【摘要】:動(dòng)物絲纖維是一種蛋白質(zhì)類的生物多聚材料,由于它具有出色的生物學(xué)活性,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在動(dòng)物界眾多的絲纖維中,蠶絲和蜘蛛絲是迄今為止最引人注目和研究得最透徹的兩種絲纖維。其中,絲蛋白基因結(jié)構(gòu),絲蛋白的合成、組裝、分泌、運(yùn)輸,絲腺的生長發(fā)育以及絲蛋白生物材料的應(yīng)用,是絲纖維基礎(chǔ)研究的熱題,卻也包含著眾多的未知。本研究選取與家蠶絲蛋白合成相關(guān)的裸蛹(Naked Pupa,Nd)突變體作為研究對(duì)象,旨在闡明其突變機(jī)理,以豐富對(duì)絲蛋白合成分泌的認(rèn)識(shí)。Nd突變由單基因控制,呈顯性遺傳,遺傳連鎖將其定位于第25號(hào)染色體0.0 cM位點(diǎn),為家蠶第25號(hào)染色體經(jīng)典的遺傳標(biāo)記。早期的研究報(bào)道Nd突變體的突變表型為后部絲腺退化,繭層僅含絲膠,極薄,多數(shù)不能成繭。本研究通過表型觀察、基因鑒定、通路解析和功能驗(yàn)證全面地解析了Nd突變的突變機(jī)理。主要研究結(jié)果如下:1.Nd突變體的絲素蛋白分泌能力缺陷影響泌絲行為泌絲行為調(diào)查發(fā)現(xiàn),Nd突變體從蟻蠶孵化起便沒有絲纖維分泌,直至上蔟才能分泌出少量絲膠,形成的絲膠繭薄且易破,不能抽出絲來。解剖觀察五齡第3天的Nd突變體絲腺與大造對(duì)比發(fā)現(xiàn),Nd突變體后部絲腺嚴(yán)重退化,中部絲腺發(fā)育正常。暗示絲素蛋白分泌能力受阻而絲膠蛋白分泌能力完好。繭絲溶解分析發(fā)現(xiàn),Nd突變體繭絲能夠完全溶解于尿素溶液(常用于絲膠提取),而大造繭絲中有大量不溶絲狀物,暗示Nd突變體繭絲中主要成分為絲膠。以上結(jié)果表明Nd突變體絲素蛋白分泌能力從始至終存在缺陷,其后部絲腺發(fā)育受到影響。通過將上蔟期的Nd突變體幼蟲置于不同的上蔟環(huán)境中(普通的塑料網(wǎng)格蔟和優(yōu)異的紙板方格蔟),發(fā)現(xiàn)上蔟環(huán)境對(duì)Nd突變體突變表型的穩(wěn)定十分重要,在大小合適的紙板方格蔟中,所有的Nd突變體均能結(jié)出絲膠繭,沒有裸蛹表型出現(xiàn)。即優(yōu)異的上蔟環(huán)境為Nd突變體的“絲膠繭”表型穩(wěn)定的必要條件。2.Nd突變體FibH R08-10區(qū)域突變導(dǎo)致形成C端缺失的FibH基于單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)的連鎖定位分析,將突變基因鎖定在第25號(hào)染色體nscaf2823上537 kb的區(qū)域內(nèi),該區(qū)域含有13個(gè)候選基因。表達(dá)模式分析發(fā)現(xiàn)僅編號(hào)為BGIBMGA005111的基因呈現(xiàn)出差異表達(dá)模式,即該基因在Nd突變體后部絲腺中的表達(dá)量顯著低于在大造后部絲腺中的表達(dá)量,并注釋為絲素重鏈基因(fibroin heavy chain,FibH)。由此推測FibH為引起Nd突變的候選基因。測序分析發(fā)現(xiàn)Nd突變體FibH編碼區(qū)的NTD與CTD序列沒有變化,而NTD與CTD之間長達(dá)15 kb的編碼區(qū)由于富含GC且高度重復(fù)難以擴(kuò)增測序,因此我們在蛋白質(zhì)水平檢測了突變的發(fā)生。FibH由家蠶后部絲腺特異性合成,通過對(duì)后部絲腺蛋白質(zhì)提取物進(jìn)行LC-MS檢測,發(fā)現(xiàn)在Nd突變體中僅能檢測到FibH NTD肽段,檢測不到CTD肽段,在大造中則均能檢測到。表明Nd突變體CTD部分發(fā)生缺失或移碼突變。為了進(jìn)一步驗(yàn)證檢測結(jié)果,我們針對(duì)FibH設(shè)計(jì)并制備了對(duì)應(yīng)不同區(qū)段(N端:NTD,非結(jié)晶區(qū)01:A01,非結(jié)晶區(qū)02-10:A02-10,C端:CTD)的抗體。免疫熒光結(jié)果顯示在Nd突變體中,FibH的熒光信號(hào)大部分在后部絲腺細(xì)胞中,僅有微弱部分在絲腺腔中(絲素蛋白殘留),表明FibH分泌受阻。與大造對(duì)比發(fā)現(xiàn),在Nd突變體后部絲腺細(xì)胞中FibH NTD、FibH A01均能檢測到較強(qiáng)的信號(hào),FibH A02-10信號(hào)強(qiáng)度驟減,FibH CTD完全無信號(hào)。根據(jù)以上結(jié)果,推測Nd突變體的FibH在A02-10區(qū)域發(fā)生突變,導(dǎo)致抗體結(jié)合靶位點(diǎn)減少,引起熒光強(qiáng)度驟減。Western blot分析發(fā)現(xiàn)Nd突變體FibH編碼一個(gè)分子量比正常小的突變FibH(小于390 kDa,大于240 kDa),且能形成聚體。FibH序列分析發(fā)現(xiàn),僅有A07之后的序列突變才能編碼出分子量大于240 kDa的突變FibH。綜上所述,Nd突變體中FibH A07-A10之間的區(qū)域(重復(fù)區(qū)R08-R10)發(fā)生突變,導(dǎo)致編碼出C端缺失的截短FibH。3.分泌受阻的突變FibH使絲腺細(xì)胞持續(xù)處于壓力應(yīng)激環(huán)境導(dǎo)致絲腺退化為了闡明C端缺失的FibH與絲腺退化之間的關(guān)系,首先使用透射電鏡對(duì)Nd突變體和大造后部絲腺亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比觀察。結(jié)果顯示Nd突變體后部絲腺細(xì)胞蛋白質(zhì)囊泡運(yùn)輸及分泌系統(tǒng)受阻,細(xì)胞質(zhì)中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴(kuò)張、高爾基體萎縮、有大量自噬體分布,后部絲腺腔中僅有一些絲素蛋白殘留。Western blot檢測發(fā)現(xiàn)Nd突變體后部絲腺腔中的絲素蛋白殘留不能被向前運(yùn)輸?shù)街胁拷z腺。結(jié)果表明CTD對(duì)FibH有效分泌至關(guān)重要。FibH為組成蠶絲的主要成分,是一個(gè)大分子結(jié)構(gòu)蛋白,不參與具體的信號(hào)傳導(dǎo)途徑或分子通路。因此我們通過RNA-seq檢測結(jié)構(gòu)蛋白的突變引起的細(xì)胞通路變化。差異表達(dá)基因檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)1,245個(gè)基因在Nd突變體后部絲腺中顯著上調(diào)表達(dá),924個(gè)基因在Nd突變體后部絲腺中顯著下調(diào)表達(dá)。差異基因KEGG通路富集分析將Nd突變涉及的分子通路富集到神經(jīng)退行性疾病(亨廷頓病、阿爾茲海默病和帕金森病)分子通路和細(xì)胞在應(yīng)激條件下啟動(dòng)的細(xì)胞質(zhì)量控制系統(tǒng)通路。這兩類通路的共同點(diǎn)為:均可因錯(cuò)誤折疊/組裝的蛋白質(zhì)在胞內(nèi)發(fā)生聚集,導(dǎo)致分泌障礙。在Nd突變體中,C端缺失的FibH即為單個(gè)重復(fù)單元形成的大分子聚體蛋白,且分泌受阻。因此暗示Nd突變體后部絲腺細(xì)胞中C端缺失的FibH是激活這些分子通路的原因。器官退行性變化的特點(diǎn)是隨著時(shí)間推移愈發(fā)嚴(yán)重。我們檢測了Nd突變體整個(gè)幼蟲期絲腺的發(fā)育變化,并對(duì)RNA-seq鑒定到的細(xì)胞自噬、泛素蛋白酶系統(tǒng)和熱激反應(yīng)通路中的差異基因ATG8/LC3、E3和HSP19.9進(jìn)行檢測。絲腺發(fā)育變化調(diào)查結(jié)果表明,Nd突變體后部絲腺細(xì)胞數(shù)與大造無差異,但隨著幼蟲生長,后部絲腺退化程度越來越嚴(yán)重,細(xì)胞核分枝狀發(fā)育越來越不足,以至于五齡末期后部絲腺細(xì)胞核內(nèi)總DNA含量僅為大造的3分之1。值得注意的是這些變化均是從四齡第1天開始以后迅速出現(xiàn)。熒光定量分析發(fā)現(xiàn),四齡第1天是FibH高量表達(dá)的時(shí)期,意味著在Nd突變體中C端缺失的FibH在細(xì)胞中的量增多,ATG8/LC3、E3和HSP19.9的檢測結(jié)果顯示它們在Nd突變體中顯著上調(diào)表達(dá)。推測C端缺失FibH的大量出現(xiàn)激活了細(xì)胞自噬、泛素蛋白酶系統(tǒng)和熱激反應(yīng)等通路,隨著幼蟲的生長,Nd突變體后部絲腺細(xì)胞發(fā)育越來越受阻,退化表型也越來越明顯。4.CRISPR/dCas9系統(tǒng)與遺傳雜交分析驗(yàn)證突變機(jī)理利用CRISPR/dCas9轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng),我們在細(xì)胞水平驗(yàn)證了FibH分泌障礙激活RNA-seq富集到的細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)通路。基于家蠶胚胎細(xì)胞(BmE)不表達(dá)FibH,且不具備FibH分泌條件,首先在FibH啟動(dòng)子區(qū)域設(shè)計(jì)3條靶位點(diǎn)sgRNA,再將它們與沒有切割活性而融合激活因子的Cas9蛋白(dCas9-VPR)共轉(zhuǎn)BmE細(xì)胞,熒光定量檢測發(fā)現(xiàn)sgRNA-T1與dCas9-VPR以9:1的比例共轉(zhuǎn),且在轉(zhuǎn)染后第60h達(dá)到內(nèi)源FibH被激活表達(dá)的最大值。檢測60 h時(shí)間點(diǎn)ATG8/LC3、E3和HSP19.9的表達(dá)水平發(fā)現(xiàn)這3個(gè)基因在FibH激活的細(xì)胞中顯著上調(diào)表達(dá)。溶酶體標(biāo)記探針(Lyso-Tracker)與細(xì)胞自噬標(biāo)記探針(monodansylcadaverine,MDC)染色發(fā)現(xiàn)在FibH激活的細(xì)胞中陽性染色細(xì)胞數(shù)顯著高于對(duì)照。以上結(jié)果表明具有分泌障礙的FibH能夠激活了細(xì)胞自噬、泛素蛋白酶系統(tǒng)和熱激反應(yīng)等細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)通路。Nd突變體為后部絲腺退化的顯性“絲膠繭”突變體(FibH突變),Nd-s突變體為后部絲腺退化的半顯性“絲膠繭”突變體(FibL突變),fibH-k突變體為后部絲腺正常的隱性“絲膠繭”突變體(FibH突變)。正確的絲素小體結(jié)構(gòu)是FibH高效分泌的必要條件,以上3類突變均由絲素小體結(jié)構(gòu)異常導(dǎo)致。Nd突變與Nd-s突變形成具有分泌障礙的大分子高重復(fù)FibH,導(dǎo)致絲腺退化;fibH-k突變形成僅含部分NTD的小分子FibH,分泌系統(tǒng)與絲腺發(fā)育正常。熒光定量檢測發(fā)現(xiàn),以上3種突變體FibH表達(dá)水平顯著低于大造,但只有在后部絲腺退化的Nd突變體與Nd-s突變體中檢測到ATG8/LC3、E3和HSP19.9的顯著上調(diào)表達(dá)。暗示絲腺退化的發(fā)生與細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)通路的激活有關(guān)。將上述3種突變體與正常大造雜交,發(fā)現(xiàn)Nd/+雜合體后部絲腺退化,fibH-k/+雜合體后部絲腺恢復(fù)到同大造一樣,Nd-s/+雜合體后部絲腺介于二者之間。基因表達(dá)檢測發(fā)現(xiàn)ATG8/LC3、E3和HSP19.9在后部絲腺退化的Nd/+雜合體后部絲腺中均上調(diào)表達(dá),在表型有所恢復(fù)的Nd-s/+雜合體后部絲腺中僅E3和HSP19.9上調(diào)表達(dá)。研究結(jié)果顯示后部絲腺細(xì)胞中應(yīng)激反應(yīng)越劇烈,絲腺退化越嚴(yán)重。5.Nd突變體顯性產(chǎn)生不含絲素蛋白的絲膠繭對(duì)純合的Nd突變體、Nd-s突變體和fibH-k突變體及其雜合后代的繭絲進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)純合突變體的繭均很薄且易破,能在尿素溶液中完全溶解。而在雜合后代中,僅Nd/+雜合體的繭能完全溶解,表明Nd突變體具有顯性產(chǎn)生絲膠繭的能力。Nd-s/+雜合體產(chǎn)生的繭中含有正常繭一半量的絲素成分。fibH-k/+雜合體產(chǎn)生的繭中絲素的量與正常繭無差異。Western blot分析發(fā)現(xiàn)Nd突變體和Nd-s突變體的繭中不含任何絲素蛋白組分(FibH、Fib L和P25),fibH-k突變體的繭中雖然不含F(xiàn)ibH,卻含有FibL與P25。在雜合后代中,僅Nd/+雜合體的繭中不含任何絲素蛋白組分。以上結(jié)果表明僅Nd突變體及其雜交后代能產(chǎn)生不含任何絲素蛋白組分的絲膠繭。利用Nd突變體產(chǎn)生的絲膠繭,比較3種提取方法對(duì)絲膠完整度的影響,發(fā)現(xiàn)LiSCN提取法可以獲得結(jié)構(gòu)完整的絲膠蛋白,尿素提取法使最大分子量絲膠發(fā)生降解,H_2O提取法是所有絲膠條帶均發(fā)生降解。凝膠制備實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅LiSCN法提取的絲膠蛋白可以通過構(gòu)象改變而非化學(xué)/物理交聯(lián)形成有彈性的凝膠。結(jié)果表明利用絲膠繭以及LiSCN提取法可以獲得結(jié)構(gòu)完整的絲膠蛋白。利用Nd突變體顯性產(chǎn)生絲膠繭的能力,能通過將其與不同繭質(zhì)的生產(chǎn)用種或絲膠啟動(dòng)子表達(dá)外源蛋白的轉(zhuǎn)基因品種雜交,獲得結(jié)構(gòu)功能多樣絲膠繭,便于對(duì)絲膠的研究和拓展絲膠材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】:西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2018
【分類號(hào)】:Q78
【圖文】:
西南大學(xué)博士學(xué)位論文纖維。將絲纖維有規(guī)律地交織、搭建起來稱之為紡絲。在所有泌絲昆蟲目中,僅紡足目、膜翅目和鱗翅目昆蟲具有紡絲能力。這些昆蟲的絲蛋白具備的無規(guī)卷曲螺旋或β折疊結(jié)構(gòu)能使其易于分泌、沉積或噴射。這些結(jié)果表明,原始的昆蟲和化衍生出的新昆蟲之間,除了在絲蛋白氨基酸序列上的差異外,紡絲行為的差異是泌絲昆蟲進(jìn)化的重要體現(xiàn)[2]。

Antheraeayamamai)、蓖麻蠶(Philosamiacynthiaricini)、塔色蠶(Ana)和琥珀蠶(Antheraea assama)等,它們體內(nèi)的絲腺非常發(fā)達(dá),泌絲昆蟲強(qiáng)。蠶絲是目前已知利用最早、產(chǎn)量最大的蛋白質(zhì)類高分子材料類研究得最為深入的纖維蛋白之 ,在經(jīng)濟(jì)上具有極高的價(jià)值[19]。蜘蛛絲泌絲昆蟲不同的是,蜘蛛雖然也屬節(jié)肢動(dòng)物門,但它卻是chnoidea)蜘蛛目(Araneae)所有種屬的統(tǒng)稱,與蝎子、蜈蚣是近親地生態(tài)系統(tǒng)中最豐富的捕食性天敵,在維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定中起到作用。相比于蠶絲的廣泛應(yīng)用,蜘蛛雖然早在 4 億年前就生存在地球絲的研究和利用卻不如蠶絲那樣歷史悠久。目前世界上大約有 4 萬從生活習(xí)性上,可以將蜘蛛大致分為結(jié)網(wǎng)蜘蛛(Orb-weaverspider)、untingorwanderingspiders)和洞穴蜘蛛(Cavespiders)三類,所有的,其中結(jié)網(wǎng)蜘蛛占整個(gè)種類的 50%左右。在眾多奇形怪狀的蜘蛛網(wǎng)中00 種蜘蛛能夠織成形狀相對(duì)對(duì)稱且功能齊全的平面圓形蜘蛛網(wǎng)(orb-

西南大學(xué)博士學(xué)位論文小完全不同,但他們的功能基本類似(圖 1.3)。其中,大囊狀腺(Majorampullategland)為蜘蛛的主要絲腺,產(chǎn)生能懸吊蜘蛛的牽引絲、蜘蛛網(wǎng)框架絲和放射狀絲;小囊狀腺(Minorampullategland)為蜘蛛的次要絲腺,產(chǎn)生牽引絲的附著絲、增強(qiáng)絲或蜘蛛網(wǎng)起始旋節(jié);鞭毛狀腺(Flagelliform gland)產(chǎn)生螺旋狀捕獲絲的核心纖維;聚集狀腺(Aggregategland)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)狀捕獲絲的粘附絲蛋白,是以糖蛋白為主的黏液,有很強(qiáng)的黏結(jié)作用;管狀腺(Cylindricalgland)產(chǎn)生蜘蛛卵袋外層絲,用于保護(hù)蜘蛛卵;葡萄串狀腺(Aciniform gland)產(chǎn)生包裹獵物的絲及卵袋內(nèi)層的絲纖維;梨狀腺(Pyriform gland)產(chǎn)生黏附和連接纖維,也可以用于捆綁獵物[22,23]。
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2802300