今天介绍的细菌是链球菌(Streptococcus)。

简介

        链球菌是革兰氏阳性球菌的一个属，属于链球菌科，属于厚壁菌门中的乳酸杆菌。链球菌中的细胞分裂沿单个轴发生，因此随着它们的生长，它们倾向于形成可能看起来弯曲或扭曲的成对或链。这与葡萄球菌不同，葡萄球菌沿多个轴分裂，从而产生不规则的葡萄状细胞簇。大多数链球菌是氧化酶阴性和过氧化氢酶阴性，并且许多是兼性厌氧菌(能够在有氧和厌氧条件下生长)。

        链球菌是由维也纳外科医生 Albert Theodor Billroth(1829–1894)于1877年通过结合前缀“strepto-”，连同后缀“-coccus”而创造。1984 年，许多细菌以前被归类为链球菌属的细菌被重新分离为肠球菌属和乳球菌属。目前，该属共有50多个物种。该属已被发现是唾液微生物组的一部分。

致病性

        除了链球菌性咽炎(链球菌性咽喉炎)外，某些链球菌属导致许多红眼病、脑膜炎、细菌性肺炎、心内膜炎、丹毒和坏死性筋膜炎(“食肉”细菌感染)。 然而，许多链球菌是口腔、皮肤、肠道和上呼吸道共生微生物群的一部分。链球菌也是生产Emmentaler(一种瑞士奶酪，我估计味道会很……)的必要成分。

        链球菌属根据其溶血特性进行分类，α-溶血会导致红细胞内血红蛋白分子中的铁氧化，使其在血琼脂上呈绿色；β-溶血导致红细胞完全破裂。在血琼脂上，这表现为细菌菌落周围没有血细胞的广阔区域；γ-溶血不会引起溶血。 

        β-溶血性链球菌通过Lancefield分组进一步分类，这是一种血清型分类(即描述细菌细胞壁上存在的特定碳水化合物)。描述的 21 种血清型被命名为Lancefield组A至W(不包括I和J)。该分类系统由洛克菲勒大学的科学家丽贝卡·兰斯菲尔德(Rebecca Lancefield)发明。 

        在医疗环境中，最重要的是α-溶血性链球菌中的肺炎链球菌和草绿色链球菌组，以及兰斯菲尔德A组和B组(也称为“A组链球菌”和“B组链球菌”的 β-溶血链球菌)。

α溶血

        当存在α-溶血时，由于血红蛋白转化为绿色胆绿素，菌落下的琼脂会呈暗绿色。 肺炎链球菌和一组口腔链球菌(草绿色链球菌或绿色链球菌)显示α-溶血。α-溶血也称为不完全溶血或部分溶血，因为红细胞的细胞膜完好无损。 由于琼脂的颜色变化，这种变化有时也称为草绿色溶血。

肺炎链球菌

        肺炎链球菌(有时称为肺炎球菌)是细菌性肺炎的主要原因，偶尔也会引起中耳炎、鼻窦炎、脑膜炎和腹膜炎。 炎症被认为是肺炎球菌引起疾病的主要原因，因此与它们相关的诊断倾向于涉及炎症。

草绿色链球菌

        草绿色链球菌是一大群共生细菌，它们要么是α-溶血性——在血琼脂平板上产生绿色，因此得名“viridans”，(viridans来自拉丁语vĭrĭdis，意为绿色)要么是非溶血性的——没有兰斯菲尔德抗原。

β溶血

       β-溶血，有时也称为完全溶血，是集落周围和下方培养基中红细胞的完全溶解：该区域变亮（黄色）和透明。 链球菌溶血素是一种外毒素，是由细菌产生的酶，可导致红细胞完全裂解。 链球菌溶血素有两种类型：链球菌溶血素 O(SLO)和链球菌溶血素S(SLS)。 链球菌溶血素 O是一种氧敏感性细胞毒素，由大多数A组链球菌(GAS)分泌，与真核细胞(主要是红细胞和白细胞、巨噬细胞和血小板)膜中的胆固醇相互作用，通常导致β-溶血。在血琼脂表面下，链球菌溶血素S是一种氧稳定的细胞毒素，也由大多数GAS菌株产生，导致血琼脂表面的清除。SLS影响免疫细胞，包括多形核白细胞和淋巴细胞，并被认为可以防止宿主免疫系统清除感染，化脓性链球菌或GAS显示β溶血。

        当与葡萄球菌菌株一起生长时，一些弱β-溶血性物种会引起强烈溶血。 这称为CAMP测试。无乳链球菌表现出这种特性。产气荚膜梭菌可以通过该测试推测性地识别。单核细胞增生李斯特菌在羊血琼脂上也呈阳性。

A组链球菌

       A组化脓性链球菌是多种A组链球菌感染(GAS)的病原体。这些感染可能是非侵入性的或侵入性的。非侵入性感染往往更常见且不太严重。 这些感染中最常见的包括链球菌性咽炎(链球菌性咽喉炎)和脓疱病。猩红热也是一种非侵入性感染，但近年来并不常见。

        由A组β-溶血性链球菌引起的侵袭性感染往往更严重且不太常见。当细菌能够感染它通常不会被发现的区域(例如血液和器官)时，就会发生这种情况。可能引起的疾病包括链球菌中毒性休克综合征、坏死性筋膜炎、肺炎和菌血症。 在全球范围内，据估计，GAS每年导致超过500000人死亡，使其成为世界上主要的病原体之一。 

        其他并发症可能由GAS引起，即急性风湿热和急性肾小球肾炎。风湿热是一种影响关节、肾脏和心脏瓣膜的疾病，是未经治疗的A组链球菌感染的结果，而不是由细菌本身引起的。 风湿热是由免疫系统产生的抗体与体内其他蛋白质发生交叉反应来抵抗感染引起的。 这种“交叉反应”导致身体本质上攻击自己并导致上述损害。 由A组β-溶血性链球菌(GABHS)感染引发的类似自身免疫机制被假设会导致链球菌感染相关的儿科自身免疫性神经精神疾病——熊猫病(Pediatric Autoimmune Neuropsychiatric Disorders Associated with Streptococcal infections，PANDAS)，其中自身免疫抗体影响基底神经节，导致精神、运动、睡眠和其他儿科患者的症状。

       GAS感染通常通过快速链球菌检测或培养来诊断。

B组链球菌

        无乳链球菌或B组链球菌，可引起新生儿和老年人的肺炎和脑膜炎，偶尔伴有全身性菌血症。 重要的是，无乳链球菌是1个月至3个月大婴儿脑膜炎的最常见原因。 它们还可以在肠道和女性**道上定植，增加怀孕期间胎膜早破的风险，并将有机体传播给婴儿。美国妇产科学院、美国儿科学会和疾病控制中心建议所有妊娠35~37周的孕妇进行GBS检测。检测呈阳性的妇女应在分娩期间给予预防性抗生素，这通常可以防止传染给婴儿。 

        英国选择采用基于风险因素的协议，而不是美国遵循的基于文化的协议。 目前的指南指出，如果存在以下一种或多种危险因素，则应使用产时抗生素治疗该妇女：

 1.早产(<37 周)

 2.膜长时间破裂(>18小时)

 3.产时发热(≥38°C)

 4.先前婴儿的GBS病史

 5.这次怀孕期间的GBS菌尿

        该方案导致15-20%的孕妇在产时使用抗生素，并预防65-70%的早发GBS败血症病例。

C组链球菌

       该组包括马链球菌(S. equi)和兽疫链球菌(S. zooepidemicus)——马链球菌是祖先兽疫链球菌的克隆后代或生物变种——它会导致多种哺乳动物感染，包括牛和马。停乳链球菌(S.dysgalactiae)也是C组的成员，β-溶血性链球菌可引起咽炎和其他类似于A组链球菌的化脓性感染

D组链球菌(肠球菌)

        许多以前的D组链球菌已被重新分类并归入肠球菌属(包括粪肠球菌、屎肠球菌、坚韧肠球菌和鸟肠球菌)。粪肠球菌有时是α-溶血性的，而屎肠球菌有时是β-溶血性的。

        其余的非肠球菌D组菌株包括解没食子酸链球菌(Streptococcus gallolyticus)、牛链球菌(Streptococcus bovis)和马肠链球菌(Streptococcus equinus)。

        非溶血性链球菌很少引起疾病。然而，弱溶血性D组β-溶血性链球菌和单核细胞增生李斯特菌(实际上是一种革兰氏阳性杆菌)不应与非溶血性链球菌混淆。

F组链球菌

        1934年，Long和Bliss在“微小溶血性链球菌”中首次描述了F组链球菌。它们也被称为心绞痛链球菌(根据Lancefield分类系统)或作为米勒链球菌(S. milleri)组的成员。

G组链球菌

        这些链球菌通常是不完全β溶血。停乳链球菌是常见的主要物种，特别是在人类疾病中。犬链球菌(S. canis)是GGS的一个例子，它通常在动物身上发现，但会导致人类感染。海豹链球菌(S. phocae)已在海洋哺乳动物和海洋鱼类物种中发现。在海洋哺乳动物中，它主要与脑膜炎、败血症和心内膜炎有关，但也与许多其他病理有关。其在海洋哺乳动物中的环境储存库和传播方式尚未得到很好的表征。

H组链球菌

        H组链球菌在中型犬科动物中引起感染。H组链球菌很少引起人类疾病，除非人类直接接触犬的嘴巴。 最常见的传播方式之一是人与犬的口对口接触。 然而，犬科动物可能会舔人的手，感染也会传播。

分子生物学

        链球菌根据其16S rDNA序列分为六组：S. anginosus、S. gallolyticus、S. mitis、S. mutans、S. pyogenes和S. salivarius。16S 组已通过全基因组测序得到证实。 重要病原体肺炎链球菌和化脓性链球菌分别属于轻度链球菌和化脓链球菌，而龋齿的病原体变形链球菌是链球菌群的基础。

       最近的技术进步导致链球菌属物种的可用基因组序列增加，从而可以进行更强大和可靠的系统发育和比较基因组分析。2018年，Patel 和Gupta通过分析基于四个不同蛋白质数据集构建的综合系统发育树，并鉴定出134个高度特异性的分子特征(以保守特征插入缺失的形式)，重新审视了链球菌内部的进化关系。  由整个属或其不同的分支完全共享。

        结果揭示了链球菌中最高水平的两个主要进化枝的存在，称为“Mitis-Suis”和“Pygogenes-Equinus-Mutans”进化枝。“Mitis-Suis”主要分支包括Suis子分支和Mitis分支，后者包括Angiosus、Pneumoniae、Gordonii 和 Parasanguinis子分支。 第二个主要分支，“Pygogenes-Equinus-Mutans”，包括Pyogenes、Mutans、Salivarius、Equinus、Sobrinus、Halotolerans、Porci、Entericus和Orisratti子分支。 总共在链球菌属内鉴定了 14 个不同的亚支，每个支系都得到了系统发育树中可靠的分支模式的支持，并且在不同蛋白质中存在多个保守的签名插入缺失，这些都是这 14 支进化枝成员的独特特征。

基因组

       大多数链球菌基因组的大小为1.8至2.3Mb，编码1700至2300个蛋白质。其中，化脓链球菌、无乳链球菌、肺炎链球菌和变形链球菌具有约 70%的平均成对蛋白质序列同一性。

链球菌噬菌体

        已经描述了许多种链球菌的噬菌体。 在肺炎链球菌中已经描述了18个原噬菌体，它们的大小从38到41kb不等，每个编码42到66个基因。一些最早发现的链球菌噬菌体是Dp1和ω1。1981年，链球菌噬菌体Cp1被发现，其中Cp1作为其第一个成员。Dp1和Cp1感染肺炎链球菌和缓症链球菌。然而，大多数链球菌噬菌体的宿主范围尚未得到系统研究。

自然转化

        自然遗传转化涉及通过周围介质将 DNA 从一种细菌转移到另一种细菌。转化是一个复杂的过程，依赖于众多基因的表达。 为了能够进行转化，细菌必须进入一种称为能力的特殊生理状态。肺炎链球菌、缓症链球菌和口腔链球菌可以变得有能力，因此通过掠夺性自相残杀机制积极获取同源DNA进行转化。这种自相残杀机制主要利用存在于同一生态位中的无能力兄弟姐妹。在肺炎链球菌的高度感受态分离株中，Li 等人表明鼻腔定植适应性和毒力(肺感染性)取决于完整的能力系统。能力可能允许链球菌病原体使用外部同源 DNA 重组修复宿主氧化攻击引起的 DNA 损伤。

CRISPR/CAS9

       研究人员研究了一种来自化脓链球菌的CRISPR Cas9系统，简称SpCas9。Cas9核酸内切酶是一个四组分系统，包括两个小分子：crRNA和反式激活CRISPR RNA(tracrRNA)。Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier通过将两个RNA分子融合到一个“单导向RNA”中，将Cas9核酸内切酶重新设计成一个更易于管理的双组分系统，当与Cas9结合时，可以发现并切割由引导RNA指定的DNA靶点。这一贡献意义重大，因此在2020年获得诺贝尔化学奖。通过操纵导向RNA的核苷酸序列，人工Cas9系统可以被编程为针对任何DNA序列进行切割。另一组合作者包括Virginijus Šikšnys和Gasiūnas、Barrangou和Horvath表明，嗜热链球菌CRISPR系统中的Cas9也可以通过改变其crRNA序列来重新编程，以其选择的位点为靶点。这些进步推动了用改良的CRISPR-Cas9系统编辑基因组的努力。

        张峰和乔治·丘奇领导的研究小组同时发表了首次使用CRISPR-Cas9在人类细胞培养中编辑基因组的描述。此后，它已被广泛用于各种生物体，包括面包酵母(Saccharomyces cerevisiae)、白色念珠菌(Candida albicans)、斑马鱼(Danio rerio)、果蝇(Drosophila melanogaster)、蚂蚁(Harpegnathos saltator与Ooceraea biroi)、蚊子(埃及伊蚊)、线虫(Caenorhabditis elegans)、植物、小鼠(Mus musus domesticus)、猴子和人类胚胎。

        CRISPR已经被修饰成可编程转录因子，使科学家能够靶向并激活或沉默特定基因。

        CRISPR-Cas9系统已经证明能够在人类三核合子中进行有效的基因编辑，中国科学家P.Liang和Y.Xu在2015年的一篇论文中首次描述了这一点。该系统在54个胚胎中的28个成功切割了突变型β-血红蛋白(HBB)。28个胚胎中有4个使用科学家提供的供体模板成功重组。科学家们发现，在断裂链的DNA重组过程中，同源内源性序列HBD与外源供体模板竞争。人类胚胎中的DNA修复比衍生干细胞中的DNA修复更为复杂和特殊。