研究揭示細菌鞭毛馬達E環的起源與演化

中國科學院南海海洋研究所研究員高貝樂團隊針對細菌鞭毛馬達中E環展開系統研究，全面梳理了其研究進展，并指出E環是一類在細菌界分布廣泛且具有古老起源的鞭毛結構組件，為理解細菌運動納米機器的起源與結構演化提供了新的視角。近日，相關綜述論文發表于《歐洲微生物學會聯合會微生物學評論》（FEMS Microbiology Reviews）。

空腸彎曲菌的鞭毛馬達模型。研究團隊供圖，下同

細菌鞭毛堪稱高度精密的納米機器，它能夠驅動細胞在復雜多變的環境中靈活運動。盡管冷凍電子斷層掃描技術讓我們看到了鞭毛馬達顯著的結構多樣性，但周質空間中的多種輔助支架結構仍缺乏系統性研究。

其中，E環早在1979年就已被觀測到，然而長期以來，其分子組成和具體功能一直是個謎。高貝樂團隊近期的研究成功證實，E環由FlgY及其同源蛋白構成，呈現出保守的“環-輻條”結構，并且環繞在MS環上方。

由于E環蛋白在不同物種中的序列高度分化，且突變表型存在差異，這些蛋白在各個物種中被獨立命名，很少有研究將它們作為同一類結構進行系統探討。此次發表的綜述文章總結了E環研究的關鍵進展，明確指出盡管不同物種中E環蛋白的序列差異顯著，但它們的結構折疊模式卻高度相似，均通過二聚化組裝成環，而且在馬達中的位置也極為保守。

E環在具有鞭毛的細菌中廣泛分布。

基于上述發現，研究團隊在國家自然科學基金等項目資助下，提出E環可能在馬達中發揮著類似“軸承”的關鍵作用，它通過包圍MS環，確保MS環能夠穩定旋轉。不過，E環具體的功能機制仍有待進一步深入研究，包括其裝配過程、在不同物種中對細菌運動行為的影響，以及與其它周質支架之間的協同作用等。

進化分析結果顯示，大約三分之二具有鞭毛的細菌都編碼有FlgY同源蛋白。這種蛋白廣泛分布于多個細菌門類，但在β-和γ-變形菌中卻普遍缺失。這一獨特的分布模式表明，E環很可能起源于細菌的共同祖先，而部分譜系在進化過程中發生了基因丟失現象。這一發現挑戰了以大腸桿菌為代表的簡單鞭毛結構作為原始形態的傳統觀點。

研究人員指出，E環是細菌鞭毛馬達中一種古老且重要的結構模塊，它為深入理解細菌運動系統的起源和演化提供了關鍵線索。

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/femsre/fuag011