Vibrio 편모 나트륨의 이온 선택성과 로터 결합

Nature Communications 14권, 기사 번호: 4411(2023) 이 기사 인용

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박테리아는 고정자 장치로 구동되는 편모 모터를 사용하여 헤엄칩니다. 비브리오 종. 다양한 인간 질병을 일으키는 운동성이 높은 박테리아로, 극성 편모는 나트륨 의존 고정자 단위(PomAB)에 의해 독점적으로 구동됩니다. 그러나 이온 선택성이 어떻게 달성되는지, 이온 수송이 고정자 장치의 방향 회전을 촉발하는 방법, 고정자 장치가 편모 회전자에 통합되는 방법은 대체로 불분명합니다. 여기에서는 저온전자현미경을 통해 Vibrio PomAB의 구조를 확인했습니다. 정전기 전위 지도는 기능적 실험 및 분자 역학 시뮬레이션과 함께 이온 전위 및 선택성에 대한 메커니즘을 드러내는 나트륨 결합 부위를 밝혀냅니다. 시계 방향 회전을 위한 PomA 프라임 PomA의 부피가 큰 소수성 잔기. 우리는 PomA의 동적 나선형 모티프가 PomA 하위 단위 세포질 도메인, 고정자 단위 활성화 및 토크 전달 사이의 거리를 조절한다고 제안합니다. 함께, 우리의 연구는 박테리아 편모의 고정자 단위의 이온 선택성과 로터 통합을 이해하기 위한 기계적 통찰력을 제공합니다.

많은 박테리아가 편모를 회전시켜 운동에 힘을 실어줍니다. 편모는 유연한 후크를 통해 회전자 및 다중 고정자 장치1,2,3,4로 구성된 세포 봉투 내장 회전 모터(또는 기저 본체)에 연결된 긴 필라멘트가 특징입니다. 편모 고정자 장치는 막횡단 이온 원동력(IMF)을 사용하여 편모를 회전시키는 기계적 토크를 생성하며, 이는 많은 박테리아가 액체 환경이나 점성 표면에서 운동을 유리한 틈새로 향하게 하기 위해 사용됩니다. 고정자 장치에 의해 구동되는 박테리아 편모 모터는 시계 방향(CW)과 시계 반대 방향(CCW) 방향으로 회전할 수 있으며 두 방향 사이의 스위치는 세포내 주화성 신호에 의해 제어됩니다7,8. 고정자 장치는 편모의 회전과 박테리아의 운동성에 엄격하게 필요하지만 편모 조립에는 필요하지 않습니다9,10. 또한 고정자 유닛은 회전자와 동적으로 연결되거나 분리됩니다11,12,13. 결합된 고정자 장치의 수를 변경하면 기계적 부하14,15,16,17,18와 관련하여 필요한 토크를 조정할 수 있습니다.

각 고정자 단위는 세포질 막 내부에 복합체로 조립된 두 개의 막 단백질로 구성되며, 막 투과 도메인은 이온 채널로 구성됩니다. 고정자 단위를 통합하려면 회전자와 상호작용하는 세포질 도메인과 박테리아 세포벽에 부착되는 주변세포질 도메인이 필요합니다. 이온 전위에 의해 생성된 토크는 고정자-회전자 인터페이스22,23,24,25에서 정전기 상호 작용을 통해 회전자로 전달됩니다. 전도 이온에 따라 고정자 장치는 주로 H+ 구동 고정자 장치(예: MotAB)와 Na+ 구동 고정자 장치(예: PomAB)의 두 가지 하위 제품군으로 그룹화될 수 있습니다. 또한, 칼륨이나 칼슘, 마그네슘과 같은 2가 이온을 결합 이온으로 사용하는 고정자 단위도 보고되었다28,29,30,31. 최근 H+ 구동 MotAB 고정자 장치의 단일 입자 저온 전자 현미경(cryo-EM) 구조32,33, 온전한 편모 모터 복합체34,35,36의 저온-EM 구조 및 현장 저온 전자 단층 촬영(저온-전자 단층 촬영) ET) 편모 모터21,37,38,39,40에 대한 연구는 고정자 유닛 어셈블리, 토크 생성 및 모터 기능에 대한 상세한 구조적 및 기능적 관점을 제공했습니다. 데이터는 고정자 장치의 작동 메커니즘에 대한 회전 모델을 강력하게 제안합니다. IMF가 분산되면 MotA는 펩티도글리칸 층에 고정되어 있는 MotB 주위를 회전하도록 제안됩니다. MotA 회전은 로터와 결합하여 대형 로터의 회전에 동력을 공급합니다. 회전자의 CW 상태와 CCW 상태 사이에서 회전자와 MotA의 차동 결합은 스위칭의 기계적 기초를 형성하기 위해 제안되었습니다.