卢惠芳，黄健，2 ，闵迅，2

(1.遵义医科大学检验医学院，贵州 遵义 563000； 2.遵义医科大学附属医院检验医学科，贵州 遵义 563000)

运动性是细菌的一种重要生物学行为，细菌的运动方式具有多样性，包括鞭毛介导的游泳运动和群集运动以及不依赖于鞭毛的抽搐运动、滑动、跳跃运动等[1]。其中，鞭毛运动是细菌的主要运动方式，大多数细菌具有鞭毛这种运动器官，包括病原菌，如致病性大肠埃希菌、肠链球菌、铜绿假单胞菌、弯曲杆菌和单核细胞增生李斯特菌等[2-4]。鞭毛运动在细菌的多种生物功能中均发挥积极作用，如细菌与宿主共生体系的形成、致病性和抗生素耐药[5-6]。在鲍曼不动杆菌的致病过程中，鞭毛功能缺陷可导致其毒力显著减弱[7]；霍乱弧菌依靠其运动性入侵人体并进行定植、繁殖，进而分泌毒素引发疾病，同时其还可通过运动机制逃避宿主免疫攻击或从感染位游离并随患者排泄物进入水体而导致疾病扩散[8]。研究发现，细菌的群体感应(quorum sensing，QS)系统、环二鸟苷酸(cyclic diguanosine monophosphate，c-di-GMP)信号系统、蛋白质糖基化等因素均可不同程度地影响细菌的运动性[9-11]。因此，充分认识细菌的鞭毛运动及其调控机制有助于理解细菌的致病和传播机制，为细菌感染性疾病的防治提供帮助。现就细菌的鞭毛运动及其调控机制的研究进展予以综述。

1 细菌的鞭毛运动概述

鞭毛运动是细菌通过鞭毛的旋转而推动的菌体运动，是一种十分高效的运动方式。而鞭毛是一种由多个蛋白亚基有序排列组成的复杂且精妙的纳米引擎，是自然界中最高效、精密的分子机器。在细胞质膜鞭毛基部的氢离子流或钠离子流的驱动下，鞭毛可以300～2 400转/s的转速转动，为细菌运动提供动力，驱动细菌向前运动，其在1 s内的运动距离可达菌体长度的数十倍[12-15]。

1.1鞭毛的结构 作为细菌的运动器官，鞭毛的分子结构在不同种属间具有高度保守性。Minamino和Imada[16]通过电子冷冻切片术和亚张力平均法观察不同种类细菌的鞭毛结构，发现其完整结构分为鞭毛基底体、鞭毛细丝和鞭毛钩三部分。

鞭毛基底体由一个转子和多个定子单元组成，转子由C环、MS环以及分别作为衬套和中央驱动轴的LP环和杆部组成，而定子是将离子梯度的能量转换为力矩的发生器[17]。定子单元围绕C环形成环形结构，其直径和对称性因细菌种类而异，从而适应不同的C环直径；每个定子单元根据离子浓度和鞭毛上的外部负载可动态地与基底体结合或分离，从而实现鞭毛基底体的开关功能[18]。

鞭毛细丝是一种管状结构，由20 000多个以螺旋方式排列的鞭毛蛋白和顶端的fliD蛋白组成；鞭毛蛋白是鞭毛细丝的基础结构单位，由4个从内到外依次排列的D0、D1、D2和D3线性结构域组成，鞭毛蛋白的肽链末端在不同种属细菌中具有高度同源性，鞭毛蛋白的肽链末端构成了细丝的核心[19]；此外，鞭毛蛋白多肽序列存在高变区，导致不同细菌的鞭毛蛋白外结构存在显著差异，甚至在某些细菌(如枯草芽孢杆菌)中完全缺失[20]。

鞭毛钩是一种短小、高度弯曲的管状结构，具有连接鞭毛基底体与鞭毛丝的作用，由约120个拷贝的单一flgE蛋白组成[21]。作为分子引擎的万向节，鞭毛钩可在鞭毛基底体和细丝不同轴的情况下，将基底体扭矩传递至鞭毛细丝上。分子结构解析结果表明，鞭毛钩与鞭毛丝的基本结构相似，虽然钩蛋白与鞭毛蛋白具有高度不同的氨基酸序列，但均是由11个原丝组成的管状纤维或每2圈11个亚单位的螺旋对称结构[22]。flgE分子由D0、D1和D2三个主要结构域组成，其排列方式为从管状结构的内核到外表面呈放射状排列；从钩的近端到远端呈轴向排列[22-23]。

在细菌运动过程中，基底体作为旋转马达，而与基底体连接的钩作为引擎万向节，细丝结构则作为螺旋推进器，其旋转的驱动力由细胞质膜上特定离子的电化学电位差提供；在质子泵的驱动下，鞭毛马达的旋转产生扭矩并通过鞭毛钩传递至作为推进器的鞭毛细丝上，鞭毛细丝的旋转运动产生推力为细菌的运动提供动力[23-24]。鞭毛的旋转分为顺时针旋转和逆时针旋转，旋转方向的改变是细菌趋化运动的基础。

1.2鞭毛类型 不同种属的细菌鞭毛的数量和分布与菌体的位置各不相同，其中生长于菌体一端或两端的鞭毛称为极性鞭毛，主要见于霍乱弧菌、铜绿假单胞菌等；在菌体两端之外随机生长的鞭毛则称为侧鞭毛，可见于反刍月形单胞菌等；遍布于细菌周身的鞭毛称为周鞭毛，主要见于大肠埃希菌、肠道沙门菌等；生长于细胞周质空间内的鞭毛称为周质鞭毛，主要见于螺旋体[25-27]。极性鞭毛和侧鞭毛是细菌中最常见的排列形式，其中极性鞭毛是连续产生的，而侧鞭毛是在极性鞭毛功能失效的条件下产生[28]。通过研究侧鞭毛系统编码基因的系统发育和组织结构发现，侧鞭毛系统的起源不同于极性鞭毛系统[29-30]。Kusumoto等[31]证实，极性鞭毛的数量受flhF正调节、受flhG负调节，在某些物种中，flhF与flhG可相互作用导致极性鞭毛蛋白活性变化，进而调节鞭毛生物合成的空间位置和数量。侧鞭毛的表达受环境因素和调节因子的调控，从而介导细菌的聚集、黏附和生物膜的形成。

1.3鞭毛运动的分类 根据细菌运动形式的不同，鞭毛运动可分为游泳运动和群集运动。游泳运动是指细菌通过旋转一个或几个鞭毛推动液体并在其反作用下前进的运动方式，大部分细菌通过这种方式运动[23]。游泳运动具有速度快的特性，每秒钟可达数百微米。在前进运动过程中，细菌会经历多次快速的翻滚运动，在此期间，至少有一个鞭毛逆转其旋转方向为顺时针并与鞭毛束解离后分散在胞体边缘，导致细菌运动的随机重新定向；在翻滚运动结束后，分散的鞭毛丝在螺旋束中重新聚集在一起并逆时针旋转，回归为前进运动[32]。前进运动和翻滚运动模式交替发生，导致细胞在每次翻滚运动后会随机改变运动方向，以抵达对其有利或逃离对其不利的生存环境[23，33]。前进运动的持续时间约为1 s，而翻滚运动的持续时间约为0.1 s，当环境中存在化学诱导剂时，细菌的随机前进运动会倾向于诱导剂所在区域，翻滚运动频率也会降低[34]。

群集运动是指细菌在半固体培养基上从接种点向周围逐渐分散生长的易位方式[35]，其运动速度约为1 cm/d，群集细胞通常长而多核、鞭毛密集[36-37]。群集运动是细菌入侵自然栖息地周边领域的重要手段，其中flhD和flhC鞭毛主操纵子是控制其分化和迁移调控系统的关键[38]。细菌群集运动具有多种生物学意义，包括可提升对抗生素的耐药性、运载有益的真菌孢子和其他细菌、传递毒素杀灭其他细菌以提高自身竞争力等[39]。

1.4鞭毛介导的黏附与定植 鞭毛通过多态性变换表现出不同的鞭毛构象，从而通过推、拉、轻拂、摆动、滚动或缠绕细胞等黏附于宿主细胞[40]。研究发现，副溶血性弧菌、嗜水性弧菌的极性鞭毛可推动菌体在液体介质中运动，其侧鞭毛在菌体侵入宿主后被诱导形成细菌与黏膜表面的连接，使细菌黏附更牢固[41]。此外，细菌与生物介质黏附后在宿主细胞表面的运动性是其快速定植的另一个重要特性[42]。

生物膜的形成是细菌黏附于自身分泌的多糖基质表面并不断繁殖的一种积累过程[43]。鞭毛运动可促使细菌之间产生短暂的细胞表面接触，抵消细胞表面的静电排斥力，因此鞭毛运动是细菌自发聚集和不可逆表面黏附所必需的[44]。研究发现，在大肠埃希菌中鞭毛运动与生物膜结构之间存在相关性，运动性强的菌株可形成具有显著垂直结构的生物膜，而运动受损的菌株则形成结构平坦的生物膜[45]。此外，运动也并不总是促进生物膜的形成。如Houry等[46]通过观察载玻片发现，鞭毛可通过阻止细菌表面的直接相互作用降低细菌在玻片表面黏附的功能。

2 鞭毛运动的调控机制

目前已发现50多个鞭毛相关基因，且主要分为fla、mot和che三类，这些基因在染色体上成簇排列并集中在4个区域，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa和Ⅲb区域[47]。鞭毛基因的表达调控是一个级联网络，网络第一层为flhD和flhC两个母基因，这两个母基因受管家基因σ70和热激蛋白的调控，并参与调控第二层35个基因的表达；第二层基因中的fliA和fliM则参与调控第三层基因的表达，包括鞭毛蛋白编码基因、motA和motB等[48]。细菌的运动性是一种复杂的生物特性，受多种因素调节，从而适应不同的生理需求，包括种群密度、营养物质、环境压力和物理因素(如光、温度、氧含量)。

2.1QS系统 QS系统是一种群体密度依赖性细胞间信号转导系统[49]，细菌在其生长过程中分泌可在环境中自由扩散的信号分子，当信号分子浓度达一定阈值后与细菌受体结合调控多种生物学功能变化[50]。研究发现，QS可直接调控大肠埃希菌和结肠耶尔森菌鞭毛基因的表达，QS突变则可导致细菌鞭毛合成延迟[9]。此外，细菌会对宿主分泌的神经内分泌因子产生效应，如去甲肾上腺素可促进铜绿假单胞菌、大肠埃希菌和肠链球菌的运动[51]。通常认为，宿主精神压力导致细菌感染的易感性增加是由于压力状态下神经分泌影响宿主的免疫系统与黏膜屏障功能[52]，但研究发现，宿主内分泌可直接作用于细菌，导致其生长、运动和毒力变化，其机制类似于QS，扩散的激素分子与细菌受体蛋白(如铁转蛋白、膜结合组氨酸激酶)结合发挥生物学作用[53]。

2.2c-di-GMP信号系统 c-di-GMP是细菌中广泛存在的第二信使，细菌可通过胞内c-di-GMP水平变化调节鞭毛基因的表达及鞭毛蛋白组装或功能[10，54]。在大肠埃希菌中，c-di-GMP与鞭毛制动蛋白YcgR的PilZ结构域结合，可促使c-di-GMP与鞭毛定子亚基motA结合，从而增加motA与转子亚基fliG间的相互作用力，导致鞭毛马达扭矩减小，在这个过程中YcgR发挥了制动的作用[55]。YcgR蛋白存在于50多种细菌中，因此这种抑制动力的调控方式应用广泛[56]。在副溶血性弧菌中，降低c-di-GMP水平可增加运动相关基因的表达[57]；在泰国伯克霍尔德菌中存在一种c-di-GMP磷酸二酯酶PdcA，其可调节c-di-GMP并影响其生物膜形成、运动性和毒力[58]。c-di-GMP介导的细菌鞭毛运动抑制可能与环境中营养物质缺乏有关，鞭毛运动通常有利于细菌的生存，但能源缺乏时可能会成为一种负担[59]。Zhu和Gao[60]通过电子冷冻断层扫描和实时荧光显微镜研究发现，细菌可以在饥饿状态下以程序化的方式去除鞭毛，但其感知环境引导鞭毛去除的机制还需进一步研究明确。

2.3蛋白质糖基化 蛋白质糖基化是一种较常见、复杂的翻译后修饰，不仅可促进生物体蛋白质组的扩展，使其超出基因组的编码范围，还会对蛋白质的功能、稳定性、亚细胞定位等其他特性产生深远影响[61]。鞭毛的糖基化对于鞭毛结构的正确组装及运动功能均至关重要，鞭毛多糖具有不同的结构，且通常含有细菌特异性单糖[62]。如在幽门螺杆菌和空肠杆菌中，假单胺酸、军团胺酸以及含有对乙酰氨基和甲基甘油的衍生物均是鞭毛正确组装所必需的，假单胺酸生物合成基因缺陷的幽门螺杆菌和空肠杆菌菌株显示出鞭毛形成缺陷，进而导致细菌运动性丧失和毒力降低[63-64]。此外，艰难梭菌的运动性也取决于其鞭毛蛋白fliC的糖基化，敲除糖基转移酶可导致细菌的运动性显著降低[65]。

3 小 结

运动性是影响细菌生存能力和致病力的关键因素，大部分细菌的动力均来源于鞭毛。鞭毛作为一种结构精致的多亚基细胞器，在调节和装配方面均具有复杂的调控机制。鞭毛运动可促进细菌与宿主相互作用，介导细菌在宿主的黏附与定植。运动性在细菌的生命过程中发挥重要作用，并受QS系统、c-di-GMP信号系统、蛋白质糖基化调控，但具体调控通路目前仍未完全阐明。因此，未来进一步深入研究细菌化学感受器或其他物理因素变化的机制以及相关信号通路的调控，可以为临床感染性疾病的防控提供新的选择。此外，还可结合控制工程的思想和合成生物学的手段构造基因原件，控制细菌的运动性，制备具有多种用途的功能性细菌制剂或以鞭毛结构为基础的纳米机器。