综述：IV型菌毛导向委员会：Pil-Chp系统如何控制定向运动

这篇综述深入探讨了铜绿假单胞菌中IV型菌毛（TFP）介导的定向运动机制，重点解析了Pil-Chp信号系统的复杂调控网络。文章系统比较了TFP与鞭毛运动（Che系统）的差异，揭示了PilJ受体感知化学梯度（如酚溶性调节素PSMs）和机械刺激的双重功能，并阐述了ChpA激酶的多域磷酸化特性及其对响应调节蛋白PilG/PilH的调控。作者还讨论了细菌通过空间感知（spatial sensing）与“悲观策略”实现表面趋化的独特模式，为病原菌群体行为及感染机制研究提供了关键见解。

　　

引言：趋化性概述

微生物通过复杂的感觉系统感知环境信号，如营养物、代谢产物及其他菌种分泌的分子，并据此调整运动策略。细菌运动响应可分为无方向性的动态运动（kinesis，如速度或转向频率变化）和有方向性的趋化行为（taxis，如趋化性、趋光性）。表面运动的细菌还需应对机械力与流体作用，称为机械或表面感知（surface sensing）。

铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）同时具有极生IV型菌毛（TFP）和单根极生鞭毛，是研究两种运动模式的理想模型。其鞭毛趋化由Che I和Che II系统调控，分别响应23种和1种甲基趋化受体（MCP）；而TFP相关趋化仅由PilJ和WspA两个受体介导。

鞭毛与菌毛运动机制对比

鞭毛运动依赖CheA激酶磷酸化响应调节蛋白CheY，通过改变鞭毛旋转方向（逆时针/顺时针）控制“前进-转向”运动模式。梯度感知通过MCP的甲基化（CheR）与去甲基化（CheB）实现时间性信号整合（temporal sensing），即细胞通过比较不同时间点的浓度变化调整运动方向。

TFP介导的爬行运动（twitching motility）则依赖菌毛的“抓钩”机制：PilA单体聚合延伸→附着表面→PilT/PilU解聚缩回→拖拽细胞体前进。运动方向由细胞极性控制：优势延伸端为引导极（leading pole），反转时对极成为新引导极。与鞭毛系统的“乐观策略”（增加顺梯度运行时间）不同，TFP趋化采用“悲观策略”：细胞在逆梯度时频繁反转，顺梯度时增加步长（step size）。

Pil-Chp系统的核心组件

1. 1.

   受体PilJ：唯一与TFP趋化关联的MCP，其配体结合域（LBD）呈螺旋双模块结构（HBM型），可感知磷脂酰乙醇胺（PE）、酚溶性调节素（PSMs）、琥珀酸等信号。PilJ胞内区含3个保守甲基化位点，由甲基转移酶PilK和酯酶ChpB调控敏感性。

2. 2.

   激酶ChpA：非典型CheA同源物，含9个磷酸转移域（Xpt），其中5个具有磷酸化功能，可能通过多域协同实现信号分流（如化学vs机械感知）。

3. 3.

   响应调节蛋白PilG与PilH：PilG促进延伸ATP酶PilB的极性定位，驱动菌毛延伸；PilH抑制PilG磷酸化，间接制动PilB并引发反转。二者磷酸化状态直接调控运动极性转换。

4. 4.

   连接蛋白PilI与ChpC：PilI为运动必需蛋白，ChpC则参与多信号传导（如寡肽、黏蛋白）。

化学信号导向机制

PE及其衍生物、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）分泌的PSMs（α1、α3、δ型）、琥珀酸、DMSO甚至抗生素均可作为TFP趋化信号。值得注意的是，向抗生素梯度迁移的“自杀性趋化”（suicidal chemotaxis）可能触发群体防御反应（如上调绿脓菌素、Ⅵ型分泌系统），部分细胞牺牲以清除竞争菌。

表面定向运动的调控

1. 1.

   反转与步长控制：ΔpilH突变体丧失反转能力，ΔpilG反转频率翻倍；野生型在逆梯度时反转频率显著增加。趋化过程中，顺梯度步长增大（可能源于缩回力增强或菌毛机器聚集）。

2. 2.

   蛋白极性分布：核心机器蛋白（PilQ、PilO）和PilJ双极均匀分布；而PilB、PilG、ChpB富集于引导极，PilK倾向于滞后极（lagging pole）。PilT/PilU的定位存在争议（双极vs单极），可能受实验条件影响。

3. 3.

   空间感知优势：TFP运动速度比游泳慢10³倍，难以依赖时间性比较。微流体实验证明，细胞可在静止状态下通过双极PilJ直接比较空间浓度差（spatial sensing），尤其适用于扩散缓慢的信号（如脂质、PSMs）。

结论与展望

Pil-Chp系统是整合化学感知、机械力信号与极性调控的多功能枢纽。其复杂结构（如ChpA多域、双连接蛋白）暗示了信号分流的潜在机制。未来研究需解析配体与PilJ的结合模式、磷酸传递层级及其对极性蛋白动态分布的调控，从而揭示病原菌表面定植与感染的新机制。