浙江大学朱永群实验室和周艳实验室在《细胞研究》（Cell Research）杂志上发表了题为“Structural basis of the bacterial flagellar motor rotational switching”的研究论文。研究团队通过构建激活型趋化因子蛋白CheY突变体，并纯化了来源于沙门氏菌的内源性鞭毛马达颗粒，首次解析了处于逆时针（CCW）和顺时针（CW）旋转状态下的完整鞭毛马达-接头装置复合物的高分辨率冷冻电镜结构。这一成果揭示了CheY蛋白结合导致的方向开关复合物（C ring）构象变化，并提出了鞭毛马达定子单元内膜重定位的概念，阐明了细菌鞭毛马达旋转方向转换的分子机制。

 

  细菌鞭毛马达的基本结构

 

细菌鞭毛系统由鞭毛丝、接头装置和鞭毛马达三部分构成。鞭毛马达由镶嵌在细胞膜上的转子及其周围的定子单元组成，定子单元作为一种离子通道，能够利用膜内外的离子电化学梯度将化学能转化为机械能，产生扭矩并通过C ring传递到接头装置和鞭毛丝，驱动细菌运动。

 

  CheY蛋白的作用机制

 

在趋化信号传导过程中，CheY蛋白被磷酸化形成CheY-P，后者通过与C ring结合促使鞭毛马达旋转方向从逆时针转为顺时针，从而改变细菌的运动方向。CheZ蛋白则负责将CheY-P去磷酸化，反向调控马达旋转方向。

 

   研究成果

 

- **高分辨率结构解析**：研究团队成功获取了CCW和CW状态下沙门氏菌含C ring的完整鞭毛马达-接头装置复合物的冷冻电镜结构。含CCW-C ring的复合物包含341个亚基，由15种不同鞭毛蛋白组成；而含CheY**结合的CW-C ring复合物由375个亚基组成。

  

- **C ring的结构特征**：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组成。CheY**的结合使C ring结构发生倾斜和向内收缩，并向MS ring和内膜靠近16 Å。

 

- **分子机制阐述**：激活型CheY通过与FliM结合，导致C ring的各结构单元发生构象变化，特别是FliG亚基的构象变化。CheY结合改变了FliG的所有结构域位置，使FliGCC结构域旋转180°并向马达中心移动，促使定子单元在内膜上重新定位。

 

  研究意义

 

本研究纠正了之前关于鞭毛马达方向转换机制的误解，提出了一种新的定子单元内膜重定位的概念，并展示了完整的鞭毛马达三维结构及其工作机制。这些发现不仅加深了人们对细菌鞭毛马达功能的理解，也为未来设计新型抗菌药物和纳米机器人提供了理论基础。