研究揭示细菌鞭毛马达E环的起源与演化

中国科学院南海海洋研究所研究员高贝乐团队针对细菌鞭毛马达中E环展开系统研究，全面梳理了其研究进展，并指出E环是一类在细菌界分布广泛且具有古老起源的鞭毛结构组件，为理解细菌运动纳米机器的起源与结构演化提供了新的视角。近日，相关综述论文发表于《欧洲微生物学会联合会微生物学评论》（FEMS Microbiology Reviews）。

空肠弯曲菌的鞭毛马达模型。研究团队供图，下同

细菌鞭毛堪称高度精密的纳米机器，它能够驱动细胞在复杂多变的环境中灵活运动。尽管冷冻电子断层扫描技术让我们看到了鞭毛马达显著的结构多样性，但周质空间中的多种辅助支架结构仍缺乏系统性研究。

其中，E环早在1979年就已被观测到，然而长期以来，其分子组成和具体功能一直是个谜。高贝乐团队近期的研究成功证实，E环由FlgY及其同源蛋白构成，呈现出保守的“环-辐条”结构，并且环绕在MS环上方。

由于E环蛋白在不同物种中的序列高度分化，且突变表型存在差异，这些蛋白在各个物种中被独立命名，很少有研究将它们作为同一类结构进行系统探讨。此次发表的综述文章总结了E环研究的关键进展，明确指出尽管不同物种中E环蛋白的序列差异显著，但它们的结构折叠模式却高度相似，均通过二聚化组装成环，而且在马达中的位置也极为保守。

E环在具有鞭毛的细菌中广泛分布。

基于上述发现，研究团队在国家自然科学基金等项目资助下，提出E环可能在马达中发挥着类似“轴承”的关键作用，它通过包围MS环，确保MS环能够稳定旋转。不过，E环具体的功能机制仍有待进一步深入研究，包括其装配过程、在不同物种中对细菌运动行为的影响，以及与其它周质支架之间的协同作用等。

进化分析结果显示，大约三分之二具有鞭毛的细菌都编码有FlgY同源蛋白。这种蛋白广泛分布于多个细菌门类，但在β-和γ-变形菌中却普遍缺失。这一独特的分布模式表明，E环很可能起源于细菌的共同祖先，而部分谱系在进化过程中发生了基因丢失现象。这一发现挑战了以大肠杆菌为代表的简单鞭毛结构作为原始形态的传统观点。

研究人员指出，E环是细菌鞭毛马达中一种古老且重要的结构模块，它为深入理解细菌运动系统的起源和演化提供了关键线索。

相关论文信息：https://doi.org/10.1093/femsre/fuag011