准确性、敏感性和特异性。这表明随机森林模型可能更适合用于构建高低海拔人群的肠道微生物分类器。
总体而言，研究成功识别出高原和低海拔人群的肠道微生物标志物，这些标志物不仅能够区分高低海拔人群，还为未来研究高原适应的机制提供了重要的微生物学依据。
03.微生物标志物的可靠性与泛化性分析
研究在七个分类水平中评估了模型的表现，结果显示使用OTU构建的模型在六个指标上表现更为可靠。研究还通过“研究间验证”（study-to-study）和“逐一数据集剔除验证”（LODO）方法来评估所识别的肠道微生物标志物的普适性和泛化性。在研究间验证中，LH_vs_HH和LH_vs_HT模型的平均AUC分别达到0.85（范围：0.59至1）和0.99（范围：0.95至1）。在LODO验证中，LH_vs_HH和LH_vs_HT模型的平均AUC分别为0.80（范围：0.75至0.83）和0.99（范围：0.97至1）。这些结果表明，肠道微生物标志物能够区分不同海拔的人群，且藏族肠道微生物在区分人群方面的能力优于高原汉族，这暗示了高原藏族与低海拔汉族之间的肠道微生物组组成差异更为显著。通过10折交叉验证（RF方法）构建了LH_vs_HH和LH_vs_HT的验证矩阵，AUC值的深浅颜色与AUC值正相关，验证了模型的鲁棒性。此外，在不同特征集下的LODO验证中（如顶级标志物、所有标志物等），模型的表现差异得到了进一步分析。高原人群肠道微生物的共标志物也被识别出来，Fold change 通过HH或HT相对于LH的平均相对丰度比值表示。在ROC曲线分析中，通过随机选择20%的样本作为测试集，剩余样本为训练集，重复十次后得到了最佳ROC曲线和平均AUC值，用以验证模型的准确性。最后，还使用一组新收集的样本（LH，n=26；HA，n=40）作为测试集，进一步验证了使用LH和HA样本构建的模型。
04.高低海拔人群肠道微生物短链脂肪酸（SCFA）生成能力分析
研究调查了高、低海拔人群肠道微生物产生短链脂肪酸（SCFA）的能力。肠道微生物主要通过乙酰辅酶A（acetyl-CoA）途径合成丁酸，其中丁酸激酶（Buk）和丁酰辅酶A：乙酸辅酶A转移酶（BCoTA）是关键基因。结果显示，与低海拔汉族（LH）相比，藏族人群（HT和LT）的肠道微生物通过乙酰辅酶A途径生成丁酸的能力显著增强。同时，高海拔人群（HH和HT）中的BCoAT基因丰度显著高于低海拔汉族（LH），而Buk基因在各组间没有显著差异。此外，产丙酸菌的相对丰度在藏族人群（HT和LT）中较低。
qPCR实验进一步验证了高海拔人群中BCoAT基因的丰度显著高于低海拔人群。这些结果表明，高海拔人群的肠道微生物中含有更多的丁酸产生菌，可能有助于高海拔适应。
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结论
该文章识别出高原人群的肠道微生物标志物，主要集中在Ruminococcaceae和Lachnospiraceae科，并发现丁酸可以缓解高原环境导致的肠道损伤。此外，肠道微生物产生的丁酸可能与高原适应中的缺氧诱导基因钝化现象相关。尽管未能获得这些标志物菌株的纯培养物，但未来可以通过微生物培养技术进一步验证它们在高原适应中的功能。为探索肠道微生物在宿主高原适应中的作用提供了新的视角和方向。
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