这种最复杂的鞭毛纳米机器的构成要素

《Nature Microbiology》：The building blocks of one of the most complex flagellar nanomachines

Campylobacter jejuni的复杂鞭毛马达通过冷冻电镜断层扫描和突变体分析解析，揭示其具有E环、 spoke–rim支架和FcpMNO-PflD笼状结构，与大肠杆菌的简单马达差异显著，组装顺序和马达激活机制不同，进化分析显示支架结构源于IV型菌毛基因的适应性转变，E环具有古老起源。

　　

问题

细菌鞭毛是一种复杂的、类似尾巴的纳米机器，能够在多种条件下旋转并驱动细菌的运动。我们对这种机器的大部分了解都来自两种细菌：大肠杆菌（Escherichia coli）和肠沙门氏菌（Salmonella enterica）。然而，大肠杆菌和肠沙门氏菌的鞭毛结构在所有被研究的细菌物种中是最简单的¹。它由嵌入细胞膜中的基体（即马达部分）以及一个细胞外的钩状结构和细丝组成。相比之下，食源性细菌空肠弯曲菌（Campylobacter jejuni）在其细胞膜内外层之间的周质（periplasm）中拥有多个额外的大型结构，这些结构中包含肽聚糖层。而大肠杆菌和肠沙门氏菌则没有这些额外的结构，目前尚不清楚为什么空肠弯曲菌的马达需要这么多辅助结构来旋转²。此外，我们还不知道这些复杂的马达是否以与“经典”模型相同的方式运作，以及这些额外的组成部分是如何进化的。在这里，我们首先试图绘制出空肠弯曲菌马达的组成部分图谱，然后研究这些组成部分是如何组合起来实现运动的，以及它们是如何进化的。

发现

为了确定空肠弯曲菌马达中潜在的蛋白质候选者，我们利用冷冻电子断层扫描（cryo-ET）技术研究了四种基因突变体的马达结构。这些突变体缺少一种或多种鞭毛蛋白，这些突变体是通过转座子插入突变文库的测序筛选得到的³，另外两种突变体则来自另一项研究⁴。通过将这些结构与野生型空肠弯曲菌马达的结构进行比较，并结合蛋白质-蛋白质相互作用研究和蛋白质结构的结果，我们能够在冷冻电子断层扫描密度图中精确定位每个组成部分（见图 1）。我们发现了17个FlgY二聚体，它们围绕MS环形成一个E环，并与17个由PflA蛋白组成的辐条相连（见图 1）。这些辐条向外延伸，与由17个PflB蛋白组成的边缘结构结合，PflA和PflB蛋白各自还包含17个由MotA和MotB蛋白组成的定子复合体（定子将动力转化为旋转运动）（见图 1）。在定子环和PflB边缘的外围，还有34个由FcpM、FcpN、FcpO（FcpMNO）和PflD蛋白组成的笼状结构，它们进一步包围着定子复合体（见图 1）。总体而言，E环、辐条-边缘结构和笼状结构共同构成了一个支架平台，能够稳定地容纳空肠弯曲菌马达中的17个定子复合体，这对细菌的运动至关重要。

图1：空肠弯曲菌鞭毛马达的模型。

a：通过冷冻电子断层扫描得到的空肠弯曲菌马达的伪原子模型侧视图。OM表示外膜，IM表示内膜。b：模型的倾斜视图，顶部被移除以显示靠近内膜的支架组成部分。? 2026, Feng, X. 等。

全尺寸图片

我们的冷冻电子断层扫描分析还显示，在马达内部看不到肽聚糖层，而笼状结构中的定子复合体的MotB二聚体似乎由于周质支架的存在而完全与肽聚糖层分离。因此，空肠弯曲菌马达可能采用了一种不同的机制来控制定子的激活，而无需直接与肽聚糖层相互作用。此外，转录组和冷冻电子断层扫描分析表明，定子复合体与周质支架的组装发生在早期，这与大肠杆菌模型中定子复合体在后期才被整合的情况形成鲜明对比。最后，构象的变化使得野生型空肠弯曲菌马达具有适应性，能够适应由于鞭毛杆旋转而导致的细胞膜轻微变化。

从进化角度来看，周质支架蛋白并非空肠弯曲菌所特有。周质笼状结构中的FcpMNO和PflD在弯曲菌门（Campylobacterota）的多个物种中普遍存在，该门被认为起源于深海热液喷口⁵。值得注意的是，这四种蛋白质与IV型菌毛的组成部分具有结构同源性，它们可能是通过从IV型菌毛基因中“重新利用”最初为其他细胞结构服务的元素而在弯曲菌门的共同祖先中进化而来的。此外，E环的组成部分FlgY在细菌域中的所有具有鞭毛的物种中都普遍存在，这表明E环具有古老的起源。

意义

我们的研究表明，具有额外周质支架的空肠弯曲菌马达在组装顺序、定子激活和定子稳定性方面采用了与经典的大肠杆菌和肠沙门氏菌模型不同的机制。因此，研究不同细菌物种中的复杂马达将使我们持续投入精力，不仅是为了理解它们的结构和机制，也是为了探究细菌鞭毛的进化过程。

冯学寅（Xueyin Feng）& 高蓓蕾（Beile Gao）

中国科学院南海海洋研究所，中国广州。

专家观点

作者以前所未有的细节描述了复杂细菌鞭毛马达的架构，揭示了围绕马达核心的E环、具有两种构型的笼状结构以及连接它们的支架网络。通过深入的进化分析，他们证明了E环在各种细菌门中的古老起源，而笼状结构则是从菌毛系统中重新利用的一种独特适应性机制。通过挑战“复杂马达是通过向简单机器添加部件进化而来”的假设，这项出色的工作为复杂鞭毛马达的结构和机制提供了新的认识。

亚历杭德罗·布西亚佐（Alejandro Buschiazzo），蒙得维的亚巴斯德研究所，乌拉圭蒙得维的亚。

论文背后的故事

在我之前的博士后工作中，通过转座子插入测序筛选在空肠弯曲菌中发现了几个新的运动相关基因，初步结果表明这些基因产物很可能是空肠弯曲菌复杂鞭毛马达的组成部分。但这些蛋白质的确切位置以及它们在复杂马达中的组装和功能方式，对我来说是一个长达十年的谜题，直到我的团队与刘军博士的团队合作才解决了这个问题。这一成就需要多学科的合作来理解这种复杂鞭毛马达的架构、组装和进化过程。我非常感谢我们的合作者在过去两年中付出的巨大努力。将我在2014年为空肠弯曲菌马达绘制的简化模型与基于当前数据的伪原子模型进行比较，我必须说，我的一个梦想终于实现了。B.G.

编辑的话

让我印象深刻的是这些结构的美丽之处，以及其中的信息和相关的实验工作如何帮助我们理解这些复杂机器的运作原理，还有进化分析如何改变了我们对鞭毛马达进化的认知。

杰西·汤普森（Jess Thompson），《自然·微生物学》（Nature Microbiology）高级编辑