LL-37

迫切需要新型抗生素来对抗抗生素耐药性危机。2024年6月5日，复旦大学类脑智能科学与技术研究院与美国宾夕法尼亚大学的研究人员合作在Cell 在线发表题为“Discovery of antimicrobial peptides in the global microbiome with machine learning”的研究论文，该研究提出了一种基于机器学习的方法来预测全球微生物组中的抗菌肽(AMPs)，并利用来自环境和宿主相关栖息地的63,410个宏基因组和87,920个原核基因组的庞大数据集来创建AMPSphere，这是一个包含863,498个非冗余肽的综合目录，其中很少与现有数据库匹配。 AMPSphere提供了对肽进化起源的见解，包括通过复制或基因截断较长的序列，该研究观察到AMP的产生因栖息地而异。研究人员在体外和体内合成并测试了100种抗菌肽对临床相关耐药病原体和人类肠道共生菌的作用。共有79个肽具有活性，其中63个靶向病原体。这些活性AMPs通过破坏细菌膜表现出抗菌活性。总之，该研究的方法鉴定了近100万个原核AMPs序列，这是发现抗生素的开放资源。 抗生素耐药感染正变得越来越难以用常规疗法治疗。事实上，这类感染目前每年造成127万人死亡。因此，迫切需要新的方法来发现抗生素。最近已经开发出计算方法来加速识别新型抗生素的能力，包括抗菌肽(AMPs)。最近，蛋白质组挖掘方法甚至已经发展到鉴定灭绝生物中的抗菌剂，试图进一步扩大已知抗菌剂的范围。 AMPs存在于生命的所有领域，是能够干扰微生物生长的短序列(这里的定义为10-100个氨基酸残基)。AMPs最常见的干扰细胞壁完整性和导致细胞裂解。天然AMPs可以通过蛋白质水解，非核糖体合成产生等。 在自然环境中，细菌生活在对抗和互惠的复杂平衡中。AMPs在调节微生物相互作用中发挥重要作用，可以取代竞争菌株，促进合作。例如，志贺氏菌、葡萄球菌、霍乱弧菌和李斯特菌等病原体产生的抗菌肽会消除竞争对手(有时来自同一物种)，从而使它们占据自己的生态位。 抗菌肽有望成为潜在的治疗药物，并已在临床上用作抗病毒药物(例如恩氟韦肽和特拉匹韦)。具有免疫调节特性的抗菌肽目前正在进行临床试验，同样的还有可用于治疗酵母菌和细菌感染的肽(如培昔甘南、LL-37和PAC-113)。虽然大多数AMPs具有广谱活性，但有些AMPs仅对同一物种或属的近亲成员有效。与传统的广谱抗生素相比，这种抗菌药物更具针对性。此外，与传统抗生素相反，对许多AMPs的耐药性进化发生在低速率，并且与对其他广泛使用的抗生素的交叉耐药无关。 由于技术限制，宏基因组分析在AMPs研究中的应用受到限制，主要源于区分真实蛋白质编码序列和假阳性序列的挑战。因此，小开放阅读框(smORFs)的重要性在(meta)基因组分析中一直被忽视。近年来，人类相关smORFs的宏基因组分析取得了重大进展。这些进步结合了机器学习(ML)技术来识别编码属于特定功能类别的蛋白质的smORFs。值得注意的是，最近的一项研究使用预测smORFs从人类肠道微生物的宏基因组样本中发现了大约2000个AMPs。然而，值得注意的是，人类肠道只代表了整体微生物多样性的一小部分，这表明在全球不同栖息地的原核生物中发现AMPs仍然有巨大的潜力。 该研究使用ML来预测和编目目前在公共数据库中表示的全球微生物组中的AMPs。通过计算探索63410个公开可用的宏基因组和87920个高质量的微生物基因组，该研究发现了大量的AMPs多样性。这导致了AMPSphere的创建，这是一个863,498个非冗余肽序列的集合，包括来自(元)基因组数据的候选AMPs (c_AMPs)。值得注意的是，这些c_AMPs序列中的大多数以前没有被描述过。分析表明，这些c_AMPs是特定于特定栖息地的，并且在泛基因组中主要不是核心基因。 此外，该研究从AMPSphere中合成了100个c_AMPs，发现79个具有活性，其中63个在体外对临床重要的ESKAPEE病原体具有抗菌活性，这些病原体被认为是公共卫生问题。将这些肽与加密肽(EPs)进行比较，发现它们具有靶向细菌膜的能力，并倾向于采用α-螺旋结构和β-结构。值得注意的是，主要候选药物在临床前动物模型中显示出有希望的抗感染活性。总之，该研究证明了ML方法从全球微生物组中识别功能性AMPs的能力。 原文链接 https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1016/j.cell.2024.05.013 内容来源于网络，如有侵权，请联系删除。

本文为转化医学网原创，转载请注明出处 作者：Sophia 导读： 为了逃避免疫监视，肿瘤细胞在其膜表面表达外核苷酸焦磷酸酶磷酸二酯酶 1 （ENPP1），从而降解细胞外环状 GMP-AMP （cGAMP），从而抑制干扰素基因的环状 GMP-AMP 合酶 （cGAS） 刺激物 （STING） DNA 感应途径。为了充分了解这种肿瘤隐身机制，必须确定肿瘤微环境中是否也存在其他形式的具有水解cGAMP活性的ENPP1来调节这种先天免疫途径。 2024年3月18日，上海交通大学医学院季天海、杨朝勇、吴玲玲共同通讯在《Advanced Science》上发表题为“Tumor Exosomal ENPP1 Hydrolyzes cGAMP to Inhibit cGAS-STING Signaling”的研究论文，据报道， 多种肿瘤来源的外泌体携带ENPP1，能水解细胞产生的合成2′3′-cGAMP和内源性2′3′-cGAMP，抑制免疫细胞中的cGAS-STING通路。此外，肿瘤外泌体ENPP1还可以水解与LL-37（2′3′-cGAMP的有效转运蛋白）结合的2′3′-cGAMP，以抑制STING信号传导。此外，观察到从人乳腺癌和肺癌组织中分离出的外泌体中ENPP1的高表达，肿瘤外泌体ENPP1抑制CD8+ T细胞和CD4+ T细胞的免疫浸润。 研究结果阐明了肿瘤外泌体ENPP1在cGAS-STING通路中的基本功能，进一步加深了对肿瘤细胞和免疫系统之间串扰的理解。 https://onlinelibrary-wiley-com.libproxy1.nus.edu.sg/doi/full/10.1002/advs.202308131 研究背景 01 cGAS-STING通路是一种重要的先天免疫应答通路，在自身免疫性疾病和癌症中起着重要作用。从机理上讲，环状GMP-AMP合酶（cGAS）作为胞质DNA传感器，可以首先识别来自入侵微生物病原体或受损细胞的双链DNA（dsDNA），然后以三磷酸腺苷（ATP）和三磷酸鸟苷（GTP）为底物合成2′3′-环GMP-AMP（2′3′-cGAMP）。2′3′-cGAMP作为内源性第二信使，与干扰素基因刺激因子（STING）蛋白结合，募集坦克结合激酶1（TBK1）蛋白，激活干扰素调节因子IRF3。然后，磷酸化的 IRF3 进入细胞核并导致 I 型干扰素 （IFN） 的产生，从而启动抗癌和抗病毒的先天免疫反应。为了增强宿主的先天免疫反应，2′3′-cGAMP也可以输出到细胞外，以激活旁观者细胞中的cGAS-STING信号传导。事实上，2′3′-cGAMP 作为一种阴离子亲水分子，在依赖于病毒颗粒、细胞膜通道、SLC46A 溶质载体家族、工程跨膜 （TM） 缺陷 STING 蛋白或抗菌肽的细胞之间转移。 作为cGAS-STING通路的关键因素，了解细胞外cGAMP和转运蛋白-cGAMP复合物的命运是必要的。 截止目前，ENPP1是唯一可以水解免疫递质2′3′-cGAMP的可检测蛋白酶。然而， 除了分布在肿瘤细胞膜上的ENPP1蛋白外，肿瘤微环境中是否还存在其他形式的可以水解2′3′-cGAMP的ENPP1蛋白。 外泌体是由多种细胞类型分泌的脂质双层膜囊泡（直径 30-150 nm），携带母体细胞的各种生物活性分子（例如蛋白质和核酸）以促进细胞间通讯。事实上，研究表明，肿瘤来源的外泌体是肿瘤细胞与免疫细胞之间重要的通讯介质，也是肿瘤微环境中其他非肿瘤旁观者细胞之间的重要通讯介质，可以调节宿主的免疫反应。特别是，肿瘤来源的外泌体在调节先天免疫cGAS-STING信号转导中的作用逐渐被阐明。例如，经放射治疗的肿瘤细胞已被证明可以分泌携带dsDNA的外泌体，以激活免疫细胞中的STING。最近，信号转导接头分子 1 （STAM） 已被证明可以将活化的 STING 寡聚体转运到外泌体中并降解 STING 寡聚体以负调控 STING 信号转导。尽管这些研究表明外泌体在cGAS-STING通路的调控中起着重要作用，但 肿瘤来源的外泌体调节cGAMP的分子机制仍然未知，这限制了我们对肿瘤来源的外泌体在cGAS-STING信号通路和肿瘤免疫逃逸中的调控机制的充分认识。 研究结果 02 在此背景下，我们报道了各种肿瘤细胞衍生的外泌体携带 ENPP1 蛋白;事实上，ENPP1在这些外泌体中高度富集。我们发现肿瘤来源的外泌体可以帮助游离的 2′3′-cGAMP 激活 STING 信号传导。为了削弱外泌体介导的免疫增强，肿瘤外泌体ENPP1进一步水解细胞外2′3′-cGAMP，以抑制免疫细胞中的cGAS-STING通路。LL-37 作为一种由多种细胞类型表达的抗菌肽，已被证明是 2′3′-cGAMP 的有效转运蛋白，可以增强 cGAS-STING 信号转导的免疫反应。我们的研究还表明，肿瘤外泌体ENPP1可以有效地水解与LL-37结合的2′3′-cGAMP，从而抑制免疫细胞中的STING信号传导。事实上， 肿瘤外泌体 ENPP1 可能对任何形式的 2′3′-cGAMP 具有很强的降解活性，从而抑制 cGAS-STING 信号传导。 此外，我们的研究还表明，肿瘤外泌体ENPP1可以水解细胞产生的内源性2′3′-cGAMP，从而抑制旁观者细胞中的cGAS-STING通路。事实上， 我们观察到肿瘤外泌体在肺癌和乳腺癌患者的组织样本中表现出高 ENPP1 表达。重要的是，肿瘤外泌体ENPP1的表达水平分别与CD8+ T细胞和CD4+ T细胞浸润呈负相关。 肿瘤外泌体ENPP1介导的cGAS-STING信号通路在肿瘤微环境中水解2′3′-cGAMP和LL-37-2′3′-cGAMP的机制模型。 总体而言， 我们的研究揭示了肿瘤外泌体ENPP1通过水解2′3′-cGAMP抑制cGAS-STING信号传导的机制。 这突出了肿瘤来源的外泌体在先天免疫反应中的重要作用，并加深了我们对 ENPP1 介导的 cGAS-STING 通路的理解。 参考资料： https://onlinelibrary-wiley-com.libproxy1.nus.edu.sg/doi/full/10.1002/advs.202308131 注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。 热门·直播/活动 🕓 上海｜06月14日-16日 ▶ 第六届上海国际癌症大会将于6月14-16日在上海举办，学科交叉，共同推进肿瘤研究与诊治多模态！ 🕓 北京｜09月20日-21日 ▶ 第五届单细胞技术应用研讨会暨空间组学前沿研讨会欢迎您的参与！ 点击对应文字 查看详情