2025-05-13 | 科研部 南科大曾芝瑞团队联合揭示古菌细胞膜结构调控鞭毛形成与运动现象

近日，南方科技大学海洋科学与工程系曾芝瑞课题组与合作者在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表题为“Cyclization of archaeal membrane lipids impacts membrane protein activity and archaellum formation”的研究论文。研究成果首次系统解析了嗜热古菌膜脂甘油二烷基甘油四醚（GDGT）环化修饰对膜蛋白功能及细胞运动的调控机制，揭示了古菌通过动态调节膜脂结构适应极端环境的分子策略。

古菌是地球上最古老的微生物类群之一，能够在高温、强酸、高盐等极端环境中繁衍生息。其细胞膜由独特的醚键脂类构成，其中甘油二烷基甘油四醚（GDGT）是嗜热古菌的主要细胞膜膜脂成分。GDGT分子可通过环化修饰调节膜的刚性与流动性，但其生理功能及膜蛋白的调控机制尚待深入研究。

图1. 古菌膜脂GDGT环化的缺失抑制其鞭毛形成，显著降低细胞运动能力

曾芝瑞团队以极端嗜热古菌Sulfolobus acidocaldarius为模式生物，结合遗传学、蛋白质组学和代谢通路分析，发现改变古菌细胞膜结构（GDGT环化缺陷）会抑制细胞鞭毛形成，显著降低细胞运动能力（图1）。进一步研究表明，膜脂环化通过调控跨膜蛋白ArnR/R1的剪切与稳定性，间接影响鞭毛基因转录因子的活性，从而调控鞭毛组装相关基因的表达。同时，研究发现膜脂环化水平的降低虽然显著抑制了呼吸链复合物SoxABCD的表达，但促进了SoxEFGHIM超级复合体的组装，间接显示了膜脂修饰可通过重构能量代谢网络适应环境压力。最后，膜脂环化酶（GrsA/B）与鞭毛形成广泛共存于嗜热古菌中，揭示了微生物通过调整膜脂结构影响鞭毛等膜蛋白活性具备一定普适性。

该研究首次建立了古菌膜脂修饰与细胞运动能力的直接联系，揭示了膜脂动态重塑在极端环境适应中的核心作用。论文指出，GDGT环化不仅是古菌应对温度变化的物理屏障，更是通过信号转导网络精细调控细胞功能的‘分子开关’。这一发现为解析古菌膜脂功能的多样性提供了新视角。研究为极端环境微生物资源开发、合成生物学中人工膜设计提供了理论依据，并对地球早期生命演化的研究具有一定意义。

南方科技大学海洋科学与工程系为论文第一单位，曾芝瑞团队的高级研究学者杨威为论文第一作者，曾芝瑞副教授和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）Carl R.Woese研究所的张昌毅博士为论文共同通讯作者。曾芝瑞团队的博士生冯希和陈华慧，科罗拉多州立大学Geraldy Liman博士和Thomas J.Santangelo教授为本研究作出重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金项目等基金的支持。

论文链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2423648122

DOI：10.1073/pnas.2423648122

供稿：海洋科学与工程系

通讯员：颜莎

编辑：任奕霏