摘要

朊病毒和类朊病毒蛋白经典上与蛋白质错误折叠相关，但淀粉样变性序列也可能参与宿主防御。本研究利用深度学习，对来自2,897个经整理的朊病毒相关蛋白的1,930万个片段进行了筛选，鉴定出1,179个候选抗菌肽，并将其命名为prionins（朊病毒素）。在合成的75个prionins中，59个抑制了细菌病原体，53个扰乱了细胞膜，其中2个在小鼠模型中降低了鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）的感染负荷。

关键词：深度学习；抗菌肽；朊病毒；prionins；抗生素发现

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• Holmboe, C. M. H., Riis, T., Han, X., Frossard, A., Romaní, A. M., Kjær, J. B., et al. (2026). Spatial and temporal variability of microbial nitrogen cycling genes in Arctic streams. Global Biogeochemical Cycles, 40, e2025GB008569. https://doi.org/10.1029/2025GB008569
• 期刊：Global Biogeochemical Cycles（IF=5.5）
• 发表时间：2026年2月23日

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研究总结

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背景介绍

朊病毒最广为人知的是其模板化构象转换和神经退行性功能，然而淀粉样变性蛋白越来越多地被视作功能多样而非单一病理性的分子。与此同时，抗菌肽（antimicrobial peptides, AMPs）已被确认为宿主防御的核心效应分子，并成为对抗耐药病原体的抗生素发现的重要模板。已有报道表明，多种淀粉样相关蛋白——包括淀粉样蛋白-β（amyloid-β）和细胞型朊病毒蛋白——表现出抗菌或宿主保护活性，这提示聚集倾向性蛋白可能在其一级序列中编码隐藏的抗菌片段。然而，这类加密肽是否广泛存在于朊病毒和类朊病毒蛋白中，此前尚未得到系统性检验。

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重要结果

结果1：深度学习挖掘揭示朊病毒蛋白中广泛分布的加密抗菌肽

研究人员利用APEX 1.1深度学习框架，对2,897个UniProt数据库中标注为朊病毒相关的蛋白条目进行挖掘，枚举了所有长度为8至50个氨基酸残基的独特片段，共获得19,324,138个候选肽段。APEX 1.1对这些片段进行多任务回归预测，针对11种临床相关病原菌株（包括鲍曼不动杆菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、粪肠球菌和屎肠球菌）预测其最低抑菌浓度（minimum inhibitory concentration, MIC）。最终，1,179个片段的中位预测MIC ≤ 64 μmol/L，被定义为候选prionins。这些候选肽来源于1,068个生物体，涵盖真菌、后生动物和单细胞真核生物，表明加密抗菌潜力在朊病毒相关序列空间中广泛分布。

图1 | 深度学习挖掘朊病毒蛋白组中的加密抗菌肽。a，研究策略示意图。b，候选prionins的来源生物系统发育分布。c，prionins与已知AMP数据库的序列空间投影比较。d，75个合成prionins对11种病原菌的MIC热图。

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结果2：Prionins通过膜扰动发挥抗菌作用

为了探究prionins的作用机制，研究人员检测了其对细菌膜的扰动能力。圆二色光谱显示，许多肽在水溶液中呈无规则卷曲状态，但在膜模拟或螺旋促进环境中形成更有序的构象，提示其在靶标结合时可诱导折叠。随后，研究者以大肠杆菌AIC221为模型，采用N-苯基-1-萘胺（NPN）摄取实验评估外膜通透化，以及3,3’-二丙基硫代二碳菁碘化物（DiSC₃-5）实验评估细胞质膜去极化。结果显示，多数活性prionins显著增加了外膜通透性并导致细胞质膜电位崩溃，其效果往往达到或超过参比抗生素（如多黏菌素B和左氧氟沙星）。尽管不同肽的效果幅度存在差异，整体模式支持膜扰动是这类分子的主要作用机制。

图2 | Prionins的作用机制、选择性及体内疗效。a，代表性活性prionins对大肠杆菌AIC221的外膜通透化（NPN摄取）。b，代表性活性prionins引起的细胞质膜去极化（DiSC₃-5）。c，抗菌活性与溶血活性（HC₅₀）及细胞毒性（CC₅₀）的比较，识别出高选择性prionins。d，小鼠皮肤脓肿模型的示意图。e，prionin-7和prionin-38局部治疗后第2天和第4天的细菌负荷。f，治疗期间小鼠体重变化。

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结果3：Prionins具有良好的选择性和体内抗感染活性

抗菌肽开发的主要障碍之一是宿主毒性。研究人员评估了prionins对人红细胞的溶血活性和对人胚肾HEK293T细胞的细胞毒性。结果表明，溶血现象极为罕见，75个prionins中仅有1个在测试浓度范围内表现出溶血活性。细胞毒性更为常见，提示并非所有prionins都具有同等可开发性。然而，仍有16个活性肽在最高测试浓度下既未显示溶血也未显示细胞毒性，证明抗菌活性可与哺乳动物细胞毒性分离。为进一步验证体内活性，研究人员选取了两个先导肽——源自Thelonectria olida的prionin-7和源自秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的prionin-38，在鲍曼不动杆菌皮肤脓肿小鼠模型中进行测试。单次局部给药（10×MIC）在感染后1小时施用，第2天即显著降低细菌负荷，效果与多黏菌素B相当。至第4天，prionin-38仍维持约三个数量级的减少，而prionin-7则呈现约一个数量级的减少。所有治疗组均未观察到体重减轻。

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方法学参考

关键方法要点：

• APEX 1.1深度学习框架：基于循环神经网络和注意力机制的肽序列编码器，结合多任务回归（物种特异性MIC预测）和分类（AMP/非AMP判别）双预测头，集成学习增强鲁棒性
• AAindex表征：每个氨基酸由566维理化性质向量表示，替代传统独热编码
• 序列相似性控制：候选肽与已知AMP及彼此间相似性低于70%，确保新颖性和多样性
• 体内模型：CD-1雌性小鼠鲍曼不动杆菌皮肤脓肿模型，局部给药，第2天和第4天定量菌落形成单位

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总结

本研究通过深度学习揭示了朊病毒和类朊病毒蛋白是一类出乎意料丰富的加密抗菌肽来源。这一发现拓展了“抗菌活性可隐藏于非经典免疫效应蛋白中”的观点，并将其延伸至朊病毒生物学领域。研究结果表明，聚集倾向性蛋白的序列特征可以与膜活性抗菌片段共存甚至衍生出后者。值得注意的是，本研究并未证明prionins在感染过程中天然释放或在原生宿主中作为先天免疫效应分子发挥作用，而是确立了朊病毒相关蛋白作为抗生素发现的生产性来源空间，并为检验加密肽在特定生物学背景下是否参与宿主防御提供了框架。总体而言，深度学习从朊病毒相关蛋白组中发现了超过1,000个候选prionins，其中一部分经过实验验证具有活性、膜扰动能力，并在选定案例中展现出体内疗效。这些结果将朊病毒相关序列空间与抗菌功能联系起来，突显了非常规蛋白类别作为抗生素先导化合物来源的潜力。

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参考文献

1. Torres, M. D. T., Wan, F., & de la Fuente-Nunez, C. (2026). Deep learning reveals antimicrobial peptides within prions. Nature Microbiology. https://doi.org/10.1038/s41564-026-02408-1

重要网站：

• APEX 1.1代码仓库：https://gitlab.com/machine-biology-group-public/apex-pathogen
• UniProt数据库：https://www.uniprot.org/
• DBAASP数据库：https://dbaasp.org/home
• APD3数据库：https://aps.unmc.edu/
• DRAMP数据库：http://dramp.cpu-bioinfor.org/