综述：鞭毛蛋白：协调细菌致病机制与宿主免疫应答的关键毒力因子

本综述系统探讨了鞭毛蛋白作为细菌核心毒力因子的多重功能，从结构基础到其在感染-免疫调控网络中的核心作用。文章详细解析了鞭毛（T3SS）分泌系统、宿主识别受体（TLR5/NAIP-NLRC4）激活机制，及其在黏附、生物膜形成、免疫逃逸中的双向调节，为抗感染策略和疫苗设计提供了关键理论依据。

　　

鞭毛的结构与组装机制

鞭毛是细菌的运动器官，其结构从内至外由基体、钩状体和丝状体三部分组成。革兰氏阴性菌的鞭毛基体包含C环、MS环、P环和L环，其中C环由FliM、FliN和FliG蛋白构成，与细胞膜上的FliF互连。鞭毛马达依靠转子（C环）和定子（MotA/MotB复合物）的协同作用，利用质子或钠离子梯度产生扭矩，驱动鞭毛旋转。丝状体主要由鞭毛蛋白（FliC）聚合形成，其顶端由FliD蛋白构成的帽状结构防止自发聚合并调控组装。鞭毛的生物合成涉及超过70个基因的级联表达，其中flhDC编码的FlhD₄C₂复合物启动初级调控单元，而fliA（编码σ²⁸）和抗σ因子FlgM则通过反馈调节精细控制下游基因表达。

鞭毛III型分泌系统（fT3SS）的功能与演化

fT3SS与致病性III型分泌系统（T3SS）具有高度同源性，推测由古菌鞭毛演化而来。其核心由FlhA、FlhB、FliO、FliP、FliQ和FliR等输出蛋白构成，形成中空“针筒”结构。FliP-FliR与FliQ组装为FliP₅Q₄R₁螺旋复合物，而FlhB通过C端结构域介导底物蛋白从早期（如FlgG、FlgE）向晚期（如FlgM、FliC）转换。fT3SS不仅分泌鞭毛结构蛋白，还可输出非鞭毛相关毒力因子，例如空肠弯曲菌的CiaB/CiaC/CiaD蛋白和凋亡诱导蛋白FspA2，显著增强病原菌的侵袭能力。

鞭毛在细菌黏附、定殖与入侵中的作用

鞭毛通过直接或间接机制介导细菌与宿主细胞的黏附。例如，猪源肠毒素大肠杆菌（ETEC）的H1/H19鞭毛素可直接结合IPEC-J2细胞，而EtpA黏附蛋白可作为分子桥连接鞭毛与宿主受体。鞭毛运动性使细菌抵抗肠道流体冲刷，穿透黏液层，并稳定定殖于上皮表面。沙门氏菌鞭毛缺失突变体在肠道黏液穿透实验中表现显著缺陷。此外，鞭毛参与细胞入侵过程，例如STEC O113:H21借助鞭毛侵入HCT-8细胞，而fliC缺失导致F18ab菌株对IPEC-J2的侵袭能力下降。值得注意的是，运动性虽对黏附定殖至关重要，但并非入侵的必要条件。

鞭毛在生物膜形成中的双重角色

鞭毛在生物膜形成的初始阶段提供动力与黏附能力，后期则参与基质整合。fliC缺失会显著削弱ETEC、沙门氏菌、假单胞菌等多种细菌的生物膜形成能力。其他鞭毛相关基因（如fliD、flhE）的缺失同样影响生物膜稳定性。鞭毛通过调节群体感应信号分子AI-2的活性，促进细菌从单细胞向多细胞协作状态转变。假单胞菌PAO1鞭毛素T27/S28位点的磷酸化修饰可影响T2SS蛋白酶分泌与生物膜形成。然而，第二信使c-di-GMP可在抑制鞭毛运动的同时促进生物膜起始，表明鞭毛并非生物膜形成的绝对必需因子。

鞭毛素激活宿主炎症反应的机制

鞭毛素包含D0-D4结构域，其中D1域的89-96位氨基酸残基直接结合TLR5的LRR1-6区域，形成1:1异源二聚体后进一步组装为2:2信号传导结构。TLR5激活后招募MyD88，形成Myddosome平台，启动NF-κB和MAPK通路，诱导IL-1β、IL-8、TNF-α等炎症因子表达。胞内识别则由NAIP5/NLRC4炎症小体介导：NAIP5通过N端螺旋、BIR1、HD1/2、ID和LRR区域与鞭毛素D0域结合，招募NLRC4激活caspase-1，促进IL-1β/IL-18成熟或诱发细胞凋亡。值得注意的是，猪等物种因缺乏功能性NAIP/NLRC4基因，无法通过该途径响应鞭毛素。

鞭毛介导免疫逃逸的策略

病原菌通过多种机制规避宿主免疫识别：

1. 1.

   相变异：如沙门氏菌交替表达FliC与FljB，改变抗原性；

2. 2.

   序列修饰：空肠弯曲菌、幽门螺杆菌的TLR5结合位点（89-96aa）突变使其逃避识别；

3. 3.

   翻译后修饰：糖基化修饰（如空肠弯曲菌、伯克霍尔德菌）既可掩蔽TLR5识别位点，又影响鞭毛组装与运动性；

4. 4.

   环境调控：宿主内环境中（如37℃或血液内）鞭毛基因表达下调，减少免疫暴露；

5. 5.

   蛋白酶降解：假单胞菌分泌AprA蛋白酶特异性降解鞭毛素单体。

鞭毛与黏膜屏障及免疫调节的互动

肠道黏膜屏障的完整性依赖上皮细胞间紧密连接蛋白（Claudin、Occludin、ZO）。鞭毛素可通过TLR5/NF-κB轴诱导IL-17C表达，促进抗菌肽和紧密连接蛋白上调，增强屏障防御。相反，高浓度鞭毛素可能破坏屏障结构，引发炎症。鞭毛素可延长中性粒细胞凋亡时间（1-300 ng/mL），并通过TLR5-ERK1/2-PI3K/AKT通路激活中性粒细胞，刺激上皮细胞释放CCL20、IL-8、CXCL1/CXCL2等趋化因子，招募中性粒细胞与Th17细胞，形成炎症正反馈。此外，FliC可促进肠上皮细胞凋亡，而fliC缺失株凋亡诱导能力显著降低。

锌离子调控与鞭毛功能的关联

ZnuACB锌转运系统在低锌环境中调控鞭毛合成与运动性。znuACB缺失导致UPEC CFT073、沙门氏菌及变形杆菌的鞭毛蛋白表达下降、运动能力减弱，小鼠感染模型中定殖与毒力显著降低。锌离子作为转录调控辅因子，影响鞭毛组装级联反应的启动，进一步印证了环境微量元素在病原菌致病机制中的关键作用。

应用前景与未来方向

鞭毛素因其强免疫佐剂特性，已被用于纳米疫苗载体开发（如流感病毒HA/M2e-鞭毛素融合蛋白），可增强IgA/IgG应答并提供交叉保护。未来研究需深入探索：fT3SS与其他分泌系统的互作机制、TLR5对不同来源鞭毛素的精细识别、鞭毛在肠内/外病原体中毒力差异的调控基础，以及鞭毛素作为免疫佐剂的临床转化路径。这些研究将为抗感染治疗和疫苗设计提供新靶点与策略。