Селективность ионов и роторное соединение жгутикового натрия Vibrio

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4411 (2023) Цитировать эту статью

1501 Доступов

32 Альтметрика

Подробности о метриках

Бактерии плавают с помощью жгутикового двигателя, который приводится в движение статорными агрегатами. Виды вибрионов. представляют собой высокоподвижные бактерии, ответственные за различные заболевания человека, полярные жгутики которых приводятся в движение исключительно натрий-зависимыми статорными единицами (PomAB). Однако то, как достигается селективность ионов, как транспорт ионов запускает направленное вращение статорного блока и как статорный блок встроен в жгутиковый ротор, оставалось в значительной степени неясным. Здесь с помощью криоэлектронной микроскопии мы определили структуру Vibrio PomAB. Карта электростатического потенциала обнаруживает места связывания натрия, которые вместе с функциональными экспериментами и моделированием молекулярной динамики раскрывают механизм транслокации и селективности ионов. Объемные гидрофобные остатки PomA загрунтовывают PomA для вращения по часовой стрелке. Мы предполагаем, что динамический спиральный мотив в PomA регулирует расстояние между цитоплазматическими доменами субъединицы PomA, активацию статорной единицы и передачу крутящего момента. Вместе наше исследование дает механистическую информацию для понимания селективности ионов и включения ротора в статорный блок бактериального жгутика.

Многие бактерии вращают жгутики, чтобы обеспечить свое движение. Жгутик характеризуется длинной нитью, соединенной посредством гибкого крючка со встроенным в клеточную оболочку роторным двигателем (или базальным телом), который состоит из ротора и нескольких статорных блоков1,2,3,4. Статорный блок жгутика использует трансмембранную ионную движущую силу (IMF) для создания механического крутящего момента для вращения жгутика, который используется многими бактериями для направления их движения в жидкой среде или на вязких поверхностях в благоприятную нишу4,5,6. Приводимый в движение статорным блоком бактериальный жгутиковый двигатель может вращаться как по часовой стрелке (CW), так и против часовой стрелки (CCW), при этом переключение между двумя направлениями контролируется внутриклеточной передачей сигналов хемотаксиса7,8. Статорные единицы строго необходимы для вращения жгутика и, следовательно, для подвижности бактерий, но не для сборки жгутика9,10. Кроме того, статорные блоки динамически соединяются с ротором и отделяются от него11,12,13. Изменение количества задействованных статорных блоков позволяет настроить необходимый крутящий момент в зависимости от механической нагрузки14,15,16,17,18.

Каждая статорная единица состоит из двух мембранных белков, собранных в виде комплекса, скрытого внутри цитоплазматической мембраны, в которой их трансмембранные домены организуются как ионный канал19,20. Включение статорного блока требует, чтобы его цитоплазматический домен взаимодействовал с ротором, а его периплазматический домен прикреплялся к стенке бактериальной клетки21. Крутящий момент, создаваемый перемещением ионов, передается ротору посредством электростатических взаимодействий на границе раздела статор-ротор22,23,24,25. В зависимости от проводящих ионов статорные блоки можно в основном сгруппировать в два подсемейства: статорный блок, управляемый H+ (например, MotAB) и статорный блок, управляемый Na+ (например, PomAB)26,27. Кроме того, сообщалось о статорных блоках, использующих в качестве связывающих ионов калий и двухвалентные ионы, такие как кальций или магний28,29,30,31. Недавно были изучены одночастичные криоэлектронные микроскопические (крио-ЭМ) структуры статорных блоков MotAB, управляемые H+32,33, крио-ЭМ структуры интактных жгутиковых двигательных комплексов34,35,36, а также криоэлектронная томография in situ (крио-ЭМ) ET) исследования жгутикового двигателя21,37,38,39,40 предоставили подробные структурные и функциональные представления сборки статорного блока, формирования крутящего момента и функции двигателя1. Данные убедительно свидетельствуют о ротационной модели механизма действия статорных блоков. Предполагается, что при диспергировании IMF MotA вращается вокруг MotB, который закреплен на слое пептидогликана. Взаимодействуя с ротором, вращение MotA приводит во вращение большой ротор. Предполагается, что дифференциальное взаимодействие MotA с ротором между состояниями ротора по часовой и против часовой стрелки образует механистическую основу переключения.