人类肠道微生物组：新型抗生素肽的来源

在最近发表在《细胞》杂志上的一项研究中，研究人员对人类肠道宏基因组进行了计算分析，以确定具有抗生素潜力的候选分子。

发现抗生素的新来源

抗菌素耐药性是一个重大的公共卫生问题，它导致耐药性微生物的出现，从而增加了院内感染的风险。短肽分子已被提议作为新型抗菌药物，由短长度的氨基酸残基、巨大的序列空间和非特异性作用方式组成。

迄今为止，发表的抗菌肽 (AMP) 耐药病例很少，这让研究人员对其潜在的临床应用越来越感兴趣。几种 AMP 已成功获批用于临床，其中最常见的包括杆菌肽、粘菌素和多粘菌素 B。

尽管 AMP 具有诸多优势且取得了成功，但由于这些实验涉及耗时的过程，因此识别新的 AMP 候选物仍然是一项挑战。此外，尽管机器学习、遗传算法和模式识别算法的最新进展已导致开发出新的肽，但这些方法中很少有涉及挖掘蛋白质组和宏基因组。

人类微生物组由许多能够抑制病原体生长的细菌物种组成。事实上，最近的研究报告称，人类微生物组编码了数十万个多个小型开放阅读框 (smORF)，其中只有少数几个已被鉴定。因此，利用人类微生物组来识别具有抗菌活性的未知肽序列具有巨大的潜力。

关于研究

研究人员利用计算技术评估了人类微生物组计划 (HMP) 中列出的 1,773 个人类宏基因组中的 444,054 种肽的抗菌能力。为了完善这份名单，研究人员确定了 78 种肽，并评估了它们对几种高优先级致病菌和肠道共生菌的抗生素活性，随后选择了五种肽进行体内评估。

smORFinder 用于识别高可信度编码蛋白质的基因。抗菌肽的选择基于高 AmPEP 分数、肽家族起源的代表性、化学合成的有效氨基酸组成以及不存在疏水簇。

抗菌活性和肽结构数据库 (DBAASP) 用于检查 smORF 编码肽 (SEP) 的物理化学性质，包括其作用机制、二级结构和细胞毒性。

确定了所选 SEP 的最低抑菌浓度 (MIC)，以使用鲍曼不动杆菌评估其在小鼠皮肤脓肿和深层大腿感染模型中的抗感染活性。

使用核糖核酸测序 (RNAseq) 研究普雷沃特林-2 同源物转录。使用 BLASTn 对美国国家生物技术信息中心 (NCBI) RefSeq 核苷酸数据库分析了包含第一个列表中的 323 个 SEP 的重叠群。

MetaProdigal 预测了 hCom2 基因组中的 531,822 个 ORF，之后研究人员使用该数据库探索分子比对。还确定了 SEP 对 11 种致病菌株（包括 ESKAPEE 病原体和 13 种最常见的人类肠道微生物群成员）的抗菌效果，以研究这些肽是否会针对肠道共生微生物。

使用 ColabFold 和圆二色性分析了活性 SEP 的二级结构，以确定这些肽是否可以共同靶向细菌。还对从相似位点生成的 SEP 对进行了棋盘实验，以确定分子相互作用的分数抑菌浓度指数 (FICI)。还利用 1-(N-苯氨基)萘 (NPN) 测试和 3,30-二丙基硫代二羰基菁碘化物 (DiSC3-5) 荧光团评估了 SEP 使革兰氏阴性细菌外膜通透的能力。

研究结果

总共有 323 种候选肽类抗菌剂在体内和体外均表现出对治疗相关病原体的显著抗菌活性。在体外，78 种合成的 smORF 编码肽中有 71% 表现出抗菌活性。Prevotellin-2 是从Prevotella copri中提取的先导化合物，在体内表现出与多粘菌素 B 相当的抗菌活性。

五种 SEP 在小鼠大腿深部感染和皮肤脓肿模型中均具有很强的抗鲍曼不动杆菌感染能力，包括普雷沃菌素-2、费卡利巴克星-3、葡萄球菌素-2、梭梭菌素-2 和角蛋白杆菌素-2。与 AMP 和 EP 不同，SEP 不会使细菌外膜通透。相反，这些肽会使细菌细胞质膜去极化，这一过程与传统的 AMP 和 EP 不同。

323 种富含蛋氨酸的 SEP 在外围或稀疏位置的疏水序列较少，因此与 AMP 和 EP 等肽不同。SEP 往往具有无序结构，但这不会损害其抗菌作用。