引言：抗菌肽（Antimicrobial peptides，AMPs）是先天免疫系统产生的一类具有抑菌活性的小分子多肽，广泛存在于各类物种中。AMPs对各种微生物，特别是致病微生物表现出快速和广谱的抗菌活性，这使其成为有吸引力的传统抗生素和防腐剂的替代品。
近日，爱生生命科学家团队在长寿研究领域又取得了重要进展，最新研究成果荣登国际知名学术期刊《The Journals of Gerontology, Series A: Biological Sciences and Medical Sciences 》（老年学系列期刊A-生物科学与医学科学）。论文题为《Antimicrobial Peptides From the Gut Microbiome of the Centenarians: Diversifcation of Biosynthesis and Youthful Development of Resistance Genes》（百岁老人肠道微生物组中的抗菌肽：多样化的抗菌肽生物合成和年轻化的抗性基因发展）。该论文通过分析不同生命阶段健康人的肠道宏基因组数据，研究了肠道微生物组中抗菌肽的潜在发展和耐药基因的分布模式，揭示了长寿可能得益于较高的抗菌肽多样性和较低的抗性基因水平，填补了百岁老人的肠道微生态环境中抗菌肽研究的空白。
科研再攀高峰！这是今年以来爱生生命长寿科研成果第三次荣登国际顶级期刊，这意味着爱生生命的领先成果获得国际顶尖学术殿堂的认可，也充分展现了爱生生命扎实的基础研究实力和蓬勃的科研爆发力，奠定了爱生生命在长寿科技领域的领先地位。
研究背景
研究目的
为了进一步研究挖掘长寿的关键因素，揭开肠道菌群中潜在AMPs及其抗性基因与年龄分布之间的关系，增强人们对肠道菌群与长寿关系的理解。同时为抗菌肽耐药性的发展和益生菌株的筛选提供启示，并为筛选源自人类肠道菌群的AMPs提供理论基础。
研究过程
该研究通过构建AMPs预测模型，分析预测不同年龄条件下宏基因组数据中潜在AMPs的分布模式。研究团队采集了50例健康人群的粪便样本，依据年龄分为三组：年轻组（YG，24-44岁，n=15）、老年组（OAG，68-85岁，n=15）和长寿老人组（CG，100-116岁，n=20），并对所有样本进行宏基因组测序。通过将宏基因组数据与AMPRGs库进行比较，发现了不同年龄组中AMPRGs的分布差异。
AMP预测模型
研究团队从多个AMP公共数据库和非AMP数据库中下载了数据，使用这些数据构建LSTM和ATT模型进行AMP/非AMP预测，模型准确率分别为97.24%和96.02%，AUC为1.0和0.99。两种模型均表现出优异的预测性能。此外，挑选有革兰氏阳性（Gram+）、革兰氏阴性（Gram-）标签的数据构建LSTM和ATT模型进行Gram+/Gram-的预测，模型准确率分别为87.06%和85.28%，AUC为0.95和0.93。
图1. LSTM模型对测试数据的分类性能。（A）LSTM模型对c_AMP的识别性能，包括ROC图、精确召回率图和混淆矩阵图；（B）与（A）类似，但针对c_AMP的Gram+/Gram-识别效果；LSTM，长短期记忆；ATT，注意力；c_AMP，候选AMP
不同年龄肠道微生物潜在AMP的多样性及总体分布模式
研究团队采用LSTM模型对源自50例样本的宏基因数据相应ORF数据集进行预测，并对预测得到的候选AMP（c_AMP）计算其在样本中的丰度。结果显示，在不对c_AMP的均匀度（evenness，Eve）进行限制的情况下，不同年龄组中特有的c_AMP随年增加呈递增趋势，且长寿组（CG）具有最多数量的特有c_AMP，其数量接近年轻组（YG）的两倍（图2A），且这种差异似乎随着年龄的增长而增加。
图2.c_AMP的年龄分布特征。(A)和(B)为所有c_AMP的组间分布结果；(C)为不同年龄组间c_AMP多样性的差异；(D)为百岁老人组和非百岁老人组间c_AMP多样性的差异，YOG代表非百岁老人组，为YG组和OAG组的组合；(E)和(F)为均匀性限制下c_AMP的年龄分布差异，提供不同组合中c_AMP数量及肽段长度分布的统计；c_AMP，候选AMP；CG，百岁老人组；OAG，老年人组；YG，青年组
为了了解百岁老人的c_AMP独特性，该研究将年轻组（YG）和老年组（OAG）合并，并与长寿组（CG）进行差异分析。结果表明，有3个c_AMPs在长寿组（CG）中显著富集（图3B），并推测这些c_AMPs可能对长寿特征有所贡献。
c_AMPs与肠道菌群相关性
此外，该研究还评估了三种与衰老关联性较大的菌种（Akkermansia muciniphila阿克曼氏菌、Bifidobacterium longum双歧杆菌和Bacteroides fragilis脆弱类杆菌）与重要AMP（ic_AMP）在宏基因组测序数据中的相关性，结果显示AMP_208040、AMP_238058、AMP_260767和AMP_326713与三种菌存在一定的关联性（cor>0.3、p<0.05）（图3D），表明这三种菌可作为ic_AMP具有长寿关联性的佐证。
人类肠道菌群中AMPRGs的年龄分布模式
图4.微生物宿主中的抗性基因。（A）显示各年龄组的平均 AMPRG 分布统计数据；（B）显示 YG 组中 AMPRG 在物种分类学层面的分布，仅显示最丰富的前 15 种物种；（C）与（B）类似，但针对 OAG 组和 CG 组；CG，百岁老人组；OAG，老年人组；YG，年轻人组；AMPRG，抗菌肽抗性基因
AMPRGs的数量可能代表了肠道菌群对AMP的耐药性能力。在AMPRGs数据库的基础上，通过比较获得了不同年龄段AMPRGs数量的组成。结果表明，随着年龄的增长，人群中分布的AMPRGs数量呈现先增加后减少的趋势，在老年组中的平均含量最高（图4A）。
图5.AMP 抗性基因类别热图，说明13个AMPRG 类别在不同年龄组中的分布情况。数字表示每组中AMPRG 的平均含量。AMPRG，抗菌肽抗性基因；CG，百岁老人组；OAG，老年人组；YG，年轻人组。
关于AMPRGs的类别分布，除了polymyxin B、Human Cathepsin G和Lactoferrin B在所有年龄组中都占主导地位外，被赋予多种AMP抗性的AMPRGs在所有年龄组中的丰度最高（图5）。在这13类AMPRGs，大部分（>45%）类别的抗性基因数量随年龄增加呈现先增加后下降的关系，其在老年组（OAG）中表现最多。然而，protamine、colistin和Lactoferrin B类别的AMPRGs则呈现随年龄增加而减少的趋势。
该研究结合机器学习方法分析不同年龄段个体的肠道宏基因组数据，探讨肠道微生物组中抗菌肽（AMP）合成的潜力和AMPRG的发育状况。结果表明，百岁老人可能拥有更多样化的抗菌肽（AMP）合成潜力和更年轻的AMPRG发育状态。
近年来，多项研究从肠道微生态为切入点探索长寿机制，并表明了肠道菌群与人类健康密切相关。肠道微生物群衍生的抗菌肽（AMP）已被证明是一种治疗多种疾病（包括肠道感染）和恢复促进健康的微生物群落的新方法。这些抗菌肽（AMP）同时在调节肠道微生物群失调方面发挥着至关重要的作用。跨年龄组比较发现，抗菌肽（AMP）种类数量随年龄增长而增加，百岁老人的抗菌肽（AMP）种类更加多样化。这些发现表明，与非百岁老人相比，百岁老人群体可能从多样化的c_AMP中获益，从而延长他们的寿命。
研究结果
综上所述，这项研究将有助于指导选择抗菌肽（AMP）储存库和开发新型抗菌肽（AMP），并可能有助于从抗菌剂的角度阐明百岁老人的长寿优势。此外，分析肠道微生物组AMPRGs还有助于预测新型耐药性抗菌剂的产生，为开发新型耐药性抗菌剂提供了科学依据，有望降低抗生素耐药性风险，具有巨大的应用潜力。