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抗菌多肽开发中的见解：一个多学科视角的观察

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●  揭示抗菌肽是一种高度进化且高效的“武器”，是由环境微生物普遍选择的压力塑造的；

●  将多组学信息整合到基于计算的方法中是开发新型AMP候选药物的一种很有前途的策略；

●  洞察自然进化而来的抗菌肽背后的机制, 代表了一种可以克服抗菌肽生物安全问题的有效策略。

引  言

在电影《侏罗纪公园》中，伊恩·马尔科姆的那句台词“生命自有出路”，概括了一个关于生物生命弹性的基本主题。这种韧性在抗菌肽的背景下尤为重要，抗菌肽是几乎所有多细胞生物的进化礼物，用于对抗天敌，同时表现出对自身宿主的生物相容性。一般来说，抗菌肽是阳离子和两性大分子，通过类似洗涤剂的方式撕裂微生物膜，而不针对特定的生物靶点。与26亿年前的原核起源事件类似，抗菌肽基因呈现出比5 ' -UTR和3 ' -UTR区域更快的连续突变率，反映了宿主对环境中特定病原体的适应性。例如，两栖类动物编码的抗菌肽显示出地理特异性的概况，自冈瓦纳超大陆分裂事件以来不断发生突变。蜜蜂肠道共生体产生的抗菌肽对对抗深黑美耳球菌至关重要，但对蜜蜂无细胞毒性。在智人中，这一观点得到了具有数百万年进化史的称为防御素的古老宿主免疫防御肽的有力支持。然而，在很长一段时间内，抗菌肽的进化意义被忽视了，特别是在它们完美的宿主生物相容性和低细胞毒性的背景下。

在过去十年中，抗菌肽的半理性设计或发现受益于计算策略，特别是人工智能深度学习和机器学习算法，具有合理的整体准确性和精密度。这些先进的技术依赖于从实验中收集的大量相关数据。虽然计算策略可以预测或设计具有良好的最小抑制浓度值或溶血指标的肽，但这些肽与自然进化的肽并不完全相同。人工设计肽的主要问题之一在于它们可能引起不适当的免疫反应或表现出低生物相容性。免疫系统的复杂性和合成肽的生物相容性往往超过当前计算技术的预测能力。相比之下，来源于天然生物体的抗菌肽经历了数百万年的进化，对其特性进行了微调，以尽量减少脱靶细胞毒性和不适当的免疫激活，同时最大限度地提高其对特定病原体的抗菌功效。这一进化过程使天然抗菌肽具有精细的选择性，而合成抗菌肽通常缺乏这种选择性。随着抗生素耐药性带来的挑战越来越大，将自然选择的见解与计算策略相结合对于开发有效和安全的治疗药物至关重要。毫无疑问，抗菌肽是“生命自寻出路”的例证，因为它们代表了生物体卓越的适应性和弹性。

结  果

抗菌肽确实代表了进化生物学和潜在治疗应用的一个迷人的交叉点，积极参与调节免疫反应和维持各种生态系统内的稳态。然而，在很长一段时间内，抗菌药物被认为是广谱或非歧视性抗菌药物。这一观点在过去十年中受到了挑战。事实上，抗菌肽不仅仅是具有抗菌特性的大分子；相反，它们是经过进化微调的复杂成分，对病原体施加选择性压力。

一种值得注意的抗菌肽是防御素，它广泛存在于真核生物中。从植物、昆虫、无脊椎动物和真菌中分离出的防御素之间的相似性表明，它们有一个共同的进化起源，据信至少可以追溯到1.14亿年前。在现代智人中，防御素是有效的抗菌肽，具有良好的宿主生物相容性，具有微妙的免疫介导活性和有限的脱靶细胞毒性。令人惊讶的是，由不同的无尾动物编码的抗菌肽已被证明在其序列模式中显示出地理驱动的概况。分子系统图谱显示，分布在南美、澳大利亚、亚洲、北美和欧洲地区的两栖类动物的抗菌肽基因具有共同的祖先起源，并在后代中通过基因复制和突变而多样化。然而，抗菌肽基因的这种多样化与后代的特定地理位置惊人地相关，这表明与某些环境微生物的压力有潜在的联系。虽然曾经被认为是多余的，但抗菌肽编码基因的多样化被认为是专门为对抗特定的环境病原体而“设计”的。与特定微生物共生的果蝇物种联合携带某些类型的抗菌肽多态性，表现出不同的靶向敏感性。其中，已知双萜素A和双萜素B分别对致病性普罗维登氏菌和醋酸杆菌有选择性抑制作用。携带醋酸杆菌的果蝇一直依赖于双萜霉素B基因，而那些缺乏醋酸杆菌微生物的果蝇则表现出双萜霉素B基因的消耗。在一个既缺乏致病性普罗维登菌又缺乏醋酸杆菌的生态环境中，果蝇甚至失去了双萜素A和双萜素B基因。同样，编码一类名为钙保护蛋白（Gly/Glu）的抗菌肽基因多态性也使猫对真菌感染具有不同的敏感性。最近从人类鼻腔共生表皮葡萄球菌中分离出一种名为epifadin的新型AMP；由于epifadin存在的半衰期短，限制了其对人体宿主的附带损伤。从蜜蜂Apis mellifera的毒液中分泌的抗菌肽 Melittin对哺乳动物细胞具有致命的细胞毒性，使人体产生痛觉，而对蜜蜂A. mellifera的威胁却没有揭示出来。虽然一些科学家认为蜂毒蛋白中的阴离子残基可以中和c端阳离子蜂毒蛋白，但蜂毒蛋白与蜜蜂生物相容性的确切机制尚未得到充分解释。此外，最近的一项研究从全球分布的52,515个组装的宏基因组中发现，与其他栖息地相比，人类环境（如肠道）中抗菌肽耐药基因的数量要高得多。结果表明环境微生物与人类宿主抗菌肽基因之间存在复杂的相互适应关系。

总之，抗菌肽例证了“生命自有出路”的原则，展示了进化过程和生物功能之间的复杂关系。抗菌肽基因和特定微生物之间的共同进化是一个永无止境的故事。抗菌肽是高度可变的大分子，特别是在序列和分布上；然而，它们是保守而高效的武器，是由微生物普遍选择的压力定制的。它们的进化意义不仅强调了它们作为自然防御机制的作用，而且为治疗剂的设计提供了有价值的见解。利用抗菌肽固有的智慧，以及计算方法的进步，可以促进为临床应用量身定制的新型肽的发现和优化。通过探索抗菌肽丰富的进化途径及见解，科学家们可能会通过自然衍生的解决方案开辟对抗抗生素耐药微生物的新途径。

图1. 抗菌肽开发与生物组学相结合的数据方法概述

利用不同的组学数据集，可以对生物体相互作用和微生物耐药机制进行更细致的分析，促进鉴定具有增强功效的新型抗菌药物。通过整合进化生物学观点的隐藏信息，该框架潜在地利用了自然选择过程，这些过程塑造了不同生物中抗菌肽的多样性，指导了具有优化特性的肽的设计。将计算算法与进化生物学观点相结合的整体方法有可能彻底改变我们识别和设计抗菌肽的方式，从而产生更可靠和安全的治疗候选药物。

先进计算技术的出现，如监督深度学习或生成模型，已经彻底改变了抗菌肽的发现和设计。然而，“生命找到一条路”的概念目前并没有被计算科学家优先考虑，因为更多的努力致力于为抗菌肽设计开发高级监督或生成算法。只有很少的努力集中在挖掘蛋白质组和宏基因组上。与之前的方法相比，这篇评论强调了开发新型抗菌肽的“自然自身进化解决方案”的各个方面。

其中一个代表性的研究是提出用于生成抗菌肽序列的HydrAMP。HydrAMP包含无约束和模拟生成两种模式。HydrAMP的根本突破在于准确识别抗菌肽类似物以及区分抗菌肽和非抗菌肽序列。然而，它是为类似物生成而设计的，其生成无约束肽的性能仅通过物理化学特征的统计分析来评估，这对于设计与已知抗菌肽不同的新型抗菌肽有风险。此外，本工作中的分子动力学过程应谨慎使用，因为力场选择和模拟尺度可能导致预测偏差。随后对生成模型的研究也揭示了类似的问题。2023年的另一项工作开发了一个从粗到细的管道，涵盖了数十亿个长度为6-9个氨基酸的肽，用于发现有效的抗菌肽。虽然涵盖了所有可能性，但似乎是大海捞针，计算消耗不合理，成功率低。这种策略不适用于具有较长和高吞吐量任务的抗菌肽。总而言之，所有这些研究都过于关注改进算法，而没有考虑“生命总会找到出路”。

使用生物信息性数据无疑增加了具有选择性特异性的可药物抗菌肽的命中率。此外，结合生物数据，简单的人工智能算法可以有效地击中目标，副作用有限。使用简单的随机森林分类器，从人类微生物组数据中识别出加密的抗菌肽，命中对肠道共生体具有低脱靶活性的多个AMP候选物；在小鼠皮肤脓肿和大腿感染模型中，该工作识别的抗菌肽普雷沃特林-2在体内表现出与多粘菌素B相似的抗菌效果。此外，随机森林模型对古代尼安德特人古蛋白质组中的古代抗菌肽进行了“去灭绝”，其中有代表性的抗菌肽在体内对鲍曼不动杆菌具有抑制作用。2024年的一项后续研究构建了“AMP- sphere”，代表来自全球宏基因组的栖息地特定抗菌肽资源；使用简单的机器学习从“AMP-Sphere”中发现了大约100万种新的抗菌肽，其中领先的肽在体内显示出抗感染作用。这些研究指出，准确识别编码抗菌肽或来自较大蛋白质的抗菌片段的小开放阅读框是提高成功率的关键步骤。上述成功的研究案例引入了生物组学数据但并没有使用复杂算法，而只是使用简单的机器学习算法并找到了有效的抗菌肽，这表明除了复杂先进的算法之外，引入生物组学信息的重要性。

总之，尽管多种生物组学不可否认地加速了抗菌肽的发展，但驱动这些序列形成的潜在进化机制仍然知之甚少。我们迫切需要一种更加平衡的方法，将先进算法的优势与从生物进化中得出的见解结合起来，而不是过度依赖复杂的计算技术。从这些生物组学中获得的启示将增强我们对宿主抗菌肽如何区分病原物种和宿主细胞的理解，以及良好的生物相容性和免疫活性。

结  论

由于抗生素耐药性继续对公众健康构成危险威胁，对创新解决办法的需求日益迫切。抗菌肽代表了开发抗菌药物的一种有吸引力的大分子，并且通过数据授权的计算方法加速了它们的鉴定。然而，不适当的免疫反应或低生物相容性的风险问题似乎是当前计算技术面临的挑战。或者，整合生物组学数据（例如，元基因组、转录组、蛋白质组和其他组学数据）无疑提高了击中具有低细胞毒性、低溶血率或不适当免疫推断的可药物候选物的成功率。利用这些生物组学中的进化见解，“生命自有出路”的概念代表了一种有前途的策略。这种整体方法结合了先进的算法和进化生物学，产生了更可靠和安全的治疗方案（图1）。通过抗菌肽寻求安全有效的抗菌疗法是一项多方面的挑战，需要跨计算和生物学学科的合作。总而言之，正如伊恩·马尔科姆在《侏罗纪公园》中所说，“生命不会被限制。生活变得更加自由。它会扩张到新的领域，痛苦地、甚至是危险地冲破障碍，但就是这样。”