全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 11 期
细菌趋化性的信号传导及调节机制研究进展
李茹1 陈鹏2
(1广西大学生命科学与技术学院，南宁 530004;2广西大学农学院，南宁 530004)
摘 要: 近年来，人们对细菌趋化性系统中的蛋白质生化和结构方面的认识逐渐加深，其调节趋化反应的信号传导系
统在原核生物中较为保守，其中对大肠杆菌的趋化性研究得最透彻，为理解其他信号传导机制提供了有力的参考依据。详细
介绍细菌趋化性的信号传导机制，并对包括趋化反应调节蛋白 CheY的蛋白质结构以及两种修饰方式的趋化性调节机制最新
进展进行了综述。
关键词: 细菌 趋化性 信号传导 CheY蛋白 磷酸化 乙酰化
Progress in Mechanism of Signal Transduction and
Regulation in Bacterial Chemotaxis
Li Ru1 Chen Peng2
(1College of Life Science and Technology，Guangxi University，Nanning 530004;2College of Agricultural，Guangxi University，Nanning 530004)
Abstract: Recently，many biochemical and structural details of this system have been elucidated，the components of the chemotax-
is signal transduction systems that mediate these responses are highly conserved among prokaryotes，the best-studied system is that found
in Escherichia coli，which provides new insights into other signal transduction systems． In this paper，the signal transduction in bacterial
chemotaxis，and the recent research progress on the structure and two modifications of response regulator CheY were summarized．
Key words: Bacteria Chemotaxis Signal transduction CheY Phosphorylation Acetylation
收稿日期:2011-06-28
基金项目:教育部科学技术研究重点项目(209095)
作者简介:李茹，女，博士，研究方向:植物病毒学;E-mail:Liru only@ yahoo. com. cn
通讯作者:陈鹏，博士，副教授，E-mail:hustwell@ gmail． com
细菌的趋化性是指有运动能力的细菌对环境中
的刺激物做出靠近吸引物和远离排斥物的行为。
Engelmann于 1881 年及 Preffer 于 1883 年最早报道
细菌趋化性。随后的几十年细菌趋化性研究并未取
得较大进展。直到 1960 年，Alder 深入研究了细菌
趋化性的分子机制，提出大肠杆菌(Escherichia coli)
对氨基酸以及糖的趋化性是由位于细胞表面的受体
蛋白调节的，并由细胞内分子传递信号最终影响细
菌的行为［1，2］。此后，越来越多的研究人员开始从
事细菌趋化性的研究，并取得了许多重要结果。
1 细菌的运动行为
以大肠杆菌为例，每个细胞有 4 － 10 根鞭毛，鞭
毛的快速旋转使得细菌具有运动能力。鞭毛的旋转
有两种形式:一种是逆时针旋转(counter-clockwise，
CCW) ，此时鞭毛拧成一股形成一个“束”，束高速旋
转推动细胞做直线运动，即细菌的泳动行为
(swim) ;另一种是顺时针旋转(clockwise，CW) ，束
分散或松开导致细胞原地翻滚(tumble) ，当鞭毛束
重新形成，细胞已改变了运动方向开始下一个泳动。
细菌依据一种记忆机制来感应环境中的化学浓度梯
度，通过对比现有的浓度和过去的浓度来调整运动
行为。细菌在没有化学浓度梯度的环境中，其运动
方向是随机的，一般是向前直线运动几秒钟就停下
来翻滚，然后再以不同的方向进行直线运动，如此循
环往复。当细菌感知到周围的诱导剂浓度降低或驱
避剂浓度增加时，翻滚的频率就会增加，从而使细菌
远离不利的环境。反之，翻滚的频率会下降，细菌保
持直线运动靠近对它有利的环境［3］。
2 细菌趋化性的信号传导机制与调节机制
细菌本身太小，并不能感知空间中存在的化学
2011 年第 11 期 李茹等:细菌趋化性的信号传导及调节机制研究进展
浓度梯度，但是却能对随时改变的化学浓度梯度反
应十分敏感，这是因为它们能利用受体蛋白感知细
胞外面的刺激物信号，从而调节鞭毛旋转的方向。
在大肠杆菌中，趋化性是通过两个大分子复合
体(supramolecular complexes)调节的，即位于细胞两
级的受体复合体(receptor complexs)和随机分布于
细胞四周、埋于细胞膜中的鞭毛 － 马达复合体
(flagellar-motor complex，一般每个细胞有 5 － 10
个)。一个信使蛋白———趋化反应调节蛋白(chem-
otaxis response regulator，CheY)来回穿梭于两个复合
体之间进行从受体到鞭毛的信号传递［4］。
2． 1 受体复合体
跨膜的受体复合体由甲基趋化性受体(methyl-
accepting chemotaxis proteins，MCP) ，组氨酸激酶
CheA和连接蛋白 CheW组成。大肠杆菌的受体有 5
种:Tar、Tsr、Trg、Tap 和 Aer［5］。不同受体感知不同
刺激物的信号，如 Tar 调节对天冬氨酸、谷氨酸和麦
芽糖的反应;Tsr 调节对丝氨酸的反应;Trg 调节对
核糖和半乳糖的反应;Tap 调节多肽的反应;Aer 调
节对氧的反应。这些受体以同源二聚体形式存在，
都由一个高度可变的负责与刺激物结合的细胞周质
感受区和一个保守的提供与 CheA 和 CheW 结合平
台的细胞质信号区构成［6］。保守的细胞质信号区
又可以分为 3 个亚结构域:(1)HAMP 结构域，负责
连接跨膜螺旋与胞质的信号区域; (2)甲基化的螺
旋区域，包含 4 个或更多的谷氨酰基，可被甲基转移
酶(methyltransferase)CheR进行甲基化修饰，被甲基
酯酶(methylesterase)CheB去甲基化;(3)信号区域，
CheA和 CheW与受体在此区域结合。大肠杆菌的
受体数目相对于其他微生物是比较少的，如新月柄
杆菌(Caulobacter crescentus)的受体有 18 种，霍乱弧
菌(Vibrio cholerae)受体至少有 46 种［3］。
CheW作为一种连接蛋白，可与 MCP 和 CheA
结合，形成 MCP-CheW-CheA 复合体［7］。CheA 蛋白
属于“二元调控系统”中的传感激酶，可发生磷酸
化，并可在有 ATP存在的情况下将磷酸基团转移到
CheY 上，使 CheY 发生磷酸化。CheA 既可以与
CheW结合，也可直接与 MCP结合。当 MCP未与吸
引剂结合时，CheA 自身磷酸化并将信号传导至
CheY;当吸引剂结合到 MCP 上时，导致受体构象发
生变化，CheA的自身磷酸化受到抑制，影响了 CheY
的磷酸化［8］。
2． 2 鞭毛 －马达复合体
鞭毛 －马达是一个把跨膜离子梯度贮存的电化
学势能转化为旋转运动机械能的装置，位于鞭毛的
基底部，由转子(rotor)和定子(stator)组成。MotA
和 MotB 是跨膜蛋白，二者共同组成质子通道，Mo-
tA /MotB复合体构成马达中的非旋转部分，即定子。
而 FliG、FliM和 FliN在鞭毛基底部形成一个功能复
合体，称为切换复合体(switching complex) ，构成了
马达的转子，它可以决定鞭毛的旋转方向。在复合
体内，这些切换蛋白可以相互作用，而且 FliG 可与
MotA结合从而连接转子和定子［9 － 11］。
2． 3 趋化反应调节蛋白 CheY
刺激信号由受体复合体到鞭毛 －马达复合体的
传递需要由 CheY调节完成。CheY 属于“二元调控
系统”中的调节蛋白，大小为 14 kD，具有多重功能。
一旦 CheA自身磷酸化，它就能快速地将磷酸基团
转移到 CheY 的 Asp57［12］。CheY 的磷酸化导致构
象的变化，减少了 CheY 对 CheA 的亲和力，提高了
与 FliM蛋白(鞭毛 －马达复合体的一个组成部分)
的亲和力。结果，当磷酸化的 CheY(CheY-P)从受
体复合体上释放出来之后，它在细胞质内迅速扩散，
并通过 FliM 与鞭毛 －马达复合体相互作用［13，14］。
这种依靠磷酸化的相互作用的最终结果是鞭毛 CW
旋转的可能性增加了，细菌开始做一种翻筋斗式的
运动。
2． 4 细菌趋化性的调节机制
细菌趋化性反应调节机制的关键就在于 CheY
蛋白的活性调节，它的磷酸化和乙酰化状态都能直
接影响 CheY与其他蛋白的结合能力，从而调节细
菌鞭毛的旋转方向，进而决定细菌的运动方式。
2． 4． 1 CheY 的蛋白质结构 目前，来源于多种微
生物中的 CheY 结构都被解析清楚，以大肠杆菌为
例，CheY拥有典型的反应调节子结构，有 1 个结构
域，由 5 个 α-螺旋和 5 个 β-折叠构成。分别位于
β1、β3 和 β5 羧基端的 Asp13、Asp57 和 Lys109 构成
了 CheY的活性中心。其中，Asp13 对于 Mg2 +的结
合是必需的，Lys109 通过它的 ε-氨基与 Asp57 的羧
基形成氢键。而既然 Asp57 是 CheY 的磷酸化位
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点，那么当 CheY 磷酸化后 Lys109 和 Asp57 的相对
位置就有可能发生改变，以容纳 Asp57 上连接的磷
酸基团。事实上，Lys链柔韧性很好，因此，Asp57 的
磷酸化就有可能造成活性中心的重排及 Lys109 构
象的变化［15］。
2001 年，Lee等［16］用 BeF3-CheY 的结构模拟了
磷酸化的 CheY结构，与 P-CheY类似，BeF3-CheY与
FliM和 CheZ的亲和力增强，而与 CheA的亲和力降
低。对比 CheY的活性状态与非活性状态的蛋白结
构发现，激活后的 CheY 结构只有少量改变。这些
变化主要集中在 β4 /H4 转角，此区域在非活性状态
的 CheY中是较柔韧的，并且是与 FliM 结合的区域
的一部分。
2． 4． 2 CheY活性的调节 CheY 蛋白可以发生两
种化学修饰:磷酸化和乙酰化。因此，它就有两种不
同的活性调节方式。
2． 4． 2． 1 CheY 的磷酸化 CheY 可在 Asp57 位发
生磷酸化，由 CheA 或一些小分子如乙酰磷酸提供
磷酸化基团。尽管乙酰磷酸在细胞内普遍存在，而
且其水平随着生长阶段和条件而改变。事实上，乙
酰磷酸调节的 CheY 磷酸化的速度要远低于 CheA
调节的磷酸化。因此，在体内乙酰磷酸对 CheY 的
磷酸化贡献可能较小，但在体外却是一种较为有效
的 CheY磷酸化方式［17］。
一直以来，人们都认为磷酸化的 CheY(Che
Y － P)与 FliM 的结合力增强，从而使鞭毛 CW 的频
率增加，细菌呈现翻滚行为［18］。但是，Sarkar 等［19］
于 2010 年研究发现，CheY-P还能与 FliN蛋白结合，
进一步也能使细菌鞭毛 CW 的频率增加。另外，
CheY-P还可发生去磷酸化，去磷酸化酶 CheZ 可以
加速它的去磷酸化过程，从而降低它与 FliM 的结
合，最后终止鞭毛的 CW。研究表明，CheZ 的 C 端
负责与 CheY 结合。而一旦 CheY-P 与 FliM 结合，
CheZ就不能催化它的去磷酸化，因为它只能催化尚
未结合的 CheY-P的去磷酸化［20］。
2． 4． 2． 2 CheY 的乙酰化 2004 年，Barak 等首次
用纯化的 E． coli的乙酰辅酶 A合成酶(Acs)证实它
在体外可将 CheY 乙酰化。另外，通过质谱分析，
CheY的 6 个 Lys 乙酰化位点被鉴定出来，分别是:
Lys91、92、109、119、122 和 126。这些乙酰化位点都
集中在 CheY 的 C 端，正好是 CheY 与 CheA，CheZ
和 FliM 结合的区域［21］。随后，Barak 等［22］于 2006
年报道 CheY可以利用 AcCoA作为乙酰基来源而发
生自乙酰化。另外，有研究人员还提出在细菌体内
存在一种未知的乙酰转移酶也可以催化 CheY 的乙
酰化［23 － 25］。
CheY的去乙酰化有两种方式，一种是由 Acs负
责催化的去乙酰化［21，26］，另外一种是由沉默信息调
节因子 2(silence information regulator 2，Sir2)在细菌
中的同源蛋白 CobB 催化的依赖于 NAD +的去乙酰
化过程。而且，细菌体内的试验证明后一种方式起
主要作用［24］。
2008 年 Yan等［23］在细菌体内能直接测到 CheY
的乙酰化。2010 年，Li等［24］发现 cobB敲除株 CheY
乙酰化水平明显增高，但对刺激物的趋化反应能力
下降。同时，他们还证明乙酰化降低了 CheY 与
FliM之间的亲和力。而 Liarzi等［27］也发现 CheY 的
乙酰化会影响它与 CheA、CheZ 和 FliM 的结合。由
此可见，CheY的乙酰化确实能影响细菌的趋化性。
但由于其乙酰化速度较慢，因此人们认为，与磷酸化
这种快速的调节方式相比，乙酰化是一种较慢的调
节细菌趋化性的方式。
2． 4． 2． 3 CheY磷酸化与乙酰化之间的相互调节
2004 年，Barak 和 Eisenbach 在体外研究发现，CheY
的磷酸化与乙酰化这两种修饰并非孤立进行，而是
可以相互影响。如 CheY 的磷酸基来源———CheA
及乙酰磷酸可以强烈抑制 CheY 的乙酰化，而 CheZ
则与之相反，可以增强 CheY 的乙酰化。另外，Acs
可以提高 CheA 和 CheY 的磷酸化水平［28］。2010
年，Li等［24］通过构建 cheA和 cheZ的敲除菌株在细
菌体内证实 CheY 的磷酸化与乙酰化确实相互影
响、相互调节的。但两者相互调节的具体机制还有
待进一步深入研究。
3 结语
研究细菌趋化性对于利用细菌治理环境、控制
病原菌侵染机体，以及开发微生物工业项目等方面
都具有重要意义。随着人们对细菌趋化性信号传导
及调节机制研究的不断深入，新问题也不断出现。
第一，除了已知的向 CheY 传递磷酸化的信号受体
复合体之外，是否还存在可以传递乙酰化信号的受
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体复合体蛋白;第二，在细菌体内，CheY的乙酰化主
要是哪种蛋白催化的结果，它又是如何影响趋化性
的;第三，在面对刺激物时，CheY的磷酸化和乙酰化
这两种调节方式如何相互影响，它们在发挥作用时
是否存在时间上的先后及效应的大小;第四，对于环
境中存在的吸引物或排斥物，细菌的信号传导途径
是否是一样的。以上问题的解决，将帮助人们更全
面、更深入地理解细菌趋化性的复杂机制，有利于进
一步理解细菌趋化性的实际应用，并为研究细胞内
其他的信号传导机制提供新的线索。
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(责任编辑 狄艳红)
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