Cell | 細菌鞭毛馬達「定子」單元的分子機制

2020-10-03 BioArt

撰文 | 小白薯

責編 | 兮


我們都知道，發動機在我們的現代生活中無處不在，小到剃鬚刀、電動玩具，大到汽車、飛機、輪船，馬達都扮演著不可或缺的重要角色。沒有馬達，這些現代交通工具可能就只是一塊不能運動的廢鐵，我們的生活也不可能變得這麼便捷。因此，我們必須需要發動機。「發動機」對於細菌來說，也是如此。


我們都知道，細菌無處不在。但是細菌要想生存，想要傳播它的病原性，它就必須要有強大的運動能力。大多數細菌通過鞭毛的旋轉來驅使自身的運動。細菌的鞭毛通常由一根長長的纖維---作為驅動的「螺旋槳」; 一個鉤子---作為連接結構；和一個嵌入在細胞膜的馬達組成。離子驅動的旋轉馬達由一個「轉子」和一個「定子」組成，其中定子是環形的蛋白複合物(MotAB)，環繞轉子並促使它的旋轉【1】 (圖1)。有意思的是，該馬達的旋轉既可以是順時針的，也可以是逆時針的，特定的趨化因子信號可以誘導轉子的翻轉，引起馬達旋轉方向的改變。值得注意的是，原核生物旋轉分子馬達的「定子家族」是除了ATPase家族外，唯一一個用跨膜離子濃度梯度而不是ATP產生機械動力的馬達分子，而其中MotAB則是這類「定子家族」中功能研究最深的典型【2】。但是，對其中的作用機制卻不像ATPase那樣被研究的非常透徹。因此至今，對MotAB和其他原核定子單元如何工作的分子機制仍然不清楚。


圖1. 細菌鞭毛的結構剖面示意圖


近日，哥本哈根大學Nicholas M.I. Taylor課題組題在Cell上發表了為「Structure and Function of Stator Units of the Bacterial Flagellar Motor」研究論文，揭示了細菌鞭毛馬達定子部分的分子機制。作者通過Cryo-EM技術，解析了定子單元不同功能狀態下近3 埃的電鏡結構。


細菌鞭毛馬達的定子單元嵌入在細胞膜內膜，使得它可以與馬達分子有互作並且形成一個離子通道。它們平時處於一種塞緊的、失活的的狀態，除非通過馬達互作或者與肽聚糖的結合而激活。馬達轉子的旋轉是由經過定子的離子梯度勢能驅使的。有研究猜測結合在定子上的離子誘導了定子本身的構象變化。大量的遺傳學實驗結果表明在馬達分子上的突變會導致細菌運動能力的減弱，這種突變被稱為Mot-(無運動性)；或者突變導致控制馬達旋轉方向的不足，這種突變被稱為Che-(無趨化性)。有意思的是，所有之前報導的在定子單元上的突變都是Mot-。這表明改變馬達旋轉方向的開關僅僅是由轉子上的結構變化控制。因此，那些能夠驅使轉子逆時針方向(counterclockwise，CCW)旋轉的、在定子上的構象變化，也應該能夠驅使它順時針(clockwise，CW)旋轉。


定子複合物單元是由兩個膜蛋白組成，分別是MotA和MotB【3】。MotA包含四個跨膜結構域和一個可能與轉子相互作用的胞質結構域。MotB包含一個單次跨膜結構域和一個可與肽聚糖結合的間質結構域。MotB跨膜結構域有一個普通的保守天冬氨酸(D)，該胺基酸被認為是直接參與了質子的運輸。在MotB跨膜結構域之後的區域被稱為「塞子」(plug) (圖2)。


圖2. MotA和MotB的拓撲結構示意圖


此前大量的生化實驗、交聯實驗和遺傳學實驗數據建立的分子模型表明MotAB的分子比例可能是4:2。然而，這些模型都是建立在MotB必須是個二聚體，且MotA:B的比例至少是2:1的假設之上。同時，在經過同源性分析後，MotAB顯示跟其他被推測也為原核旋轉馬達的蛋白系統相似，比如ExbBD【4】, TolQR【5】, 和 AglRQS【6】。以ExbBD為例，不同的實驗研究報導的蛋白B和D的分子比例有4:1, 4:2, 5:2和6:3，直到最近的高解析度結構才確定了其5:2的真實分子模型。因此對於MotAB來說，儘管此前幾十年有很多對他的功能研究，但是分子機制和分子模型一直懸而未決。通過結構解析作者發現，MotAB定子單元由一個MotB的二聚體和一個環繞MotB 的MtoA五聚體組成，才最終確定了該MotAB複合物的分子模型比例為5:2 (圖3)。


圖3. MotAB的分子結構模型


結合結構數據和功能的研究，作者發現了很多關鍵的胺基酸對於旋轉力的發生非常重要，並通過大量的突變實驗驗證了結構的正確性。作者通過解析不同狀態下的高解析度分子結構，發現這是一個在MotAB/PomAB家族中非常保守的一個模型。進一步，作者還根據不同功能狀態的結構推測，馬達分子基於質子運輸的結構變化驅動了轉子的旋轉。總的來說，該文章揭示了該分子馬達定子中的「自抑制塞子」的結構基礎，比較詳細地呈現了細菌鞭毛馬達分子的功能和改變旋轉方向的分子機制。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.016

製版人：毯毯


參考文獻

1. Morimoto, Y. V. & Minamino, T. Structure and function of the bi-directional bacterial flagellar motor. Biomolecules 4, 217-234 (2014).

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3. Kojima, S. et al. The helix rearrangement in the periplasmic domain of the flagellar stator B subunit activates peptidoglycan binding and ion influx.Structure 26, 590-598. e595 (2018).

4. Kojima, S. & Blair, D. F. Conformational change in the stator of the bacterial flagellar motor. Biochemistry 40, 13041-13050 (2001).

5. Cascales, E., Lloubes, R. & Sturgis, J. N. The TolQ–TolR proteins energize TolA and share homologies with the flagellar motor proteins MotA–MotB. Molecular microbiology 42, 795-807 (2001).

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