細菌的鞭毛運動及其調控機制研究進展

盧惠芳，黃健，2 ，閔迅，2

(1.遵義醫科大學檢驗醫學院，貴州 遵義 563000； 2.遵義醫科大學附屬醫院檢驗醫學科，貴州 遵義 563000)

運動性是細菌的一種重要生物學行為，細菌的運動方式具有多樣性，包括鞭毛介導的游泳運動和群集運動以及不依賴于鞭毛的抽搐運動、滑動、跳躍運動等[1]。其中，鞭毛運動是細菌的主要運動方式，大多數細菌具有鞭毛這種運動器官，包括病原菌，如致病性大腸埃希菌、腸鏈球菌、銅綠假單胞菌、彎曲桿菌和單核細胞增生李斯特菌等[2-4]。鞭毛運動在細菌的多種生物功能中均發揮積極作用，如細菌與宿主共生體系的形成、致病性和抗生素耐藥[5-6]。在鮑曼不動桿菌的致病過程中，鞭毛功能缺陷可導致其毒力顯著減弱[7]；霍亂弧菌依靠其運動性入侵人體并進行定植、繁殖，進而分泌毒素引發疾病，同時其還可通過運動機制逃避宿主免疫攻擊或從感染位游離并隨患者排泄物進入水體而導致疾病擴散[8]。研究發現，細菌的群體感應(quorum sensing，QS)系統、環二鳥苷酸(cyclic diguanosine monophosphate，c-di-GMP)信號系統、蛋白質糖基化等因素均可不同程度地影響細菌的運動性[9-11]。因此，充分認識細菌的鞭毛運動及其調控機制有助于理解細菌的致病和傳播機制，為細菌感染性疾病的防治提供幫助?，F就細菌的鞭毛運動及其調控機制的研究進展予以綜述。

1 細菌的鞭毛運動概述

鞭毛運動是細菌通過鞭毛的旋轉而推動的菌體運動，是一種十分高效的運動方式。而鞭毛是一種由多個蛋白亞基有序排列組成的復雜且精妙的納米引擎，是自然界中最高效、精密的分子機器。在細胞質膜鞭毛基部的氫離子流或鈉離子流的驅動下，鞭毛可以300～2 400轉/s的轉速轉動，為細菌運動提供動力，驅動細菌向前運動，其在1 s內的運動距離可達菌體長度的數十倍[12-15]。

1.1鞭毛的結構 作為細菌的運動器官，鞭毛的分子結構在不同種屬間具有高度保守性。Minamino和Imada[16]通過電子冷凍切片術和亞張力平均法觀察不同種類細菌的鞭毛結構，發現其完整結構分為鞭毛基底體、鞭毛細絲和鞭毛鉤三部分。

鞭毛基底體由一個轉子和多個定子單元組成，轉子由C環、MS環以及分別作為襯套和中央驅動軸的LP環和桿部組成，而定子是將離子梯度的能量轉換為力矩的發生器[17]。定子單元圍繞C環形成環形結構，其直徑和對稱性因細菌種類而異，從而適應不同的C環直徑；每個定子單元根據離子濃度和鞭毛上的外部負載可動態地與基底體結合或分離，從而實現鞭毛基底體的開關功能[18]。

鞭毛細絲是一種管狀結構，由20 000多個以螺旋方式排列的鞭毛蛋白和頂端的fliD蛋白組成；鞭毛蛋白是鞭毛細絲的基礎結構單位，由4個從內到外依次排列的D0、D1、D2和D3線性結構域組成，鞭毛蛋白的肽鏈末端在不同種屬細菌中具有高度同源性，鞭毛蛋白的肽鏈末端構成了細絲的核心[19]；此外，鞭毛蛋白多肽序列存在高變區，導致不同細菌的鞭毛蛋白外結構存在顯著差異，甚至在某些細菌(如枯草芽孢桿菌)中完全缺失[20]。

鞭毛鉤是一種短小、高度彎曲的管狀結構，具有連接鞭毛基底體與鞭毛絲的作用，由約120個拷貝的單一flgE蛋白組成[21]。作為分子引擎的萬向節，鞭毛鉤可在鞭毛基底體和細絲不同軸的情況下，將基底體扭矩傳遞至鞭毛細絲上。分子結構解析結果表明，鞭毛鉤與鞭毛絲的基本結構相似，雖然鉤蛋白與鞭毛蛋白具有高度不同的氨基酸序列，但均是由11個原絲組成的管狀纖維或每2圈11個亞單位的螺旋對稱結構[22]。flgE分子由D0、D1和D2三個主要結構域組成，其排列方式為從管狀結構的內核到外表面呈放射狀排列；從鉤的近端到遠端呈軸向排列[22-23]。

在細菌運動過程中，基底體作為旋轉馬達，而與基底體連接的鉤作為引擎萬向節，細絲結構則作為螺旋推進器，其旋轉的驅動力由細胞質膜上特定離子的電化學電位差提供；在質子泵的驅動下，鞭毛馬達的旋轉產生扭矩并通過鞭毛鉤傳遞至作為推進器的鞭毛細絲上，鞭毛細絲的旋轉運動產生推力為細菌的運動提供動力[23-24]。鞭毛的旋轉分為順時針旋轉和逆時針旋轉，旋轉方向的改變是細菌趨化運動的基礎。

1.2鞭毛類型 不同種屬的細菌鞭毛的數量和分布與菌體的位置各不相同，其中生長于菌體一端或兩端的鞭毛稱為極性鞭毛，主要見于霍亂弧菌、銅綠假單胞菌等；在菌體兩端之外隨機生長的鞭毛則稱為側鞭毛，可見于反芻月形單胞菌等；遍布于細菌周身的鞭毛稱為周鞭毛，主要見于大腸埃希菌、腸道沙門菌等；生長于細胞周質空間內的鞭毛稱為周質鞭毛，主要見于螺旋體[25-27]。極性鞭毛和側鞭毛是細菌中最常見的排列形式，其中極性鞭毛是連續產生的，而側鞭毛是在極性鞭毛功能失效的條件下產生[28]。通過研究側鞭毛系統編碼基因的系統發育和組織結構發現，側鞭毛系統的起源不同于極性鞭毛系統[29-30]。Kusumoto等[31]證實，極性鞭毛的數量受flhF正調節、受flhG負調節，在某些物種中，flhF與flhG可相互作用導致極性鞭毛蛋白活性變化，進而調節鞭毛生物合成的空間位置和數量。側鞭毛的表達受環境因素和調節因子的調控，從而介導細菌的聚集、黏附和生物膜的形成。

1.3鞭毛運動的分類 根據細菌運動形式的不同，鞭毛運動可分為游泳運動和群集運動。游泳運動是指細菌通過旋轉一個或幾個鞭毛推動液體并在其反作用下前進的運動方式，大部分細菌通過這種方式運動[23]。游泳運動具有速度快的特性，每秒鐘可達數百微米。在前進運動過程中，細菌會經歷多次快速的翻滾運動，在此期間，至少有一個鞭毛逆轉其旋轉方向為順時針并與鞭毛束解離后分散在胞體邊緣，導致細菌運動的隨機重新定向；在翻滾運動結束后，分散的鞭毛絲在螺旋束中重新聚集在一起并逆時針旋轉，回歸為前進運動[32]。前進運動和翻滾運動模式交替發生，導致細胞在每次翻滾運動后會隨機改變運動方向，以抵達對其有利或逃離對其不利的生存環境[23，33]。前進運動的持續時間約為1 s，而翻滾運動的持續時間約為0.1 s，當環境中存在化學誘導劑時，細菌的隨機前進運動會傾向于誘導劑所在區域，翻滾運動頻率也會降低[34]。

群集運動是指細菌在半固體培養基上從接種點向周圍逐漸分散生長的易位方式[35]，其運動速度約為1 cm/d，群集細胞通常長而多核、鞭毛密集[36-37]。群集運動是細菌入侵自然棲息地周邊領域的重要手段，其中flhD和flhC鞭毛主操縱子是控制其分化和遷移調控系統的關鍵[38]。細菌群集運動具有多種生物學意義，包括可提升對抗生素的耐藥性、運載有益的真菌孢子和其他細菌、傳遞毒素殺滅其他細菌以提高自身競爭力等[39]。

1.4鞭毛介導的黏附與定植 鞭毛通過多態性變換表現出不同的鞭毛構象，從而通過推、拉、輕拂、擺動、滾動或纏繞細胞等黏附于宿主細胞[40]。研究發現，副溶血性弧菌、嗜水性弧菌的極性鞭毛可推動菌體在液體介質中運動，其側鞭毛在菌體侵入宿主后被誘導形成細菌與黏膜表面的連接，使細菌黏附更牢固[41]。此外，細菌與生物介質黏附后在宿主細胞表面的運動性是其快速定植的另一個重要特性[42]。

生物膜的形成是細菌黏附于自身分泌的多糖基質表面并不斷繁殖的一種積累過程[43]。鞭毛運動可促使細菌之間產生短暫的細胞表面接觸，抵消細胞表面的靜電排斥力，因此鞭毛運動是細菌自發聚集和不可逆表面黏附所必需的[44]。研究發現，在大腸埃希菌中鞭毛運動與生物膜結構之間存在相關性，運動性強的菌株可形成具有顯著垂直結構的生物膜，而運動受損的菌株則形成結構平坦的生物膜[45]。此外，運動也并不總是促進生物膜的形成。如Houry等[46]通過觀察載玻片發現，鞭毛可通過阻止細菌表面的直接相互作用降低細菌在玻片表面黏附的功能。

2 鞭毛運動的調控機制

目前已發現50多個鞭毛相關基因，且主要分為fla、mot和che三類，這些基因在染色體上成簇排列并集中在4個區域，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa和Ⅲb區域[47]。鞭毛基因的表達調控是一個級聯網絡，網絡第一層為flhD和flhC兩個母基因，這兩個母基因受管家基因σ70和熱激蛋白的調控，并參與調控第二層35個基因的表達；第二層基因中的fliA和fliM則參與調控第三層基因的表達，包括鞭毛蛋白編碼基因、motA和motB等[48]。細菌的運動性是一種復雜的生物特性，受多種因素調節，從而適應不同的生理需求，包括種群密度、營養物質、環境壓力和物理因素(如光、溫度、氧含量)。

2.1QS系統 QS系統是一種群體密度依賴性細胞間信號轉導系統[49]，細菌在其生長過程中分泌可在環境中自由擴散的信號分子，當信號分子濃度達一定閾值后與細菌受體結合調控多種生物學功能變化[50]。研究發現，QS可直接調控大腸埃希菌和結腸耶爾森菌鞭毛基因的表達，QS突變則可導致細菌鞭毛合成延遲[9]。此外，細菌會對宿主分泌的神經內分泌因子產生效應，如去甲腎上腺素可促進銅綠假單胞菌、大腸埃希菌和腸鏈球菌的運動[51]。通常認為，宿主精神壓力導致細菌感染的易感性增加是由于壓力狀態下神經分泌影響宿主的免疫系統與黏膜屏障功能[52]，但研究發現，宿主內分泌可直接作用于細菌，導致其生長、運動和毒力變化，其機制類似于QS，擴散的激素分子與細菌受體蛋白(如鐵轉蛋白、膜結合組氨酸激酶)結合發揮生物學作用[53]。

2.2c-di-GMP信號系統 c-di-GMP是細菌中廣泛存在的第二信使，細菌可通過胞內c-di-GMP水平變化調節鞭毛基因的表達及鞭毛蛋白組裝或功能[10，54]。在大腸埃希菌中，c-di-GMP與鞭毛制動蛋白YcgR的PilZ結構域結合，可促使c-di-GMP與鞭毛定子亞基motA結合，從而增加motA與轉子亞基fliG間的相互作用力，導致鞭毛馬達扭矩減小，在這個過程中YcgR發揮了制動的作用[55]。YcgR蛋白存在于50多種細菌中，因此這種抑制動力的調控方式應用廣泛[56]。在副溶血性弧菌中，降低c-di-GMP水平可增加運動相關基因的表達[57]；在泰國伯克霍爾德菌中存在一種c-di-GMP磷酸二酯酶PdcA，其可調節c-di-GMP并影響其生物膜形成、運動性和毒力[58]。c-di-GMP介導的細菌鞭毛運動抑制可能與環境中營養物質缺乏有關，鞭毛運動通常有利于細菌的生存，但能源缺乏時可能會成為一種負擔[59]。Zhu和Gao[60]通過電子冷凍斷層掃描和實時熒光顯微鏡研究發現，細菌可以在饑餓狀態下以程序化的方式去除鞭毛，但其感知環境引導鞭毛去除的機制還需進一步研究明確。

2.3蛋白質糖基化 蛋白質糖基化是一種較常見、復雜的翻譯后修飾，不僅可促進生物體蛋白質組的擴展，使其超出基因組的編碼范圍，還會對蛋白質的功能、穩定性、亞細胞定位等其他特性產生深遠影響[61]。鞭毛的糖基化對于鞭毛結構的正確組裝及運動功能均至關重要，鞭毛多糖具有不同的結構，且通常含有細菌特異性單糖[62]。如在幽門螺桿菌和空腸桿菌中，假單胺酸、軍團胺酸以及含有對乙酰氨基和甲基甘油的衍生物均是鞭毛正確組裝所必需的，假單胺酸生物合成基因缺陷的幽門螺桿菌和空腸桿菌菌株顯示出鞭毛形成缺陷，進而導致細菌運動性喪失和毒力降低[63-64]。此外，艱難梭菌的運動性也取決于其鞭毛蛋白fliC的糖基化，敲除糖基轉移酶可導致細菌的運動性顯著降低[65]。

3 小 結

運動性是影響細菌生存能力和致病力的關鍵因素，大部分細菌的動力均來源于鞭毛。鞭毛作為一種結構精致的多亞基細胞器，在調節和裝配方面均具有復雜的調控機制。鞭毛運動可促進細菌與宿主相互作用，介導細菌在宿主的黏附與定植。運動性在細菌的生命過程中發揮重要作用，并受QS系統、c-di-GMP信號系統、蛋白質糖基化調控，但具體調控通路目前仍未完全闡明。因此，未來進一步深入研究細菌化學感受器或其他物理因素變化的機制以及相關信號通路的調控，可以為臨床感染性疾病的防控提供新的選擇。此外，還可結合控制工程的思想和合成生物學的手段構造基因原件，控制細菌的運動性，制備具有多種用途的功能性細菌制劑或以鞭毛結構為基礎的納米機器。