研究背景：　　高原环境以高海拔低气压、低氧、寒冷和高辐射为主要特征，其中缺氧是对人体影响最大的因素。机体在高原暴露过程中整体水平发生的代偿性适应反应被称为高原习服。据人口学统计，每年逾1亿人永久居住或移居于高原，其中大部分居于我国。高原病已严重威胁广大高原人群的生命安全。而汉族罹患高原病的根本原因是高原习服不良。根据机体高原暴露的时间，高原习服不良可导致急性或慢性高原病。急性高原病主要表现为急性高山病(Acute mountain sickness, AMS)、高原肺水肿、高原脑水肿，该疾病病程短、进展迅速，短期内即可严重威胁患者生命。慢性高原病以高原红细胞增多症(High altitude polycythemia, HAPC)和高原肺动脉高压为代表，其中HAPC最为常见，可导致微循环紊乱，增加中风、心肌梗塞等的临床风险。除降低海拔外，HAPC缺乏有效的干预、治疗手段。此外，久居高原人群回到平原后，机体将进行再调整以适应平原环境，这一过程被称为高原脱习服。此过程中，高原脱习服不良人群会经历包括神经系统、消化系统等一系列不适症状，发生器官功能紊乱等。　　探索高原习服的机制具有重要的临床价值与科学意义。本课题组前期对该高原习服过程中的生理、生化指标、形态学改变进行了大量研究，结果表明高原习服过程是多基因以及基因与环境交互作用的结果，其中参与代谢的基因改变较为显著，但详细分子机制仍不十分明确，缺乏系统性研究。近二十年来组学的迅猛发展为从整体角度探索高原习服机制提供了高效工具与手段。　　作为基因转录水平的下游，代谢水平的改变是人体响应外界刺激的物质基础，是机体产生应对反应的具体实施阶段。探究代谢表征的改变与作用对深入研究高原习服机制具有重要价值。因此，本文联合代谢组、转录组、miRNA 表达谱等多种组学技术，围绕“汉族人群高原习服过程中代谢表征及其病理生理学意义”深入探讨高原习服的机制。在此研究中，我们动态观测了同一批人在高原急性习服、慢性习服、脱习服过程中的代谢表征；基于急性高原病的严重危害性，探究了急性高原病的代谢表征与其病理生理学意义，并从长链非编码RNA (long non-coding RNAs, lncRNAs)的角度，探究对该代谢表征的调控作用。同时，也探索了HAPC复氧后恢复以及高原脱习服不良的代谢表征与病理生理学意义。　　方法：　　第一部分：高原习服过程中的代谢表征研究　　跟踪并采集同一批汉族青年志愿者在高原暴露前；暴露后1周，16周，52周，56周；从高原返回平原后4周，28周血液样本。分离血清后，通过超高液相色谱四级杆飞行时间质谱联用(Ultra-performance liquid chromatography-quadrupole time-of-flight mass spectrometry, UPLC-Q-TOFMS)进行代谢组学检测。结合多元变量统计分析和模糊聚类，寻找表征高原习服过程的代谢物与具有潜在调控作用的分子。　　第二部分：急性高原病的代谢表征与病理生理学意义探究　　动态观测志愿者在急性高原暴露前后的血压、心率、血氧饱和度和路易斯湖 AMS评分(Lake Louise score, LLS)，并采集血液样本。对血样进行代谢组、转录组检测。通过权重基因共表达网络(Weighted Gene Co-expression Network Analysis, WGCNA)寻找与LLS升高紧密相关的代谢物。并进一步联合转录组和代谢组数据，探索该类代谢物的病理生理学作用。　　第三部分：长链非编码RNA对急性高原习服代谢表征的调控作用研究　　血样与临床数据收集方法同第二部分。血液样本进行转录组检测。基于HISAT2将去接头后的原始数据比对到人类基因组hg19，用Stringtie进行组装，并与GENECODE v22数据库进行比对。根据CPC软件的结果，鉴定蛋白编码基因和lncRNAs。基于WGCNA，分析与急性高原习服临床数据改变高度相关的lncRNAs。并基于GSE105123建立的急性高原习服过程中miRNA改变的数据集，对高原习服后发生显著改变的代谢通路如脂质细胞因子代谢通路等，建立调控ceRNA网络。　　第四部分：复氧促慢性高原病恢复的代谢机制研究　　HAPC 是慢性高原病最常见的类型。本研究中，于海拔 5300 米的两个不同地区，分别募集到14和13名久居高原的汉族青年，并收集血样。根据血红蛋白值，将该人群分为HAPC组和正常人群组。志愿者回到平原180天后，再次收集血液样本。对上述血样进行代谢组检测。结合单、多元变量统计分析寻找HAPC组与正常组复氧前后的差异代谢物。通过MetaboAnalyst 3.0数据库对差异代谢物进行通路富集分析。　　第五部分：高原脱适应不良的代谢特征及其发病机制研究　　募集高原暴露1年后22名汉族男性青年志愿者。分别采集该人群回到平原前、回到平原30天后、180天后血样，并完成脱习服量表评分。基于30天时的脱习服评分，将志愿者分为脱习服良好和不良组，采集血样进行代谢组检测。通过单、多元变量统计寻找差异代谢物，并进行通路富集分析。　　结果：　　1. 与平原相比，高原暴露时间越长，代谢表征改变越为显著。在缺氧过程中，具有重要作用的代谢通路为鞘磷脂代谢通路，磷酸戊糖途径，嘌呤代谢通路，和花生四烯酸代谢通路。在复氧过程中，甘油磷脂和亚油酸代谢通路变化最为显著。时间序列趋势分析结果表明，瓜氨酸在多个阶段中均显著改变，且变化趋势与高原缺氧/复氧过程密切相关。　　2.通过WGCNA，寻找到36个与LLS升高等表型改变高度相关的代谢物，其中27个代谢物表达上升，9个代谢物表达下降。该类代谢物显著富集于花生四烯酸代谢通路。该通路与气体转运和卟啉代谢通路中的基因高度相关。该通路中促炎分子如PGA2, PGE2, LTD4, LTE4在高原暴露后显著上升，在急性高原病人群中进一步显著升高。在另一批人群中验证发现，调控上述促炎代谢物的关键酶如 PTGES，PTGS1 在高原习服不良人群中表现出与上述相同的趋势。　　3.我们寻找到高原习服前后与临床表型高度相关的30个lncRNAs。根据与LLS的关系，lncRNAs 可分为 LLS-正相关 lncRNAs 和 LLS-负相关 lncRNAs。LLS-正相关lncRNAs 显著影响细胞-细胞因子受体结合，脂肪细胞因子代谢通路；而 LLS-负相关lncRNAs 主要影响线粒体自噬等。建立 ceRNA 网络鉴定到的核心 lncRNAs ，如ENSG00000257742.1, ENSG00000244265.1。　　4.复氧后HAPC人群中HB显著降低。与正常组复氧前后的代谢改变相比，HAPC组特异性改变的代谢物显著富集于磷酸戊糖途径。复氧后，HAPC组中磷酸烯醇丙酮酸，磷酸核糖焦磷酸，磷酸葡萄糖等均显著上升。通过直接比较慢性高原暴露时的HAPC和正常人群，检测到HAPC组中显著降低的磷酸戊糖途径。　　5.纳入人群在复氧30天后，脱习服症状存在显著差异。在脱习服良好和不良人群中，共寻找到 20 个差异代谢物。通路分析表明，最显著改变的代谢通路为固醇合成通路中的皮质酮合成支路。该支路中的分子如皮质醇，去氧皮质酮等在脱习服不良人群中显著上升。　　结论：　　1. 高原习服过程中发生代谢重编程现象。在高原缺氧/复氧暴露过程中，显著改变的代谢通路均为磷脂代谢相关通路。结合磷脂代谢的作用机制，提示能量代谢改变、炎症激活、氧化应激参与高原习服过程。瓜氨酸可能是在缺氧/复氧过程中发挥抗氧化，维持内环境稳态的关键代谢物。　　2.急性高原暴露后，花生四烯酸代谢通路中促炎分子的表达上升是导致急性高原习服不良的重要因素。该通路除了影响炎症外，也可影响气体转运和卟啉代谢通路，是一个多功能的靶点。本研究为抗炎药在高原习服中的作用机制提供了理论支持。　　3.我们首次系统性地鉴定了人体在高原习服前后发挥重要作用的lncRNAs，以及与高原习服不良相关的lncRNAs。lncRNAs通过影响脂质代谢、线粒体功能、细胞因子与细胞因子受体相互作用参与高原习服过程。其中， ENSG00000257742.1, ENSG00000244265.1发挥核心调控作用。　　4.本研究首次报道并描绘了慢性高原病（高原红细胞增多症）复氧前后的代谢改变。在高原暴露环境中磷酸戊糖途径下调参与高原红细胞增多症的恢复，HAPC人群症状恢复与磷酸戊糖途径提高有关。　　5.本研究通过代谢组技术首次系统性探索了高原脱习服不良的病理生理学机制。复氧引起的皮质酮合成通路过度激活，导致的慢性过度应激可能是导致脱习服不良症状的重要原因。　　综上所述，本文采用代谢组技术首次对高原习服前，高原习服早期，中期，后期以及回到平原后的代谢表征进行了系统性描述，并寻找到了具有重要影响的代谢物，为后续的研究提供了方向与重要的理论依据。此外，进一步在急性高原习服过程中，结合转录组以及miRNA表达谱技术，探索了急进高原时的代谢水平与转录水平的交互作用，并构建调控 ceRNA网络，寻找发挥调控作用的代谢物、基因与lncRNAs。对于慢性高原病，探究了HAPC恢复过程中代谢改变及其病理生理学机制。同时，本研究也明确了复氧后高原脱习服不良的代谢机制。