极端嗜酸古菌Thermoplasmatales的独特细胞表面结构与运动器官研究揭示无S层支架下的纤毛与古菌鞭毛组装机制

本研究通过冷冻电镜技术解析了极端嗜酸古菌Thermoplasmatales目物种Cuniculiplasma divulgatum和Oxyplasma meridianum的细胞表面结构，发现其在不含典型S层(S-layer)的情况下仍能形成功能性纤毛(pili)和古菌鞭毛(archaella)。研究揭示了新型"钩状"纤毛的组装机制及高度糖基化的"带刺"古菌鞭毛结构，为理解古菌运动器官的进化多样性提供了重要见解。

　　

在生命进化的长河中，古菌(Archaea)作为与真核生物和细菌并列的第三域生命，以其独特的生物学特性和极端环境适应能力持续吸引着科学家的关注。其中，Thermoplasmatales目的古菌更是将生命的极限推向新高度——它们能在pH低至0.06、温度高达60°C的极端酸性环境中繁衍生息。这类微生物不仅挑战着我们对生命边界的认知，其特殊的细胞结构更蕴含着解决基础生物学问题的钥匙。

传统观点认为，古菌细胞表面普遍存在的S层(S-layer)是其生存和运动的关键结构。这种由糖蛋白组成的晶格状外衣不仅提供物理保护，更作为分子支架锚定着各种细胞表面机器，包括驱动运动的古菌鞭毛(archaellum)和介导粘附的纤毛(pili)。然而，英国埃克塞特大学生命系统研究所(Living Systems Institute, University of Exeter)的Matthew C. Gaines等研究人员发现，Thermoplasmatales古菌完全颠覆了这一认知——它们虽缺乏典型S层，却仍能形成复杂的表面附属器。这一发现促使研究团队深入探索这类极端微生物独特的运动与粘附机制。

研究人员采用多学科交叉的研究策略，结合冷冻电镜单颗粒分析(cryoEM)和冷冻电子断层扫描(cryoET)技术，在近原子分辨率下解析了两种Thermoplasmatales古菌——Cuniculiplasma divulgatum和Oxyplasma meridianum的细胞表面结构。通过RNA测序(RNAseq)分析基因表达谱，结合活细胞显微成像和运动性实验，系统研究了其表面附属器的结构与功能关系。样本来源于实验室标准菌株培养，通过差速离心分离表面附属器用于结构解析。

【细胞形态与表面结构】

高分辨率冷冻电子断层扫描显示，两种古菌均呈球状，直径分别为700-1000nm和800-1500nm。引人注目的是，它们确实缺乏典型古菌的晶格状S层，取而代之的是由无序排列的蛋白质组成的致密外层(EPL)。这一发现通过基因组分析得到进一步证实——两种古菌均未编码已知的S层蛋白基因。

【独特的表面附属器】

负染电镜观察发现，C. divulgatum产生大量直径约10nm的纤毛，其末端具有独特的钩状结构；而O. meridianum则形成数条直径13nm的古菌鞭毛，呈现超螺旋波动形态。通过2.6?和2.5?分辨率的冷冻电镜结构解析，研究人员首次揭示了这些附属器的精细构造。

【CdiP纤毛的结构特征】

C. divulgatum的纤毛由CdiPB蛋白单体组成，呈现典型的IV型纤毛(T4P)结构——中心为α螺旋核心，外围环绕β折叠丰富的球状结构域。该纤毛具有两个显著特点：一是含有异常长的铰链区(G38-A50)，赋予其高度灵活性；二是在每个亚基上存在两个N连接糖基化位点(N64和N106)，糖链结构经鉴定与相近物种Thermoplasma acidophilum相似。值得注意的是，与 Sulfolobales古菌的粘附纤毛(Aap)不同，CdiP纤毛不呈现三构象体结构，这可能与其缺乏抽搐运动能力相关。

【O. meridianum古菌鞭毛的独特构造】

O. meridianum的古菌鞭毛由ArlB蛋白构成，其最显著特征是表面突出的"尖刺"结构(V126-L153)，使鞭毛呈现"带刺"外观。这是目前已知糖基化程度最高的古菌鞭毛，每个亚基携带8个N连接糖链(位点N62、N72、N91、N113、N121、N138、N150和N187)。与其他古菌鞭毛不同，它缺乏保守的金属离子结合位点，暗示其稳定机制存在差异。

【基因操纵子与表达分析】

RNAseq显示，C. divulgatum的纤毛操纵子包含两个ATP酶基因(CdiPE1和CdiPE2)，且平台蛋白基因分裂为两部分(CdiPFa和CdiPFb)，这与典型古菌IV型纤毛系统明显不同。O. meridianum的古菌鞭毛操纵子与Methanobacteriati古菌相似，但缺少形成极性帽的基因。表达分析表明，鞭毛相关基因在稳定期表达上调，与运动性观察结果一致。

【功能验证实验】

活细胞显微观察证实O. meridianum具有自主游动能力，在40°C和55°C下均能进行方向性运动。半固体平板实验也观察到典型的游动晕圈。相比之下，C. divulgatum虽能形成大量纤毛，但未观察到抽搐运动，支持其可能主要参与粘附功能的假说。

这项发表于《The ISME Journal》的研究具有多重重要意义：首先，它打破了"古菌运动器官需要S层支架"的传统认知，证明无序蛋白质层(EPL)同样可以锚定运动机器；其次，揭示了Thermoplasmatales古菌表面附属器的独特构造，特别是高度糖基化的"带刺"古菌鞭毛和"钩状"纤毛，为理解极端环境适应提供了新视角；第三，发现了纤毛机器的新型模块化组成形式，包括分裂的平台蛋白和双ATP酶系统，丰富了我们对古菌运动器官进化多样性的认识。

从更广阔的视角看，这项研究不仅深化了我们对古菌细胞生物学的理解，其揭示的特殊糖基化模式和蛋白质组装机制，也为合成生物学和纳米材料设计提供了新的分子模板。极端微生物总能带给我们意想不到的启示——正如本研究所示，即使在最严酷的环境中，生命也演化出了精妙绝伦的生存策略。