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简介 资料待整理。
以下摘自《ALA》，由ClaudeAI翻译：
Bacillus anthracis/炭疽芽孢杆菌是一种革兰氏阳性杆状细菌，可引起炭疽病，这是一种对家畜致命的疾病，有时也会感染人类。它是Bacillus/芽孢杆菌属属中唯一的永久性(专性)病原体。其感染是一种人畜共患病，因为它可以从动物传播给人类。1876年，德国医生罗伯特·科赫发现了这种细菌，这成为首个被实验证明为病原体的细菌。这一发现也是疾病病菌理论的首个科学证据。
炭疽芽孢杆菌长约3至5微米，宽1至1.2微米。其参考基因组包含一个5,227,419个碱基对的环状染色体和两个染色体外DNA质粒pXO1和pXO2，分别为181,677和94,830个碱基对，这些是其致病性的原因。它能形成一个称为内孢子的保护层，使其能在非活性状态下存活多年，并在适宜的环境条件下突然具有感染性。由于内孢子的抗性，该细菌成为最常见的生物武器之一。其蛋白质荚膜(聚-D-γ-谷氨酸)是逃避免疫反应的关键。它通过两种分泌的铁载体蛋白IsdX1和IsdX2来利用血红蛋白中的血红素。
系统发育树显示炭疽芽孢杆菌在菌株群中的位置。
炭疽芽孢杆菌的结构 未经治疗的炭疽芽孢杆菌感染通常是致命的。感染的表现为炎症性、黑色的坏死性病变(焦痂)。疮痂通常出现在面部、颈部、手臂或手部。致命症状包括类似流感的发烧、胸部不适、多汗和身体疼痛。1881年，法国化学家路易·巴斯德研发了首个针对炭疽病的动物疫苗。目前已有不同的动物和人用疫苗。这种感染可以用常见的抗生素如青霉素类、喹诺酮类和四环素类药物进行治疗。
描述：CD14和Mac-1协同作用增加巨噬细胞对炭疽芽孢杆菌孢子的内化作用。(a) CD14和TLR2在近距离协同传递激活信号。Mac-1起初处于闭合构象,使整联蛋白无法与孢子结合,阻止其进入细胞。(b) CD14与外壁层BclA上的鼠李糖残基结合,导致TLR2介导的PI3K激活。(c) PI3K的激活使Mac-1转变为开放构象,从而可以结合和内化孢子(信息来自Oliva等人2009年的研究)
炭疽芽孢杆菌是杆状细菌,长约3-5微米,宽1-1.2微米。在培养时,倾向于形成长链状细菌。在琼脂平板上,形成直径数毫米的大型菌落,通常呈白色或奶油色。大多数炭疽芽孢杆菌菌株产生荚膜,使菌落呈现粘液样外观。
它是少数几种已知能合成弱免疫原性和抗吞噬蛋白荚膜(聚-D-γ-谷氨酸)的细菌之一,这种荚膜可以使营养型细菌躲避宿主免疫系统。大多数其他细菌种类被多糖荚膜包围,而不是聚-γ-D-谷氨酸,这为炭疽芽孢杆菌提供了进化优势。多糖与中性粒细胞分泌的防御素结合会使细菌失活和降解。由于荚膜中不含这种大分子,炭疽芽孢杆菌可以躲避中性粒细胞的攻击并继续传播感染。荚膜成分的差异也很重要,因为聚-γ-D-谷氨酸据推测可以形成负电荷,保护细菌的营养期免受宿主巨噬细胞的吞噬。荚膜被降解为较低分子量并从细菌细胞表面释放,作为诱饵保护细菌免受宿主补体系统的攻击。
与Bordetella pertussis类似,它形成依赖钙调蛋白的腺苷酸环化酶外毒素[需要进一步解释],即炭疽水肿因子,以及炭疽致死因子。它在基因型和表型上与和Bacillus thuringiensis/苏云金芽孢杆菌非常相似。这三个物种具有相似的细胞尺寸和形态。所有这些细菌都形成位于未膨胀孢子囊中央的椭圆形孢子。特别是炭疽芽孢杆菌的内生孢子非常坚韧,能在数十年或数世纪内承受极端温度、低营养环境和严酷的化学处理。[需要引用]
内生孢子是一种具有厚壁和在细胞膜内形成的额外层的脱水细胞。它可以保持非活性多年,但如果进入适宜环境,就会重新开始生长。它最初在杆状形态内发育。特征如在杆状体内的位置、内生孢子的大小和形状,以及是否导致杆状体壁膨出等是特定芽孢杆菌属属物种的特征。根据物种不同,内生孢子呈圆形、椭圆形或偶尔呈圆柱形。它们具有高折射率,含有二吡啶甲酸。电子显微镜切片显示它们有一层薄的外内生孢子壁、厚的孢子皮层和包围孢子内容物的内孢子膜。内生孢子能抵抗热、干燥和许多消毒剂(包括95%乙醇)。由于这些特性,炭疽芽孢杆菌内生孢子非常适合作为生物武器使用(以粉末和气溶胶形式)。这种武器化在过去至少已被五个国家的生物武器项目实现—英国、日本、美国、俄罗斯和伊拉克—并已被其他几个国家尝试。
演化：通过全基因组测序已经可以非常准确地重建炭疽芽孢杆菌的系统发育关系。促成这一重建的一个因素是炭疽芽孢杆菌具有单态性,意味着它具有低遗传多样性,包括自其作为一个物种衍生以来没有任何可测量的横向DNA转移。这种多样性的缺乏是由于其较短的进化历史,使得单核苷酸多态性尚未达到突变饱和。
较短的进化时间并不一定意味着较短的年代时间。当DNA复制时,会发生错误从而产生基因突变。这些突变随时间积累导致物种进化。在炭疽芽孢杆菌的生命周期中,它在土壤孢子储存阶段度过了相当长的时间,在此期间DNA复制并不发生。这些长期的休眠期大大降低了该生物的进化速率。
相关菌株
炭疽芽孢杆菌属于群,该群包括以下菌株:、炭疽芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、Bacillus mycoides和Bacillus pseudomycoides。前三个菌株对昆虫或哺乳动物具有致病性或机会致病性,而后三个则不被认为具有致病性。这个群体的菌株在整体上在遗传和表型上都具有异质性,但一些菌株在染色体水平上更为密切相关且系统发育上相互交织。群通常具有复杂的基因组,大多携带不同数量的质粒。
是一种土壤细菌,可以作为共生菌定植在无脊椎动物的肠道中,也是常见的食物中毒病原。它产生催吐毒素、肠毒素和其他毒力因子。肠毒素和毒力因子编码在染色体上,而催吐毒素则编码在270-kb的质粒pCER270上。
苏云金芽孢杆菌是一种微生物病原体,其特征是产生具有杀虫活性的Cry和Cyt副孢晶体毒素。编码这些蛋白的基因通常位于质粒上,这些质粒可能会从生物体中丢失,使其与难以区分。
对Cereus分支的系统基因组分析结合平均核苷酸同一性(ANI)分析揭示,炭疽芽孢杆菌物种还包括一些被注释为和苏云金芽孢杆菌的菌株。
假基因
PlcR是一个全局转录调节因子,控制着和苏云金芽孢杆菌中大多数分泌性毒力因子。它编码在染色体上并在整个细胞中普遍存在。然而在炭疽芽孢杆菌中,plcR基因在位置640处有一个单碱基改变,这个无意义突变产生了一个功能缺失的蛋白。虽然1%的群携带失活的plcR基因,但没有一个携带仅在炭疽芽孢杆菌中发现的这种特定突变。
plcR基因与papR构成一个双基因操纵子。papR基因编码一个小蛋白,该蛋白从细胞中分泌后作为经过处理的七肽重新导入,形成群体感应系统。炭疽芽孢杆菌缺乏PlcR是将其与群其他成员区分开的主要特征。虽然和苏云金芽孢杆菌依赖plcR基因表达其毒力因子,但炭疽芽孢杆菌依赖pXO1和pXO2质粒来表达其毒力。生物型炭疽,即携带这两个质粒的,也能够引起炭疽。
基因组结构：炭疽芽孢杆菌有一个单一的染色体，是一个由5,227,293个碱基对组成的环状DNA分子。它还有两个环状的、染色体外的双链DNA质粒，pXO1和pXO2。pXO1和pXO2质粒都是完全致病性所必需的，代表两个不同的质粒家族。
特征 染色体 pXO1 pXO2
大小(bp) 5,227,293 181,677 94,829
基因数量 5,508 217 113
复制子编码(%) 84.3 77.1 76.2
平均基因长度(nt) 800 645 639
G+C含量(%) 35.4 32.5 33.0
rRNA操纵子 11 0 0
tRNA 95 0 0
sRNA 32 0 0
噬菌体基因 62 0 0
转座子基因 181 5 6
中断的阅读框 375 7 7
已分配功能的基因 2,762 65 38
保守的推测基因 1,212 22 19
功能未知的基因 657 8 5
推测基因 877 122 51
pXO1质粒
pXO1质粒（182 kb）包含编码炭疽毒素组分的基因：pag（保护性抗原，PA）、lef（致死因子，LF）和cya（水肿因子，EF）。这些因子位于质粒上44.8-kb的致病岛（PAI）内。致死毒素是PA与LF的组合，水肿毒素是PA与EF的组合。PAI还包含编码转录激活因子AtxA和抑制因子PagR的基因，这两者都调控炭疽毒素基因的表达。
pXO2质粒
pXO2编码一个五基因操纵子（capBCADE），用于合成聚-γ-D-谷氨酸（聚谷氨酸）荚膜。这个荚膜通过保护自身免受吞噬作用，使炭疽芽孢杆菌能够逃避宿主免疫系统。荚膜操纵子的表达由位于pXO2致病岛（35 kb）中的转录调节因子AcpA和AcpB激活。来自pXO1的AtxA控制AcpA和AcpB的表达。
菌株/品系：89个已知的炭疽芽孢杆菌菌株包括：
Sterne菌株(34F2；又称"︁Weybridge菌株/Weybridge strain"︁)，由Max Sterne在1930年代用于疫苗研制
Vollum菌株，曾被美国、英国和伊拉克武器化；1935年从英国牛津郡的一头牛身上分离
Vollum M-36，具毒性的英国研究菌株；通过恒河猴传代36次
Vollum 1B，在1940-60年代被美国和英国武器化
Vollum-14578，用于英国生物武器试验，在1942年严重污染了格鲁纳德岛/Gruinard Island
V770-NP1-R，用于BioThrax疫苗的无毒、无荚膜菌株
炭疽836，由苏联武器化的高毒性菌株；1953年在基洛夫/Kirov发现
Ames菌株，1981年从得克萨斯州的一头牛身上分离；在2001年著名的炭疽邮件袭击事件(AMERITHRAX)中被使用
Ames Ancestor
Ames Florida
H9401，从韩国人类患者中分离；用于研究性炭疽疫苗
临床方面：致病机理
炭疽芽孢杆菌具有抗吞噬荚膜,这对其完全毒力是必需的。该菌株还产生三种质粒编码的外毒素:水肿因子(一种钙调蛋白依赖性腺苷酸环化酶,导致细胞内cAMP升高,引起炭疽芽孢杆菌感染通常出现的严重水肿)、致死毒素(导致组织坏死)以及保护性抗原(因其用于生产保护性炭疽疫苗而得名),它介导水肿因子和致死毒素进入细胞。[需要引用]
人类疾病表现
炭疽的症状取决于感染类型,可能在1天到2个月以上才出现。所有类型的炭疽如果不经治疗,都有可能扩散全身并导致严重疾病甚至死亡。
根据入侵途径,人类炭疽病可分为四种形式:
皮肤型:最常见形式(95%),引起局部炎症性黑色坏死病变(痂皮)。疮口通常出现在面部、颈部、手臂或手部。暴露后1-7天内可能发病。
吸入型:罕见但致死率极高,特征是流感样症状、胸部不适、出汗和身体疼痛。通常在暴露一周后发病,但最长可达两个月。
胃肠型:罕见但同样致命(致死率25%),由摄入芽胞引起。症状包括:发烧和寒战、颈部肿胀、吞咽困难、声音嘶哑、恶心呕吐(特别是血性呕吐)、腹泻、面部潮红和眼睛发红、腹部肿胀。症状可在1-7天内出现。
注射型:症状类似于皮肤型炭疽,但注射型炭疽在体内传播更快,比皮肤型更难识别和治疗。症状包括发烧、寒战、在病原体注射部位出现可能发痒的小疙瘩或水泡群。水泡或疙瘩之后出现带有黑色中心的无痛疮口。疮口周围肿胀。在病原体注射部位的皮下深处或肌肉中形成脓肿。这种感染途径在美国从未发现过。
预防和治疗
已开发多种炭疽疫苗用于家畜和人类的预防。吸附性炭疽疫苗(AVA)可能预防皮肤型和吸入型炭疽。但该疫苗仅用于暴露前的高风险成年人,尚未获准用于暴露后。炭疽芽孢杆菌感染可用β-内酰胺类抗生素如青霉素和其他对革兰氏阳性菌有效的抗生素治疗。对青霉素耐药的炭疽芽孢杆菌可用氟喹诺酮类药物如环丙沙星或四环素类抗生素如多西环素治疗。[需要引用]
实验室研究：茶叶的成分，如多酚，具有显著抑制炭疽芽孢杆菌及其毒素活性的能力；但是对孢子没有影响。在茶中加入牛奶会完全抑制其对炭疽杆菌的抗菌活性。在实验室中对炭疽芽孢杆菌的活性并不能证明饮茶会影响感染的进程，因为这些多酚在体内如何被吸收和分布尚不清楚。炭疽芽孢杆菌可以在PLET琼脂上培养，这是一种专门用于选择性培养炭疽芽孢杆菌的选择性和鉴别性培养基。
最新研究
基因分型方法的进步促进了对变异和亲缘关系的遗传分析。这些方法包括多位点可变数量串联重复分析（MLVA）和使用规范单核苷酸多态性的分型系统。2003年对Ames祖先株的染色体进行了测序，有助于识别参与炭疽芽孢杆菌毒力的基因。最近，从一名患有胃肠炭疽的韩国患者身上分离出了炭疽芽孢杆菌 H9401菌株。韩国的目标是将这株菌作为挑战菌株来开发抗炭疽重组疫苗。
在韩国分离的H9401菌株使用454 GS-FLX技术进行测序，并使用多种生物信息学工具进行比对、注释，并与其他炭疽芽孢杆菌菌株进行比较。测序覆盖水平表明pXO1:pXO2:染色体的分子比例为3:2:1，这与Ames Florida和Ames Ancestor菌株相同。H9401与Ames Ancestor的序列同源性为99.679%，氨基酸序列同源性为99.870%。H9401具有环状染色体（5,218,947碱基对，预测有5,480个开放阅读框），pXO1质粒（181,700碱基对，预测有202个开放阅读框）和pXO2质粒（94,824碱基对，预测有110个开放阅读框）。与上述Ames Ancestor染色体相比，H9401染色体小约8.5 kb。由于其高致病性和与Ames Ancestor的序列相似性，H9401将被韩国用作测试候选炭疽疫苗效力的参考株。
自从对B. anthracis基因组进行测序以来，人们正在尝试其他方法来对抗这种疾病。细菌已经发展出几种策略来逃避免疫系统的识别。所有细菌采用的主要避免检测机制是分子伪装。外层的细微修饰使细菌实际上对溶菌酶不可见。已经确定和表征了三种这样的修饰。这包括（1）N-乙酰氨基葡萄糖醛酸的N-糖基化，（2）N-乙酰氨基葡萄糖醛酸的O-乙酰化和（3）N-乙酰氨基葡萄糖的N-去乙酰化。近年来的研究集中在抑制这些修饰上。因此，正在研究催化多糖去乙酰化酶的酶学机制，该酶催化肽聚糖层成分N-乙酰氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖醛酸的乙酰基的去除。[需要引用]
宿主互作：与大多数其他致病细菌一样，炭疽芽孢杆菌必须获取铁元素才能在宿主环境中生长和繁殖。对致病细菌来说，最容易获得的铁源是宿主用于运输氧气的血红素基团。为了从宿主的血红蛋白和肌红蛋白中获取血红素，炭疽芽孢杆菌使用两种分泌型铁载体蛋白IsdX1和IsdX2。这些蛋白可以将血红素从血红蛋白中分离出来，使炭疽芽孢杆菌的表面蛋白能够将其转运入细胞。
炭疽芽孢杆菌必须逃避免疫系统才能建立成功的感染。炭疽芽孢杆菌孢子一旦进入宿主就会立即被巨噬细胞和树突状细胞吞噬。树突状细胞可以通过有效的细胞内清除来控制感染，但巨噬细胞可以通过穿过一层薄薄的上皮或内皮细胞直接将细菌转运到宿主内部，从而到达循环系统。通常在吞噬过程中，病原体在被巨噬细胞内化后会被消化。然而，炭疽孢子并没有被降解，而是劫持了巨噬细胞的功能来逃避宿主免疫系统的识别。炭疽芽孢杆菌孢子的吞噬始于吞噬细胞胞外膜上的跨膜受体与孢子表面的分子相互作用。CD14是一种嵌入宿主膜中的胞外蛋白，它与炭疽芽孢杆菌外孢子壳的糖蛋白BclA的鼠李糖残基结合，促进整合素Mac-1的内向外激活，增强巨噬细胞对孢子的内化。这个级联反应导致吞噬细胞的活化和炎症反应的诱导。
取样：通过对非多孔表面采样可以确定炭疽芽孢杆菌的存在。
如何使用纤维素海绵在非多孔表面采样
如何使用大孔泡沫拭子在非多孔表面采样
历史背景：炭疽芽胞杆菌炭疽芽孢杆菌的CapD蛋白晶体结构
法国医生卡西米尔·达万(Casimir Davaine, 1812-1882)证明了炭疽病的症状必然伴随着微生物炭疽芽胞杆菌(炭疽芽孢杆菌)。德国医生阿洛伊斯·波伦德(Aloys Pollender, 1799-1879)被认为是该菌的发现者。1876年，罗伯特·科赫首次确切证明炭疽芽孢杆菌是致病菌。该物种名anthracis源自希腊语anthrax(ἄνθραξ)，意为"︁煤炭/coal"︁，指的是最常见的一种疾病形式-皮肤炭疽，其特征是形成大面积的黑色皮肤损害。
在整个19世纪，炭疽病的研究推动了几项重要的医学发展。路易斯·巴斯德研制的兽用炭疽疫苗是第一个含有活体生物的疫苗。