通過分析來自400多種引起炭疽的細(xì)菌菌株的基因組序列，研究人員提供了第一個證據(jù)，即特定菌株的嚴(yán)重性(技術(shù)上稱為毒力)可能與它們攜帶的某些質(zhì)粒的拷貝數(shù)有關(guān)。質(zhì)粒是細(xì)胞的遺傳結(jié)構(gòu)，可以獨(dú)立繁殖，并負(fù)責(zé)產(chǎn)生炭疽毒素和其他毒力因子。

該研究發(fā)現(xiàn)，從人類和動物采集的細(xì)菌菌株往往比從環(huán)境來源收集的細(xì)菌菌株具有更多的毒力質(zhì)?？截?。該研究由佐治亞理工學(xué)院和疾病控制與預(yù)防中心(CDC)的科學(xué)家合作，使用CDC從20世紀(jì)50年代開始收集的來自世界各地的炭疽桿菌菌株。

佐治亞理工學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院的教授Kostas Konstantinidis說：“有一種假設(shè)認(rèn)為拷貝數(shù) - 質(zhì)粒的拷貝數(shù) - 對每種菌株的毒性有影響。”“我們想要了解哪種毒性較強(qiáng)的菌株，毒性較小，解釋差異的原因。本研究首次證明質(zhì)?？截悢?shù)存在顯著差異，可能與毒力有關(guān)。但更多的研究是需要測試這個新出現(xiàn)的假設(shè)。“

該研究由CDC和國家科學(xué)基金會贊助，于8月14日在美國微生物學(xué)會的開放獲取期刊mSystems上發(fā)表。該研究涉及超過600千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將與其他致力于了解炭疽的研究人員共享。

在炭疽芽孢桿菌中，兩種質(zhì)粒(稱為pXO1和pXO2)是編碼毒素和其他毒力因子的自主和獨(dú)立的DNA片段。在細(xì)菌中，像這樣的質(zhì)粒傾向于獨(dú)立于生物體的主要染色體移動，并且可以通過DNA轉(zhuǎn)移的遺傳機(jī)制從一個菌株跳到另一個菌株。例如，細(xì)菌對抗生素的抗性也可通過質(zhì)粒移動轉(zhuǎn)移。有趣的是，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)炭疽質(zhì)粒在菌株之間顯示出有限的遺傳交換;相反，它們是從祖先遺傳而來，類似于染色體。

“這項(xiàng)工作以及在喬治亞理工學(xué)院和疾病預(yù)防控制中心對來自世界各地的炭疽桿菌菌株的這些基因組進(jìn)行的其他分析有助于進(jìn)一步確定這種健康威脅的全球多樣性，”CDC的Zoonotic Select Agent Lab負(fù)責(zé)人Alex Hoffmaster說道。該文章的共同作者。“了解菌株及其分布的更多信息可以幫助我們更容易地確定炭疽病例是由天然或人為來源引起的，因此我們可以根據(jù)需要做出反應(yīng)，以保護(hù)公眾的健康。”

Konstantinidis說，這項(xiàng)研究還可以提供有關(guān)其他生物的信息。“超越炭疽芽孢桿菌，這項(xiàng)工作可以幫助更好地了解攜帶類似質(zhì)粒的其他生物的毒力潛力。能夠區(qū)分更多毒力和毒力更小的菌株是微生物學(xué)的一個更廣泛的挑戰(zhàn)。”

該研究始于疾病預(yù)防控制中心高后病病原體和病理學(xué)部的研究人員，他們利用新一代技術(shù)對不同的炭疽芽孢桿菌菌株進(jìn)行測序。該機(jī)構(gòu)將其數(shù)據(jù)提供給佐治亞理工學(xué)院的Konstantinidis實(shí)驗(yàn)室，研究生助理Angela Pena-Gonzalez領(lǐng)導(dǎo)了數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)分析。

“我們能夠使用測序數(shù)據(jù)來計(jì)算拷貝數(shù)與每種菌株來源的相關(guān)性，”她解釋說。“我們使用質(zhì)粒的全長來計(jì)算拷貝數(shù)，我們的結(jié)果是基于從幾個來源 - 人類，動物和環(huán)境 - 獲得的數(shù)百種菌株的分析，而不僅僅是其中的幾種。這是一個我們研究的優(yōu)勢。“

佐治亞理工學(xué)院開發(fā)的分析技術(shù)允許在400多個基因組上進(jìn)行全基因組比較 - 這是一項(xiàng)重大的數(shù)據(jù)科學(xué)挑戰(zhàn)。研究表明，炭疽芽孢桿菌基因組平均分別攜帶3.86和2.29拷貝的pXO1和pXO2質(zhì)粒，并且兩種質(zhì)粒的拷貝數(shù)之間存在正線性相關(guān)性。

康斯坦丁尼斯說：“可以進(jìn)行全基因組測序的技術(shù)，但數(shù)據(jù)處理和解釋還不是很簡單。”“數(shù)據(jù)的大小需要一個特定的過程和豐富的經(jīng)驗(yàn)。兩年前，當(dāng)我們開始研究時，我們分析這些數(shù)據(jù)的方式甚至都沒有。”

除了毒力拷貝數(shù)的可能相關(guān)性之外，該研究還顯示菌株的基因組令人驚訝地一致。“這項(xiàng)工作表明這些質(zhì)粒相對穩(wěn)定，盡管我們發(fā)現(xiàn)一些菌株具有不同品種的質(zhì)粒，似乎已經(jīng)減弱了毒力，”他說。

下一步是進(jìn)一步研究動物研究中拷貝數(shù)和毒力之間可能的相關(guān)性。

康斯坦丁尼希望繼續(xù)與疾病預(yù)防控制中心合作，以更好地了解炭疽病和其他對公眾健康有影響的生物體的毒力和其他因素。

“疾控中心擁有像炭疽菌株這樣的獨(dú)特資源，我們希望繼續(xù)這種合作，以進(jìn)一步了解這種和其他病原體的情況，”他說。“公共衛(wèi)生和提高我們對這些生物背后基礎(chǔ)生物學(xué)的理解有很多應(yīng)用。”