蜡样芽孢杆菌PATH2418株产类炭疽荚膜的分子结构与基因组特征解析

【编辑推荐】本研究首次系统解析了蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus) PATH2418株产类炭疽γ-聚谷氨酸(PGA)荚膜的分子机制，通过纳米孔测序(Nanopore)发现其携带700 kb大质粒pATH1编码capBCADE操纵子，核磁共振(NMR)与高效液相色谱(HPLC)证实荚膜含67% D-谷氨酸，揭示了温度/CO2调控荚膜合成的规律，为生物威胁防控提供新靶点。

　　

【研究背景】

蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)作为革兰阳性、产孢的兼性厌氧菌，传统认知中主要引发食源性疾病。然而近年发现某些菌株携带炭疽毒素基因和荚膜合成基因，如临床分离株PATH2418能产生与炭疽芽孢杆菌(Bacillus anthracis)相似的聚γ-谷氨酸(PGA)荚膜，其分子机制与致病性尚未阐明。

【关键发现】

1. 荚膜合成环境调控

   通过印度墨汁染色和菌落形态分析，发现PATH2418在30°C有最强荚膜合成能力，37°C时产量显著降低，42°C完全抑制。5% CO₂环境可逆转37°C的抑制效应，在含碳酸氢盐的NBY培养基中荚膜产量提升。这种温度/CO₂双调控模式与炭疽杆菌的atxA调控通路相似，但PATH2418基因组中未发现atxA同源基因。

2. 荚膜分子结构解析

   阿尔新蓝染色显示荚膜分子量达50-250 kDa。核磁共振谱中α-质子峰(4.16 ppm)、β-亚甲基峰(2.08/1.92 ppm)和γ-亚甲基峰(2.35 ppm)特征性信号，证实其为γ-酰胺键连接的PGA。手性分析发现D-谷氨酸占比67±11%，L-型占33±11%，与炭疽杆菌纯D型PGA形成显著差异。

3. 基因组特征

   纳米孔测序揭示PATH2418具有5.27 Mb染色体和3个质粒，其中700 kb的pATH1质粒携带完整capBCADE操纵子：

   • capB(44.2 kDa)：γ-PGA聚合酶

   • capC(16.5 kDa)：提供γ-谷氨酰单元

   • capA(45.2 kDa)：膜转运蛋白

   • capD(59.6 kDa)：将PGA锚定至肽聚糖

   • capE(5.3 kDa)：辅助转运

该操纵子与苏云金芽孢杆菌(B. thuringiensis) BGSC 4C1同源性达98%，远高于与炭疽杆菌pXO2质粒的74%。值得注意的是，调控基因acpB位于capB上游219 kb处，与炭疽杆菌中紧邻操纵子的排列截然不同。

【生物学意义】

1. 进化启示：pATH1质粒的异常大小(700 kb)和基因排布，暗示荚膜基因可能在芽孢杆菌属中通过非典型水平转移传播。

2. 诊断挑战：传统以PGA荚膜作为炭疽杆菌特异性标志物的鉴定方法面临失效风险。

3. 生物安全：该菌株缺乏pXO1样毒素基因，可作为BSL-2条件下研究炭疽荚膜的替代模型。

【技术亮点】

研究整合了第三代测序、二维核磁(2D COSY/HSQC)和手性衍生化HPLC技术，首次实现：

• 在蜡样芽孢杆菌中精确量化PGA的D/L型比例

• 揭示温度敏感性与CO₂补偿效应的分子关联

• 发现capD基因介导的细胞壁锚定是形成可见荚膜的关键

【未解之谜】

尽管证实了CO₂增强荚膜合成，但PATH2418中替代atxA的调控因子尚未识别。此外，67% D型PGA是否足以介导免疫逃逸，仍需通过吞噬实验验证。这些发现为理解芽孢杆菌属毒力进化提供了新的研究范式。