编辑推荐：
在细菌研究领域，IV 型菌毛（T4P）家族的菌毛组装和拆卸机制尚不明确。研究人员以新月柄杆菌（Caulobacter crescentus）的紧密粘附（Tad）菌毛为对象，研究 CpaF 的作用。结果发现 CpaF 通过构象变化促进催化旋转机制，该成果为剖析 TFF 超家族单马达系统菌毛动力学提供基础。
在微观的细菌世界里，有一种神奇的 “小尾巴”—— 菌毛，它对细菌的生存和传播起着至关重要的作用。IV 型菌毛（T4P）家族广泛存在于细菌和古细菌中，它们参与了细菌的多种活动，如运动、表面附着、蛋白质分泌以及自然转化等过程。其中，菌毛的组装和拆卸是这些功能实现的关键，但目前其分子机制仍迷雾重重。就像一把锁，等待着科研人员去寻找开启它的钥匙。
Tad 菌毛作为 T4P 家族的一员，是一种单马达系统，由 ATP 酶 CpaF 驱动其菌毛的延伸和收缩。然而，CpaF 在催化过程中具体的构象变化如何推动 Tad 菌毛的组装和拆卸，一直是困扰科学家们的难题。解开这个谜团，不仅能让我们深入了解细菌的行为方式，还有助于开发新的抗菌策略，因此开展相关研究迫在眉睫。
来自加拿大的研究人员勇敢地接受了这一挑战。他们通过一系列实验研究，得出了令人瞩目的结论：CpaF 利用顺时针旋转的催化机制来组装右手螺旋的 Tad 菌毛，这一过程可能广泛适用于其他单马达系统。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域的研究开辟了新的道路。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是冷冻电镜（cryo-EM）技术，通过该技术解析 CpaF 在不同核苷酸状态下的结构；二是 AlphaFold3 建模，预测 Tad 运动亚复合物的结构；三是系统发育分析，研究 CpaF 直系同源物的进化关系和结构特征。
下面来看具体的研究结果：
- C. crescentus CpaF 的冷冻电镜结构：研究人员表达并纯化了 C. crescentus CpaF，制备不同核苷酸浓度的样品进行单颗粒冷冻电镜结构测定。在无外源核苷酸时，解析出 “封闭” 和 “紧凑” 两种结构；添加 ATP 和 ADP 的等摩尔混合物后，得到 “紧凑” 和 “扩展” 两种结构；用过量 ATP 饱和所有核苷酸结合位点，又得到一种 “扩展” 结构。这些结构表明，CpaF 在核苷酸依赖的方式下呈现三种主要构象，分别代表了催化循环的不同阶段123。
- 核苷酸身份定义包装单元：研究人员根据结合的核苷酸对 CpaF 的所有链进行分组，发现不同核苷酸状态下的单体构象存在差异，且 CpaF 的寡聚化由链间相互作用介导。通过分析活性位点口袋，揭示了核苷酸结合的机制以及活性位点占据对 CpaF 链构象的影响45。
- CpaF 六聚体在催化循环中扩张和收缩：研究人员通过对 “紧凑” 和 “扩展” 结构的分析，发现 ATP 结合和水解会使 CpaF 六聚体扩张并顺时针旋转 60°，而核苷酸释放则使六聚体收缩回到 “紧凑” 状态，完成一轮催化。由此提出 CpaF 通过顺时针旋转的催化机制来驱动 Tad 菌毛的组装67。
- 冷冻电镜结构代表细菌中 CpaF 的最小结构：通过系统发育分析，研究人员发现 CpaF 直系同源物可分为三类，而本研究的冷冻电镜结构代表了 CpaF 的最小和最常见的结构，这表明所提出的催化机制具有广泛的适用性89。
- CpaF IDR 的截断对 Tad 菌毛延伸和收缩有负面影响：研究人员构建了 CpaF IDR 截断突变体，发现 IDR 截断不影响 CpaF 的 ATP 酶活性和热稳定性，但显著降低了 Tad 菌毛的延伸和收缩事件，表明 IDR 在菌毛生物学中具有重要作用1011。
- AlphaFold3 对 Tad 运动亚复合物的预测：利用 AlphaFold3 预测 Tad 运动亚复合物的结构，发现 CpaF 与平台蛋白 CpaG 和 CpaH 存在多个结合界面，这些界面可能将 CpaF 的构象变化与平台蛋白耦合，进而促进与菌毛蛋白的相互作用1213。
- TFF 超家族中其他运动亚复合物的结构预测：对 TFF 超家族中其他系统的运动亚复合物进行结构预测，发现延伸 ATP 酶可能采用相似的平台蛋白结合界面，这可能统一 TFF 运动结构1415。
在研究结论和讨论部分，本研究通过解析 C. crescentus Tad 菌毛 ATP 酶 CpaF 在不同核苷酸结合状态下的结构，提出了一种旋转催化机制。系统发育分析表明该机制具有广泛适用性，而 IDR 截断实验揭示了 IDR 在菌毛生物发生中的复杂作用。此外，对 Tad ATP 酶 - 平台界面的建模以及对其他 TFF 运动亚复合物的分析，为理解 TFF 超家族单马达系统中菌毛动力学的机制提供了重要基础。虽然 Tad 菌毛收缩的机制仍有待进一步研究，但本研究无疑为该领域的后续探索提供了宝贵的线索和方向。
