ビブリオ鞭毛ナトリウムのイオン選択性とローターカップリング

Nature Communications volume 14、記事番号: 4411 (2023) この記事を引用

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32 オルトメトリック

メトリクスの詳細

細菌は、ステーターユニットから電力を供給される鞭毛モーターを使用して泳ぎます。 ビブリオ属ヒトのさまざまな病気の原因となる非常に運動性の高い細菌であり、その極鞭毛はもっぱらナトリウム依存性固定子ユニット（PomAB）によって駆動されます。 しかし、イオン選択性がどのようにして得られるのか、イオン輸送がどのようにしてステーターユニットの方向回転を引き起こすのか、そしてステーターユニットがどのようにべん毛ローターに組み込まれるのかは、ほとんど不明のままであった。 ここで、我々は極低温電子顕微鏡法によって Vibrio PomAB の構造を決定しました。 静電ポテンシャルマップはナトリウム結合部位を明らかにし、機能実験や分子動力学シミュレーションと併せて、イオンの移動と選択性のメカニズムを明らかにします。 PomA からの嵩高い疎水性残基が PomA を時計回りに回転させます。 私たちは、PomA の動的ならせんモチーフが、PomA サブユニットの細胞質ドメイン間の距離、ステーター ユニットの活性化、およびトルク伝達を制御していると提案します。 一緒に、私たちの研究は、イオン選択性と細菌の鞭毛の固定子ユニットの回転子の組み込みを理解するための機構的な洞察を提供します。

多くの細菌は鞭毛を回転させて運動を強化しています。 鞭毛は、ローターと複数のステーターユニットで構成される細胞エンベロープに埋め込まれた回転モーター（または基底体）に柔軟なフックを介して接続された長いフィラメントを特徴としています1、2、3、4。 鞭毛ステーターユニットは、膜貫通イオン動力（IMF）を利用して鞭毛を回転させる機械的トルクを生成します。このトルクは、多くの細菌が液体環境または粘性表面上での移動を有利なニッチに向けるために使用されます4、5、6。 ステーターユニットによって駆動される細菌のべん毛モーターは時計回り（CW）と反時計回り（CCW）の両方の方向に回転でき、2方向間の切り替えは細胞内走化性シグナル伝達によって制御されます7、8。 ステーターユニットは鞭毛の回転、つまり細菌の運動に厳密に必要ですが、鞭毛の組み立てには必要ではありません9,10。 さらに、ステータユニットはロータと動的に結合したり、ロータから分離したりします11、12、13。 係合するステータユニットの数を変更すると、機械的負荷に応じて必要なトルクを調整できます14、15、16、17、18。

各固定子ユニットは、細胞質膜の内側に埋め込まれた複合体として組み立てられた 2 つの膜タンパク質で構成され、その膜貫通ドメインがイオン チャネルとして組織されます 19,20。 ステーターユニットを組み込むには、その細胞質ドメインがローターと相互作用し、そのペリプラズムドメインが細菌の細胞壁に付着する必要があります21。 イオンの移動によって生成されたトルクは、ステーターとローターの境界面での静電相互作用を介してローターに伝達されます22、23、24、25。 伝導性イオンに応じて、ステータユニットは主に 2 つのサブファミリー、つまり H+ 駆動ステータユニット (例: MotAB) と Na+ 駆動ステータユニット (例: PomAB) に分類できます 26,27。 さらに、カリウムと、カップリングイオンとしてカルシウムやマグネシウムなどの二価イオンを使用したステータユニットも報告されています28、29、30、31。 最近、H+ 駆動 MotAB 固定子ユニットの単粒子クライオ電子顕微鏡 (クライオ EM) 構造 32,33、無傷の鞭毛運動複合体のクライオ EM 構造 34,35,36、および in situ クライオ電子断層撮影 (クライオET) によるべん毛モーターの研究 21、37、38、39、40 は、ステーター ユニット アセンブリ、トルク生成、およびモーター機能の詳細な構造および機能図を提供しました 1。 このデータは、ステーター ユニットの動作メカニズムの回転モデルを強く示唆しています。 IMF が分散すると、MotA はペプチドグリカン層に固定された MotB の周りを回転すると考えられています。 MotA の回転はローターと噛み合うことで、大型ローターの回転に動力を与えます。 ロータのCW状態とCCW状態の間でMotAとロータとの差動係合が、スイッチングの機構的基礎を形成するために提案されている。