炭疽芽孢杆菌是一种[[革兰氏阳性菌（G+菌）]]杆状细菌，可引发炭疽病。这种疾病对家畜致命，偶尔也会感染人类。它是芽孢杆菌属中唯一的专性致病菌，其感染属于人畜共患病，可从动物传播给人类。1876 年，德国医生罗伯特・科赫发现了该菌，它成为首个通过实验证实的致病菌。这一发现也为疾病的病菌学说提供了首个科学证据。
炭疽芽孢杆菌长度约 3-5 微米，宽度 1-1.2 微米。其参考基因组包含一条 5,227,419 碱基对的环状染色体，以及两个染色体外 DNA 质粒 ——pXO1（181,677 碱基对）和 pXO2（94,830 碱基对），这两个质粒是其致病性的关键。该菌能形成名为芽孢的保护层，可在不活跃状态下存活多年，在适宜环境条件下会突然恢复感染性。由于芽孢的强抵抗力，这种细菌成为最常用的生物武器之一。其蛋白荚膜（聚 - D-γ- 谷氨酸）是逃避宿主免疫反应的核心。它通过两种分泌型铁载体蛋白 IsdX1 和 IsdX2，利用血红蛋白中的血红素获取营养。
未经治疗的炭疽芽孢杆菌感染通常是致命的。感染症状表现为炎症性、黑色坏死性损伤（焦痂），溃疡多出现于面部、颈部、手臂或手部。致命症状包括流感样发热、胸部不适、多汗和全身酸痛。1881 年，法国化学家路易・巴斯德研制出首个炭疽动物疫苗，如今已有多种针对动物和人类的疫苗问世。感染可通过[[0. 青霉素类（Penicillins）]]、[[0. 氟喹诺酮类]]、[[0. 四环素类（Tetracyclines）]]等常用抗生素治疗。
生物学描述
炭疽芽孢杆菌为杆状细菌，长度约 3-5 微米，宽度 1-1.2 微米。在培养基中生长时，它们倾向于形成长链状。在琼脂平板上，会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会产生[[荚膜（capsule）]]，使菌落呈现黏液状外观。
它是少数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，这种荚膜能帮助营养体细菌躲避宿主免疫系统的识别。大多数其他细菌的荚膜由多糖构成，而非聚 -γ-D - 谷氨酸，这为炭疽芽孢杆菌提供了进化优势。多糖易与中性粒细胞分泌的防御素结合，防御素会使细菌失活并降解。而炭疽芽孢杆菌的荚膜不含这种大分子，因此能逃避中性粒细胞的攻击，持续扩散感染。荚膜成分的差异还具有重要意义：聚 -γ-D - 谷氨酸被认为带有负电荷，可保护细菌营养体免受宿主巨噬细胞的吞噬。[[荚膜（capsule）]]会降解为低分子量形式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。
与百日咳鲍特菌类似，它能产生一种钙调蛋白依赖性腺苷酸环化酶外毒素（需进一步解释），即炭疽水肿因子，同时还会产生炭疽致死因子。该菌与蜡样芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌在基因型和表型上高度相似，三者具有相同的细胞大小和形态，均会形成位于未肿胀孢子囊中央的椭圆形芽孢。尤其是炭疽芽孢杆菌的芽孢抵抗力极强，能在极端温度、低营养环境和剧烈化学处理下存活数十年甚至数百年。
芽孢是一种脱水细胞，具有厚壁和额外的外层结构，形成于细胞膜内部。它可保持不活跃状态多年，一旦进入适宜环境便会重新生长，最初在杆状菌体内部发育形成。芽孢在菌体中的位置、大小、形状以及是否导致菌体细胞壁膨胀，都是芽孢杆菌属特定菌种的特征。不同菌种的芽孢可能呈圆形、椭圆形，偶尔为圆柱形，具有高度折光性，且含有吡啶二羧酸。电子显微镜切片显示，芽孢具有薄的外层芽孢衣、厚的芽孢皮层，以及包裹芽孢内容物的内层芽孢膜。芽孢能抵抗高温、干燥和多种消毒剂（包括 95% 乙醇）。凭借这些特性，炭疽芽孢杆菌的芽孢极适合以粉末和气溶胶形式用作生物武器。历史上，至少有五个国家（英国、日本、美国、俄罗斯和伊拉克）的生物武器计划实现了其武器化，另有多个国家曾尝试过。
基因组结构
炭疽芽孢杆菌拥有一条环状 DNA 分子构成的单染色体，长度为 5,227,293 碱基对。它还含有两个环状、染色体外的双链 DNA 质粒 ——pXO1 和 pXO2。这两个质粒均为该菌完全致病所必需，分属两个不同的质粒家族。
| 特征 | 染色体 | pXO1 | pXO2 | | ---------------------------- | --------- | ------- | ------ | | Size (bp) | 5,227,293 | 181,677 | 94,829 | | Number of genes | 5,508 | 217 | 113 | | Replicon coding (%) | 84.3 | 77.1 | 76.2 | | Average gene length (nt) | 800 | 645 | 639 | | G+C content (%) | 35.4 | 32.5 | 33.0 | | rRNA operons | 11 | 0 | 0 | | tRNAs | 95 | 0 | 0 | | sRNAs | 3 | 2 | 0 | | Phage genes | 62 | 0 | 0 | | Transposon genes | 18 | 15 | 6 | | Disrupted reading frame | 37 | 5 | 7 | | Genes with assigned function | 2,762 | 65 | 38 | | Conserved hypothetical genes | 1,212 | 22 | 19 | | Genes of unknown function | 657 | 8 | 5 | | Hypothetical genes | 877 | 122 | 51 |
pXO1 质粒
pXO1 质粒（182 千碱基对）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一个 44.8 千碱基对的致病岛（PAI）中。致死毒素由 PA 与 LF 结合形成，水肿毒素由 PA 与 EF 结合形成。该致病岛还含有编码转录激活因子 AtxA 和阻遏蛋白 PagR 的基因，二者共同调控炭疽毒素基因的表达。
pXO2 质粒
pXO2 质粒携带一个五基因操纵子（capBCADE），负责合成聚 -γ-D - 谷氨酸（聚谷氨酸）荚膜。这种荚膜能保护炭疽芽孢杆菌免受吞噬作用，帮助其逃避宿主免疫系统。荚膜操纵子的表达由位于 pXO2 致病岛（35 千碱基对）上的转录调控因子 AcpA 和 AcpB 激活，而 pXO1 质粒上的 AtxA 则可调控 AcpA 和 AcpB 的表达。
菌株类型
目前已知的 89 株炭疽芽孢杆菌包括：
• 斯特恩菌株（34F2，又称 “韦布里奇菌株”）：马克斯・斯特恩在 20 世纪 30 年代研制疫苗时所用
• 沃勒姆菌株：曾被美国、英国和伊拉克武器化；1935 年从英国牛津郡的一头奶牛体内分离
• 沃勒姆 M-36 菌株：强毒英国研究菌株；经猕猴传代 36 次
• 沃勒姆 1B 菌株：20 世纪 40-60 年代被美国和英国武器化
• 沃勒姆 14578 菌株：用于 1942 年英国生物武器试验，导致格鲁伊纳岛严重污染
• V770-NP1-R 菌株：无毒、无荚膜菌株，用于生物炭疽疫苗（BioThrax）
• 炭疽 836 菌株：苏联武器化的强毒菌株；1953 年在基洛夫发现
• 埃姆斯菌株：1981 年从美国得克萨斯州的一头奶牛体内分离；因 2001 年 “美国炭疽邮件袭击事件” 闻名
• 埃姆斯祖先菌株
• 埃姆斯佛罗里达菌株
• H9401 菌株：从韩国人类患者体内分离；用于炭疽候选疫苗的研究
进化历程
全基因组测序使炭疽芽孢杆菌的系统发育重建达到极高准确性。其关键原因在于炭疽芽孢杆菌为单形性细菌，遗传多样性低，自物种形成以来未发生可检测的水平基因转移。这种低多样性源于较短的进化史，尚未出现单核苷酸多态性的突变饱和现象。
短进化时间并不等同于短地质时间。DNA 复制过程中会产生错误，进而形成基因突变，这些突变的累积推动物种进化。在炭疽芽孢杆菌的生命周期中，它会在土壤芽孢库阶段停留较长时间，此阶段不发生 DNA 复制。这种长期休眠状态大幅降低了该菌的进化速率。
相关菌株
炭疽芽孢杆菌隶属于蜡样芽孢杆菌群，该群包含以下菌株：蜡样芽孢杆菌、炭疽芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、蕈状芽孢杆菌和假蕈状芽孢杆菌。前三种菌株对昆虫或哺乳动物具有致病性或条件致病性，后两种则不被视为致病菌。该群菌株整体在遗传和表型上具有异质性，但部分菌株亲缘关系较近，在染色体水平上系统发育相互交织。蜡样芽孢杆菌群通常具有复杂的基因组，且多数携带数量不等的质粒。
• 蜡样芽孢杆菌：土壤细菌，可作为共生体定植于无脊椎动物肠道，是常见的食源性致病菌。它能产生呕吐毒素、肠毒素及其他毒力因子，其中肠毒素和毒力因子编码于染色体上，呕吐毒素编码于 270 千碱基对的 pCER270 质粒上。
• 苏云金芽孢杆菌：微生物致病菌，特征是能产生杀虫毒素 Cry 和 Cyt 的伴孢晶体。编码这些蛋白的基因通常位于质粒上，质粒丢失后该菌与蜡样芽孢杆菌难以区分。
对蜡样芽孢杆菌分支的系统基因组学分析结合平均核苷酸一致性（ANI）分析表明，炭疽芽孢杆菌物种中还包括注释为蜡样芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌的菌株。
假基因
PlcR 是调控蜡样芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌大部分分泌型毒力因子的全局转录调控因子，编码于染色体上，在细胞内广泛存在。但在炭疽芽孢杆菌中，plcR 基因在 640 位存在单碱基突变（无义突变），导致合成的蛋白功能异常。尽管 1% 的蜡样芽孢杆菌群菌株携带失活的 plcR 基因，但均不含有仅存在于炭疽芽孢杆菌中的这种特定突变。
plcR 基因与 papR 基因构成双基因操纵子。papR 基因编码一种小分子蛋白，分泌到细胞外后经加工形成七肽，再被重新导入细胞内，构成群体感应系统。炭疽芽孢杆菌缺乏 PlcR，这是其与蜡样芽孢杆菌群其他成员的核心区别特征。蜡样芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌依赖 plcR 基因表达毒力因子，而炭疽芽孢杆菌的毒力则依赖 pXO1 和 pXO2 质粒。携带这两种质粒的蜡样芽孢杆菌炭疽生物变种，同样能引发炭疽病。
临床相关方面
致病机制
炭疽芽孢杆菌的完全毒力依赖于抗吞噬荚膜。该菌还能产生三种质粒编码的外毒素：水肿因子（钙调蛋白依赖性腺苷酸环化酶，可升高细胞内环腺苷酸水平，导致炭疽感染中常见的严重水肿）、致死毒素（导致组织坏死）和保护性抗原（因用于制备炭疽疫苗而得名，介导水肿因子和致死毒素进入细胞）。
人类疾病表现
炭疽病的症状取决于感染类型，潜伏期从 1 天到 2 个多月不等。所有类型的炭疽病若不治疗，均可能扩散至全身，引发严重疾病甚至死亡。
根据感染途径，人类炭疽病分为四种类型：
1. 皮肤炭疽：最常见（占 95%），表现为局部炎症性黑色坏死性损伤（焦痂），溃疡多出现于面部、颈部、手臂或手部，暴露后 1-7 天发病。 2. 吸入性炭疽：罕见但致死率极高，症状类似流感，包括胸部不适、多汗和全身酸痛，暴露后通常 1 周发病，最长可达 2 个月。 3. 胃肠炭疽：罕见但致死率达 25%，由摄入芽孢引发，症状包括发热寒战、颈部肿胀、吞咽疼痛、声音嘶哑、恶心呕吐（尤其血性呕吐）、腹泻、面部潮红、眼睛发红和腹部肿胀，暴露后 1-7 天发病。 4. 注射炭疽：症状与皮肤炭疽相似，但感染扩散更快，且更难识别和治疗。症状包括发热寒战、注射部位出现瘙痒的小肿块或水疱、水疱破溃后形成黑色中心的无痛溃疡、溃疡周围肿胀，以及皮下或肌肉深部脓肿。这种感染途径在美国尚未发现。
预防与治疗
已研发多种炭疽疫苗用于家畜和人类预防。吸附炭疽疫苗（AVA）可预防皮肤炭疽和吸入性炭疽，但仅适用于暴露前的高危成年人，尚未获批用于暴露后预防。炭疽芽孢杆菌感染可使用 [[0. β-内酰胺类（β-Lactam Antibiotics）]]抗生素（如[[0. 青霉素类（Penicillins）]]）及其他对[[革兰氏阳性菌（G+菌）]]有效的抗生素治疗。青霉素耐药菌株可使用[[0. 氟喹诺酮类]]（如[[环丙沙星（Ciprofloxacin，环丙氟哌酸）]]）或[[0. 四环素类（Tetracyclines）]]（如[[多西环素（Doxycycline）]]）抗生素治疗。
实验室研究
茶叶中的多酚等成分能显著抑制炭疽芽孢杆菌及其毒素的活性，但对芽孢无影响。向茶中添加牛奶会完全抵消其对炭疽杆菌的抗菌作用。实验室中对炭疽芽孢杆菌的抑制作用，并不等同于饮用茶叶能影响感染进程，因为多酚在体内的吸收和分布机制尚不清楚。炭疽芽孢杆菌可在 PLET 琼脂培养基上培养，该培养基为选择性鉴别培养基，专门用于分离炭疽芽孢杆菌。
近期研究
基因分型技术的进步推动了炭疽芽孢杆菌变异和亲缘关系的遗传分析，包括多位点可变数目串联重复序列分析（MLVA）和基于标准单核苷酸多态性的分型系统。埃姆斯祖先菌株的染色体于 2003 年完成测序，为鉴定炭疽芽孢杆菌的毒力相关基因提供了帮助。近期，从韩国一名胃肠炭疽患者体内分离出炭疽芽孢杆菌 H9401 菌株，韩国计划将该菌株用作挑战菌株，研发重组炭疽疫苗。
韩国分离的 H9401 菌株采用 454 GS-FLX 技术测序，并通过多种生物信息学工具进行比对、注释及与其他炭疽芽孢杆菌菌株的比较。测序覆盖度显示，其 pXO1:pXO2: 染色体的分子比例为 3:2:1，与埃姆斯佛罗里达菌株和埃姆斯祖先菌株一致。H9401 与埃姆斯祖先菌株的序列同源性为 99.679%，氨基酸序列同源性为 99.870%。该菌株含环状染色体（5,218,947 碱基对，预测 5480 个开放阅读框）、pXO1 质粒（181,700 碱基对，预测 202 个开放阅读框）和 pXO2 质粒（94,824 碱基对，预测 110 个开放阅读框）。与上述埃姆斯祖先菌株相比，H9401 的染色体短约 8.5 千碱基对。由于其强致病性及与埃姆斯祖先菌株的高序列相似性，韩国将 H9401 用作炭疽候选疫苗效力测试的参考菌株。
炭疽芽孢杆菌基因组测序完成后，人们开始探索对抗该疾病的新方法。细菌进化出多种逃避免疫系统识别的策略，其中最主要的是分子伪装 —— 通过对外层结构进行轻微修饰，使细菌对溶菌酶几乎 “隐形”。目前已鉴定并表征了三种此类修饰：
• [[N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid，NAM）]]的 N - 糖基化
• [[N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid，NAM）]]的 O - 乙酰化
• [[N-乙酰葡萄糖胺（N-acetylglucosamine，NAG）]]的 N - 脱乙酰化
近年来的研究聚焦于抑制这些修饰过程，因此正在深入探究多糖脱乙酰酶的酶促机制，该酶能催化[[0. 肽聚糖（peptidoglycan）]]层组分（[[N-乙酰葡萄糖胺（N-acetylglucosamine，NAG）]]和 [[N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid，NAM）]]）上乙酰基的去除。
宿主相互作用
与大多数致病菌一样，炭疽芽孢杆菌需获取铁才能在宿主环境中生长繁殖。致病菌最易获取的铁源是宿主用于运输氧气的血红素。炭疽芽孢杆菌通过两种分泌型铁载体蛋白 IsdX1 和 IsdX2，从宿主血红蛋白和肌红蛋白中摄取血红素，这些蛋白能将血红素与血红蛋白分离，再由炭疽芽孢杆菌的表面蛋白转运至细胞内。
炭疽芽孢杆菌必须逃避免疫系统才能成功建立感染。芽孢进入宿主后，会立即被[[巨噬细胞（Macrophage）]]和[[树突状细胞（树突细胞，Dendritic cell，DC）]]吞噬。[[树突状细胞（树突细胞，Dendritic cell，DC）]]可通过有效的细胞内清除控制感染，但[[巨噬细胞（Macrophage）]]能穿过上皮或内皮细胞薄层，将细菌直接转运至循环系统，从而扩散至宿主全身。正常情况下，病原体被[[巨噬细胞（Macrophage）]]内化后会被消化，但炭疽芽孢杆菌的芽孢反而劫持[[巨噬细胞（Macrophage）]]功能，逃避宿主免疫系统识别。吞噬过程始于吞噬细胞细胞膜上的跨膜受体与芽孢表面分子的结合：宿主细胞膜上的胞外蛋白 CD14 与炭疽芽孢杆菌孢子外壁糖蛋白 BclA 的鼠李糖残基结合，促进整合素 Mac-1 的外向激活，增强[[巨噬细胞（Macrophage）]]对芽孢的内化作用，进而引发吞噬细胞活化和炎症反应。
采样检测
可通过采集非多孔表面的样本，检测炭疽芽孢杆菌的存在。
历史背景
法国医生卡西米尔・达瓦因（1812-1882）证实，炭疽病症状始终与炭疽芽孢杆菌相关。德国医生阿洛伊斯・波伦德（1799-1879）被认为是该菌的发现者。1876 年，罗伯特・科赫首次通过实验确凿证明炭疽芽孢杆菌是致病菌，这也是首个被证实能致病的细菌。其种名 “anthracis” 源于希腊语 “anthrax”（意为 “煤”），指代最常见的皮肤炭疽 —— 患者皮肤会形成大型黑色损伤。19 世纪，炭疽病推动了多项重要医学进展，路易・巴斯德研发的兽用炭疽疫苗，是首个含活微生物的疫苗。