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生命科學(xué)學(xué)院周艷課題組在Cell Research上聯(lián)合發(fā)文揭示病原菌鞭毛馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制

發(fā)布時(shí)間:2024-09-13來(lái)源:浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院中文網(wǎng)作者:100

2024823日,我院周艷課題組和生研院朱永群課題組聯(lián)合在Cell Research雜志在線發(fā)表了題為 “Structural basis of the bacterial flagellar motor rotational switching”的研究論文,通過(guò)構(gòu)建激活型趨化因子蛋白CheY突變體,純化來(lái)源于病原菌沙門(mén)氏菌(Salmonella Typhimurium)的內(nèi)源性的、含方向開(kāi)關(guān)復(fù)合物胞質(zhì)環(huán)(C ring)的鞭毛馬達(dá)顆粒,解析了分別處于逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向中的、完整的鞭毛馬達(dá)-接頭裝置復(fù)合物的兩個(gè)高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu),清晰地揭示了CheY蛋白結(jié)合導(dǎo)致方向開(kāi)關(guān)復(fù)合物的構(gòu)象變化,提出了鞭毛馬達(dá)定子單元的內(nèi)膜重定位概念,從而闡明了細(xì)菌鞭毛馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制,糾正了之前所有關(guān)于C ring的組裝和結(jié)構(gòu)的錯(cuò)誤理解,人們展示了完整的細(xì)菌鞭毛馬達(dá)的結(jié)構(gòu)及工作原理。

細(xì)菌鞭毛基本結(jié)構(gòu)包括鞭毛絲(filament)、接頭裝置(hook)以及鞭毛馬達(dá)(flagellar motor)三部分。鞭毛馬達(dá)是由鑲嵌在細(xì)菌細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)子(rotor)及其周圍錨定的定子單元(stator units)組合而成。定子單元是一種離子通道,可以利用細(xì)菌細(xì)胞膜內(nèi)外的離子電化學(xué)梯度即離子動(dòng)力勢(shì)促使定子單元發(fā)生旋轉(zhuǎn),將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)產(chǎn)生扭矩,扭矩經(jīng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中位于胞質(zhì)一側(cè)的胞質(zhì)環(huán)(cytoplasmic ringC ring)傳遞到聯(lián)動(dòng)桿,再進(jìn)而傳遞給接頭裝置和遠(yuǎn)端鞭毛絲,從而驅(qū)動(dòng)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)。

細(xì)菌鞭毛馬達(dá)是一個(gè)巨大的能雙向旋轉(zhuǎn)的分子馬達(dá),通賦予了細(xì)菌超級(jí)運(yùn)動(dòng)能力,能驅(qū)使細(xì)菌每秒鐘游動(dòng)長(zhǎng)達(dá)自己身長(zhǎng)幾十倍、甚至上百倍的距離。不僅如此,細(xì)菌鞭毛馬達(dá)能在逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。正常情況下鞭毛逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),細(xì)菌向前游動(dòng)。當(dāng)趨化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中CheY蛋白會(huì)被磷酸化,磷酸化的CheYCheY-P)通過(guò)結(jié)合到C ring,促使鞭毛馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向從逆時(shí)針(CCW)轉(zhuǎn)換為順時(shí)針(CW)方向,最終改變菌體運(yùn)動(dòng)方向,因此C ring也被稱為方向開(kāi)關(guān)復(fù)合物(switch complex)。此外,CheZ可以將CheY-P去磷酸化進(jìn)而反調(diào)控馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向。由于C ring結(jié)構(gòu)高度動(dòng)態(tài)且在內(nèi)源性純化時(shí)容易從鞭毛馬達(dá)上解聚,因此聚焦于C ring的鞭毛馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向調(diào)控的結(jié)構(gòu)機(jī)制研究一直存在不少的障礙,導(dǎo)致細(xì)菌鞭毛馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制長(zhǎng)期不清楚,是領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期懸而未決的重要問(wèn)題之一。

   課題團(tuán)隊(duì)自2021年在Cell雜志發(fā)表論文揭示細(xì)菌鞭毛馬達(dá)組裝和扭矩傳輸機(jī)制以來(lái),一直研究細(xì)菌鞭毛馬達(dá)工作機(jī)制,不斷優(yōu)化沙門(mén)氏菌內(nèi)源性鞭毛馬達(dá)純化體系,通過(guò)構(gòu)建激活型CheY突變體(CheY**,即CheYD13K&Y106W突變體),成功獲得了逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下沙門(mén)氏菌含C ring的完整鞭毛馬達(dá)-接頭裝置復(fù)合物顆粒,并解析了它們的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)(圖1)。含CCW-C ring的鞭毛馬達(dá)-接頭裝置復(fù)合物結(jié)構(gòu)共包含341個(gè)亞基,由15種不同鞭毛蛋白組成,整體分子量約為10.2MDa,高度約為680?。而含CheY**結(jié)合的CW-C ring的鞭毛馬達(dá)-接頭裝置復(fù)合物整個(gè)模型由375個(gè)亞基組成,高度約為664?。兩種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的C ring均具有C34對(duì)稱性,由34個(gè)FliG、34個(gè)FliM102個(gè)FliN1:1:3的摩爾比例組成,內(nèi)部具有廣泛且獨(dú)特的亞基間的交叉互作,可分為內(nèi)部亞環(huán)、上部亞環(huán)、中間亞環(huán)和底部亞環(huán)共計(jì)四個(gè)亞環(huán)。其中,FliG通過(guò)堆積致其C端結(jié)構(gòu)域FliGCC排列形成了可以與定子單元互作的上部亞環(huán)結(jié)構(gòu)。CheY**的結(jié)合導(dǎo)致了C ring的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的傾斜和向內(nèi)收縮,并向MS ring和細(xì)菌內(nèi)膜靠近16 ?的距離(圖1)。

1. 含方向開(kāi)關(guān)復(fù)合物的細(xì)菌鞭毛馬達(dá)在逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的冷凍電鏡電子密度和三維結(jié)構(gòu)

激活型CheY通過(guò)FliMN端結(jié)構(gòu)域結(jié)合在相鄰FliMMFliGM結(jié)構(gòu)域外表面形成的間隙中,導(dǎo)致C ring的各結(jié)構(gòu)單元均出現(xiàn)不同程度的構(gòu)象變化,特別是FliG亞基的構(gòu)象發(fā)生了巨大變化(圖2)。CheY的結(jié)合改變了FliG亞基所有結(jié)構(gòu)域的空間位置和結(jié)構(gòu)域間的相對(duì)距離,進(jìn)而導(dǎo)致FliGCC結(jié)構(gòu)域發(fā)生了180°旋轉(zhuǎn)并向馬達(dá)中心移動(dòng)了10 ?的距離,促使與定子單元互作的FliGCC結(jié)構(gòu)域的核心螺旋結(jié)構(gòu)αtorque出現(xiàn)取向和靜電勢(shì)能分布的翻轉(zhuǎn)。C ring 的構(gòu)象變化說(shuō)明定子單元須向馬達(dá)中心移動(dòng),需要在細(xì)菌內(nèi)膜上發(fā)生重新定位,以適應(yīng)αtorque空間位置的變化。通過(guò)分析以往報(bào)道過(guò)的冷凍斷層掃描數(shù)據(jù),結(jié)合建立含定子單元的完整鞭毛馬達(dá)結(jié)構(gòu)模型(圖3),證明了定子單元確實(shí)在細(xì)菌內(nèi)膜上發(fā)生重新定位。

2. 激活型CheY結(jié)合導(dǎo)致C ring發(fā)生構(gòu)象變化

以上數(shù)據(jù)分析展示了鞭毛馬達(dá)方向轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制:在無(wú)CheY蛋白結(jié)合時(shí),沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的定子單元位于C ringFliGCC亞環(huán)的外側(cè),驅(qū)動(dòng)鞭毛馬達(dá)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)CheY結(jié)合到C ring時(shí),促進(jìn)C ring 發(fā)生構(gòu)象變化,向鞭毛馬達(dá)中心收縮并整體上移,進(jìn)而引起FliGCC結(jié)構(gòu)域構(gòu)象變化,最終導(dǎo)致FliGCC上的αtorque發(fā)生了180°的翻轉(zhuǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定子單元從FliG外側(cè)轉(zhuǎn)到內(nèi)側(cè),在內(nèi)膜上發(fā)生空間重定位,促使C ring以順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)鞭毛馬達(dá)方向的轉(zhuǎn)換(圖3)。

3. 細(xì)菌鞭毛馬達(dá)方向轉(zhuǎn)換的機(jī)制模式圖

這項(xiàng)研究工作糾正了之前所有關(guān)于C ring的組裝和結(jié)構(gòu)的錯(cuò)誤理解,改變了之前認(rèn)為定子是完全固定在細(xì)菌內(nèi)膜上的概念,反駁了以往所有的關(guān)于鞭毛馬達(dá)方向轉(zhuǎn)換是因?yàn)?/span>C ring的結(jié)構(gòu)外延這一假說(shuō),并向人們展示了完整鞭毛馬達(dá)三維結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制,為設(shè)計(jì)新抗菌藥物以及新型旋轉(zhuǎn)納米機(jī)器人奠定了理論基礎(chǔ)。

周艷研究員和朱永群教授是本文的共同通訊作者,譚加興博士和張玲博士為本文的共同第一作者,參加研究的還有研究生周星彤和韓似玉等。浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究所等單位的冷凍電鏡中心參與電鏡數(shù)據(jù)的收集工作。本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的資助。

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41422-024-01017-z