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  近日，西南大學前沿交叉學科研究院生物學研究中心在國際學術期刊Acta Biomaterialia（中科院大區1區Top）在線發表 “Chitin and cuticle proteins form the cuticular layer in the spinning duct of silkworm（幾丁質和表皮蛋白共同構建家蠶紡絲管道角質層內膜）”的原創性研究論文，揭示了幾丁質和表皮蛋白在蠶絲纖維化過程中的生理功能，為動物成絲機理的研究提供了新的思路（圖1）。

圖1：幾丁質和表皮蛋白共同構建家蠶紡絲管道的角質層內膜

  幾丁質是由N-乙酰-D-氨基葡萄糖聚合形成的高分子化合物，在節肢動物中廣泛存在。幾丁質與其結合蛋白相互作用可為兩者形成的復合基質提供多樣化的機械性能，如堅硬的外表皮或柔軟的圍食膜，對節肢動物的生存、繁育、進化等方面具有重大意義。近期的研究發現，泌絲節肢動物如家蠶、蜘蛛、水下吐絲昆蟲石蠶等的紡絲管道中也存在幾丁質，但其具有何種生物學功能一直未被解析。

  基于此，團隊以家蠶為對象，首先研究了幾丁質和表皮蛋白在紡絲管道的表達模式和定位，發現兩者共定位于紡絲管道的角質層內膜中。親和層析驗證天然和重組的表皮蛋白均可高效結合幾丁質。超微結構分析發現角質層內膜是由幾丁質片層堆疊而成的層板狀結構，表皮蛋白充斥其間，與幾丁質相互作用有利于該結構的穩定（圖2）。

  為深入研究幾丁質和表皮蛋白的生理功能，課題組干涉表皮蛋白后發現紡絲管道長度變短、角質層內膜厚度變薄、內膜的精密結構遭到破壞。進一步對蠶絲結構和性能分析，發現絲纖維表面出現缺陷，纖維二級結構中β-折疊含量降低，力學性能顯著下降，纖維延展度和韌度下降尤為明顯（圖2）。

圖2：紡絲管道角質層內膜的幾丁質片層結構及干涉表皮蛋白對蠶絲力學性的影響

  本研究闡明了幾丁質和表皮蛋白在角質層內膜精密結構構建和絲纖維化中的生理作用。幾丁質和表皮蛋白相互作用共同搭建了紡絲管道角質層內膜的層板狀結構，賦予紡絲管道剛柔并濟的特質，一方面可以在成絲過程中為蠶絲纖維化提供充足的剪切應力，另一方面還可保護紡絲管道細胞免受剪切應力的破壞。由于幾丁質和表皮蛋白在泌絲動物紡絲管道中所具有的保守性，本研究將進一步揭示動物絲纖維化的具體機制，可為動物絲纖維的性能改造、新型高性能生物材料種質資源的開發和利用提供新理論和靶標。

  中心王鑫副教授，碩士畢業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。課題組長期致力于成絲機理及絲性能改良方面的研究，通過多組學和遺傳操作技術鑒定、研究和應用成絲相關因子，獲得了多個蠶絲性能提升的新型家蠶品種素材，在國際權威期刊發表了系列研究論文。本研究得到了國家自然科學基金項目、重慶市自然科學基金創新群體科學基金的支持。