中国科学院南海海洋研究所高贝乐团队Trends in Biochemical Sci

生命科学

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细菌如何利用已有的蛋白质组件，组装出结构复杂、功能各异的分子机器？细菌复杂鞭毛马达的演化为理解这一问题提供了一个有趣的例子。此前，中国科学院南海海洋研究所高贝乐研究团队联合耶鲁大学刘骏教授团队，建立了空肠弯曲菌（Campylobacter jejuni）复杂鞭毛马达的近完整结构模型，揭示了马达外围一种独特的笼状支架——鞭毛笼状结构（flagellar cage）。近日，该团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Biochemical Sciences发表综述文章“Evolutionary assembly of the flagellar cage: repurposing a Type IV pili subcomplex”，结合团队此前发表于Nature Microbiology和PNAS的相关研究，系统梳理了细菌复杂鞭毛笼状结构的组成、装配及演化线索，进一步探讨了这一复杂结构的形成过程及其与Ⅳ型菌毛系统的演化联系。

鞭毛笼状结构与IV型菌毛：不同的机器，有着怎样的联系？

鞭毛和IV型菌毛都是细菌的表面附属结构（图1），但工作方式不同。鞭毛依靠旋转推动细菌游动。它通常由基部马达、鞭毛钩和鞭毛丝组成。马达中的定子利用跨膜离子流提供能量，驱动转子旋转，再带动外部鞭毛运动。IV型菌毛则是一类能够伸出和回缩的蛋白质纤维，参与表面运动、黏附等过程。其装配系统中的PilM、PilN、PilO和PilP等蛋白组成连接内外膜相关结构的支架，称为“对齐亚复合物”。

有趣的是，空肠弯曲菌鞭毛笼状结构的FcpM、FcpN和FcpO，分别与IV型菌毛的PilM、PilN和PilO具有结构相似性。这一发现提示，两类分子机器的部分组件可能存在演化联系，但其具体的演化路径仍有待进一步研究。

鞭毛马达为什么需要一个“笼子”？

不同细菌的鞭毛马达，复杂程度并不相同。与大肠杆菌等细菌的简单鞭毛马达相比，空肠弯曲菌、幽门螺杆菌等弯曲菌门细菌的马达，除了核心旋转装置，还拥有跨越周质空间的外围支架（图2）。高贝乐团队此前的研究表明，空肠弯曲菌的鞭毛笼状结构由FcpM、FcpN、FcpO和PflD蛋白组成，与其他支架结构共同参与定子的组织和稳定。我们可以把定子理解为围绕转子排列的动力单元，把外围支架理解为帮助这些动力单元固定的框架。空肠弯曲菌马达具有约17个定子，而经典的大肠杆菌马达通常最多容纳约11个定子。定子的数量、排列及稳定性，都是决定马达输出能力的重要因素。因此，鞭毛笼状结构并非马达外侧的装饰，而是复杂马达整体结构的一部分。研究它如何稳定定子，有助于理解这类复杂马达的工作方式。

笼状结构的高低交错排列：“两步装配”模型假说

鞭毛笼状结构还有一个特别之处：它的结构单元并不处于同一高度，而是高低交错排列（图3）。形成这种布局的线索，可能藏在PflD蛋白中。PflD具有不同于FcpMNO的结构特点。它包含跨膜区、柔性环区和球状C端结构域。其中，C端结构域与IV型菌毛PilQ的N1结构域具有结构相似性，而PflD的柔性环区也呈现出与PilP相关环区相似的特征，该柔性环使其存在延伸/收缩两种构象的可能。

据此，高贝乐团队构建了PflD延伸/收缩两种结构模型，并将它们与鞭毛马达原位结构进行拟合。结果显示，延伸构象与较高的鞭毛笼单元相吻合，而收缩构象则与较低的单元相吻合。这提示，鞭毛笼状结构的高低交错排列可能与PflD的不同构象有关。

高低交错的笼状结构是如何组装的？除了研究PflD的结构，高贝乐团队还结合了不同突变体的鞭毛马达原位结构进行比较。该团队此前发表于PNAS的研究发现，缺失FlgX等相关组分后，空肠弯曲菌鞭毛马达中的定子装载受到影响，同时鞭毛笼状结构和FliL环的结构也只组装一半。这些结果为理解鞭毛笼状结构的装配提供了线索。基于这些结构观察，本综述提出了一个“两步装配”模型假说：首先，部分FliL与具有延伸PflD的鞭毛笼单元形成初始支架，为定子就位提供条件；随后，随着定子装载，另一部分具有收缩PflD的鞭毛笼单元以及剩余FliL参与组装，形成完整的外围支架。

从深海热液口到人类肠道：鞭毛笼状结构的演化

综合蛋白质的同源关系、结构特征及其在不同细菌中的分布，综述讨论了笼状结构可能的演化路径：在弯曲菌门的共同祖先中，部分与IV型菌毛相关的组件被重新利用，逐渐整合进鞭毛马达，形成新的外围支架。随着弯曲菌门的生态位拓张及物种进化，这些组分被保留在不同生态类群的鞭毛马达中（图4）。这一演化模型提示，复杂鞭毛马达并非简单地为适应宿主高黏度环境而形成，其起源时面临的生态选择压力仍有待阐明。

复杂机器的创新，也可以从“旧零件”开始

研究鞭毛笼状结构的意义，不只在于解释一种特殊支架的结构。它也为理解分子机器如何演化提供了具体案例。本综述展示了分子演化中一种值得关注的思路：复杂机器的出现，不一定需要从头创造所有零件；已有蛋白质经过重新组合、结构调整和功能整合，也可能产生新的用途。

从此前解析复杂鞭毛马达的结构，到此次梳理鞭毛笼状结构与IV型菌毛的演化联系，高贝乐团队把“复杂机器如何搭建”与“复杂机器从何而来”联系起来。未来，对PflD构象、鞭毛笼状结构装配顺序及不同物种间差异的研究，将帮助我们进一步理解：细菌如何用有限的分子组件，搭建出多样而精巧的生命机器。

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