弧菌鞭毛简介，弧菌鞭毛的合成机制

  一、简介

  弧菌属通过鞭毛的合成而进行运动，鞭毛旋转并推动细菌运动。许多弧菌属合成单极性鞭毛(如霍乱弧菌、溶藻弧菌)，而有些合成了周鞭毛或斜鞭毛。研究发现鞭毛介导的运动与弧菌的趋化性、生物膜形成、定植和毒力等生物过程密切相关。该研究主要关注弧菌有鞘极性鞭毛的形成，其需要超过50种蛋白质来合成，在弧菌生物学组成中起着不可或缺的作用。研究通过与模式菌鞭毛对比以分析弧菌鞭毛合成机制。

  二、弧菌鞭毛组成与合成

  (1)鞭毛基本结构

  肠道沙门氏菌鞭毛是研究较为多的鞭毛模型之一，使用其与弧菌极性鞭毛进行对比。我们知道细菌鞭毛通常由三个主要的结构组成：基体、钩形鞘和鞭毛丝。鞭毛以逐步的方式组装，从细胞质膜开始，然后以正确的顺序分泌成分以形成基体和钩形鞘，最后分泌大量鞭毛蛋白以形成纤丝。在弧菌属中有两种蛋白质控制鞭毛的数量和位置：FlhF和FlhG。这些蛋白质也存在于其他极性鞭毛细菌中。flhG的失活导致弧菌具有多极性鞭毛，而激活flhG则导致没有鞭毛或偶尔细胞在杆子以外的位置出现鞭毛错位。flhF和flhG的失活导致一些细胞具有多个周围丰富的鞭毛，这表明这些蛋白质控制鞭毛数量(flhG)和位置(flhF)。FlhG与FlhF具有拮抗作用：FlhG的过量生产或FlhF的耗尽会减少鞭毛数量，而FlhF的过量生产则会增加鞭毛数量。

  (2)环结构与先相关蛋白

  在肠道沙门氏菌中，基底体通过MS环(FliF)和细胞质内的相关输出装置(称为C环(FliG、FliM和FliN))锚定在内膜内，并带有一根跨越周质空间的螺旋杆(FlgB、FlgC、FlgF和FlgG)(图1A、B)该杆还具有与其穿过的两层相关联的环：与肽聚糖层相关的P环(FlgI)和与外膜相关的L环(FlgH)。运动蛋白(MotA和MotB)通过利用质子动力使鞭毛旋转，与MS环有关，也被称为定子。在外膜外，钩形鞘将基体与鞭毛丝连接起来。钩形鞘由FlgE蛋白组成，是旋转的基底纤维和鞭毛纤维之间的柔性耦合器。最后，鞭毛是由单个鞭毛蛋白亚单位组成的长中空管，该亚单位采用螺旋形状，当马达逆时针旋转时，该亚单位会与其他周围鞭毛捆绑在一起，推动细胞向前运动。研究发现弧菌极性鞭毛与肠杆菌鞭毛具有一定的相似程度(图1C，D)。然而，一些显著的差异包括鞭毛的数量、极性位置、能量学、基底体的附加成分、多重鞭毛蛋白亚单位以及纤维周围存在鞘等，如图1显示：(A) 用电子显微镜观察沙门氏菌鞭毛复合体和基底的轮廓。(B)沙门氏菌鞭毛复合体示意图。(C)溶藻弧菌鞭毛复合体电子显微镜。外壳(绿色箭头)和O形环(紫色箭头)。(D)溶藻弧菌有鞘鞭毛特有的结构。

  (3)驱动鞭毛运动能量与H环结构

  研究发现Na+驱动的弧菌鞭毛的旋转速度是大肠杆菌H+驱动鞭毛的五倍以上，Na+驱动装置包含附加组件MotX和MotY，它们构成鞭毛弧菌体中的T环(图1D)，T形环延伸至接触定子蛋白质MotA和MotB(也称为PomA和PomB)。

  基体包含一个附加环即H环，与外膜相关(图1D)。H环由FlgT和FlgO组成：FlgT与LP和T环直接接触，FlgO位于FlgT的远端，与OM接触。另外一种蛋白质FlgP是一种与运动所需的外膜相关的脂蛋白，flgO、flgP和flgT突变体仍能合成鞭毛，但在flgO和flgP突变体中，纤丝似乎很脆弱，在flgT突变体中容易分离，FlgP的脂质化是外膜定位所必需的，但不是鞭毛功能所必需的，这表明它在定子组件中的作用不需要膜定位。

  通过冷冻电子断层扫描可以在鞘外钩的底部看到一个外膜环(O环)，研究推测该环可能参与鞘的形成(图1C酒红色箭头)。缺乏FlgT的弧菌合成了一些无法穿透外膜的鞭毛，形成周质鞭毛，表明H环在鞘形成中起作用。鞘层的功能仍然是个谜;鞘层被提出用于保护免疫系统中的免疫原性鞭毛蛋白。

  (4)多重鞭毛蛋白亚单位

  肠道链球菌鞭毛的细丝由单一鞭毛蛋白组成。相比之下，弧菌合成由多个鞭毛蛋白亚基组成的鞭毛丝，通常为5-6种不同的鞭毛蛋白。霍乱弧菌有一种主要的鞭毛蛋白FlaA，这是细丝形成所必需且足够的。

  (5)鞭毛编码组装与转录表达

  肠道链球菌的三层鞭毛转录层次结构已经得到了优雅的阐明和描述。弧菌的鞭毛转录层次在霍乱弧菌中的研究最多，与肠道沙门氏菌的鞭毛转录层次不同。

  霍乱弧菌鞭毛转录层次的示意图如下(图2)。弧菌层次结构中唯一的I类基因是σ54依赖的转录激活因子flrA，它是鞭毛层次结构的主要调节因子。FlrA和σ54依赖的II类基因编码MS环、C环、ATP酶和与细胞质膜相关输出装置的组成部分、趋化机制的组成部分，以及决定鞭毛位置和数量的蛋白质。FlrC和σ54依赖的III类基因编码C环、内膜输出装置、杆、杆帽、P、L、H和T环、驱动发生器、钩状成分、丝帽、鞭毛蛋白、鞭毛蛋白伴侣、趋化蛋白和功能未知的蛋白质等其他成分。σ28依赖的IV类基因编码额外的鞭毛蛋白、运动成分、趋化蛋白和甲基化受体(MCPs)。鞭毛基因转录被调节以允许转录也以逐步方式发生，从而形成鞭毛转录层次结构，此外，晚期基因转录不仅依赖于早期组分的成功转录，还依赖于这些组分的成功组装。

  (6)趋化性与毒性

  蟹壳几丁质上霍乱弧菌生物膜的SEM图像(图3)。弧菌生物膜是一种基质封闭的群落，能够在非生物和生物表面形成，优先选择几丁质。细菌生物膜保护微生物群落免受抗菌物质、噬菌体和变形虫的捕食，并分散营养物质以促进生存和环境耐受性。成熟生物膜的复杂三维结构由微菌落组成，形成包裹在致密胞外多糖中的柱状物，以及分散营养物质和扩散有毒物质的流体通道。

  细菌趋化性是朝向趋化剂或远离趋化剂的运动，因此与运动性密切相关。在弧菌中，趋化性由逆时针方向前推进和顺时针后退介导。然而，与在富含鞭毛的细菌中观察到的奔跑和翻滚的趋化行为不同，弧菌利用了一种三步“甩动”趋化搜索模式，其特征是一个平稳向前游动的循环，然后是方向反转，然后是90◦旋转轻弹动。与跑动和翻滚运动方式相比，这种甩动可以使弧菌在方向上发生一致的变化，从而实现更快的营养定位和利用。

  三、总结与展望

  随着全球水温持续上升，弧菌的数量也将随之增加。这可能会导致弧菌相关疾病的增加(例如，珊瑚漂白、贝类和哺乳动物中的弧菌病，以及霍乱感染)。由于能动性在弧菌生命周期中起着关键作用，对能动性的深入了解将有助于深入了解如何改善弧菌对人类和环境的负面作用。目前的一个知识缺口是鞭毛的形成机制，鞭毛是弧菌鞭毛的信号特征之一。了解运动性和趋化性对各种弧菌毒力的贡献和整合方式，可能会带来新的治疗和预防方法。例如，确定溶珊瑚弧菌如何利用趋化性感染珊瑚可能会带来抑制珊瑚漂白的新方法。在某些弧菌属的毒力和生物膜形成过程中，鞭毛合成受到抑制。而许多非运动性细菌病原体也能引起疾病，这表明运动性的表达对这些过程是有负面影响的，因此，揭示弧菌的运动性和毒力之间的反向关系，可能揭示通过增强运动性诱导细菌不致病的机制，因此对鞭毛弧菌和非鞭毛病原体所使用的毒力策略进行比较研究将成为细胞和感染微生物学的前沿。

  来源：

  https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcimb.2019.00131/full

  https://doi.org/10.3389/fcimb.2019.00131