科技前沿｜細菌趨化系統與鞭毛的共進化機制研究獲新進展

中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室研究員高貝樂團隊在細菌趨化系統與鞭毛的共進化機制研究中取得新進展，相關成果近日以“The evolutionary path of chemosensory and flagellar macromolecular machines in Campylobacterota”為題，線上發表於PLOS Genetics（《公共科學圖書館：遺傳學》）。

大分子複合體的進化是一個基本的生物學問題，關係到生命的起源，也指導著合成生物學的理性設計。在單細胞微生物的所有大分子機器中，趨化系統是可以透過電子顯微鏡直接觀察到的高度組織化的超結構之一。幾乎所有的運動細菌和古菌都利用趨化系統來指導菌體運動或調節其它生理過程如細胞分裂、生命週期和毒性等。該系統在不同物種中的組成和陣列結構方面表現出巨大的多樣性和複雜性。目前已有大規模的比較基因組學研究根據趨化基因排布和趨化蛋白的組成，將細菌域的趨化系統分為19個F類別。趨化系統的重要訊號輸出端之一是另一個具有高度組織化的超分子結構——鞭毛馬達，鞭毛馬達的轉動能驅動鞭毛絲甩動，從而改變菌體的運動模式。細菌鞭毛由幾十種蛋白構成，不同物種的鞭毛組分同樣具有高度多樣性和複雜性。趨化系統和鞭毛的進化是重要的生物學問題，其多樣性背後的進化機制目前仍不清晰。

圖1

彎曲菌門F型趨化類別的轉換和鞭毛基因的系統發育與水平基因轉移證據。

本研究團隊近期發表在mBio的研究結果表明，在彎曲菌門（Campylobacterota）“生態-進化”框架下，F3趨化類別垂直遺傳自該門的祖先，而其它趨化類別如F7、F8和F9則是在譜系生態位擴張期間透過水平基因轉移獲得，隨後在宿主相關譜系中丟失。彎曲菌門的兩個重要病原菌幽門螺桿菌和空腸彎曲菌只含有一個F3趨化類別，已有大量研究證實這套趨化系統控制著鞭毛運動。因此，本研究團隊透過追蹤彎曲菌門趨化系統和鞭毛的進化過程，進一步探討了這兩個大分子蛋白複合體的多樣性是如何進化的（圖1）。研究結果表明，彎曲菌門中大量鞭毛基因的變化導致了趨化類別的替換或融合。其中，Nitratiruptor屬透過水平基因轉移從Aquificota門獲得了F14趨化基因簇和一個完整的鞭毛基因簇，徹底丟失了彎曲菌門的F3趨化類別和鞭毛基因。Arcobacter屬的趨化蛋白CheYZ和鞭毛基因均來自於彎曲菌門的祖先，CheYZ屬於F3型趨化類別，水平基因轉移獲得的F7型趨化蛋白陣列招募了F3的CheYZ以控制來自於彎曲菌門祖先的鞭毛。

圖2

彎曲菌門中鞭毛馬達與趨化類別的協同進化。

此外，多項研究發現空腸彎曲菌和幽門螺桿菌的馬達中心杆附近具有多層複雜的周質盤狀結構為負載更多的馬達定子結構提供支撐，匹配上直徑更寬的C環能夠產生更大的力矩，便於這類病原菌在高粘性的腸道粘液和組織中定殖。之前的研究認為這類複雜的馬達結構是透過簡單結構逐步獲得額外組分進化而來。然而，我們發現空腸彎曲菌和幽門螺桿菌的可產生高扭矩的複雜鞭毛馬達結構很可能是從彎曲菌門的最後共同祖先進化而來的，而經歷了顯著的鞭毛基因變化的譜系則失去了這個複雜鞭毛馬達結構的一些關鍵成分，從而衍生出比它們的祖先更簡單的鞭毛馬達結構。彎曲菌門的最後共同祖先已經具備了複雜的馬達結構和嚴謹的層級調控（圖2）。

綜上所述，研究團隊利用比較基因組學，功能基因組學的分析方法，細緻解構了彎曲菌門中趨化類別和鞭毛結構的進化路徑，為這兩個大分子蛋白複合體的協同進化提供了詳細的證據，並強調了鞭毛超分子結構的複雜度分析需要立足於細菌物種的系統發育框架，然後對其變化過程進行分析。

南海海洋研究所2022屆博士莫然、2018級博士生朱思琦為共同第一作者，高貝樂研究員為該論文的通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金、南方海洋科學與工程引進人才團隊重點專項廣東實驗室（廣州）、中國科學院戰略性先導專項、中國科學院南海生態與環境工程創新研究院的資助。

相關論文資訊：https：// doi。org/10。1371/journal。pgen。1010316

文圖/劉娟

編輯/孫琳