从海洋弧菌鞭毛电机定子结构确定钠离子渗透途径及抑制剂作用机制！ ~阐明控制细菌运动的分子机制~

V体育／京都工业大学／名古屋大学

演示要点

〇海洋弧菌运动所必需的鞭毛^※1电机定子^※2的结构被揭露了。
〇​阐明了以前未知的钠离子在定子中的渗透路线。
〇〇有望应用于预防和治疗病原菌感染的新药开发。

摘要

　研究小组成员包括V体育生命与应用化学系助理教授 Tatsuro Nishikino、大阪大学研究生院理学研究生院助理教授 Yoshihiro Takekawa 和 Katsumi Imada 教授、京都工业大学应用生物学系副教授 Junichi Kishikawa、名古屋大学研究生院理学研究生院 Seiji Kojima 教授。^※3揭示了鞭毛电机定子的结构，鞭毛电机定子是一种负责细菌运动的能量转换装置，具有接近原子的分辨率。
　生活在海洋中的海洋弧菌通过像螺丝一样旋转鞭毛纤维来游泳。鞭毛的旋转力是由钠离子流过嵌入底部膜中的电机定子产生的，但其机制尚不清楚。该研究小组利用冷冻电子显微镜单粒子分析确定了定子 (PomAPomB)的三维结构，并从结构中所含钠离子的排列确定了定子内的离子渗透路径和离子选择方法（图1）。另外，钠离子通道抑制剂（fenamil^※4)绑定的定子的结构，我们阐明了抑制剂物理地抑制电机旋转的机制。这项研究的结果预计将在未来通过微分子马达的工程开发和使用药物控制细菌运动来预防和治疗细菌感染的医学应用。
　该研究成果发表在美国科学杂志《” （在线）2024年份12月30

研究背景

　细菌通过旋转称为鞭毛的运动器官在水中游泳。在鞭毛的基部，大约有 20 种直径为45有一个纳米尺寸的超小型电机，这个电机是，F1与机器发动机速度相当20,000转/分钟的速度旋转这种旋转扭矩是由离子从细胞外部通过电机中称为定子的膜蛋白复合物流向细胞内部而产生的（图）2）。定子本身由于离子流而旋转，这种旋转就是电机中的转子^※5而旋转。流入定子的离子由细菌的类型决定，众所周知，氢离子在大肠杆菌和沙门氏菌中流动，钠离子在弧菌中流动。和枯草芽孢杆菌。海洋弧菌的钠离子驱动定子由两种类型的膜蛋白组成PomA和PomB组成，虽然其结构信息很清楚，但尚不清楚钠离子如何在定子内部流动并产生定子的旋转。

研究内容/结果

　该研究小组是海洋弧菌的定子PomAPomB的结构使用冷冻电子显微镜单粒子分析以近原子分辨率揭示了这一点。获得PomAPomB的结构是2分子PomB（PomB1,2)5分子PomA（PomA1～5)在周围排列中形成复合体（图3左),PomA和PomB的交互界面2在一些地方发现了被认为是离子渗透通道的孔隙。2两条离子渗透路径的一侧是封闭的，另一侧有足够大的空间供离子通过，开放的离子渗透路径中存在水分子和钠离子（图3中心）。另外，周质^※6上离子渗透途径侧和钠离子的位置，发现周质侧的离子渗透路径虽然可以结合水合钠离子，但不能结合原子半径较大的水合钾离子（图3右）。由此，我们在世界上首次揭示了周质离子渗透途径起着守门人的作用，选择性地仅允许细胞外的钠离子流入细胞质。

社会意义/未来前景

　细菌鞭毛运动调节细胞内外离子浓度梯度的差异100%的高效率转换扭矩。阐明其工作原理对于开发具有前所未有的高效率和高性能的超小型电机及其工程应用极为重要。此外，虽然本研究中使用的海洋弧菌对人类不具有致病性，但它们与对人类致病的弧菌密切相关，例如副溶血性弧菌和霍乱弧菌。由于这些细菌的致病性与鞭毛运动密切相关，因此使用抑制剂控制鞭毛运动也可以导致病原菌失活。通过利用此次获得的定子和抑制剂的结合来开发更特异结合的新药，预计将开发出用于预防和治疗包括副溶血性弧菌和霍乱弧菌在内的病原菌感染的新药。

　这项研究得到了日本学术振兴会科学研究资助金的支持(作业编号JP20J00329、JP23K14157、JP24117004、JP23247024、JP21H02443、JP23K18114)的支持。此事大阪大学也将同时发布。

术语表

（※1）鞭毛：从细菌细胞表面生长的螺旋形运动器官。存在于细胞外的“鞭毛纤维”；参与扭矩产生和确定旋转方向的“电机”，由埋在细胞表面的多个环形结构组成；以及连接马达和鞭毛纤维的“钩子”。3分为不同的部分。其中，“电机”又分为“定子”和“转子”。2由两个复合体组成。

（※2)定子：一种蛋白质复合物，通过鞭毛马达中的流动离子产生旋转。定子本身利用通过细胞内膜在细胞内外形成的电化学梯度来旋转。

（※3) 冷冻电子显微镜单颗粒分析：在极低温（冷冻）环境下用电子束照射蛋白质样品并根据获得的蛋白质的二维投影图像分析三维结构的方法。一般光学显微镜可分辨的尺寸为数百纳米（人发的粗细约为100纳米），但该方法使用数埃（氢原子）的尺寸。1直径1埃）可以区分。

（※4）Fenamil：阿米洛利的一种衍生物，一种用作利尿剂的化合物。已知阿米洛利及其衍生物与生物体中的各种钠离子转运蛋白结合并抑制钠离子转运。

（※5) 转子：鞭毛运动中由多个环状结构组成的蛋白质复合物。定子的旋转像齿轮一样传递到转子，使转子旋转。转子还决定鞭毛电机是顺时针还是逆时针旋转。

（※6)周质：在具有外细胞膜的细菌中，例如大肠杆菌和弧菌，外膜和内膜之间的空间称为周质。在周质外膜附近，有一个肽聚糖层，充当细胞壁。细菌细胞通过内膜与细胞质分开，因此对于定子等嵌入膜中的蛋白质来说，周质侧是指膜的外侧。

论文信息

论文名称：对海洋细菌鞭毛定子中钠离子途径的结构洞察弧菌.
作者姓名：西木野 Tatsuro Nishikino*、Norihiro Takekawa、Jun-ichi Kishikawa、Mika Hirose、Seiji Kojima、Michio Homma、Takayuki Kato、Katsumi Imada*。 (*:共同通讯作者)
出版杂志名称：美利坚合众国国家科学院院刊
发布日期：2024年份12月30天
DOI：doiorg/101073/pnas2415713122
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