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通过分析来自400多种引起炭疽的细菌菌株的基因组序列，研究人员提供了第一个证据，即特定菌株的严重性(技术上称为毒力)可能与它们携带的某些质粒的拷贝数有关。质粒是细胞的遗传结构，可以独立繁殖，并负责产生炭疽毒素和其他毒力因子。
该研究发现，从人类和动物采集的细菌菌株往往比从环境来源收集的细菌菌株具有更多的毒力质粒拷贝。该研究由佐治亚理工学院和疾病控制与预防中心(CDC)的科学家合作，使用CDC从20世纪50年代开始收集的来自世界各地的炭疽杆菌菌株。
佐治亚理工学院土木与环境工程学院的教授Kostas Konstantinidis说：“有一种假设认为拷贝数 - 质粒的拷贝数 - 对每种菌株的毒性有影响。”“我们想要了解哪种毒性较强的菌株，毒性较小，解释差异的原因。本研究首次证明质粒拷贝数存在显着差异，可能与毒力有关。但更多的研究是需要测试这个新出现的假设。“
该研究由CDC和国家科学基金会赞助，于8月14日在美国微生物学会的开放获取期刊mSystems上发表。该研究涉及超过600千兆字节的数据，这些数据将与其他致力于了解炭疽的研究人员共享。
在炭疽芽孢杆菌中，两种质粒(称为pXO1和pXO2)是编码毒素和其他毒力因子的自主和独立的DNA片段。在细菌中，像这样的质粒倾向于独立于生物体的主要染色体移动，并且可以通过DNA转移的遗传机制从一个菌株跳到另一个菌株。例如，细菌对抗生素的抗性也可通过质粒移动转移。有趣的是，这项研究发现炭疽质粒在菌株之间显示出有限的遗传交换;相反，它们是从祖先遗传而来，类似于染色体。
“这项工作以及在乔治亚理工学院和疾病预防控制中心对来自世界各地的炭疽杆菌菌株的这些基因组进行的其他分析有助于进一步确定这种健康威胁的全球多样性，”CDC的Zoonotic Select Agent Lab负责人Alex Hoffmaster说道。该文章的共同作者。“了解菌株及其分布的更多信息可以帮助我们更容易地确定炭疽病例是由天然或人为来源引起的，因此我们可以根据需要做出反应，以保护公众的健康。”
Konstantinidis说，这项研究还可以提供有关其他生物的信息。“超越炭疽芽孢杆菌，这项工作可以帮助更好地了解携带类似质粒的其他生物的毒力潜力。能够区分更多毒力和毒力更小的菌株是微生物学的一个更广泛的挑战。”
该研究始于疾病预防控制中心高后病病原体和病理学部的研究人员，他们利用新一代技术对不同的炭疽芽孢杆菌菌株进行测序。该机构将其数据提供给佐治亚理工学院的Konstantinidis实验室，研究生助理Angela Pena-Gonzalez领导了数据的生物信息学分析。
“我们能够使用测序数据来计算拷贝数与每种菌株来源的相关性，”她解释说。“我们使用质粒的全长来计算拷贝数，我们的结果是基于从几个来源 - 人类，动物和环境 - 获得的数百种菌株的分析，而不仅仅是其中的几种。这是一个我们研究的优势。“
佐治亚理工学院开发的分析技术允许在400多个基因组上进行全基因组比较 - 这是一项重大的数据科学挑战。研究表明，炭疽芽孢杆菌基因组平均分别携带3.86和2.29拷贝的pXO1和pXO2质粒，并且两种质粒的拷贝数之间存在正线性相关性。
康斯坦丁尼斯说：“可以进行全基因组测序的技术，但数据处理和解释还不是很简单。”“数据的大小需要一个特定的过程和丰富的经验。两年前，当我们开始研究时，我们分析这些数据的方式甚至都没有。”
除了毒力拷贝数的可能相关性之外，该研究还显示菌株的基因组令人惊讶地一致。“这项工作表明这些质粒相对稳定，尽管我们发现一些菌株具有不同品种的质粒，似乎已经减弱了毒力，”他说。
下一步是进一步研究动物研究中拷贝数和毒力之间可能的相关性。
康斯坦丁尼希望继续与疾病预防控制中心合作，以更好地了解炭疽病和其他对公众健康有影响的生物体的毒力和其他因素。
“疾控中心拥有像炭疽菌株这样的独特资源，我们希望继续这种合作，以进一步了解这种和其他病原体的情况，”他说。“公共卫生和提高我们对这些生物背后基础生物学的理解有很多应用。”
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