中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高貝樂研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院Jun Liu團(tuán)隊(duì)，揭示了細(xì)菌復(fù)雜鞭毛馬達(dá)結(jié)構(gòu)的新組分，豐富了對定子-轉(zhuǎn)子相互作用復(fù)雜性的理解。相關(guān)成果以“Tetrameric PilZ protein stabilizes stator ring in complex flagellar motor and is required for motility in Campylobacter jejuni”為題，發(fā)表于國際著名綜合性期刊PNAS。中國科學(xué)院南海海洋研究所2020級博士生陳園園和耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院Shoichi Tachiyama為共同第一作者，研究員高貝樂為通訊作者。

細(xì)菌鞭毛馬達(dá)是首個被發(fā)現(xiàn)的生物旋轉(zhuǎn)機(jī)器，其驅(qū)動力由定子單元MotAB通過消耗離子動力勢提供。MotAB的同源蛋白參與多種重要的細(xì)胞生命過程，研究鞭毛馬達(dá)有助于加深我們對這類旋轉(zhuǎn)復(fù)合體的理解。在鞭毛馬達(dá)“齒輪傳動”模型中，定子作為小型的主動齒輪驅(qū)動大型被動齒輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。近期多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在模式物種E. coli和S. enterica以外的許多物種中存在額外的周質(zhì)支架蛋白，這些蛋白能穩(wěn)定并形成更寬的定子環(huán)以產(chǎn)生更大的扭矩。然而，迄今尚無報道表明胞質(zhì)側(cè)存在能與定子形成穩(wěn)定復(fù)合物的支架蛋白。

研究團(tuán)隊(duì)揭示，位于胞質(zhì)側(cè)的FlgX蛋白構(gòu)成空腸彎曲桿菌復(fù)雜鞭毛馬達(dá)結(jié)構(gòu)的新組分，能夠與MotA的胞質(zhì)部分相互作用并穩(wěn)定馬達(dá)中的定子環(huán)。結(jié)構(gòu)分析表明，F(xiàn)lgX屬于四聚體PilZ家族，但與其他作為c-di-GMP受體的PilZ家族蛋白不同，研究顯示FlgX不具備c-di-GMP結(jié)合能力，表明其在空腸彎曲桿菌中獨(dú)立于c-di-GMP調(diào)控發(fā)揮功能。此外，胞質(zhì)側(cè)還發(fā)現(xiàn)了新的球形密度結(jié)構(gòu)，將兩個FlgX連接在一起，而蛋白組分尚不清晰。FlgX或定子單元的缺失均會導(dǎo)致周質(zhì)空間中FliL環(huán)和籠狀結(jié)構(gòu)的不完整，這表明FlgX-定子復(fù)合體的組裝可能早于FliL環(huán)和籠狀結(jié)構(gòu)的形成。對彎曲菌門的進(jìn)化分析顯示，F(xiàn)lgX與該門祖先的F3趨化系統(tǒng)綁定出現(xiàn)，表明FlgX極有可能是從該門的共同祖先中進(jìn)化而來。

FlgX四聚體在鞭毛馬達(dá)中的特殊位置增加了我們對定子-轉(zhuǎn)子相互作用復(fù)雜性的理解。其作為鞭毛馬達(dá)結(jié)構(gòu)組分，獨(dú)立于c-di-GMP的調(diào)控發(fā)揮功能，也代表了PilZ超家族一種新的功能分化。此外，對復(fù)雜馬達(dá)結(jié)構(gòu)、功能和進(jìn)化的深入分析為大分子機(jī)器的理性設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

圖1 FlgX具備四聚體PilZ特征且不能結(jié)合c-di-GMP

圖2 空腸彎曲桿菌FlgX-MotA復(fù)合體的假原子模型

本研究得到了南沙群島珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站開放基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目、南方海洋科學(xué)與工程引進(jìn)人才團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)專項(xiàng)廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），以及中國科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院的資助。

相關(guān)論文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2412594121