细菌中功能性古菌鞭毛（archaellum）的结构与水平基因转移机制解析

本研究针对古菌鞭毛（archaellum）是否存在于细菌中的科学争议，通过宏基因组分析、结构生物学及功能实验，首次在绿弯菌门（Chloroflexota）中发现功能性古菌鞭毛系统，证实其通过水平基因转移（HGT）从广古菌门（Euryarchaeota）获得，并解析其超微结构与运动机制，为原核生物进化与细胞运动机制研究提供突破性视角。

　　

在生命的三域系统中，运动性是其生存与适应环境的核心能力之一。古菌（Archaea）依赖一种称为古菌鞭毛（archaellum）的独特旋转式ATP驱动装置实现运动，这一结构与细菌鞭毛（flagellum）虽功能相似但进化起源完全不同。长期以来，古菌鞭毛被认为是古菌独有的特征，然而近年来的基因组研究表明，某些细菌基因组中可能存在古菌鞭毛同源基因簇，这挑战了原有的进化生物学认知。绿弯菌门（Chloroflexota）中的SAR202分支是最早被报道含有古菌鞭毛基因的细菌，但由于缺乏关键蛋白（如信号肽酶PibD/ArlK）且未观察到实际组装的结构，其功能性与进化意义一直存疑。

为此，由Sonja-Verena Albers和Simonetta Gribaldo共同领导的研究团队在《Nature Microbiology》上发表了一项突破性研究。他们通过系统基因组学、结构生物学与功能实验，首次证实了绿弯菌门细菌中存在完整且具有运动功能的古菌鞭毛结构，并揭示其通过两次独立的水平基因转移事件从古菌中获得。该研究不仅扩展了对原核生物运动机制多样性的理解，也为跨域基因转移与分子机器进化提供了关键证据。

研究团队运用了多种关键技术方法：使用MacSyFinder2对3,780个绿弯菌门基因组进行IV型纤毛（TFF）系统筛选；通过AlphaFold3进行蛋白结构预测；利用冷冻电镜单颗粒分析（CryoEM single-particle analysis）解析古菌鞭毛 filaments 的高分辨率结构；通过荧光显微术和负染色电镜观察细菌运动性与表面结构；采用系统发育分析追溯基因转移起源。实验菌株Litorilinea aerophila（来源：DSMZ DSM25763）在半固体培养基中诱导古菌鞭毛表达并用于运动性分析。

相互排斥的古菌鞭毛与细菌鞭毛在绿弯菌门中的分布

通过生物信息学筛查，研究发现绿弯菌门中243个基因组编码完整的古菌鞭毛机器，而233个编码细菌鞭毛系统，两者分布互斥。部分菌株同时含有Tad菌毛或IV型菌毛（T4P），但古菌鞭毛基因簇保存最为完整，包含所有核心组分（arlJ, arlH, arlB等）及附属蛋白（如arlFG, arlCDE），提示其具有功能潜力。

某些绿弯菌编码完整的古菌鞭毛组装机器

基因座比较显示，绿弯菌的古菌鞭毛操纵子与广古菌（Euryarchaeota）高度相似，但arlF与arlG顺序相反（属arl2型基因座），且拥有多重arlB拷贝。III型信号肽酶（PibD/PilD）位于基因簇外，部分菌株含有细菌型PilD，附近还存在pilN与pilO同源基因（可能参与细胞壁锚定）。

结构指导的生物信息学分析提示古菌鞭毛样旋转机制

AlphaFold3预测显示，L. aerophila的ArlI（ATP酶）和ArlJ（膜平台蛋白）与古菌同源物结构高度保守。ArlI的C端ATP酶域与泉古菌（S. acidocaldarius）一致，N端三螺旋束为古菌鞭毛特有；ArlJ具7-9个跨膜螺旋，胞内正电荷区可能介导与ArlI的相互作用，支持其采用类似古菌的旋转机制。

L. aerophila：一种具有古菌鞭毛的细菌

L. aerophila在液体培养中不运动且无表面丝状结构，但在半固体培养基中形成运动晕圈，且细胞缩短并表达极生丝状结构。荧光显微与电镜证实其为古菌鞭毛，表达量与运动性正相关。qPCR显示arlB、arlJ等基因在运动细胞中显著上调。

古菌鞭毛丝的冷冻电镜结构

CryoEM解析L. aerophila古菌鞭毛丝至2.7?分辨率，显示左旋三链螺旋结构，由10根原丝构成。亚单位含N端α-螺旋核心与C端球状结构域，具III型信号肽（切割于Ile29）。结构比对显示与广古菌古菌鞭毛高度相似（RMSD<2?），但存在O-糖基化（Thr66/Thr145）和保守金属结合位点（D121, D127, E131, E134），后者与II型分泌系统（T2SS）假菌毛类似。

古菌鞭毛机器向绿弯菌门的水平基因转移

系统发育分析基于ArlI与ArlJ串联序列，将古菌IV型菌毛分为两大支：一支含多种古菌菌毛，另一支专为古菌鞭毛。绿弯菌成员嵌套于两支中，提示两次HGT事件：一次为古菌菌毛（至Anaerolineales，但缺pilin亚基，可能无功能）；另一次为完整古菌鞭毛集群转移至Dehalococcoidia与Anaerolineae类群，供体为广古菌门Methanotecta（UFB=100%）。

讨论与结论

该研究首次证实细菌中存在功能性古菌鞭毛，并通过结构、表达与运动实验验证其与古菌版本的机制保守性。绿弯菌门多样的细胞包被（如S层、肽聚糖）可能促进了古菌鞭毛的整合——L. aerophila同时拥有古菌样S层和肽聚糖合成基因，且古菌鞭毛基因座侧的pilN与pilO同源基因（含LysM肽聚糖结合域）可能辅助锚定。此外，细菌利用O-糖基化修饰古菌鞭毛丝，不同于古菌的N-糖基化主导系统，反映了功能演化的域间适应。

这一发现突破了“古菌鞭毛为古菌独有”的传统认知，揭示了原核生物跨域基因转移的显著案例，为生命进化与分子机器适应性研究开辟了新方向。