蜘蛛牵引丝具有非凡的机械性能和巨大的仿生应用潜力，被誉为自然界中的“生物钢”，是一种由大壶状腺合成分泌的蛋白质类丝纤维，可广泛应用于生物医学、国防军工、高强度复合材料等领域。然而大壶状腺在牵引丝合成分泌过程中所发挥的生物学功能仍未可知。

      近日，西南大学夏庆友教授团队王翊教授课题组通过多维组学联用揭示了蜘蛛大壶状腺三阶合成牵引丝纤维的分子机制图谱。研究成果以“A molecular atlas reveals the tri-sectional spinning mechanism of spider dragline silk”为题在线发表在了国际著名学术期刊Nature Communications上。该团队长期致力于家蚕泌丝机理解析、蚕丝遗传改良、功能性蚕丝创制。该研究以蜘蛛丝为研究主体，拓展泌丝动物研究，以探索蚕丝性能改造的关键分子特征。

      在该研究中，作者率先构建出棒络新妇蜘蛛（Trichonephila clavata）染色体级高质量基因组，基因组大小为2.63GB，注释获得37607个蛋白质编码基因。随后，该研究鉴定了蜘蛛丝基因（spidroins）的全长序列，并发现大壶状腺丝蛋白基因（Major ampullate spidroins，MaSps）具有成两簇分布于染色体的重要特征。通过牵引丝蛋白质组与大壶状腺转录组联用、ATAC-seq、ceRNA网络分析进一步证明成簇分布的MaSps具有簇内一致、簇间差异的精细化表达和调控模式。

图1 棒络新妇蜘蛛基因组结构特征

      基于高质量的参考基因组，该研究全面鉴定了棒络新妇蜘蛛牵引丝的28个编码基因，包括9个MaSp，1个MiSp，1个GDH，1个Musin-19，1个Venom和15个SpiCE。与此同时，该研究新颖地将蜘蛛大壶状腺按结构特征细分为尾部（Tail）、囊腔（Sac）、导管（Duct)三段开展多组学分析，并将28种牵引丝蛋白逐一靶向这三段，从而获得牵引丝蛋白在大壶状丝腺中三阶合成的空间位置信息。有趣的是，研究还揭示了棒络新妇蜘蛛牵引丝中的金黄色物质为黄尿酸，在大壶状腺的三段中均有合成，牵引丝中的有机酸和脂类分别由大壶状腺的尾部和囊腔合成。

      该研究还首次完成了蜘蛛大壶状腺的单细胞图谱和空间转录组图谱绘制，定义了组成大壶状腺的10种细胞类型，结合空间分布数据进一步鉴定了尾部、囊腔、导管三段式结构在牵引丝合成过程中的特异性功能划分与关键标记基因。研究还通过拟时序分析发现大壶状腺的囊腔和导管是由尾部的细胞类群分化而来，继而揭示了丝腺发生与发育的分子机制。

      为了探索泌丝器官基础生物学功能的普适性，该研究将蜘蛛大壶状腺与模式泌丝动物家蚕的丝腺进行多维度组学比较分析，发现它们具有趋同进化的三段式丝腺组织结构、同源基因表达模式、丝纤维的蛋白质和代谢物组成。研究通过对家蚕的遗传操作验证了趋同特征对泌丝不可或缺，是动物丝纤维形成的基本要素。

      基于以上结果，该研究全面且多维度地揭示了蜘蛛牵引丝三阶合成的生物学机制。研究还开发了SpiderDB数据库（https://spider.bioinfotoolkits.net），用于在交互式用户界面展示金丝蜘蛛的多组学数据，以便感兴趣的科研工作者进行深入研究。该研究取得的结果及数据集为研究蜘蛛起源与进化、解析牵引丝性能决定因素、创制蜘蛛化蚕丝素材提供了关键理论基础。

图2 蜘蛛大壶状腺三阶合成牵引丝纤维的分子模式图

      西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心胡文波副教授与博士研究生贾安强为论文共同第一作者，王翊教授和夏庆友教授为通讯作者。西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心马三垣教授和生命科学学院张志升教授为项目完成做出了重要贡献。该项目得到了国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金青年项目、中央高校基本科研业务费专项资金资助等项目的资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36545-6。