细菌趋化性的信号传导及调节机制研究进展
李茹1陈鹏2
【摘 要】摘要:近年来，人们对细菌趋化性系统中的蛋白质生化和结构方面的认识逐渐加深，其调节趋化反应的信号传导系统在原核生物中较为保守，其中对大肠杆菌的趋化性研究得最透彻，为理解其他信号传导机制提供了有力的参考依据。详细介绍细菌趋化性的信号传导机制，并对包括趋化反应调节蛋白CheY的蛋白质结构以及两种修饰方式的趋化性调节机制最新进展进行了综述。
【期刊名称】生物技术通报
【年(卷),期】2011(000)011
【总页数】4
【关键词】关键词:细菌趋化性信号传导CheY蛋白磷酸化乙酰化
细菌的趋化性是指有运动能力的细菌对环境中的刺激物做出靠近吸引物和远离排斥物的行为。
Engelmann于1881年及Preffer于1883年最早报道细菌趋化性。随后的几十年细菌趋化性研究并未取得较大进展。直到1960年，Alder深入研究了细菌趋化性的分子机制，提出大肠杆菌(Escherichia coli)对氨基酸以及糖的趋化性是由位于细胞表面的受体蛋白调节的，并由细胞内分子传递信号最终影响细菌的行为［1，2］。此后，越来越多的研究人员开始从事细菌趋化性的研究，并取得了许多重要结果。
1 细菌的运动行为
以大肠杆菌为例，每个细胞有4－10根鞭毛，鞭毛的快速旋转使得细菌具有运动能力。鞭毛的旋转有两种形式:一种是逆时针旋转(counter-clockwise，CCW)，此时鞭毛拧成一股形成一个“束”，束高速旋转推动细胞做直线运动，即细菌的泳动行为(swim);另一种是顺时针旋转(clockwise，CW)，束分散或松开导致细胞原地翻滚(tumble)，当鞭毛束重新形成，细胞已改变了运动方向开始下一个泳动。细菌依据一种记忆机制来感应环境中的化学浓度梯度，通过对比现有的浓度和过去的浓度来调整运动行为。细菌在没有化学浓度梯度的环境中，其运动方向是随机的，一般是向前直线运动几秒钟就停下来翻滚，然后再以不同的方向进行直线运动，如此循环往复。当细菌感知到周围的诱导剂浓度降低或驱避剂浓度增加
时，翻滚的频率就会增加，从而使细菌远离不利的环境。反之，翻滚的频率会下降，细菌保持直线运动靠近对它有利的环境［3］。
2 细菌趋化性的信号传导机制与调节机制
bacterium细菌本身太小，并不能感知空间中存在的化学浓度梯度，但是却能对随时改变的化学浓度梯度反应十分敏感，这是因为它们能利用受体蛋白感知细胞外面的刺激物信号，从而调节鞭毛旋转的方向。
在大肠杆菌中，趋化性是通过两个大分子复合体(supramolecular complexes)调节的，即位于细胞两级的受体复合体(receptor complexs)和随机分布于细胞四周、埋于细胞膜中的鞭毛－马达复合体(flagellar-motor complex，一般每个细胞有5－10个)。一个信使蛋白——趋化反应调节蛋白(chemotaxis response regulator，CheY)来回穿梭于两个复合体之间进行从受体到鞭毛的信号传递［4］。
2.1 受体复合体
跨膜的受体复合体由甲基趋化性受体(methylaccepting chemotaxis proteins，MCP)，组氨
酸激酶CheA和连接蛋白CheW组成。大肠杆菌的受体有5种:Tar、Tsr、Trg、Tap和Aer［5］。不同受体感知不同刺激物的信号，如Tar调节对天冬氨酸、谷氨酸和麦芽糖的反应;Tsr调节对丝氨酸的反应;Trg调节对核糖和半乳糖的反应;Tap调节多肽的反应;Aer调节对氧的反应。这些受体以同源二聚体形式存在，都由一个高度可变的负责与刺激物结合的细胞周质感受区和一个保守的提供与CheA和CheW结合平台的细胞质信号区构成［6］。保守的细胞质信号区又可以分为3个亚结构域:(1)HAMP结构域，负责连接跨膜螺旋与胞质的信号区域;(2)甲基化的螺旋区域，包含4个或更多的谷氨酰基，可被甲基转移酶(methyltransferase)CheR进行甲基化修饰，被甲基酯酶(methylesterase)CheB去甲基化;(3)信号区域，CheA和CheW与受体在此区域结合。大肠杆菌的受体数目相对于其他微生物是比较少的，如新月柄杆菌(Caulobacter crescentus)的受体有18种，弧菌(Vibrio cholerae)受体至少有46种［3］。
CheW作为一种连接蛋白，可与MCP和CheA结合，形成MCP-CheW-CheA复合体［7］。CheA蛋白属于“二元调控系统”中的传感激酶，可发生磷酸化，并可在有ATP存在的情况下将磷酸基团转移到CheY上，使CheY发生磷酸化。CheA既可以与CheW结合，也可直接与MCP结合。当MCP未与吸引剂结合时，CheA自身磷酸化并将信号传导至CheY;当吸引剂结
合到MCP上时，导致受体构象发生变化，CheA的自身磷酸化受到抑制，影响了CheY的磷酸化［8］。
2.2 鞭毛－马达复合体
鞭毛－马达是一个把跨膜离子梯度贮存的电化学势能转化为旋转运动机械能的装置，位于鞭毛的基底部，由转子(rotor)和定子(stator)组成。MotA和MotB是跨膜蛋白，二者共同组成质子通道，MotA/MotB复合体构成马达中的非旋转部分，即定子。而FliG、FliM和FliN在鞭毛基底部形成一个功能复合体，称为切换复合体(switching complex)，构成了马达的转子，它可以决定鞭毛的旋转方向。在复合体内，这些切换蛋白可以相互作用，而且FliG可与MotA结合从而连接转子和定子［9－11］。
2.3 趋化反应调节蛋白CheY
刺激信号由受体复合体到鞭毛－马达复合体的传递需要由CheY调节完成。CheY属于“二元调控系统”中的调节蛋白，大小为14 kD，具有多重功能。一旦CheA自身磷酸化，它就能快速地将磷酸基团转移到CheY的Asp57［12］。CheY的磷酸化导致构象的变化，减少了Ch
eY对CheA的亲和力，提高了与FliM蛋白(鞭毛－马达复合体的一个组成部分)的亲和力。结果，当磷酸化的CheY(CheY-P)从受体复合体上释放出来之后，它在细胞质内迅速扩散，并通过FliM与鞭毛－马达复合体相互作用［13，14］。这种依靠磷酸化的相互作用的最终结果是鞭毛CW旋转的可能性增加了，细菌开始做一种翻筋斗式的运动。
2.4 细菌趋化性的调节机制
细菌趋化性反应调节机制的关键就在于CheY蛋白的活性调节，它的磷酸化和乙酰化状态都能直接影响CheY与其他蛋白的结合能力，从而调节细菌鞭毛的旋转方向，进而决定细菌的运动方式。
2.4.1 CheY的蛋白质结构目前，来源于多种微生物中的CheY结构都被解析清楚，以大肠杆菌为例，CheY拥有典型的反应调节子结构，有1个结构域，由5个α-螺旋和5个β-折叠构成。分别位于β1、β3和β5羧基端的Asp13、Asp57和Lys109构成了CheY的活性中心。其中，Asp13对于Mg2+的结合是必需的，Lys109通过它的ε-氨基与Asp57的羧基形成氢键。而既然Asp57是CheY的磷酸化位点，那么当CheY磷酸化后Lys109和Asp57的相对位置就有可能发生改变，以容纳Asp57上连接的磷酸基团。事实上，Lys链柔韧性很好，因此，As
p57的磷酸化就有可能造成活性中心的重排及Lys109构象的变化［15］。
2001年，Lee等［16］用BeF3-CheY的结构模拟了磷酸化的CheY结构，与P-CheY类似，BeF3-CheY与FliM和CheZ的亲和力增强，而与CheA的亲和力降低。对比CheY的活性状态与非活性状态的蛋白结构发现，激活后的CheY结构只有少量改变。这些变化主要集中在β4/H4转角，此区域在非活性状态的CheY中是较柔韧的，并且是与FliM结合的区域的一部分。
2.4.2 CheY活性的调节CheY蛋白可以发生两种化学修饰:磷酸化和乙酰化。因此，它就有两种不同的活性调节方式。
2.4.2.1 CheY的磷酸化CheY可在Asp57位发生磷酸化，由CheA或一些小分子如乙酰磷酸提供磷酸化基团。尽管乙酰磷酸在细胞内普遍存在，而且其水平随着生长阶段和条件而改变。事实上，乙酰磷酸调节的CheY磷酸化的速度要远低于CheA调节的磷酸化。因此，在体内乙酰磷酸对CheY的磷酸化贡献可能较小，但在体外却是一种较为有效的CheY磷酸化方式［17］。
一直以来，人们都认为磷酸化的CheY(Che Y－P)与FliM的结合力增强，从而使鞭毛CW的频率增加，细菌呈现翻滚行为［18］。但是，Sarkar等［19］于2010年研究发现，CheY-P还能与FliN蛋白结合，进一步也能使细菌鞭毛CW的频率增加。另外，CheY-P还可发生去磷酸化，去磷酸化酶CheZ可以加速它的去磷酸化过程，从而降低它与FliM的结合，最后终止鞭毛的CW。研究表明，CheZ的C端负责与CheY结合。而一旦CheY-P与FliM结合，CheZ就不能催化它的去磷酸化，因为它只能催化尚未结合的CheY-P的去磷酸化［20］。
2.4.2.2 CheY的乙酰化2004年，Barak等首次用纯化的E.coli的乙酰辅酶A合成酶(Acs)证实它在体外可将CheY乙酰化。另外，通过质谱分析，CheY的6个Lys乙酰化位点被鉴定出来，分别是:Lys91、92、109、119、122和126。这些乙酰化位点都集中在CheY的C端，正好是CheY与CheA，CheZ和FliM结合的区域［21］。随后，Barak等［22］于2006年报道CheY可以利用AcCoA作为乙酰基来源而发生自乙酰化。另外，有研究人员还提出在细菌体内存在一种未知的乙酰转移酶也可以催化CheY的乙酰化［23－25］。
CheY的去乙酰化有两种方式，一种是由Acs负责催化的去乙酰化［21，26］，另外一种是由沉默信息调节因子2(silence information regulator 2，Sir2)在细菌中的同源蛋白CobB催
化的依赖于NAD+的去乙酰化过程。而且，细菌体内的试验证明后一种方式起主要作用［24］。
2008年Yan等［23］在细菌体内能直接测到CheY的乙酰化。2010年，Li等［24］发现cobB敲除株CheY乙酰化水平明显增高，但对刺激物的趋化反应能力下降。同时，他们还证明乙酰化降低了CheY与FliM之间的亲和力。而Liarzi等［27］也发现CheY的乙酰化会影响它与CheA、CheZ和FliM的结合。由此可见，CheY的乙酰化确实能影响细菌的趋化性。但由于其乙酰化速度较慢，因此人们认为，与磷酸化这种快速的调节方式相比，乙酰化是一种较慢的调节细菌趋化性的方式。

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