西南大学赵萍教授、王鑫副教授等Acta Biomater.：成丝机理新进展-几丁质和表皮蛋白构建家蚕丝腺精密结构并决定蚕丝性能

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近日，西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心在国际学术期刊Acta Biomaterialia（中科院大区1区Top）在线发表 “Chitin and cuticle proteins form the cuticular layer in the spinning duct of silkworm（几丁质和表皮蛋白共同构建家蚕纺丝管道角质层内膜）”的原创性研究论文，揭示了几丁质和表皮蛋白在蚕丝纤维化过程中的生理功能，为动物成丝机理的研究提供了新的思路（图1）。

图1：几丁质和表皮蛋白共同构建家蚕纺丝管道的角质层内膜

几丁质是由N-乙酰-D-氨基葡萄糖聚合形成的高分子化合物，在节肢动物中广泛存在。几丁质与其结合蛋白相互作用可为两者形成的复合基质提供多样化的机械性能，如坚硬的外表皮或柔软的围食膜，对节肢动物的生存、繁育、进化等方面具有重大意义。近期的研究发现，泌丝节肢动物如家蚕、蜘蛛、水下吐丝昆虫石蚕等的纺丝管道中也存在几丁质，但其具有何种生物学功能一直未被解析。

基于此，团队以家蚕为对象，首先研究了几丁质和表皮蛋白在纺丝管道的表达模式和定位，发现两者共定位于纺丝管道的角质层内膜中。亲和层析验证天然和重组的表皮蛋白均可高效结合几丁质。超微结构分析发现角质层内膜是由几丁质片层堆叠而成的层板状结构，表皮蛋白充斥其间，与几丁质相互作用有利于该结构的稳定（图2）。

为深入研究几丁质和表皮蛋白的生理功能，课题组干涉表皮蛋白后发现纺丝管道长度变短、角质层内膜厚度变薄、内膜的精密结构遭到破坏。进一步对蚕丝结构和性能分析，发现丝纤维表面出现缺陷，纤维二级结构中β-折叠含量降低，力学性能显著下降，纤维延展度和韧度下降尤为明显（图2）。

图2：纺丝管道角质层内膜的几丁质片层结构及干涉表皮蛋白对蚕丝力学性的影响

本研究阐明了几丁质和表皮蛋白在角质层内膜精密结构构建和丝纤维化中的生理作用。几丁质和表皮蛋白相互作用共同搭建了纺丝管道角质层内膜的层板状结构，赋予纺丝管道刚柔并济的特质，一方面可以在成丝过程中为蚕丝纤维化提供充足的剪切应力，另一方面还可保护纺丝管道细胞免受剪切应力的破坏。由于几丁质和表皮蛋白在泌丝动物纺丝管道中所具有的保守性，本研究将进一步揭示动物丝纤维化的具体机制，可为动物丝纤维的性能改造、新型高性能生物材料种质资源的开发和利用提供新理论和靶标。

中心王鑫副教授，硕士毕业研究生谢晓倩为论文共同第一作者，赵萍教授为论文的通讯作者。课题组长期致力于成丝机理及丝性能改良方面的研究，通过多组学和遗传操作技术鉴定、研究和应用成丝相关因子，获得了多个蚕丝性能提升的新型家蚕品种素材，在国际权威期刊发表了系列研究论文。本研究得到了国家自然科学基金项目、重庆市自然科学基金创新群体科学基金的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2022.03.043

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