Cell | 细菌鞭毛马达“定子”单元的分子机制

我们都知道，发动机在我们的现代生活中无处不在，小到剃须刀、电动玩具，大到汽车、飞机、轮船，马达都扮演着不可或缺的重要角色。没有马达，这些现代交通工具可能就只是一块不能运动的废铁，我们的生活也不可能变得这么便捷。因此，我们必须需要发动机。“发动机”对于细菌来说，也是如此。我们都知道，细菌无处不在。但是细菌要想生存，想要传播它的病原性，它就必须要有强大的运动能力。大多数细菌通过鞭毛的旋转来驱使自身的运动。细菌的鞭毛通常由一根长长的纤维—作为驱动的“螺旋桨”; 一个钩子—作为连接结构；和一个嵌入在细胞膜的马达组成。离子驱动的旋转马达由一个“转子”和一个“定子”组成，其中定子是环形的蛋白复合物(MotAB)，环绕转子并促使它的旋转【1】 (图1)。有意思的是，该马达的旋转既可以是顺时针的，也可以是逆时针的，特定的趋化因子信号可以诱导转子的翻转，引起马达旋转方向的改变。值得注意的是，原核生物旋转分子马达的“定子家族”是除了ATPase家族外，唯一一个用跨膜离子浓度梯度而不是ATP产生机械动力的马达分子，而其中MotAB则是这类“定子家族”中功能研究最深的典型【2】。但是，对其中的作用机制却不像ATPase那样被研究的非常透彻。因此至今，对MotAB和其他原核定子单元如何工作的分子机制仍然不清楚。近日，哥本哈根大学Nicholas M.I. Taylor课题组题在Cell上发表了为“Structure and Function of Stator Units of the Bacterial Flagellar Motor”研究论文，揭示了细菌鞭毛马达定子部分的分子机制。作者通过Cryo-EM技术，解析了定子单元不同功能状态下近3 埃的电镜结构。细菌鞭毛马达的定子单元嵌入在细胞膜内膜，使得它可以与马达分子有互作并且形成一个离子通道。它们平时处于一种塞紧的、失活的的状态，除非通过马达互作或者与肽聚糖的结合而激活。马达转子的旋转是由经过定子的离子梯度势能驱使的。有研究猜测结合在定子上的离子诱导了定子本身的构象变化。大量的遗传学实验结果表明在马达分子上的突变会导致细菌运动能力的减弱，这种突变被称为Mot-(无运动性)；或者突变导致控制马达旋转方向的不足，这种突变被称为Che-(无趋化性)。有意思的是，所有之前报道的在定子单元上的突变都是Mot-。这表明改变马达旋转方向的开关仅仅是由转子上的结构变化控制。因此，那些能够驱使转子逆时针方向(counterclockwise，CCW)旋转的、在定子上的构象变化，也应该能够驱使它顺时针(clockwise，CW)旋转。定子复合物单元是由两个膜蛋白组成，分别是MotA和MotB【3】。MotA包含四个跨膜结构域和一个可能与转子相互作用的胞质结构域。MotB包含一个单次跨膜结构域和一个可与肽聚糖结合的间质结构域。MotB跨膜结构域有一个普通的保守天冬氨酸(D)，该氨基酸被认为是直接参与了质子的运输。在MotB跨膜结构域之后的区域被称为“塞子”(plug) 。此前大量的生化实验、交联实验和遗传学实验数据建立的分子模型表明MotAB的分子比例可能是4:2。然而，这些模型都是建立在MotB必须是个二聚体，且MotA:B的比例至少是2:1的假设之上。同时，在经过同源性分析后，MotAB显示跟其他被推测也为原核旋转马达的蛋白系统相似，比如ExbBD【4】, TolQR【5】, 和 AglRQS【6】。以ExbBD为例，不同的实验研究报道的蛋白B和D的分子比例有4:1, 4:2, 5:2和6:3，直到最近的高分辨率结构才确定了其5:2的真实分子模型。因此对于MotAB来说，尽管此前几十年有很多对他的功能研究，但是分子机制和分子模型一直悬而未决。通过结构解析作者发现，MotAB定子单元由一个MotB的二聚体和一个环绕MotB 的MtoA五聚体组成，才最终确定了该MotAB复合物的分子模型比例为5:2。结合结构数据和功能的研究，作者发现了很多关键的氨基酸对于旋转力的发生非常重要，并通过大量的突变实验验证了结构的正确性。作者通过解析不同状态下的高分辨率分子结构，发现这是一个在MotAB/PomAB家族中非常保守的一个模型。进一步，作者还根据不同功能状态的结构推测，马达分子基于质子运输的结构变化驱动了转子的旋转。总的来说，该文章揭示了该分子马达定子中的“自抑制塞子”的结构基础，比较详细地呈现了细菌鞭毛马达分子的功能和改变旋转方向的分子机制。 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.016
（责任编辑：tqh）