耐药细菌的快速出现威胁着现代医疗，导致多药耐药菌的治疗药物稀缺【1】。短肽作为一种潜力巨大的抗菌剂，展现了广泛的应用前景【2】。尽管现有抗菌肽（AMPs），如多黏菌素B在临床上效果显著，但发现新的AMPs仍然十分困难。虽然人类微生物群中潜藏着大量AMPs，但这一领域的探索仍不够充分。近日，来自美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的Cesar de la Fuente-Nunez与斯坦福大学血液与骨髓移植中心的Ami S. Bhatt共同在Cell期刊发表题为Mining human microbiomes reveals an untapped source of peptide antibiotics（通过挖掘人类微生物组揭示全新抗菌肽的来源）的文章。研究人员揭示了小开放阅读框编码的肽类抗生素（SEPs）通过靶向细菌膜、相互协作以及调节肠道共生菌来杀死细菌，从而在重塑肠道微生物群落和对抗病原体方面发挥作用。最近的研究发现，人类微生物组中包含编码数十万种小开放阅读框（smORFs）的基因，但只有少数功能被鉴定【3】。这些smORFs可能是一种重要的抗菌肽来源【4】。研究表明，肠道细菌能够产生抗菌分子，通过多种机制帮助细菌对抗病原体【5】。首先，研究人员开发了一种从人类宏基因组中识别AMPs的模拟管线。他们从smORFs中筛选出323种潜在的抗菌肽，并最终选择了78种候选肽进行合成和生物活性筛选。结果发现，这些肽具有独特的物理化学特征，与已知的AMPs和加密肽（EPs）显著不同。通过BLASTn比对，研究人员发现其中78个SEPs来源于病毒或噬菌体基因组。分析肠道菌群hCom2基因组中的ORF时，他们发现17个SEPs与16个hCom2生物体匹配，其中3个与Bacteroides属菌株的smORF完全一致。研究还发现，由肠道共生菌编码的fusobacticin-1和bacteroidin-1在对病原体的测试中表现出活性，提示它们可能在抗菌中具有重要作用。接下来，研究人员合成了78个SEPs，并评估了它们的抗菌活性。结果显示，25种SEPs能够完全抑制至少一种病原体，但没有SEPs对金黄色葡萄球菌有效。40种SEPs对至少一种共生菌显示出低微摩尔的抗菌活性。其中，Staphylococcin-2对A. baumannii和E. faecium表现出活性；bacteroidin-2对多种细菌表现出中等活性，有助于Bacteroides cellulosilyticus在健康肠道中的生态平衡。特别是，由肠道P. copri菌株编码的抗菌肽Prevotellin-2，对A. baumannii表现出显著的抑制作用。然而，合成的变体prevotellin-2-1和prevotellin-2-2的抗菌活性显著低于宏基因组中发现的prevotellin-2，这突显了宏基因组抗菌肽的重要性及菌株间微小变异的影响。研究还发现，AMPs的二级结构与其抗菌活性关系密切。尽管预测显示大多数AMPs具有α-螺旋结构，但这与实验结果不符。数据显示，大多数SEPs的α-螺旋含量较低，仅有八个活跃SEPs的α-螺旋含量超过50%。这些结果表明SEPs趋向无序构象，但这不影响其抗菌效果。此外，研究显示来自同一身体部位的SEPs可以协同作用靶向细菌，特别是对A. baumannii有显著协同或相加效应。大多数SEPs在低微摩尔到纳摩尔浓度下有效，其中veilonellin-1和rothiasin-2表现最为突出。进一步研究表明，SEPs主要通过去极化细胞膜而非穿透外膜来发挥作用。尽管SEPs能够渗透细菌外膜，但其效果不及传统AMPs或EPs。此外，SEPs对细胞膜的去极化作用明显优于多粘菌素B，表明SEPs的作用机制与传统抗菌物质不同。最后，研究人员评估了29种AMPs对Caco-2和HaCaT细胞的毒性。结果显示，大多数肽在Caco-2细胞中CC50值高于32 mmol/L，只有staphylococcin-1、veillonellin-1和fusobacticin-1表现出毒性。SEPs对HaCaT细胞产生了更高的毒性，这可能与膜脂质组成差异有关。在两种小鼠感染模型中，研究人员测试了五种主要抗菌肽（prevotellin-2、faecalibacticin-3、staphylococcin-2、fusobacticin-2、keratinobacin-1），它们对A. baumannii表现出强效抗菌活性。在皮肤脓肿模型中，prevotellin-2显著减少了细菌负荷，与多粘菌素B效果相当。在深部大腿感染模型中，prevotellin-2显著降低了细菌数量，表现出良好的抗感染潜力且无明显毒性。综上所述，该研究从人类微生物组中筛选出323种候选AMPs，最终鉴定出几种高效、特异的AMPs，并在动物模型中验证了它们的抗菌效果。该研究为寻找具有转化潜力的肽类抗生素提供了新的思路。原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.07.027
制版人：十一
1. de la Fuente-Nunez, C., Torres, M.D., Mojica, F.J., and Lu, T.K. (2017). Next-generation precision antimicrobials: towards personalized treatment of infectious diseases. Curr. Opin. Microbiol. 37, 95-102. https://doi.org/ 10.1016/j.mib.2017.05.014.2. Magana, M., Pushpanathan, M., Santos, A.L., Leanse, L., Fernandez, M., Ioannidis, A., Giulianotti, M.A., Apidianakis, Y., Bradfute, S., Ferguson, A.L., et al. (2020). The value of antimicrobial peptides in the age of resistance. Lancet Infect. Dis. 20, e216-e230. https://doi.org/10.1016/S1473-3099(20)30327-3.3. Sberro, H., Fremin, B.J., Zlitni, S., Edfors, F., Greenfield, N., Snyder, M.P.,Pavlopoulos, G.A., Kyrpides, N.C., and Bhatt, A.S. (2019). Large-Scale Analyses of Human Microbiomes Reveal Thousands of Small, Novel. Genes. Cell 178, 1245-1259.e14. https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.07.016.4. Coyne, M.J., Béchon, N., Matano, L.M., McEneany, V.L., Chatzidaki-Livanis, M., and Comstock, L.E. (2019). A family of anti-Bacteroidales peptide toxins wide-spread in the human gut microbiota. Nat. Commun. 10, 3460.https://doi.org/10.1038/s41467-019-11494-1.5. Dobson, A., Cotter, P.D., Ross, R.P., and Hill, C. (2012). Bacteriocin Production: a Probiotic Trait? Appl. Environ. Microbiol. 78, 1-6. https://doi.org/10.1128/AEM.05576-11.
BioART战略合作伙伴
（*排名不分先后）
转载须知
【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。
