細(xì)菌的鞭毛運(yùn)動(dòng)及其調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

盧惠芳，黃健，2 ，閔迅，2

(1.遵義醫(yī)科大學(xué)檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)院，貴州 遵義 563000； 2.遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)科，貴州 遵義 563000)

運(yùn)動(dòng)性是細(xì)菌的一種重要生物學(xué)行為，細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)方式具有多樣性，包括鞭毛介導(dǎo)的游泳運(yùn)動(dòng)和群集運(yùn)動(dòng)以及不依賴于鞭毛的抽搐運(yùn)動(dòng)、滑動(dòng)、跳躍運(yùn)動(dòng)等[1]。其中，鞭毛運(yùn)動(dòng)是細(xì)菌的主要運(yùn)動(dòng)方式，大多數(shù)細(xì)菌具有鞭毛這種運(yùn)動(dòng)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(xì)胞增生李斯特菌等[2-4]。鞭毛運(yùn)動(dòng)在細(xì)菌的多種生物功能中均發(fā)揮積極作用，如細(xì)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(dòng)桿菌的致病過(guò)程中，鞭毛功能缺陷可導(dǎo)致其毒力顯著減弱[7]；霍亂弧菌依靠其運(yùn)動(dòng)性入侵人體并進(jìn)行定植、繁殖，進(jìn)而分泌毒素引發(fā)疾病，同時(shí)其還可通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制逃避宿主免疫攻擊或從感染位游離并隨患者排泄物進(jìn)入水體而導(dǎo)致疾病擴(kuò)散[8]。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌的群體感應(yīng)(quorum sensing，QS)系統(tǒng)、環(huán)二鳥(niǎo)苷酸(cyclic diguanosine monophosphate，c-di-GMP)信號(hào)系統(tǒng)、蛋白質(zhì)糖基化等因素均可不同程度地影響細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)性[9-11]。因此，充分認(rèn)識(shí)細(xì)菌的鞭毛運(yùn)動(dòng)及其調(diào)控機(jī)制有助于理解細(xì)菌的致病和傳播機(jī)制，為細(xì)菌感染性疾病的防治提供幫助?，F(xiàn)就細(xì)菌的鞭毛運(yùn)動(dòng)及其調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展予以綜述。

1 細(xì)菌的鞭毛運(yùn)動(dòng)概述

鞭毛運(yùn)動(dòng)是細(xì)菌通過(guò)鞭毛的旋轉(zhuǎn)而推動(dòng)的菌體運(yùn)動(dòng)，是一種十分高效的運(yùn)動(dòng)方式。而鞭毛是一種由多個(gè)蛋白亞基有序排列組成的復(fù)雜且精妙的納米引擎，是自然界中最高效、精密的分子機(jī)器。在細(xì)胞質(zhì)膜鞭毛基部的氫離子流或鈉離子流的驅(qū)動(dòng)下，鞭毛可以300～2 400轉(zhuǎn)/s的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，為細(xì)菌運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)細(xì)菌向前運(yùn)動(dòng)，其在1 s內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離可達(dá)菌體長(zhǎng)度的數(shù)十倍[12-15]。

1.1鞭毛的結(jié)構(gòu) 作為細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)器官，鞭毛的分子結(jié)構(gòu)在不同種屬間具有高度保守性。Minamino和Imada[16]通過(guò)電子冷凍切片術(shù)和亞張力平均法觀察不同種類細(xì)菌的鞭毛結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其完整結(jié)構(gòu)分為鞭毛基底體、鞭毛細(xì)絲和鞭毛鉤三部分。

鞭毛基底體由一個(gè)轉(zhuǎn)子和多個(gè)定子單元組成，轉(zhuǎn)子由C環(huán)、MS環(huán)以及分別作為襯套和中央驅(qū)動(dòng)軸的LP環(huán)和桿部組成，而定子是將離子梯度的能量轉(zhuǎn)換為力矩的發(fā)生器[17]。定子單元圍繞C環(huán)形成環(huán)形結(jié)構(gòu)，其直徑和對(duì)稱性因細(xì)菌種類而異，從而適應(yīng)不同的C環(huán)直徑；每個(gè)定子單元根據(jù)離子濃度和鞭毛上的外部負(fù)載可動(dòng)態(tài)地與基底體結(jié)合或分離，從而實(shí)現(xiàn)鞭毛基底體的開(kāi)關(guān)功能[18]。

鞭毛細(xì)絲是一種管狀結(jié)構(gòu)，由20 000多個(gè)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(xì)絲的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單位，由4個(gè)從內(nèi)到外依次排列的D0、D1、D2和D3線性結(jié)構(gòu)域組成，鞭毛蛋白的肽鏈末端在不同種屬細(xì)菌中具有高度同源性，鞭毛蛋白的肽鏈末端構(gòu)成了細(xì)絲的核心[19]；此外，鞭毛蛋白多肽序列存在高變區(qū)，導(dǎo)致不同細(xì)菌的鞭毛蛋白外結(jié)構(gòu)存在顯著差異，甚至在某些細(xì)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(jié)構(gòu)，具有連接鞭毛基底體與鞭毛絲的作用，由約120個(gè)拷貝的單一flgE蛋白組成[21]。作為分子引擎的萬(wàn)向節(jié)，鞭毛鉤可在鞭毛基底體和細(xì)絲不同軸的情況下，將基底體扭矩傳遞至鞭毛細(xì)絲上。分子結(jié)構(gòu)解析結(jié)果表明，鞭毛鉤與鞭毛絲的基本結(jié)構(gòu)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(gè)原絲組成的管狀纖維或每2圈11個(gè)亞單位的螺旋對(duì)稱結(jié)構(gòu)[22]。flgE分子由D0、D1和D2三個(gè)主要結(jié)構(gòu)域組成，其排列方式為從管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)核到外表面呈放射狀排列；從鉤的近端到遠(yuǎn)端呈軸向排列[22-23]。

在細(xì)菌運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，基底體作為旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，而與基底體連接的鉤作為引擎萬(wàn)向節(jié)，細(xì)絲結(jié)構(gòu)則作為螺旋推進(jìn)器，其旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力由細(xì)胞質(zhì)膜上特定離子的電化學(xué)電位差提供；在質(zhì)子泵的驅(qū)動(dòng)下，鞭毛馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生扭矩并通過(guò)鞭毛鉤傳遞至作為推進(jìn)器的鞭毛細(xì)絲上，鞭毛細(xì)絲的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生推力為細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力[23-24]。鞭毛的旋轉(zhuǎn)分為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向的改變是細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。

1.2鞭毛類型 不同種屬的細(xì)菌鞭毛的數(shù)量和分布與菌體的位置各不相同，其中生長(zhǎng)于菌體一端或兩端的鞭毛稱為極性鞭毛，主要見(jiàn)于霍亂弧菌、銅綠假單胞菌等；在菌體兩端之外隨機(jī)生長(zhǎng)的鞭毛則稱為側(cè)鞭毛，可見(jiàn)于反芻月形單胞菌等；遍布于細(xì)菌周身的鞭毛稱為周鞭毛，主要見(jiàn)于大腸埃希菌、腸道沙門(mén)菌等；生長(zhǎng)于細(xì)胞周質(zhì)空間內(nèi)的鞭毛稱為周質(zhì)鞭毛，主要見(jiàn)于螺旋體[25-27]。極性鞭毛和側(cè)鞭毛是細(xì)菌中最常見(jiàn)的排列形式，其中極性鞭毛是連續(xù)產(chǎn)生的，而側(cè)鞭毛是在極性鞭毛功能失效的條件下產(chǎn)生[28]。通過(guò)研究側(cè)鞭毛系統(tǒng)編碼基因的系統(tǒng)發(fā)育和組織結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，側(cè)鞭毛系統(tǒng)的起源不同于極性鞭毛系統(tǒng)[29-30]。Kusumoto等[31]證實(shí)，極性鞭毛的數(shù)量受flhF正調(diào)節(jié)、受flhG負(fù)調(diào)節(jié)，在某些物種中，flhF與flhG可相互作用導(dǎo)致極性鞭毛蛋白活性變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)鞭毛生物合成的空間位置和數(shù)量。側(cè)鞭毛的表達(dá)受環(huán)境因素和調(diào)節(jié)因子的調(diào)控，從而介導(dǎo)細(xì)菌的聚集、黏附和生物膜的形成。

1.3鞭毛運(yùn)動(dòng)的分類 根據(jù)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)形式的不同，鞭毛運(yùn)動(dòng)可分為游泳運(yùn)動(dòng)和群集運(yùn)動(dòng)。游泳運(yùn)動(dòng)是指細(xì)菌通過(guò)旋轉(zhuǎn)一個(gè)或幾個(gè)鞭毛推動(dòng)液體并在其反作用下前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)方式，大部分細(xì)菌通過(guò)這種方式運(yùn)動(dòng)[23]。游泳運(yùn)動(dòng)具有速度快的特性，每秒鐘可達(dá)數(shù)百微米。在前進(jìn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，細(xì)菌會(huì)經(jīng)歷多次快速的翻滾運(yùn)動(dòng)，在此期間，至少有一個(gè)鞭毛逆轉(zhuǎn)其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針并與鞭毛束解離后分散在胞體邊緣，導(dǎo)致細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)重新定向；在翻滾運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，分散的鞭毛絲在螺旋束中重新聚集在一起并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，回歸為前進(jìn)運(yùn)動(dòng)[32]。前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和翻滾運(yùn)動(dòng)模式交替發(fā)生，導(dǎo)致細(xì)胞在每次翻滾運(yùn)動(dòng)后會(huì)隨機(jī)改變運(yùn)動(dòng)方向，以抵達(dá)對(duì)其有利或逃離對(duì)其不利的生存環(huán)境[23，33]。前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間約為1 s，而翻滾運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間約為0.1 s，當(dāng)環(huán)境中存在化學(xué)誘導(dǎo)劑時(shí)，細(xì)菌的隨機(jī)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)會(huì)傾向于誘導(dǎo)劑所在區(qū)域，翻滾運(yùn)動(dòng)頻率也會(huì)降低[34]。

群集運(yùn)動(dòng)是指細(xì)菌在半固體培養(yǎng)基上從接種點(diǎn)向周?chē)饾u分散生長(zhǎng)的易位方式[35]，其運(yùn)動(dòng)速度約為1 cm/d，群集細(xì)胞通常長(zhǎng)而多核、鞭毛密集[36-37]。群集運(yùn)動(dòng)是細(xì)菌入侵自然棲息地周邊領(lǐng)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(diào)控系統(tǒng)的關(guān)鍵[38]。細(xì)菌群集運(yùn)動(dòng)具有多種生物學(xué)意義，包括可提升對(duì)抗生素的耐藥性、運(yùn)載有益的真菌孢子和其他細(xì)菌、傳遞毒素殺滅其他細(xì)菌以提高自身競(jìng)爭(zhēng)力等[39]。

1.4鞭毛介導(dǎo)的黏附與定植 鞭毛通過(guò)多態(tài)性變換表現(xiàn)出不同的鞭毛構(gòu)象，從而通過(guò)推、拉、輕拂、擺動(dòng)、滾動(dòng)或纏繞細(xì)胞等黏附于宿主細(xì)胞[40]。研究發(fā)現(xiàn)，副溶血性弧菌、嗜水性弧菌的極性鞭毛可推動(dòng)菌體在液體介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，其側(cè)鞭毛在菌體侵入宿主后被誘導(dǎo)形成細(xì)菌與黏膜表面的連接，使細(xì)菌黏附更牢固[41]。此外，細(xì)菌與生物介質(zhì)黏附后在宿主細(xì)胞表面的運(yùn)動(dòng)性是其快速定植的另一個(gè)重要特性[42]。

生物膜的形成是細(xì)菌黏附于自身分泌的多糖基質(zhì)表面并不斷繁殖的一種積累過(guò)程[43]。鞭毛運(yùn)動(dòng)可促使細(xì)菌之間產(chǎn)生短暫的細(xì)胞表面接觸，抵消細(xì)胞表面的靜電排斥力，因此鞭毛運(yùn)動(dòng)是細(xì)菌自發(fā)聚集和不可逆表面黏附所必需的[44]。研究發(fā)現(xiàn)，在大腸埃希菌中鞭毛運(yùn)動(dòng)與生物膜結(jié)構(gòu)之間存在相關(guān)性，運(yùn)動(dòng)性強(qiáng)的菌株可形成具有顯著垂直結(jié)構(gòu)的生物膜，而運(yùn)動(dòng)受損的菌株則形成結(jié)構(gòu)平坦的生物膜[45]。此外，運(yùn)動(dòng)也并不總是促進(jìn)生物膜的形成。如Houry等[46]通過(guò)觀察載玻片發(fā)現(xiàn)，鞭毛可通過(guò)阻止細(xì)菌表面的直接相互作用降低細(xì)菌在玻片表面黏附的功能。

2 鞭毛運(yùn)動(dòng)的調(diào)控機(jī)制

目前已發(fā)現(xiàn)50多個(gè)鞭毛相關(guān)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(gè)區(qū)域，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa和Ⅲb區(qū)域[47]。鞭毛基因的表達(dá)調(diào)控是一個(gè)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)第一層為flhD和flhC兩個(gè)母基因，這兩個(gè)母基因受管家基因σ70和熱激蛋白的調(diào)控，并參與調(diào)控第二層35個(gè)基因的表達(dá)；第二層基因中的fliA和fliM則參與調(diào)控第三層基因的表達(dá)，包括鞭毛蛋白編碼基因、motA和motB等[48]。細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)性是一種復(fù)雜的生物特性，受多種因素調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)不同的生理需求，包括種群密度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、環(huán)境壓力和物理因素(如光、溫度、氧含量)。

2.1QS系統(tǒng) QS系統(tǒng)是一種群體密度依賴性細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)[49]，細(xì)菌在其生長(zhǎng)過(guò)程中分泌可在環(huán)境中自由擴(kuò)散的信號(hào)分子，當(dāng)信號(hào)分子濃度達(dá)一定閾值后與細(xì)菌受體結(jié)合調(diào)控多種生物學(xué)功能變化[50]。研究發(fā)現(xiàn)，QS可直接調(diào)控大腸埃希菌和結(jié)腸耶爾森菌鞭毛基因的表達(dá)，QS突變則可導(dǎo)致細(xì)菌鞭毛合成延遲[9]。此外，細(xì)菌會(huì)對(duì)宿主分泌的神經(jīng)內(nèi)分泌因子產(chǎn)生效應(yīng)，如去甲腎上腺素可促進(jìn)銅綠假單胞菌、大腸埃希菌和腸鏈球菌的運(yùn)動(dòng)[51]。通常認(rèn)為，宿主精神壓力導(dǎo)致細(xì)菌感染的易感性增加是由于壓力狀態(tài)下神經(jīng)分泌影響宿主的免疫系統(tǒng)與黏膜屏障功能[52]，但研究發(fā)現(xiàn)，宿主內(nèi)分泌可直接作用于細(xì)菌，導(dǎo)致其生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)和毒力變化，其機(jī)制類似于QS，擴(kuò)散的激素分子與細(xì)菌受體蛋白(如鐵轉(zhuǎn)蛋白、膜結(jié)合組氨酸激酶)結(jié)合發(fā)揮生物學(xué)作用[53]。

2.2c-di-GMP信號(hào)系統(tǒng) c-di-GMP是細(xì)菌中廣泛存在的第二信使，細(xì)菌可通過(guò)胞內(nèi)c-di-GMP水平變化調(diào)節(jié)鞭毛基因的表達(dá)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(dòng)蛋白YcgR的PilZ結(jié)構(gòu)域結(jié)合，可促使c-di-GMP與鞭毛定子亞基motA結(jié)合，從而增加motA與轉(zhuǎn)子亞基fliG間的相互作用力，導(dǎo)致鞭毛馬達(dá)扭矩減小，在這個(gè)過(guò)程中YcgR發(fā)揮了制動(dòng)的作用[55]。YcgR蛋白存在于50多種細(xì)菌中，因此這種抑制動(dòng)力的調(diào)控方式應(yīng)用廣泛[56]。在副溶血性弧菌中，降低c-di-GMP水平可增加運(yùn)動(dòng)相關(guān)基因的表達(dá)[57]；在泰國(guó)伯克霍爾德菌中存在一種c-di-GMP磷酸二酯酶PdcA，其可調(diào)節(jié)c-di-GMP并影響其生物膜形成、運(yùn)動(dòng)性和毒力[58]。c-di-GMP介導(dǎo)的細(xì)菌鞭毛運(yùn)動(dòng)抑制可能與環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏有關(guān)，鞭毛運(yùn)動(dòng)通常有利于細(xì)菌的生存，但能源缺乏時(shí)可能會(huì)成為一種負(fù)擔(dān)[59]。Zhu和Gao[60]通過(guò)電子冷凍斷層掃描和實(shí)時(shí)熒光顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌可以在饑餓狀態(tài)下以程序化的方式去除鞭毛，但其感知環(huán)境引導(dǎo)鞭毛去除的機(jī)制還需進(jìn)一步研究明確。

2.3蛋白質(zhì)糖基化 蛋白質(zhì)糖基化是一種較常見(jiàn)、復(fù)雜的翻譯后修飾，不僅可促進(jìn)生物體蛋白質(zhì)組的擴(kuò)展，使其超出基因組的編碼范圍，還會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)的功能、穩(wěn)定性、亞細(xì)胞定位等其他特性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[61]。鞭毛的糖基化對(duì)于鞭毛結(jié)構(gòu)的正確組裝及運(yùn)動(dòng)功能均至關(guān)重要，鞭毛多糖具有不同的結(jié)構(gòu)，且通常含有細(xì)菌特異性單糖[62]。如在幽門(mén)螺桿菌和空腸桿菌中，假單胺酸、軍團(tuán)胺酸以及含有對(duì)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(mén)螺桿菌和空腸桿菌菌株顯示出鞭毛形成缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)菌運(yùn)動(dòng)性喪失和毒力降低[63-64]。此外，艱難梭菌的運(yùn)動(dòng)性也取決于其鞭毛蛋白fliC的糖基化，敲除糖基轉(zhuǎn)移酶可導(dǎo)致細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)性顯著降低[65]。

3 小 結(jié)

運(yùn)動(dòng)性是影響細(xì)菌生存能力和致病力的關(guān)鍵因素，大部分細(xì)菌的動(dòng)力均來(lái)源于鞭毛。鞭毛作為一種結(jié)構(gòu)精致的多亞基細(xì)胞器，在調(diào)節(jié)和裝配方面均具有復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制。鞭毛運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)細(xì)菌與宿主相互作用，介導(dǎo)細(xì)菌在宿主的黏附與定植。運(yùn)動(dòng)性在細(xì)菌的生命過(guò)程中發(fā)揮重要作用，并受QS系統(tǒng)、c-di-GMP信號(hào)系統(tǒng)、蛋白質(zhì)糖基化調(diào)控，但具體調(diào)控通路目前仍未完全闡明。因此，未來(lái)進(jìn)一步深入研究細(xì)菌化學(xué)感受器或其他物理因素變化的機(jī)制以及相關(guān)信號(hào)通路的調(diào)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(jié)合控制工程的思想和合成生物學(xué)的手段構(gòu)造基因原件，控制細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)性，制備具有多種用途的功能性細(xì)菌制劑或以鞭毛結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的納米機(jī)器。