细菌IX型分泌系统旋转方向的分子调控机制：传送带关联蛋白GldJ的C端开关作用

这篇研究揭示了传送带关联蛋白GldJ的C端作为分子开关调控细菌IX型分泌系统（T9SS）旋转方向的关键机制。通过遗传学、分子动力学模拟和细胞实验，发现GldJ缺失C端8个氨基酸（ΔC8）会逆转T9SS的旋转方向（从逆时针CCW变为顺时针CW），并提出“三组件齿轮组”模型（GldLM-GldKN-GldJ），为理解细菌滑行运动（gliding motility）的定向调控提供了新视角。

　　

摘要

许多细菌利用IX型分泌系统（T9SS）完成滑行运动、表面定植和致病过程。这一双功能马达通过质子动力势（pmf）驱动T9SS旋转，进而推动表面黏附素（如SprB）沿细胞外膜的传送带移动，实现细菌运动。然而，T9SS旋转方向的控制机制长期未明。本研究以滑行细菌Flavobacterium johnsoniae为模型，发现传送带关联蛋白GldJ的C端缺失（ΔC8）会逆转T9SS的旋转方向（从CCW变为CW），揭示了GldJ-GldK界面通过调控定子单元GldLM的相互作用决定运动方向性。

引言

T9SS是拟杆菌-绿菌-纤维杆菌超门特有的旋转马达，与细菌致病性（如牙周炎病原体Porphyromonas gingivalis分泌的gingipain蛋白酶）和生态功能（如植物根际定植）密切相关。其核心组件包括pmf驱动的GldLM定子单元（结构类似鞭毛马达MotAB）、外膜环GldKN及传送带蛋白GldJ。非运动型细菌（如P. gingivalis）缺乏GldJ，暗示其专司运动调控。

结果

GldJ控制T9SS马达的方向性
野生型T9SS以CCW为主（90%），而GldJ ΔC8突变体转为100% CW旋转（速度从1.3 Hz降至0.6 Hz）。分子对接显示GldJ的C端8个氨基酸嵌入GldK的裂隙区（含R73/M77/N307），MD模拟证实ΔC8导致GldK构象扩张（RMSD增加10 ?），削弱两者结合能25%。

GldK突变部分恢复运动能力
自发突变体GldK R73S/N307S/M77L在ΔC8背景下部分恢复群集运动（速度0.64–0.89 μm/s vs 野生型2 μm/s），其中N307S使SprB轨迹延长至近野生型水平。冷冻电镜显示GldKN环存在三种构象（与膜夹角50°/70°/90°），提示GldJ可能通过改变GldK环形态影响GldLM作用位点（外缘推动→CCW，内缘推动→CW）。

GldLM定子的单向旋转偏好
20次牵引动力学（SMD）模拟结合MELD贝叶斯分析表明，GldM的ARG⁹
与GldL的GLU⁴⁹
在CW方向结合能更低（?94.6 vs ?57.5 kcal/mol），82%概率自发选择CW旋转，与鞭毛马达MotAB的CW驱动特性一致。

讨论

研究提出“三组件齿轮组”模型：GldLM（驱动齿轮）→GldKN（传动齿轮）→GldJ（从动齿轮）。GldJ的独特之处在于其“双向反馈”功能——既被T9SS驱动，又通过构象调控逆转旋转方向。这种机制类似智能传送带系统，可响应环境需求动态调整运动方向。GldJ的进化缺失或能解释为何P. gingivalis等病原体丧失运动性但保留分泌功能。

材料与方法

实验采用F. johnsoniae CJ1827及其突变体，通过抗体标记（抗SprB）和全内反射荧光（TIRF）追踪运动轨迹；MD模拟基于CHARMM36力场，涵盖1 μs平衡态模拟及20次10 ns牵引动力学；突变体通过三亲接合（triparental conjugation）构建并经桑格测序验证。