基于基础模型框架揭示肠道微生物抗菌肽的进化奥秘与治疗潜力

这篇研究开创性地开发了AMP-SEMiner框架，整合蛋白质语言模型（PLM）、结构聚类和进化分析，从宏基因组中系统挖掘了160万种新型抗菌肽（AMP）候选物。实验验证显示9/20候选肽具有抗菌活性，其中5种效力超越抗生素，为应对抗生素耐药性（AMR）提供了全新解决方案。该研究首次揭示了肠道菌群AMPome（抗菌肽组）的保守与适应性进化策略，为微生物组疗法开发奠定基础。

　　

AMP-SEMiner框架的构建与创新
研究团队开发的AMP-SEMiner框架包含五大核心模块：基于ESM-2模型微调的AMP发现模型、结构聚类分析、进化追踪、实验验证和分子动力学模拟。该框架突破传统方法局限，首次实现同时识别小开放阅读框（smORF）编码和AMP-containing protein（含AMP蛋白）衍生的抗菌肽。通过残基级分类策略，模型将蛋白质序列中的每个氨基酸标记为AMP阳性或阴性，连续5个以上阳性残基即判定为潜在AMP。

数据优化与模型性能
针对已知AMP与背景蛋白的长度偏差问题（AMP中位长度15aa vs 背景蛋白200aa），研究团队创新性地构建残基级标注数据集，将18,992个含AMP蛋白与210万阴性蛋白的长度分布对齐。三种训练方案对比显示，完全微调的token分类模型表现最优，测试集精确度达0.9，在APD3和LAMP2独立数据集上保持稳定性能。与12种现有工具相比，AMP-SEMiner在蛋白水平和残基水平均展现显著优势，尤其擅长识别加密肽段（EP）。

160万候选AMP的发现
应用该框架分析人类、动物和环境宏基因组，共鉴定167万独特AMP候选物（c_AMP），其中91.2%为新发现。这些c_AMP具有典型抗菌肽特征：净正电荷（平均+3.2）、两亲性（疏水矩0.6）和膜结合潜力（Boman指数<5）。值得注意的是，AMP_c423家族（含82个成员）在猪和人类肠道中高度保守，其衍生肽p17对粪肠球菌（E. faecalis）的MIC低至2.64μM，优于达托霉素。

实验验证与机制解析
20个代表性c_AMP中，9个显示出广谱抗菌活性（MIC 4.06-64μM）。PI染色和分子动力学模拟揭示其通过两阶段机制破坏细菌膜：先通过精氨酸（R23）等关键残基定向吸附，再插入膜内形成稳定孔道。特别的是，变异肽p17-var8（K→R突变）保持活性，说明功能残基的可替代性。安全性评估显示多数活性肽溶血率低（HC₅₀>1000μM），但抗菌效力与细胞毒性存在权衡（CC₅₀ 357.8-977μM）。

进化与生态启示
分析四个人类肠道菌群发现：现代人群共享14,523个AMP编码基因家族，而古人类菌群呈现独特谱系。Tajima's D分析表明AMP基因受非中性选择，如AMP_c268在拟杆菌（Bacteroides）和副普雷沃菌（Paraprevotella）中呈现饮食适应性分化。基因簇分析揭示AMP_c423与吡咯喹啉醌合成蛋白（PqqD）、丝氨酸蛋白酶（peptidase_S24）共定位，暗示前体加工机制。

应用前景与局限
研究者搭建了MAG-AMPome在线平台（https://mag-ampome.aigene.org.cn），提供AMP结构预测和理化参数查询。尽管存在偏向短肽（>5aa）的筛选局限，该工作为抗感染治疗提供了新思路——例如源自真核生物的结构类似物AMP_c13837（与APD3中cecropin的TM-score>0.7），提示跨界AMP的趋同进化可能。未来可基于天然模板设计合成肽，平衡效力和安全性。