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  近日，西南大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院生物學(xué)研究中心在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Acta Biomaterialia（中科院大區(qū)1區(qū)Top）在線發(fā)表 “Chitin and cuticle proteins form the cuticular layer in the spinning duct of silkworm（幾丁質(zhì)和表皮蛋白共同構(gòu)建家蠶紡絲管道角質(zhì)層內(nèi)膜）”的原創(chuàng)性研究論文，揭示了幾丁質(zhì)和表皮蛋白在蠶絲纖維化過(guò)程中的生理功能，為動(dòng)物成絲機(jī)理的研究提供了新的思路（圖1）。

圖1：幾丁質(zhì)和表皮蛋白共同構(gòu)建家蠶紡絲管道的角質(zhì)層內(nèi)膜

  幾丁質(zhì)是由N-乙酰-D-氨基葡萄糖聚合形成的高分子化合物，在節(jié)肢動(dòng)物中廣泛存在。幾丁質(zhì)與其結(jié)合蛋白相互作用可為兩者形成的復(fù)合基質(zhì)提供多樣化的機(jī)械性能，如堅(jiān)硬的外表皮或柔軟的圍食膜，對(duì)節(jié)肢動(dòng)物的生存、繁育、進(jìn)化等方面具有重大意義。近期的研究發(fā)現(xiàn)，泌絲節(jié)肢動(dòng)物如家蠶、蜘蛛、水下吐絲昆蟲(chóng)石蠶等的紡絲管道中也存在幾丁質(zhì)，但其具有何種生物學(xué)功能一直未被解析。

  基于此，團(tuán)隊(duì)以家蠶為對(duì)象，首先研究了幾丁質(zhì)和表皮蛋白在紡絲管道的表達(dá)模式和定位，發(fā)現(xiàn)兩者共定位于紡絲管道的角質(zhì)層內(nèi)膜中。親和層析驗(yàn)證天然和重組的表皮蛋白均可高效結(jié)合幾丁質(zhì)。超微結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)角質(zhì)層內(nèi)膜是由幾丁質(zhì)片層堆疊而成的層板狀結(jié)構(gòu)，表皮蛋白充斥其間，與幾丁質(zhì)相互作用有利于該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定（圖2）。

  為深入研究幾丁質(zhì)和表皮蛋白的生理功能，課題組干涉表皮蛋白后發(fā)現(xiàn)紡絲管道長(zhǎng)度變短、角質(zhì)層內(nèi)膜厚度變薄、內(nèi)膜的精密結(jié)構(gòu)遭到破壞。進(jìn)一步對(duì)蠶絲結(jié)構(gòu)和性能分析，發(fā)現(xiàn)絲纖維表面出現(xiàn)缺陷，纖維二級(jí)結(jié)構(gòu)中β-折疊含量降低，力學(xué)性能顯著下降，纖維延展度和韌度下降尤為明顯（圖2）。

圖2：紡絲管道角質(zhì)層內(nèi)膜的幾丁質(zhì)片層結(jié)構(gòu)及干涉表皮蛋白對(duì)蠶絲力學(xué)性的影響

  本研究闡明了幾丁質(zhì)和表皮蛋白在角質(zhì)層內(nèi)膜精密結(jié)構(gòu)構(gòu)建和絲纖維化中的生理作用。幾丁質(zhì)和表皮蛋白相互作用共同搭建了紡絲管道角質(zhì)層內(nèi)膜的層板狀結(jié)構(gòu)，賦予紡絲管道剛?cè)岵?jì)的特質(zhì)，一方面可以在成絲過(guò)程中為蠶絲纖維化提供充足的剪切應(yīng)力，另一方面還可保護(hù)紡絲管道細(xì)胞免受剪切應(yīng)力的破壞。由于幾丁質(zhì)和表皮蛋白在泌絲動(dòng)物紡絲管道中所具有的保守性，本研究將進(jìn)一步揭示動(dòng)物絲纖維化的具體機(jī)制，可為動(dòng)物絲纖維的性能改造、新型高性能生物材料種質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)和利用提供新理論和靶標(biāo)。

  中心王鑫副教授，碩士畢業(yè)研究生謝曉倩為論文共同第一作者，趙萍教授為論文的通訊作者。課題組長(zhǎng)期致力于成絲機(jī)理及絲性能改良方面的研究，通過(guò)多組學(xué)和遺傳操作技術(shù)鑒定、研究和應(yīng)用成絲相關(guān)因子，獲得了多個(gè)蠶絲性能提升的新型家蠶品種素材，在國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表了系列研究論文。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、重慶市自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體科學(xué)基金的支持。