扇贝足丝蛋白组成及黏附机理研究

Attachment is playing important role for the growth and propagation for marine organisms living in the unstable environment. In addition, the marine adhesive materials are extensively used in many areas, including medical area. Therefore, the research of marine adhesive materials becomes one of the topics for the efficient utilization for marine resource. Till now, extensive studies have been performed on the adhesion mechanism for several marine organisms, including mussels. However, the composition of scallop foot proteins and the underlying adhesive mechanism remain to be investigated. Based on what we already achieved, our group surprisingly found that protein compositions and adhesive mechanism may be different to the previous studied marine organisms, which deserved more efforts to investigate. Therefore, through the integration of genomics, proteomics, biophysical techniques, we are going to carry out deep investigation against the protein composition and adhesive mechanism for scallop byssal protein (Sbp). In the first step, we are planning to identify the protein composition, post-translational modifications and adhesive properties. Then full-length or functional domain genes for key components will be amplified, over-expressed and modified in vitro. Finally, the adhesive mechanism will be thoroughly investigated using the biophysical, biochemical techniques in combination with the site-directed mutagenesis. This study will deepen our current understanding of marine organisms adhesion, in addition, this study also provides an important adhesive protein resource for future development of novel bio-adhesive materials for clinical and other purposes.

黏附对生活在多变海洋环境中的海洋生物的生长和繁殖具有重要意义。同时，黏附蛋白材料在医药等领域具有广阔应用前景，是海洋生物资源高效开发利用的重要内容。目前，国内外已开展了对贻贝等海洋生物黏附蛋白的研究，但未见关于扇贝足丝黏附蛋白的研究报道。我们前期研究提示扇贝足丝黏附蛋白与其它已报道的海洋生物黏附蛋白组成和黏附机理可能不同，值得深入研究开发。因此，本项目在前期研究基础上，整合基因组学、蛋白质组学、生物物理学技术对扇贝足丝蛋白（Scallop byssal protein, Sbp）组成和黏附机理进行深入研究。首先开展组分鉴定、修饰性氨基酸确认和粘性分析；然后克隆关键黏附蛋白基因，进行重组表达和修饰。最后利用生物物理学技术，结合定点突变来研究其黏附机理。该研究一方面会加深对海洋生物黏附这一重要生理生化过程机理的认识，也为新型生物黏附材料开发提供重要资源。

医用粘合剂封堵伤口具有操作简单、密封性好、减少患者痛苦、无需拆除等优势，但目前商品化的组织粘合剂在湿环境中低粘合强度限制了其应用。因此，开发湿粘附的粘合剂生物材料的重要研究方向，同时，开发海洋资源也是当前我们国家重要的战略目标。扇贝足丝具有良好的粘附性能以及防水性能，可以作为一种新型的粘附材料进行开发应用。在该项目基金的支持下，围绕湿粘附这一主题，申请人以扇贝足丝为研究对象，主要开展了三方面的工作：1）首次完成了足转录组测序工作，并鉴定到75个足特异表达的基因。2）通过转录组-蛋白质组学技术，鉴定足丝不同部位的蛋白组成，其中根部鉴定到22条蛋白序列，足丝鉴定到7个独特的足丝蛋白，粘附盘鉴定到25条蛋白序列。与贻贝足丝蛋白相比，蛋白同源性低，表明栉孔扇贝足丝可能具有独特的组装形式。3）对足丝根部蛋白Sbp9、足丝蛋白Sbp5-2、足丝远端蛋白Sbp8-1的性质进行研究。Sbp9主要存在于足丝根部，结合Ca2+自组装是pH依赖的，自组装与CBD、EGFL重复次数及N-末端具有保守的PCGGPC序列有关；Sbp9的自组装是pH依赖的，在pH 8.5环境中结合Ca2+后自组装，Ca2+是组装的诱导剂。Sbp9维持足丝根部纤维结构的完整性。Sbp5-2具有pH依赖的结合Ca2+自组装的性质，在模拟海水条件下，Sbp5-2可以组装成宏观的膜状结构，膜结构存在均匀且致密的空隙；通过外力作用，Sbp5-2膜可以拉成原纤维，拉成的原纤维是由平行的紧密排列的微纤维组成。Sbp5-2的Cys残基、CTD（C末端结构域）以及串联的模块数是决定Sbp5-2的的组装的关键。Sbp8-1注释为基质金属蛋白酶抑制剂（TIMP），序列比对显示其可能是一种非典型的TIMP；Sbp8-1主要分布于足丝纤维及粘附盘中，明胶酶谱显示Sbp8-1无明显的胶原酶抑制活性，Sbp8-1的C-末端存在2个额外的Cys残基，参与了Sbp8-1的聚合，在扇贝中可能作为交联剂。迄今部分研究成果已发表研究论文4篇，另外2篇正在投稿中，后续相关的研究正在开展中。