Nature Microbiology
弯弯曲菌的高扭矩鞭毛电机结构解析与进化机制研究
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本研究利用原位冷冻电镜技术，在亚纳米级分辨率下解析了弯弯曲菌鞭毛电机的复杂结构，揭示了其高扭矩适应性的分子基础，并为理解细菌分子机器的进化提供了范式。
文献概述
本文《In situ structure of a bacterial flagellar motor at subnanometre resolution reveals adaptations for increased torque》，发表于《Nature Microbiology》杂志，回顾并总结了弯弯曲菌（Campylobacter jejuni）鞭毛电机的结构生物学研究进展，重点在于其进化过程中新获得的周质结构如何通过支架蛋白增加定子复合物的力矩输出，同时对核心结构如LP环、MS环、C环等进行重新评估，提供了在高分辨率下理解鞭毛电机结构的系统方法。
背景知识
细菌鞭毛电机是分子尺度进化创新的典范，其结构和功能的多样性使其在不同环境中适应性运动成为可能。传统的结构研究依赖于分离复合物的结构解析，难以反映原位状态下的真实构象，尤其在高复杂度的Campylobacterota门物种中。该研究通过构建均质的minicell系统，结合冷冻电镜单颗粒分析与亚断层图谱平均技术，首次在原位解析了鞭毛电机的近原子分辨率结构，揭示了FlgP、PflA、PflB等蛋白的组装模式及其对高扭矩的贡献。研究还发现，这些结构蛋白与HtrA蛋白家族存在结构同源性，提示其可能通过基因招募机制进化而来。该工作为后续解析其他膜蛋白机器的结构和进化路径提供了方法论基础。
研究方法与实验
研究团队利用ΔflhG突变体构建了多鞭毛但无丝状体的弯弯曲菌minicell系统，提高了样品均一性和颗粒数量。通过冷冻电镜单颗粒分析和亚断层平均技术，获得了整体电机结构的亚纳米级分辨率重构，并聚焦解析了17重对称的基底盘、中盘及近端盘的结构特征。结合AlphaFold2预测与基因敲除验证，鉴定出FlgP形成基底盘的同心环结构，PflC和PflD构成中盘的α螺旋晶格，而PflA和PflB则形成近端盘的轮辐和边缘结构，与MotB和FliL共同组成定子复合物。此外，通过质谱和结构拟合，确认了PflA和PflB的异二聚化对于近端盘组装至关重要。
关键结论与观点
研究意义与展望
该研究不仅在结构层面揭示了高扭矩鞭毛电机的组装机制，还为理解分子机器的进化提供了范式。未来可扩展至其他Campylobacterota物种及极性运动相关的分子机器，进一步解析其适应性进化路径。此外，该方法适用于其他膜蛋白复合物的原位结构解析，如IV型菌毛或分泌系统，为结构生物学和进化发育生物学提供新的研究工具。
结语
本研究首次在原位解析了弯弯曲菌鞭毛电机的近原子分辨率结构，揭示了FlgP、PflC、PflD、PflA和PflB等新结构蛋白如何协同组装以支持更大数量和更宽半径的定子复合物，从而实现高扭矩输出。研究通过基因敲除、结构预测与生化验证相结合，明确了这些蛋白的相互作用网络及其在电机结构中的定位。这些发现不仅拓展了我们对鞭毛电机结构与功能关系的理解，也为研究其他细菌膜蛋白机器的进化机制提供了结构解析范式。未来，该方法可应用于更多致病菌或共生菌的运动系统，解析其适应宿主粘液环境的结构基础，推动抗感染药物或疫苗靶点的发现。
