探秘支原体滑行 “引擎”：2 型 ATP 酶双马达的结构与机制

为探究支原体滑行运动机制，研究人员对来自 Mycoplasma mobile 的双马达进行研究，解析其结构，揭示催化机制，为理解旋转 ATP 酶提供新视角。

　　在微观的生物世界里，支原体如同神秘的 “微型探险家”，其中 Mycoplasma mobile（一种支原体）能在固体表面快速滑行，速度可达每秒 4μm，这一独特技能让它在与宿主细胞的 “互动” 中占据优势，作为鱼病原体，它能借此迅速 “穿梭” 到宿主细胞表面，引发感染。

这种滑行运动背后的 “动力引擎” 一直是科学家们渴望揭开的谜团。此前研究发现，Mycoplasma mobile 拥有一种特殊的 F₁-like ATPase 基因簇（2 型 ATP 酶），不同于常见的 F₁F_O-ATPase（1 型 ATP 酶） ，它被认为与支原体的滑行运动密切相关。然而，这个 “引擎” 内部的结构以及如何产生和传递动力推动细胞滑行，始终是未解之谜。为了破解这些难题，研究人员开启了深入探索之旅。

研究人员从 Mycoplasma mobile 的突变菌株 [gli521 (P476R)] 中分离出双马达样本，利用电子冷冻显微镜（cryo-EM）单颗粒分析（SPA）技术，对双马达的结构进行解析。这一技术就像是给双马达拍了一张张高清 “照片”，让研究人员得以深入了解其内部构造。

研究结果

1. 蛋白质鉴定：通过 cryo-EM SPA，研究人员获得了分辨率为 3.2? 的双马达三维结构。双马达呈矩形，约 350×250×150?，包含至少 24 条多肽链，总质量约 1.5MDa。其中的 F₁-like ATPase 由两个交替亚基组成的六聚环和一个中心轴亚基构成，被命名为 G₁-ATPase。研究还鉴定出了与 G₁-ATPase 相关的多个蛋白，如形成 “桥” 结构的 GliD、新发现的 GliE 以及磷酸甘油酸激酶（PGK）。尽管在实验中处于无核苷酸条件下，研究人员仍在六聚环的五个亚基界面观察到核苷酸衍生的密度，表明存在内源性核苷酸。
2. G₁-ATPase αβγ 的结构特征：G₁-β 和 G₁-α 与嗜热芽孢杆菌（Bacillus PS3）的 F₁-ATPase 的 β 和 α 亚基结构相似，但也存在差异。G₁-β 有独特的 N 端延伸区域，参与 PGK 的结合和 ATPase 二聚体的稳定；G₁-α 则缺少与外周柄相互作用的 H1 螺旋。G₁-γ 与 Bacillus PS3 F₁-ATPase 的 γ 亚基有差异，其折叠的 C 端 α 螺旋更长，与 G₁-αβ 相互作用，参与轴的固定和扭矩传递。
3. ATPase 二聚体的辅助蛋白：双马达中的 PGK 结构与金黄色葡萄球菌（S. aureus）的 PGK 相似，但其 NTD 未建模，且在 CTD 未发现核苷酸衍生密度，但保留了关键的酶活性位点。GliD 在双马达中形成二聚体或单体，其结构特点暗示它可能在调节 G₁-ATPases 的结构变化中发挥作用。
4. 催化机制的线索：G₁-ATPase 的六聚环结构中，β 亚基存在三种不同构象（β_C、β_HO、β_O），α 亚基也有相应构象（α_C、α_HO、α_O） 。不同构象的 αβ 亚基界面存在不同的核苷酸结合状态，且参与 ATP 水解的关键残基在 G₁-αβ 中保守。这些结果表明，G₁-ATPase 的催化机制可能与 F₁-ATPase 类似，Mg-ATP 结合到 α_Oβ_O的催化位点可能促进催化反应。
5. 双马达在链中的作用：将双马达的原子模型拟合到内部链的密度图中发现，GliD 可能在双马达单元之间起连接作用，但内部链界面仍有未被 GliD 填充的密度。这表明可能存在其他未被建模的区域参与内部链的形成。

研究结论与意义

此次研究首次解析了 Mycoplasma mobile 中双马达的高分辨率结构，揭示了其与 F₁-ATPase 相似的结构特征和潜在的旋转催化机制。这不仅为理解支原体滑行运动的分子机制提供了关键线索，也为研究旋转 ATP 酶家族的进化和功能多样性开辟了新方向。研究还发现了双马达中各蛋白之间的相互作用和潜在功能，如 GliD 介导的二聚体和链形成可能使 G₁-ATPases 协同工作，GliE 可能影响双马达结构的不对称性，进而影响滑行运动的方向性。此外，研究人员推测双马达的旋转运动可能通过膜蛋白 Gli521 转化为线性运动，推动支原体细胞前进，这为进一步研究细胞运动的转换机制提供了重要依据。

研究人员主要运用了电子冷冻显微镜（cryo-EM）单颗粒分析（SPA）技术。他们从 Mycoplasma mobile 的突变菌株中获取双马达样本，制备 EG-grid，利用 CRYO ARM 300 显微镜和 K3 直接电子探测器相机进行成像，获取大量电影数据。随后，通过 cryoSPARC、RELION 等软件对图像进行处理，解析双马达结构。同时，使用 AlphaFold2 和 Modeller 等工具生成蛋白初始模型，经拟合、调整和精修，最终确定各蛋白在双马达中的结构和位置。

这项研究深入探索了 Mycoplasma mobile 双马达的结构与功能，为生命科学领域在微生物运动机制和旋转 ATP 酶研究方面提供了宝贵的信息，有助于推动相关领域的进一步发展。