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Sélectivité ionique et couplage rotor du sodium flagellaire Vibrio

Mar 09, 2024

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4411 (2023) Citer cet article

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Les bactéries nagent à l’aide d’un moteur flagellaire alimenté par des unités statoriques. Vibrio spp. sont des bactéries très mobiles responsables de diverses maladies humaines, dont les flagelles polaires sont exclusivement pilotés par des unités statoriques dépendant du sodium (PomAB). Cependant, la manière dont la sélectivité ionique est atteinte, la manière dont le transport des ions déclenche la rotation directionnelle de l’unité statorique et la manière dont l’unité statorique est incorporée dans le rotor flagellaire restent largement floues. Ici, nous avons déterminé par cryomicroscopie électronique la structure de Vibrio PomAB. La carte du potentiel électrostatique révèle des sites de liaison au sodium qui, associés à des expériences fonctionnelles et à des simulations de dynamique moléculaire, révèlent un mécanisme de translocation et de sélectivité des ions. Les résidus hydrophobes volumineux de PomA amorcent PomA pour une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre. Nous proposons qu'un motif hélicoïdal dynamique dans PomA régule la distance entre les domaines cytoplasmiques de la sous-unité PomA, l'activation de l'unité statorique et la transmission du couple. Ensemble, notre étude fournit des informations mécanistiques pour comprendre la sélectivité ionique et l’incorporation du rotor de l’unité statorique du flagelle bactérien.

De nombreuses bactéries font tourner les flagelles pour alimenter leur mouvement. Le flagelle est caractérisé par un long filament, relié par un crochet flexible au moteur rotatif intégré à l'enveloppe cellulaire (ou corps basal), qui comprend un rotor et plusieurs unités de stator 1,2,3,4. L'unité du stator flagellaire utilise la force motrice ionique transmembranaire (FMI) pour générer un couple mécanique permettant de faire tourner le flagelle, qui est utilisé par de nombreuses bactéries pour diriger leur locomotion dans un environnement liquide ou sur des surfaces visqueuses vers une niche favorable4,5,6. Entraîné par l’unité statorique, le moteur flagellaire bactérien peut tourner dans le sens des aiguilles d’une montre (CW) et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre (CCW), le basculement entre les deux sens étant contrôlé par la signalisation de chimiotaxie intracellulaire7,8. Les unités statoriques sont strictement nécessaires à la rotation du flagelle et donc à la motilité des bactéries, mais pas à l'assemblage des flagelles9,10. De plus, les unités statoriques s'associent et se dissocient dynamiquement du rotor11,12,13. La modification du nombre d'unités statoriques engagées permet de régler le couple requis par rapport à la charge mécanique14,15,16,17,18.

Chaque unité statorique est composée de deux protéines membranaires assemblées comme un complexe enfoui à l'intérieur de la membrane cytoplasmique, dans lequel leurs domaines transmembranaires s'organisent comme un canal ionique 19,20. L'incorporation de l'unité statorique nécessite que son domaine cytoplasmique interagisse avec le rotor et que son domaine périplasmique se fixe à la paroi cellulaire bactérienne21. Le couple généré par la translocation ionique est transmis au rotor via des interactions électrostatiques à l'interface stator-rotor22,23,24,25. En fonction des ions conducteurs, les unités statoriques peuvent être principalement regroupées en deux sous-familles : l'unité statorique pilotée par H+ (par exemple, MotAB) et l'unité statorique pilotée par Na+ (par exemple, PomAB)26,27. De plus, des unités statoriques utilisant du potassium et des ions divalents tels que le calcium ou le magnésium comme ions de couplage ont également été rapportées28,29,30,31. Récemment, des structures cryo-microscopiques électroniques (cryo-EM) à particules uniques d'unités de stator MotAB entraînées par H + 32,33, des structures cryo-EM de complexes moteurs flagellaires intacts 34,35,36, ainsi que des techniques de tomographie cryo-électronique in situ (cryo-EM). ET) des études du moteur flagellaire21,37,38,39,40 ont fourni des vues structurelles et fonctionnelles détaillées de l'assemblage du stator, de la génération de couple et du fonctionnement du moteur1. Les données suggèrent fortement un modèle de rotation pour le mécanisme d'action des unités statoriques. Lors de la dispersion du FMI, il est proposé que MotA tourne autour de MotB, qui est ancré à la couche de peptidoglycane. En s'engageant avec le rotor, la rotation MotA entraîne la rotation du grand rotor. Un engagement différentiel de MotA avec le rotor entre les états CW et CCW du rotor est proposé pour former la base mécanistique de la commutation.