Structural basis of the bacterial flagellar motor rotational switching”）的鞭毛马达颗粒，解析了别离处于逆时针和顺时针旋转方向中的、完好的鞭毛马达蛋白结合导致方向开关复合物的构象改变，提出了鞭毛马达定子单元的内膜重定位概念，然后的拼装和结构的过错了解，人们展现了完好的细菌鞭毛马达的结构及作业原理。

  细菌鞭毛根本结构包括鞭毛丝（filament）、接头设备（hook）以及鞭毛马达（flagellar motor）三部分。鞭毛马达是由镶嵌在细菌细胞膜上的转子（rotor）及其周围锚定的定子单元（stator units）组合而成。定子单元是一种离子通道，可经过细菌细胞膜表里的离子电化学梯度即离子动力势促进定子单元产生旋转，将化学能转化为机械能来产生扭矩，扭矩经转子结构中坐落胞质一侧的胞质环（cytoplasmic ring，C ring）传递到联动杆，再然后传递给接头设备和远端鞭毛丝，然后驱动细菌运动。

  细菌鞭毛马达是一个巨大的能双向旋转的分子马达，通赋予了细菌超级运动才能，能唆使细菌每秒钟游动长达自己身长几十倍、乃至上百倍的间隔。不仅如此，细菌鞭毛马达能在逆时针和顺时针旋转方向之间进行转化。一般的情况下鞭毛逆时针旋转，细菌向前游动。当趋化信号转导通路中CheY蛋白会被磷酸化，磷酸化的CheY（CheY-P）经过结合到C ring，促进鞭毛马达旋转方向从逆时针（CCW）转化为顺时针（CW）方向，终究改动菌体运动方向，因而C ring也被称为方向开关复合物（switch complex）。此外，CheZ能够将CheY-P去磷酸化然后反调控马达的旋转方向。因为C ring结构高度动态且在内源性纯化时简单从鞭毛马达上解聚，因而聚集于C ring的鞭毛马达旋转方向调控的结构机制研讨一向存在不少的妨碍，导致细菌鞭毛马达旋转方向转化的分子机制长时间不清楚，是领域内长时间悬而未决的重要问题之一。

  课题团队自2021年在Cell杂志宣布论文提醒细菌鞭毛马达拼装和扭矩传输机制以来，一向研讨细菌鞭毛马达作业机制，一向在优化沙门氏菌内源性鞭毛马达纯化系统，经过构建激活型CheY突变体（CheY**，即CheYD13K&Y106W突变体），成功获得了逆时针和顺时针旋转状态下沙门氏菌含C ring的完好鞭毛马达-接头设备复合物颗粒，并解析了它们的冷冻电镜结构（图1）。含CCW-C ring的鞭毛马达-接头设备复合物结构共包括341个亚基，由15种不同鞭毛蛋白组成，全体分子量约为10.2MDa，高度约为680Å。而含CheY**结合的CW-C ring的鞭毛马达-接头设备复合物整个模型由375个亚基组成，高度约为664Å。两种旋转状态下的C ring均具有C34对称性，由34个FliG、34个FliM和102个FliN以1:1:3的摩尔份额组成，内部具有广泛且一起的亚基间的穿插互作，可分为内部亚环、上部亚环、中心亚环和底部亚环合计四个亚环。其间，FliG经过堆积致其C端结构域FliGCC摆放形成了能够与定子单元互作的上部亚环结构。CheY**的结合导致了C ring的全体结构产生了显着的歪斜和向内缩短，并向MS ring和细菌内膜接近16 Å的间隔（图1）。

  图1.含方向开关复合物的细菌鞭毛马达在逆时针和顺时针旋转状态下的冷冻电镜电子密度和三维结构

  激活型CheY经过FliM的N端结构域结合在相邻FliMM及FliGM结构域外标明产生的空隙中，导致C ring的各结构单元均呈现不同程度的构象改变，特别是FliG亚基的构象产生了巨大改变（图2）。CheY的结合改动了FliG亚基一切结构域的空间方位和结构域间的相对间隔，然后导致FliGCC结构域产生了180°旋转并向马达中心移动了10 Å的间隔，促进与定子单元互作的FliGCC结构域的中心螺旋结构αtorque呈现取向和静电势能散布的翻转。C ring的构象改变阐明定子单元须向马达中心移动，需要在细菌内膜上产生从头定位，以习惯αtorque空间方位的改变。经过一系列剖析以往报导过的冷冻断层扫描数据，结合树立含定子单元的完好鞭毛马达结构模型（图3），证明了定子单元确真实细菌内膜上产生从头定位。

  以上数据剖析展现了鞭毛马达方向转化的分子机制：在无CheY蛋白结合时，沿顺时针方向旋转的定子单元坐落C ring的FliGCC亚环的外侧，驱动鞭毛马达沿逆时针方向旋转。当CheY结合到C ring时，促进C ring产生构象改变，向鞭毛马达中心缩短并全体上移，然后引起FliGCC结构域构象改变，最终导致FliGCC上的αtorque产生了180°的翻转，然后完成定子单元从FliG外侧转到内侧，在内膜上产生空间重定位，促进C ring以顺时针方向进行旋转，以此来完成鞭毛马达方向的转化（图3）。

  这项研讨作业纠正了之前一切关于C ring的拼装和结构的过错了解，改动了之前以为定子是彻底固定在细菌内膜上的概念，辩驳了以往一切的关于鞭毛马达方向转化是因为C ring的结构外延这一假说，并向人们展现了完好鞭毛马达三维结构和作业机制，为规划新抗菌药物以及新式旋转纳米机器人奠定了理论基础。

  周艳研讨员和朱永群教授是本文的一起通讯作者，谭加兴博士和张玲博士为本文的一起榜首作者，参加研讨的还有研讨生周星彤和韩似玉等。浙江大学、复旦大学、上海交通大学医学院精准医学研讨所等单位的冷冻电镜中心参加电镜数据的搜集作业。本研讨由国家自然科学基金、国家重点研制方案和中心高校根本科研业务费的赞助。

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