Bacillus anthracis

Bacillus anthracis ist der Erreger von Milzbrand eine häufige Erkrankung der Tiere und gelegentlich von Mensch und nur obligate Erregers innerhalb der Gattung Bacillus. B. anthracis ist ein gram-positives, Endosporen bildenden, stäbchenförmiges Bakterium mit einer Breite von 1,0-1,2 um und einer Länge von 3-5 um auf. Es kann in einem üblichen Nährmedium unter aeroben oder anaeroben Bedingungen kultiviert werden.

Es ist eines der wenigen Bakterien bekannt, eine Proteinkapsel synthetisieren. Wie Bordetella pertussis, ein Calmodulin-abhängige Adenylatcyclase Exotoxin bekannt bildet er zusammen mit Letalfaktor. Es trägt enge genotypischen und phänotypischen Ähnlichkeit mit Bacillus cereus und Bacillus thuringiensis. Alle drei Arten teilen Zellabmessungen und Morphologie. Alle bilden ovale Sporen in zentraler Lage in einem ungequollenen Sporangium entfernt. B. anthracis Sporen, insbesondere, sind sehr robust, überlebende extremen Temperaturen, nährstoffarmen Umgebungen und rauen chemischen Behandlung über Jahrzehnte oder Jahrhunderte.

Die Spore eine dehydratisierte Zelle mit dicken Wänden und zusätzliche Schichten, die in der Zellmembran bilden. Es kann für viele Jahre inaktiv bleiben, aber wenn sie in einem günstigen Umfeld geht, wieder zu wachsen beginnt sie. Es ist manchmal auch ein endospore weil es entwickeln sich innerhalb des stabförmigen Form zunächst. Merkmale wie die Lage innerhalb der Stange, der Größe und Form der Endosporen und ob es bewirkt, dass die Wand des Stabes zu wölben oder nicht charakteristisch für bestimmte Spezies von Bacillus. In Abhängigkeit von den Arten, die Endosporen rund, oval, oder gelegentlich zylindrisch. Sie sind stark lichtbrechend und enthalten Dipicolinsäure. Elektronenmikroskopische Aufnahme Abschnitte zeigen sie einen dünnen äußeren Sporenhülle, eine dicke Sporen Cortex, und eine innere Sporen Membran umgibt die Sporengehalte aufweisen. Die Sporen widerstehen Hitze, Trocknen, und viele Desinfektionsmittel. Aufgrund dieser Eigenschaften, B. anthracis Sporen werden außerordentlich gut geeignet, um als biologische Waffen zu benutzen. Solche Bewaffnung wurde in der Vergangenheit durch mindestens fünf staatlichen Biowaffen-Programme die des Vereinigten Königreichs, Japan, den Vereinigten Staaten, Russland und den Irak erreicht worden und wurde von einigen anderen versucht.

Historischer Hintergrund

Französisch Arzt Casimir Davaine zeigten die Symptome von Anthrax waren ausnahmslos von der Mikrobe B. anthracis einher. Deutsch Arzt Aloys Pollender ist auch für diese Entdeckung gutgeschrieben. B. anthracis war das erste Bakterium schlüssig dargelegt, um Krankheit zu verursachen, durch Robert Koch 1876 Der Artname anthracis wird vom griechischen Milzbrand, bedeutet "Kohle" und die sich auf die häufigste Form der Erkrankung, Hautmilzbrand, in denen große , schwarz Hautläsionen gebildet.

Genomstruktur

B. anthracis hat einen einzigen Chromosom, das eine kreisförmige, 5.227.293 bp DNA-Molekül ist. Es hat auch zwei kreisförmige, extrachromosomale, doppelsträngige DNA-Plasmide, pXO1 und pXO2. Sowohl die pXO1 und pXO2 Plasmide werden für volle Virulenz erforderlich sind und für zwei verschiedene Plasmid-Familien.

pXO1 Plasmid

Die pXO1 Plasmid enthält die Gene, die für die Anthrax-Toxin-Komponenten kodieren: pag, lef und cya. Diese Faktoren sind in einem 44,8-kb Pathogenitätsinsel enthalten. Die letale Toxin ist eine Kombination von PA mit LF und die Ödem-Toxin ist eine Kombination von PA mit EF. PAI enthält auch Gene, die einen Transkriptionsaktivator Atxa und den Repressor pagr kodieren, von denen beide die Expression des Anthrax-Toxin-Genen.

pXO2 Plasmid

pXO2 codiert ein Fünf-Gen-Operon, das ein Poly-γ-D-Glutaminsäure Kapsel synthetisiert. Diese Kapsel ermöglicht B. anthracis, das Immunsystem des Wirts, indem sich von Phagozytose Schutz zu umgehen. Expression der Kapsel-Operon durch die Transkriptionsregula ACPA und ACPB im pXO2 Pathogenität Insel aktiviert. Interessanterweise ACPA und ACPB Expression unter der Kontrolle des Atxa aus pXO1.

Stämme

Die 89 bekannten Stämmen von B. anthracis sind:

  • Sterne-Stamm, von Max Sterne in seinem 1930er Impfstoffen verwendet
  • Vollum Dehnung, die früher von den USA, Großbritannien, und im Irak zur Waffe; von der Kuh isoliert in Oxfordshire, Großbritannien, 1935
    • Vollum M-36, virulenten britischen Forschungsstamm; durch Makaken 36 mal durchlaufen
    • Vollum 1B, von den USA und Großbritannien in den 1940er-60er waffen
    • Vollum-14578, UK Biotest kontaminiert Gruinard Island, Schottland, in den 1940er Jahren
    • V770-NP1-R, das avirulente, nicht eingekapselte Belastung in der BioThrax Impfstoff verwendet
  • Anthrax 836, hoch virulenten Stamm von der UdSSR zur Waffe; in Kirow im Jahre 1953 entdeckt,
  • Ames-Stamm, von einer Kuh in Texas im Jahr 1981 isoliert; berühmt in AMERITHRAX Brief Angriffe verwendet
    • Ames Ancestor
    • Ames Florida
  • H9401, isoliert aus menschlichen Patienten in Korea; in Untersuchungs Anthrax-Impfstoffe verwendet

Evolution

Sequenzierung ganzer Genome hat Rekonstruktion des B. anthracis Phylogenie äußerst präzise gefertigt. Ein entscheidender Faktor für den Wiederaufbau ist B. anthracis als monomorphe, was bedeutet, dass geringe genetische Vielfalt, einschließlich der Abwesenheit von messbaren seitlichen DNA-Transfer seit der Ableitung als eine Art hat. Der Mangel an Vielfalt ist aufgrund eines Kurzevolutionsgeschichte, die Mutationssättigung in single nucleotide polymorphisms ausgeschlossen hat.

Eine kurze Entwicklungszeit bedeutet nicht unbedingt eine kurze chronologische Zeit. Wenn DNA repliziert wird, treten Fehler, die genetische Mutationen zu werden. Der Aufbau dieser Mutationen über die Zeit führt zu der Entwicklung einer Spezies. Während der B. anthracis-Lebenszyklus ist es eine erhebliche Menge an Zeit in der Bodensporenbehälter Stufe, eine Stufe, in der die DNA-Replikation nicht auftritt, ausgibt. Diese längere Zeit der Ruhe haben die Evolutionsrate des Organismus stark reduziert.

Nächsten Nachbarn

B. anthracis gehört zu den B. cereus Gruppe, bestehend aus den Stämmen: B. cereus, B. anthracis, B. thuringiensis, B. weihenstephanensis, B. mycoides und B. pseudomycoides. Die ersten drei Stämme sind pathogene oder opportunistische, um Insekten oder Säugetiere, während die letzten drei werden nicht als pathogen. Die Stämme dieser Gruppe sind genetisch und phänotypisch heterogene insgesamt, aber einige der Stämme näher verwandt und phylogenetisch auf Chromosomenebene durchmischt. Die B. cereus-Gruppe weist in der Regel komplexer Genome und die meisten tragen eine unterschiedliche Anzahl von Plasmiden.

B. cereus ist ein im Boden lebenden Bakterien, die den Darm von Wirbellosen als Symbionten besiedeln können und ist eine häufige Ursache von Lebensmittelvergiftungen Es produziert ein Brechmittel-Toxin, Enterotoxine und anderen Virulenzfaktoren. Die Enterotoxine und Virulenzfaktoren auf dem Chromosom codiert sind, während die Brech Toxin wird auf einem 270-kb-Plasmid, pCER270 kodiert.

B. thuringiensis ist ein Insekt Erreger und durch Produktion von parasporalen Kristalle von insektiziden Toxine Cry und Cyt gekennzeichnet. Die Gene, die diese Proteine ​​codieren, werden häufig auf Plasmiden, die aus dem Organismus verloren gehen kann, was es zu unterscheiden von B. cereus.

Pseudogen

PLCR ist ein globaler Transkriptionsregulator ist, der die meisten der sekretierten Virulenzfaktoren in B. cereus und B. thuringiensis steuert. Es ist chromosomal codierte und ist in der gesamten Zelle allgegenwärtig. In B. anthracis, enthält jedoch die PLCR Gen eines einzigen Basenaustausch an Position 640, eine Nonsense-Mutation, die eine dysfunktionale Protein erzeugt. Während 1% der B. cereus-Gruppe trägt ein inaktiviertes Gen PLCR, keiner von ihnen trägt die spezifische Mutation nur in B. anthracis gefunden.

Die PLCR Gen ist Teil eines Zwei Gen-Operon mit PAPR. PAPR-Gen kodiert für ein kleines Protein, das aus der Zelle sezerniert wird, und die wiedereingeführten als verarbeitetes Heptapeptid Bilden einer Quorum-sensing-System. Der Mangel an PLCR in B. anthracis ist ein Prinzip Kenn Abgrenzung gegenüber anderen Mitgliedern des B. cereus-Gruppe. Während B. cereus und B. thuringiensis, hängt von der PLCR Gen für Ausdruck ihrer Virulenzfaktoren setzt B. anthracis auf den pXO1 und pXO2 Plasmide für ihre Virulenz.

Klinische Aspekte

Pathogenese

B. anthracis besitzt eine antiphagocytic Kapsel wichtig für volle Virulenz. Der Organismus erzeugt ebenfalls drei plasmidkodierte Exotoxine: Ödemfaktor, eine Calmodulin-abhängigen Adenylatcyclase bewirkt Erhöhung des intrazellulären cAMP, und ist für die schwere Ödeme normalerweise in B. anthracis Infektionen verantwortlich gesehen; tödliche Toxin zur Gewebsnekrose verantwortlich; Schutz-Antigen vermittelt Zelleintritt von Ödemen Faktor und tödliche Toxin.

Symptome bei Erkrankungen des Menschen

Drei Formen der menschlichen Anthrax-Krankheit werden anhand ihrer Eintrittspforte anerkannt.

  • Kutane, die häufigste Form, verursacht eine lokalisierte, entzündliche, schwarz, nekrotischen Läsion.
  • Lungen-, die in hohem Maße tödliche Form durch plötzlichen, massiven Brust Ödembildung und gefolgt von Herz-Kreislaufschock aus.
  • Magen-Darm, eine seltene, aber auch tödlich Typ, ergibt sich aus der Einnahme von Sporen.

Vorbeugung und Behandlung

Eine Reihe von Anthrax-Impfstoffe für die vorbeugende Verwendung in Vieh und Menschen entwickelt. Infektionen mit B. anthracis mit β-Lactam-Antibiotika, wie Penicillin, und andere, die gegen grampositive Bakterien wirksamen behandelt werden. Penicillin-resistente B. anthracis mit Fluorchinolone wie Ciprofloxacin oder Tetracyclin-Antibiotika wie Doxycyclin behandelt werden.

Laborforschung

Komponenten des Tees, wie beispielsweise Polyphenole, haben die Fähigkeit, die Aktivität sowohl von B. anthracis und dessen Toxin wesentlich zu hemmen; Sporen werden jedoch nicht beeinflusst. Die Zugabe von Milch zum Tee vollständig hemmt ihre antibakterielle Aktivität gegen Milzbrand. Aktivität gegenüber dem B. athracis im Labor beweist nicht, dass Tee trinken beeinflusst den Verlauf einer Infektion, da nicht bekannt ist, wie diese Polyphenole absorbiert und im Körper verteilt.

Jüngste Forschungsergebnisse

Fortschritte in der Genotypisierung Methoden verbessert genetische Analyse zur Variation und Verbundenheit geführt. Diese Methoden umfassen Mehr Locus variabler Anzahl Tandem-Repeat-Analyse und die Eingabe-Systeme mit kanonischen Einzelnukleotid-Polymorphismen. Ames Vorfahren Chromosom wurde 2003 sequenziert und trägt zur Identifizierung von Genen, die die Virulenz von B. anthracis beteiligt. Kürzlich, zu isolieren B. anthracis H9401 wurde von einem koreanischen Patienten mit Magen-Darm-Milzbrand isoliert. Das Ziel der Republik Korea ist es, diese Belastung als Herausforderung Stamm verwenden, um einen rekombinanten Impfstoff gegen Anthrax zu entwickeln.

Der H9401-Stamm isoliert in der Republik Korea wurde mit 454 GS-FLX-Technologie sequenziert und mit mehreren der Bioinformatik einer auszurichten, zu kommentieren und vergleichen H9401 mit anderen B. anthracis Stämme analysiert. Die Sequenzierung Deckungs schlägt ein Molekularverhältnis von pXO1: pXO2: Chromosom 3: 2: 1, die identisch mit den Ames Florida und Ames Vorfahr Stämme ist. H9401 hat 99,679% Sequenzhomologie mit Ames Vorfahren mit einer Aminosäuresequenzhomologie von 99,870%. H9401 hat eine kreisförmige Chromosom, das pXO1 Plasmid und die pXO2 Plasmid. Verglichen mit dem Ames Vorfahr Chromosom oben ist die H9401 Chromosom etwa 8,5 kb kleiner. Aufgrund der hohen Pathogenität und Sequenzähnlichkeit zu der Ames Vorfahr wird H9401 als eine Referenz für die Prüfung der Wirksamkeit des Bewerbers Anthrax Impfstoffe vom Repbulic Korea verwendet werden.

Wirt-Interaktionen

Wie bei den meisten anderen pathogenen Bakterien, muss B. anthracis Eisen wachsen und vermehren sich in ihrer Host-Umgebung zu erwerben. Die am leichtesten verfügbare Eisenquellen für pathogene Bakterien sind die Häm-Gruppen durch den Host in den Transport von Sauerstoff verwendet. Um Häm vom Host Hämoglobin und Myoglobin abzufangen, verwendet B. anthracis beiden sekretorischen Siderophor-Proteine, IsdX1 und IsdX2. Diese Proteine ​​können Häm aus Hämoglobin zu trennen und erlaubt Oberflächenproteine ​​von B. anthracis, um es in die Zelle transportieren.

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