中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室高貝樂研究員團隊聯合耶魯大學醫學院Jun Liu團隊，揭示了細菌復雜鞭毛馬達結構的新組分，豐富了對定子-轉子相互作用復雜性的理解。相關成果以“Tetrameric PilZ protein stabilizes stator ring in complex flagellar motor and is required for motility in Campylobacter jejuni”為題，發表于國際著名綜合性期刊PNAS。中國科學院南海海洋研究所2020級博士生陳園園和耶魯大學醫學院Shoichi Tachiyama為共同第一作者，研究員高貝樂為通訊作者。
細菌鞭毛馬達是首個被發現的生物旋轉機器，其驅動力由定子單元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胞生命過程，研究鞭毛馬達有助于加深我們對這類旋轉復合體的理解。在鞭毛馬達“齒輪傳動”模型中，定子作為小型的主動齒輪驅動大型被動齒輪轉子的旋轉。近期多項研究發現，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支架蛋白，這些蛋白能穩定并形成更寬的定子環以產生更大的扭矩。然而，迄今尚無報道表明胞質側存在能與定子形成穩定復合物的支架蛋白。
研究團隊揭示，位于胞質側的FlgX蛋白構成空腸彎曲桿菌復雜鞭毛馬達結構的新組分，能夠與MotA的胞質部分相互作用并穩定馬達中的定子環。結構分析表明，FlgX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結合能力，表明其在空腸彎曲桿菌中獨立于c-di-GMP調控發揮功能。此外，胞質側還發現了新的球形密度結構，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致周質空間中FliL環和籠狀結構的不完整，這表明FlgX-定子復合體的組裝可能早于FliL環和籠狀結構的形成。對彎曲菌門的進化分析顯示，FlgX與該門祖先的F3趨化系統綁定出現，表明FlgX極有可能是從該門的共同祖先中進化而來。
FlgX四聚體在鞭毛馬達中的特殊位置增加了我們對定子-轉子相互作用復雜性的理解。其作為鞭毛馬達結構組分，獨立于c-di-GMP的調控發揮功能，也代表了PilZ超家族一種新的功能分化。此外，對復雜馬達結構、功能和進化的深入分析為大分子機器的理性設計提供了重要的理論依據。
圖1 FlgX具備四聚體PilZ特征且不能結合c-di-GMP
圖2 空腸彎曲桿菌FlgX-MotA復合體的假原子模型
本研究得到了南沙群島珊瑚礁生態系統國家野外科學觀測研究站開放基金、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省科技計劃項目、南方海洋科學與工程引進人才團隊重點專項廣東省實驗室（廣州），以及中國科學院南海生態環境工程創新研究院的資助。
相關論文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2412594121
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