2025年11月18日，国际权威学术期刊《Nature Communications》在线发表了西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心王翊/马三垣教授团队在蜘蛛丝演化机制研究中的突破性进展。该研究以《A newly evolved small secretory peptide enhances mechanical properties of spider silk》为题，通过系统演化基因组学方法，在棒络新妇蜘蛛（Trichonephila clavata）基因组中发现了大量在圆蛛总科（Araneoidea）祖先分化后新出现的基因，并揭示其中一个名为SpiCE-DS8的小分子分泌肽，能够显著提升丝的力学性能。该研究不仅为理解蜘蛛丝腺的功能演化提供了全新视角，也为人工合成高性能仿生纤维材料开辟了新路径。

“演化新兵”：新基因为何聚焦丝腺？

结网蜘蛛通过特化的多个丝腺分泌出多种性能各异的丝蛋白，从而织造精巧的捕食网，被视为一项重要的演化创新，媲美于鸟类的羽毛和昆虫的翅膀。在圆蛛总科蜘蛛中，这一特性尤为突出。研究团队通过利用公开发表的30余种蛛形纲动物基因组及1100多种蜘蛛的转录组进行大规模分析（图1a-b），构建了完整的系统演化层级（PS，phylogenetic strata），并鉴定出一批在圆蛛总科分化后新出现的“年轻基因”。令人惊讶的是，这些基因普遍结构简单、蛋白序列短，且表达具有高度的组织特异性（图1c-f），绝大多数新基因在蜘蛛的各类丝腺中活跃表达，并与古老的丝蛋白基因形成协同表达网络，共同调控丝腺的功能分化（图2a-c）。

图1 | 蜘蛛新基因的鉴定框架、分布模式与序列特征

a，将基因划分至不同系统发育层级的流程图。

b，棒络新妇蜘蛛的16个PS层级，涵盖从最古老细胞生物到近期物种特异性的基因。

c，各PS层级的基因数量分布。维恩图显示PS13-PS16的基因全部为未知功能基因。

d-f，箱线图展示基因从古老到年轻的演化趋势：外显子数量和蛋白序列长度递减，而组织表达特异性递增。

图2 | 古老基因与年轻基因的共表达网络
      a，16个PS层级基因表达的相关性热图，呈现模块化表达模式。
      b，丝腺表达基因与丝腺特异性表达基因在PS层级中的分布。
      c，与大壶状腺（Ma）、集合腺（Ag）、管状腺（Tu）和葡萄状/梨状腺（Py&Ac）显著相关的共表达模块。

关键角色：小肽SpiCE-DS8的“增强效应”

在众多新基因中，一个名为SpiCE-DS8的基因引起了研究人员的注意。该基因仅在络新妇亚科（Nephilinae）蜘蛛中存在（图3a），是一个典型的“孤儿基因”，编码一个具有信号肽的小分子肽。蛋白质组学分析显示，SpiCE-DS8不仅在大壶状腺的囊部和导管部表达，还直接被分泌到蜘蛛的牵引丝中。

图3 | SpiCE-DS8的起源演化与功能测试
      a，SpiCE-DS8基因起源于基因间区，特异于络新妇亚科蜘蛛。
      b，丝素与SpiCE-DS8混合溶液体外纺丝工艺示意图。
      c，丝纤维的应力-应变曲线。丝素为蚕茧中的丝素蛋白，SP2-KI为表达蜘蛛基因的蚕茧。

仿生验证：人工纺丝性能显著提升

进一步的机制研究表明，SpiCE-DS8能够与蜘蛛丝主要蛋白MaSp1b的N端结构域发生相互作用。为验证SpiCE-DS8的功能，研究团队开展了体外湿法纺丝实验（图3b）。他们在蚕丝蛋白和转基因表达蜘蛛丝蛋白的蚕丝溶液中，分别添加了合成的SpiCE-DS8肽段。结果显示，加入SpiCE-DS8后，所得纤维的β-折叠含量显著上升，力学性能也增强：其断裂伸长率提升超过80%，韧性模量近乎翻倍（图3c）。这表明该小肽能有效优化丝蛋白的聚集状态与纤维结构，从而大幅提升丝纤维的综合性能。

该研究从分子层面揭示了新基因在蜘蛛丝腺功能演化中的核心作用。在圆蛛总科蜘蛛辐射演化期间，大量新基因的出现及其在丝腺中的特异性表达，可能直接促进了丝蛋白成分的多样化与丝纤维性能的优化，从而帮助蜘蛛编织出更能适应不同生态环境、或捕获更强壮猎物的觅食网。

西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心博士生贾安强（已毕业）、博士生毛禹狄和硕士生杨田芳（已毕业）为本文共同第一作者，王翊教授和马三垣教授为论文共同通讯作者，博士生张国庆（已毕业）、硕士生王庆媛也参与了部分数据分析和实验。该研究还得到了该中心胡文波副教授、董照明副教授，生命科学学院张志升教授的指导与帮助，以及江苏科技大学生物技术学院蚕业研究所谭安江教授也对该研究提供了无私的帮助。该项目得到国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费和重庆市科技创新重点研发计划的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65026-1