细菌鞭毛马达是一个巨大的双向旋转纳米机器，它驱动鞭毛的旋转以实现细菌的运动。鞭毛运动的胞质C环作为旋转方向由逆时针向顺时针转换的开关复合体。然而，旋转开关的结构基础和C环如何组装一直是难以捉摸的。
2024年8月23日，浙江大学
朱永群、
周艳
在
Cell Research
在线发表题为
“
Structural basis of the bacterial flagellar motor rotational switching
”
的研究论文，
该研究
为细菌鞭毛马达的旋转开关机制和详细的整体结构视图提供了前所未有的分子见解。
研究阐述了来自鼠伤寒沙门氏菌的含C环鞭毛基底体钩复合物的两个高分辨率低温电镜结构，它们分别处于默认的逆时针状态和组成活性的CheY突变诱导的顺时针状态。在这两个配合物中，C环由四个子环组成，但有两种不同的构象。CheY蛋白结合到C环中间亚基表面两个相邻原蛋白之间的开放凹槽中，并与FliG和FliM亚基相互作用。CheY蛋白的结合诱导了C环向MS环的显著向上移动和其原聚物向马达中心的向内运动，最终重塑了FliG亚基的结构，逆转了α扭矩螺旋的方向和表面静电势，从而引发了逆时针到顺时针的旋转切换。
FliG亚基的构象变化表明，在旋转开关过程中，电机上的定子单元需要在内膜中重新定位。
细菌鞭毛是一种负责运动的蛋白质细胞器，对细菌感染、生物膜形成和各种环境下的生存至关重要。
鞭毛由三个不同的部分组成：马达、钩和细丝。马达是一个双向旋转的纳米机器，为鞭毛的旋转提供动力。钩的作用是连接马达和细丝的连接处，细丝就像螺旋桨一样，推动细菌在液体介质中游动，在固体表面上成群游动。电机横跨内外膜，由基底体和若干定子单元组成。底座由LP环、MS环、C环、杆和出口装置组成。LP环作为衬套，以稳定杆的旋转，作为驱动轴。MS环位于内膜上，容纳出口装置并形成C环的装配底座。定子单元是离子传导通道，通过将离子梯度穿过细菌内膜的电化学能量转化为机械能来产生扭矩。鞭毛马达可在逆时针(CCW)和顺时针(CW)方向旋转，并可在两种旋转状态之间快速切换。当细菌细胞中的所有马达沿CCW方向旋转时，细丝形成一束推动细胞前进。在细菌趋化途径被激活后，信号蛋白CheY被CheA激酶磷酸化，并结合到C环上，将马达的旋转方向从CCW切换到CW。
一旦一个或多个鞭毛马达在CW状态下旋转，细菌细胞的细丝束被分解，导致细菌细胞翻滚，运动方向发生改变。
C环由蛋白FliG、FliM和FliN组成，附着在MS环的细胞质表面。
FliG组件包含几个子域。FliG的C端结构域(FliGC)由FliGCN和FliGCC子结构域组成，与定子相互作用，介导转矩的产生和传递。FliG的中间结构域(FliGM)与FliM结合，FliM也与FliN相互作用。FliG的N端结构域(FliGN)与FliF的C端结构域(FliFC)相互作用，将C环连接到MS环上。然而，C环是高度脆弱的，在生化分离过程中很容易与鞭毛马达分离。
尽管在生物化学和结构生物学方面做了大量的研究，但C环的详细结构、组装和旋转开关机制仍不清楚。
提出的细菌鞭毛马达的旋转开关机制（图源自
Cell Research
）
基于对伯氏疏螺旋体中含有质周鞭毛的特殊鞭毛马达的低分辨率冷冻电子断层扫描分析，
提出当磷酸化的CheY (CheY-P)与FliM和FliN结合时，FliG向外倾斜与定子的外缘相互作用，导致原聚体伸长和C环向外扩展。诱导旋转方向从连续波到连续波的转换。然而，在其他革兰氏阴性菌中没有观察到C环向外扩展，这一模型与沙门氏菌FliG的169-171位的Pro-Ala-Ala三个残基框内缺失的菌株的发现不一致，这三个残基缩短了序列，但将电机锁定在CW状态。
为了揭示旋转开关机制，研究从鼠伤寒沙门氏菌中纯化了完整的含C环鞭毛基底体钩复合物的颗粒，并测定了该复合物的两种低温电子显微镜结构，分别处于默认的CCW状态和活跃的CheY突变体结合的CW状态。这些结构表明，
活性突变体CheY蛋白诱导C环明显向上移动，其原蛋白向内移动，而不是向外扩张，以介导旋转开关，并表明定子单元经历了重新定位过程。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41422-024-01017-z
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