鞭毛、纤毛、菌毛:有什么区别吗?

许多动物——从单细胞原生生物到人类依靠显微毛发状结构执行广泛的细胞信号和motility-related任务。¹鞭毛、纤毛和菌毛都是相似的形状,但是,各自拥有不同的结构和生物功能。

本文概述了鞭毛的特点,纤毛和菌毛,包括它们的结构和功能,探讨了它们之间的关键差异。

鞭毛是什么?

鞭毛很长,绳子细胞器主要用于细胞运动性——尽管在一些生物也可能感觉的作用。²尽管他们是最常见的细菌,他们也出现在各种各样的真核生物,包括藻类、真菌和一些动物细胞。每个细胞类型可能单个鞭毛或多个鞭毛移动独立在各种波形。³他们通常比纤毛或pili范围在5 - 20μm长度和直径10 ~ 30 nm。⁴

图1:鞭毛的结构。

鞭毛结构

鞭毛是长而细结构蛋白组成的结构。鞭毛的常见特性包括蛋白质纤维和基体。然而,除了这些关键部件,鞭毛结构变化显著之间的三种类型存在于细菌、古细菌和真核生物。一个例子是图1所示。

类型的鞭毛

细菌鞭毛

细菌鞭毛是由鞭毛蛋白——一种球状蛋白质组装形成中空螺旋灯丝。³底部,由弯曲细丝与马达蛋白,管状接头称为“钩”。

细菌鞭毛旋转运动和转是由质子的动机的力量。这是氢离子扩散通过蛋白质毛孔的基体旋转马达。⁵由此产生的电位差的跨膜电化学梯度驱动的旋转运动的细菌鞭毛和推进。

古细菌鞭毛

古细菌鞭毛——也称为archaella——也由一个空心,螺旋灯丝的分子马达。⁶然而,研究表明,archaella都从细菌和真核鞭毛结构并且在进化上是截然不同的。

Archaella archaellins组成——结构糖蛋白与在某些细菌的菌毛。⁷Archellum可能出现奇异结构,或在包在一个旋转总成。与细菌鞭毛,古细菌鞭毛的运动是由ATP的水解ADP和无机磷酸盐。

真核鞭毛

真核鞭毛有更复杂的分子结构比细菌或热点。真核鞭毛类似于真核纤毛,两人经常在一起的特征;然而,可以通过他们的杰出的运动模式。⁸真核鞭毛通常表现出平面运动-像一个螺旋桨驱动推进跨细胞表面的细胞或液体。像纤毛,真核鞭毛是由微管结构包裹细胞内的等离子体膜。⁹他们的灯丝特性两个中心微管进一步九融合双包围。九个偶极微管每个支持两个动力蛋白臂驱动通过ATP水解鞭毛的运动。因此,真核鞭毛不包含一个回转马达。

纤毛是什么?

纤毛是细长的预测,从主体的真核细胞。然而,他们通常小于鞭毛,他们有许多与真核鞭毛结构相似之处。¹⁰他们是用于运动性或感官细胞器,取决于他们的类型。一个细胞可能有一个初级纤毛或多个纤毛。细菌和古菌具有纤毛。

图2:纤毛结构。

纤毛结构

鞭毛、纤毛是由基底的身体和包裹在质膜。⁷基底的身体固定在由纤毛细胞骨架细根蛋白质。多孔结构,称为纤毛门或过渡区,控制分子流纤毛和胞体(图2)。主要(non-motile)纤毛是由九个融合双微管,而运动型纤毛功能两个额外的单一微管像鞭毛同行。¹⁰

类型的纤毛

Non-motile(初级)

Non-motile或初级纤毛可以找到几乎所有类型的细胞在人体内。^10,11他们发现几乎所有的真核细胞类型,¹²包括一些被称为纤毛虫原生生物。¹³Non-motile纤毛通常是奇异的。研究表明,non-motile纤毛作为感觉器官发挥关键作用在细胞信号传导,增长控制和能量代谢。初级纤毛缺陷会导致病理障碍通常称为ciliopathies。¹¹

运动型(二级)

能动的纤毛在进化过程中高度保守,甚至单细胞纤毛虫拥有他们。¹⁴能动的纤毛大量可以发现,在两相的移动,鞭运动。¹⁵而纤毛虫使用他们能动的纤毛运动,多细胞生物主要使用他们能动的纤毛管理物质如粘液或液体流动的脑脊液。这需要一个协调行动,大批纤毛打在一起,形成一个集体运动,允许流体运输。

菌毛是什么?

Pili——也称为菌毛- - - - - -聚合物的毛发,non-motile附件上发现的细菌和古生菌。¹⁶一些菌毛是动态结构扩展和收缩的能力。¹⁷与鞭毛和纤毛,菌毛不是膜结合细胞器。他们作为表面束缚存在外部扩展垂直于胞体的细丝。

Pili函数

菌毛在细菌有性生殖中发挥作用(也称为共轭)和促进附件和DNA转移。它们也可以用于动物细胞或其他对象的附件的细菌和生物膜的形成;因此,菌毛是一个有趣的目标在抗菌研究。¹⁸

^{图3:P纤毛的结构。}

菌毛结构

比鞭毛Pili通常短,薄,是由结构蛋白称为菌毛蛋白。¹⁷主要和次要的菌毛蛋白安排在一个螺旋结构形成大约0.3的灯丝3μm长度。与纤毛,pili分类是基于他们的结构和生物合成的途径,而不是功能。

类型的菌毛

Chaperone-usher

Chaperone-usher pili广泛表达的类型之一革兰氏阴性细菌。他们在致病性扮演重要角色,包括主机连接和生物膜的形成。它们由两个组件——短薄提示称为fibrillum,从螺旋圆柱或“棒”。几个亚型的chaperone-usher pili存在;从广义上说,这些可被分为1型和P型菌毛。

I型菌毛与附件涉及无生命的基质,如固体表面和真核细胞。¹⁹他们含有粘蛋白提示和被认为作为分子弹簧,吸收冲击和保护细胞免受剪切力在其环境。由于他们在粘附作用,I型菌毛组装抗菌疗法研究的焦点。^20.然而,这些结构的具体组成和功能还没有得到证实。¹⁹

P型和I型菌毛可以区分他们的组装平台(即引座员)嵌入到细菌外膜。²¹引座员,蛋白质命名的细菌物种之间的不同,参与纤毛生源论。在图3中,显示了P型菌毛,开启原先都效命于蛋白组成。

IV型

IV型菌毛是动态结构参与细菌运动性。²²他们可以迅速伸长和收缩来创建机械力量,使细菌。细菌IV型菌毛在结构是相似的 II型分泌系统 pseudopili 。然而,功能上,他们是不同的。分泌蛋白质折叠到细胞外环境中,而是他们交通折叠菌毛蛋白亚基尖延长灯丝长度。IV型菌毛作为重要的人类疾病,如毒性因子艰难梭状芽胞杆菌感染,脑膜炎球菌病。^23,24

共轭IV型或性菌毛,有助于细菌细胞之间传递遗传物质,促进交配的初始加入对。²⁵就像其他IV型菌毛,他们能够快速扩展和收缩,产生足够的机械力将细菌一起共享遗传物质由ATP水解的过程。¹⁷

V型

V型菌毛也毒力因素的函数。¹⁶他们独特的革兰氏阴性细菌,像其他类型的菌毛他们发挥作用在粘附,聚集和生物膜的形成。^26,22V型菌毛可subcategorized为大(长)菌毛和小菌毛(短)。主要的菌毛在0.3 - -1.6之间µ米的长度,和次要pili长度在80 - 120海里。在V型菌毛也包括菌毛蛋白,他们不保持连接到膜孔隙;相反,它们附着在细菌外膜与锚每个纤维子单元的底部。²⁷

Curli

Curli纤维表面存在表面的革兰氏阴性细菌。²⁸他们是由淀粉样蛋白称为柯林,聚合形成non-branching细胞外基质的延伸。Curli纤维参与细胞粘附和生物膜的形成;因此,柯林是一个令人兴奋的研究与生物医学应用的目标。^29日

Sortase-processed pili

革兰氏阳性细菌利用它们的细胞壁信封作为显示表面的细胞骨架结构如菌毛。他们的生物合成和表面发生附件的协助下sortase酶。^30.

两种类型的pilus-like结构已确定的革兰氏阳性细菌电子显微镜。他们被认为是参与粘附和生物膜的形成。一些细菌,如链球菌gordonii和链球菌oralis短,细棒或纤维,而其他更长的时间,灵活的结构被观察到在致病性链球菌、口腔病原体和棒状杆菌属的物种。^31日

一般来说,时间越长棒状菌毛组成三个蛋白质亚基共价连接。每个包含一个LPXTG氨基酸基序(X表示任何氨基酸)或变体,它允许他们处理具体sortase酶在纤毛的形成,相互连接的组件和整个结构的细胞壁肽聚糖。与革兰氏阴性细菌、革兰氏阳性菌毛组件是通过non-disulfide共价键连接。

表的关键差异

	鞭毛	纤毛	菌毛
中发现的	真核生物、原核生物和古生菌	真核生物,包括一些原生生物	原核生物和古生菌
每个细胞	一个或多个	一个或多个	许多
大小	长	更短的	最短的
能量的来源	ATP水解或proton-motive力量	ATP水解	ATP水解
能动性	能动的	运动型或non-motile	Non-motile、动态

引用

1。 肯塔基州。鞭毛:一种新的节拍。Elife。2021;10:e67701。doi:10.7554 / eLife.67701

2。 王Q,铃木,Mariconda年代。等。感应湿度:细菌鞭毛的新角色。EMBO J。(2005)24 (11):2034 - 2042。doi:10.1038 / sj.emboj.7600668

3所示。 特纳L, Ryu WS, Berg HC。实时成像的荧光鞭毛细丝。J Bacteriol。(2000)182 (10):2793 - 2801。doi:10.1128 / jb.182.10.2793 - 2801.2000

4所示。 周李Y,彭X, Xet al。口腔微生物的基本生物学。周:李X和Y, eds。阿特拉斯的口腔微生物学。新加坡:施普林格;2015:1 - 14。doi: 10.1016 / b978 - 0 - 12 - 802234 - 4.00001 x

5。 Biquet-Bisquert, Labesse G, Pedaci F。等。d ynamic离子动力推动细菌鞭毛马达。前面Microbiol。(2021)12:659464。doi:10.3389 / fmicb.2021.659464

6。 贾雷尔KF,阿尔伯斯SV。archaellum:一个古老的能动性结构与一个新的名字。趋势Microbiol。(2012)20 (7):307 - 312。doi:10.1016 / j.tim.2012.04.007

7所示。 汗,Scholey JM。组装、功能和进化archaella鞭毛和纤毛。咕咕叫杂志。(2018)28 (6):R278-R292。doi:10.1016 / j.cub.2018.01.085

8。 韦克菲尔德詹,摩尔CA, Wan肯塔基州。协调真核纤毛和鞭毛。学生物化学论文(2018)62 (6):829 - 838。doi:10.1042 / EBC20180029

9。 米切尔博士的进化真核纤毛和鞭毛运动型和感官的细胞器。地中海之实验医学杂志。(2007)607:130 - 140。doi:10.1007 / 978 - 0 - 387 - 74021 - 8 _11

10。 Satir P,克里斯腾森圣哺乳动物纤毛的结构和功能的概述。为杂志。(2007)69:377 - 400。doi:10.1146 / annurev.physiol.69.040705.141236

11。 高F,沃伦,张问,等。all-data-based进化假说的纤毛原生生物的分类修订门纤毛亚门(真核生物,alveolata)。Sci代表。2016;6:24874。doi:10.1038 / srep24874

12。 辛格M,乔杜里P,商人AA。初级纤毛在人类血液和骨髓细胞的存在和调解刺猬信号。Exp内科杂志。(2016)44 (12):1181 - 1187. - e2。doi:10.1016 / j.exphem.2016.08.009

13。 亚当斯,M。初级纤毛:孤儿细胞器找到一个家。自然教育。https://www.nature.com/scitable/topicpage/the -初级纤毛-一个孤儿-细胞器-发现- 14228249。2010年出版。2023年1月04,通过。

14。 刘W,风扇X,荣格JH Grattepanche JD。纤毛虫:关键在水生环境中生物。前面Microbiol。(2022)13:880871。doi:10.3389 / fmicb.2022.880871

15。 贝里斯英航,纳瓦罗调频,酒的m .能动的纤毛:创新和洞察力纤毛虫生物模型。前细胞Dev杂志。(2019)7:265。doi:10.3389 / fcell.2019.00265

16。 德福杰,Barocchi妈,Margarit我。等。在革兰氏阳性致病菌菌毛。Nat Microbiol牧师。(2006)4 (7):509 - 519。doi:10.1038 / nrmicro1443

17所示。 克雷格•L森林KT,麦尔b . IV型菌毛:动力学、生物物理学和功能的后果。Nat Microbiol牧师。(2019)17 (7):429 - 440。doi:10.1038 / s41579 - 019 - 0195 - 4

18岁。 杜米、元Z, Yu H, et al .交接机制日益增长的菌毛的细菌外膜开启FimD。自然。2018,562 (7727):444 - 447。doi:10.1038 / s41586 - 018 - 0587 - z

19所示。 丁CN,施赖伯霍奇金淋巴瘤4日,郑W,等。1型菌毛的功能作用在宿主-病原体相互作用调节杆结构。Elife。(2018)7:e31662。doi:10.7554 / eLife.31662

20. Psonis JJ, Thanassi DG。治疗方法针对chaperone-usher pili的组装和功能。EcoSal +。(2019)8 (2):10.1128 / ecosalplus.esp - 0033 - 2018。doi:10.1128 / ecosalplus.esp - 0033 - 2018

21。 布施,表象G, Waksman G分子机制的细菌1型和P pili组装。费罗斯反式数学phy Eng科学领域。(2015)373 (2036):20130153。doi:10.1098 / rsta.2013.0153

22。 Hospenthal可,科斯塔TRD Waksman g .全面指南纤毛生源论在革兰氏阴性细菌。Nat Microbiol牧师。(2017)15 (6):365 - 379。doi:10.1038 / nrmicro.2017.40

23。 Scott AJ Maldarelli GA、Piepenbrink KH、等。IV型菌毛早期促进生物膜的形成艰难梭状芽胞杆菌。Pathog说。(2016)74 (6):ftw061。doi:10.1093 / femspd / ftw061

24。 丹尼斯·K,布里斯勒米,Le Guennec L,等。针对IV型菌毛作为一个antivirulence策略对侵入性脑膜炎球菌病。Nat Microbiol。(2019)4 (6):972 - 984。doi:10.1038 / s41564 - 019 - 0395 - 8

25。 Ou JT,安德森特遣部队。细菌接合菌毛的作用。J Bacteriol。(1970)102 (3):648 - 654。doi:10.1128 / jb.102.3.648 - 654.1970

26岁。 柴田年代,Shoji M,冈田克也K,等。聚合型菌毛蛋白结构揭示了装配机制涉及protease-mediated链交换。Nat Microbiol。(2020)5 (6):830 - 837。doi:10.1038 / s41564 - 020 - 0705 - 1

27。 Shoji M,柴田年代,Sueyoshi T, Naito M, Nakayama k .生源论V型菌毛。Microbiol Immunol。(2020)64 (10):643 - 656。doi:10.1111 / 1348 - 0421.12838

28。 Barnhart MM,查普曼先生Curli生源论和功能。为Microbiol。(2006)60:131 - 147。doi:10.1146 / annurev.micro.60.080805.142106

29。 Tursi SA Tukel C。Curli-containing肠内外生物膜:矩阵组成,免疫识别,和疾病的影响。Microbiol杂志牧师。(2018)82 (4):e00028-18。doi:10.1128 / MMBR.00028-18

30.Marraffini洛杉矶,取消缩进交流,Schneewind o . Sortases和锚定蛋白的信封的艺术革兰氏阳性细菌。Microbiol杂志牧师。2006,70 (1):192 - 221。doi:10.1128 / mmbr.70.1.192 - 221.2006

31日。德福杰,Barocchi妈,Margarit我Rappuoli R,大人物g菌毛的革兰氏阳性病原体。Nat Microbiol牧师。2006;4 (7):509 - 519。doi:10.1038 / nrmicro1443