蜘蛛俠靠著一束蜘蛛絲就能在摩天大樓之間飛檐走壁，不禁會(huì)問(wèn)，蜘蛛絲為什么會(huì)這么強(qiáng)？事實(shí)上，蜘蛛絲是一種典型的天然高性能結(jié)構(gòu)蛋白，其抗拉強(qiáng)度優(yōu)于鋼，同時(shí)具有高彈性，比芳綸纖維表現(xiàn)出更大的韌性。許多工作已經(jīng)報(bào)道了使用重組蛋白和人造纖維紡絲在基因優(yōu)化的生物體中生產(chǎn)人造蜘蛛絲，但要完全復(fù)制并與天然絲的機(jī)械性能相媲美仍然具有挑戰(zhàn)性。其中一個(gè)主要原因是之前的重組方法只使用了MaSp1（大壺腹蛛絲蛋白(major ampullate spidroin)）、MaSp2或者兩者的組合，而實(shí)際上蜘蛛絲是一種復(fù)雜的多組分材料，所含的物質(zhì)遠(yuǎn)多于MaSp1和MaSp2。

為了通過(guò)定量蛋白質(zhì)組學(xué)確定蜘蛛牽引絲的蛋白質(zhì)成分，對(duì)于正確全面地識(shí)別與檢測(cè)到的肽片段相對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)而言，高質(zhì)量的參考基因組和全長(zhǎng)編碼序列注釋至關(guān)重要。日本慶應(yīng)大學(xué)KazuharuArakawa教授課題組采用多組學(xué)方法定量鑒定了四種大木林蛛屬蜘蛛（絡(luò)新婦科（Nephilinae）亞科）的蜘蛛牽引絲蛋白成分和基因組：女郎蜘蛛、金絲蜘蛛、紅腿金球織蜘蛛和大木林蜘蛛。然后，除了蜘蛛蛋白之外，作者還發(fā)現(xiàn)了幾種共同的低分子量蛋白質(zhì)。有趣的是，蜘蛛牽引絲的低分子量蛋白質(zhì)成分使人造絲基材料的拉伸強(qiáng)度增加了一倍。這一發(fā)現(xiàn)將極大地推動(dòng)基于蛋白質(zhì)的材料的使用和研究。具體的研究結(jié)果以題為“Multicomponent nature underlies the extraordinary mechanical properties of spider dragline silk”發(fā)表在頂刊《PNAS》上。

【四種絡(luò)新婦科（Nephilinae）蜘蛛的基因組草案】

因?yàn)橹┲牖蚪M龐大而復(fù)雜，從頭測(cè)序具有挑戰(zhàn)性。作者從成年的母蜘蛛個(gè)體的解剖腿和頭胸部組織中提取基因組DNA，并使用短讀長(zhǎng)和長(zhǎng)讀長(zhǎng)序列技術(shù)進(jìn)行雜交測(cè)序。為了獲得功能基因集，作者刪除了表達(dá)水平小于0.1的基因和未注釋的基因，最后，分別獲得了18822、45304、16899和17127個(gè)功能蛋白編碼基因組，分別用于女郎蜘蛛、金絲蜘蛛、紅腿金球織蜘蛛和大木林蜘蛛（如表1所示）。

【四種Nephilinae蜘蛛中的蜘蛛綱目】

作者結(jié)合目前已有的測(cè)序方法，綜合比較以后，將用于基因組組裝的gDNA測(cè)序讀數(shù)與通過(guò)cDNA和直接RNA測(cè)序獲得的幾億讀數(shù)相結(jié)合，對(duì)四種Nephilinae蜘蛛的蜘蛛蛋白多樣性進(jìn)行編目。七個(gè)直系同源組（MaSp：大壺腹蛛絲、MiSp：小壺腹蛛絲、AcSp：腺泡狀蛛絲、Flag：鞭狀蛛絲、AgSp：聚合蛛絲、PySp：梨狀蛛絲、和CySp：圓柱形/管狀蛛絲）被稱為典型的蛛絲蛋白。作者從四個(gè)Nephilinae草圖基因組中獲得了所有七個(gè)組，包含2到3個(gè)家族或亞家族，其中五個(gè)是全長(zhǎng)的（MaSp、MiSp、AcSp、CySp和PySp）（詳見(jiàn)圖1）。有趣的是，蜘蛛綱目錄揭示了一組不同于MaSp家族1和2的主要壺腹蛛綱，它們?cè)贜ephilinae中形成了一個(gè)獨(dú)特的進(jìn)化枝。作者將其命名為MaSp3B。

圖 1. 四種 Nephilinae 蜘蛛中的蜘蛛素目錄（蜘蛛蛋白序列特征和結(jié)構(gòu)）

【蛛絲蛋白（Spidroin）和蜘蛛絲構(gòu)成要素（SpiCE）的表達(dá)譜】

使用全長(zhǎng)蜘蛛蛋白的這種高質(zhì)量參考，可以立即觀察到在強(qiáng)制卷取的女郎蜘蛛蜘蛛牽引絲中存在大量MaSp3B，作為十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠上高分子量部分中的一條明顯帶電泳（圖2A）。四個(gè)物種之間顯示出一致的組成（圖2B）。在蜘蛛綱中，僅檢測(cè)到MaSp家族成員；MaSp1、MaSp2和MaSp3占任何蜘蛛物種總量的約90%（圖2B）。絲腺的轉(zhuǎn)錄組分析證實(shí)了MaSp3B在大壺腹絲腺中的特異性表達(dá)，類似于MaSp1/2（圖2C）。這兩種組學(xué)分析也清楚地證明了非蜘蛛素的一致存在，這也通過(guò)LMW部分的SDS-PAGE得到證實(shí)（圖2A）。在四個(gè)Nephilinae物種中，這些基因始終表達(dá)為mRNA，其水平與大壺腹絲腺中的MaSp基因相當(dāng)，而在小壺腹絲腺中的水平較低（圖2C）。三種在絲（作為蛋白質(zhì)）和絲腺（作為mRNA）中高度表達(dá)的蛋白質(zhì)被注釋為Spices，作者將它們命名為SpiCE-NMa1、2和4（SpiCE Nephilinae Major Ampullate）。其中，SpiCE-NMa2和SpiCE-NMa4為半胱氨酸含量高的CRP型。蜘蛛牽引絲中最豐富的非蜘蛛蛋白是SpiCE-NMa1，含量約為1%（圖2B）。

圖 2. 蛛絲和絲腺中spidroin和SpiCE的表達(dá)譜

【SpiCE使人造絲基材料的拉伸強(qiáng)度加倍】

作者為了研究這些蛋白質(zhì)在Nephilinae蜘蛛牽引絲機(jī)械性能表達(dá)中的作用，首先制作了重組 MaSp家族蛋白質(zhì)的復(fù)合膜。即使由兩個(gè)或三個(gè)蜘蛛素制備復(fù)合薄膜，絲基薄膜的透明度也沒(méi)有急劇下降，這表明MaSps之間的異質(zhì)相互作用不會(huì)引起特定的聚集（圖3A）。MaSps 的復(fù)合膜顯示出相似的 β-折疊結(jié)構(gòu)（圖3B）。作者通過(guò)生產(chǎn)重組MaSp和SpiCE-NMa1的復(fù)合膜進(jìn)一步測(cè)試了SpiCE包含的影響，其豐度是其他SpiCE的5倍（圖2B）。使用5wt% SpiCE-NMa1與MaSp的薄膜透明度相比僅含有MaSp薄膜的透明度72.5增加到76.1，表明接近復(fù)合膜中蛋白質(zhì)的相互作用（圖4A）。拉伸測(cè)試表明，含有SpiCE-NMa1的MaSp薄膜的拉伸強(qiáng)度增加了兩倍（圖4）。含有2% SpiCE-NMa1的復(fù)合絲纖維顯示斷裂伸長(zhǎng)率增加以及拉伸強(qiáng)度降低（圖4C）。機(jī)械性能的這些變化表明，SpiCE-NMa1擾亂了絲分子的應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶并使無(wú)定形區(qū)域塑化。因此，人造絲中與無(wú)定形絲相互作用的一小部分（~2%）SpiCE-NMa1可能成為修飾和調(diào)整其機(jī)械性能的分子工具。

圖 3. 人造MaSp復(fù)合薄膜的物理特性

圖 4. 加入SpiCE蛋白的薄膜與絲的物理特性

【總結(jié)】

作者報(bào)告了一種多組學(xué)方法，結(jié)合了高質(zhì)量的基因組測(cè)序和組裝、絲腺轉(zhuǎn)錄組學(xué)以及四種Nephilinae蜘蛛的牽引絲蛋白質(zhì)組學(xué)。我們觀察到該亞家族特有的MaSp3B蜘蛛蛋白以及幾種非蜘蛛蛋白SpiCE蛋白的一致存在。人工合成和體外這些成分的組合表明，蜘蛛牽引絲的多組分性質(zhì)，包括MaSp3B和SpicE，以及MaSp1和MaSp2，對(duì)于實(shí)現(xiàn)蜘蛛牽引絲的機(jī)械性能至關(guān)重要。