家蚕前部丝腺与新型蚕丝纤维开发的基础研究

The anterior silk gland (ASG) is an important silk production factory,where the silk fibroin can be transformed from α-form or random coil( silk I) into β-sheet (silk II)with the helps of metallic ions, H+ and shear force. It can provide new ways to explore the newly natural silk with high strength and good toughness with changing the environment of silk formation in ASG.We had identified cuticle proteins and ions transporting proteins which were responsible for silk formation in ASG by proteomics tools following the bioinformatics method in our initial works. In the present study, some classical ions transporting proteins such as Na/K-ATPase, SERCA will be stably,high efficiently and specially expressed in the anterior silk gland utilizing the mature transgenic teconology in our lab.Combining the transgenic teconology with injection of metallic salt solution into silk gland, we can regulate the ions condition in the anterior silk gland to produce the natural silk with high strength and good toughness.On the other hand, the functions of cuticle proteins and ions transporting proteins will be studied by RNA interference and gene knockout technology. Our research can not only provide strong biological evidence for the mechanism of the silk formation and conformational transition but also has a significant socical values on the textile,biomedical , biological health care and other fields.

家蚕前部丝腺是丝蛋白在金属离子、氢离子以及剪切力的作用下由无规则卷曲向β折叠结构转换的场所，在丝纤维形成过程中发挥了重要作用。通过改变前部丝腺的成丝环境为我们获得高强度和高韧性的天然新型蚕丝纤维提供了新的思路。本研究在利用蛋白质组学和生物信息学对前部丝腺全蛋白质组分鉴定和分析的基础上，筛选出与丝蛋白构象转变相关的重要蛋白如表皮蛋白，离子通道蛋白等；进一步利用本实验室成熟的转基因技术在家蚕前部丝腺过表达典型的离子通路蛋白（如钠钾泵，钙通道蛋白），并结合向丝腺中注射金属盐溶液的方法，对家蚕前部丝腺腔内的离子环境进行调控，从而获得强度和柔韧性都能提高的天然丝纤维；同时利用RNA干扰及基因敲除技术对表皮蛋白及离子通道蛋白在蚕丝蛋白构象转变中发挥的功能进行探究。本研究不仅对丝纤维形成及转变机制提供有力的生物学证据，同时为新型蚕丝纤维在纺织服装，生物医药和生物保健等领域的开发和利用带来重大的社会价值。

以家蚕前部丝腺为主的家蚕纺丝管道是蚕丝蛋白构象变化，由液态蛋白向固态纤维转变，并赋予蚕丝纤维良好性能的关键场所，因此家蚕纺丝管道的研究对揭示蚕丝纤维化机制及性能改良十分重要。本项目通过多种组学（转录组、蛋白质组和代谢组）联用的技术手段，鉴定了一批与蚕丝纤维化密切相关的关键基因、蛋白及代谢物，明确了家蚕纺丝管道的生理功能，即为丝蛋白纤维化提供适宜的金属离子强度、pH及剪切力。利用分子生物学等方法，部分基因、蛋白（如金属离子转运蛋白BmSERCA和Na/K-ATPase、氢离子转运蛋白V-ATPase、表皮蛋白BmASSCP1&2和Bm11721）功能得到解析。在此基础上，我们重点研究了金属离子在丝蛋白纤维化过程中的功能。采用注射的方式，我们发现不同的金属离子均可通过调控丝蛋白构象影响蚕丝纤维的力学性能，Ca2+可诱导丝蛋白产生更多的无规则卷曲和螺旋结构，从而使丝纤维延展性和韧性提高；K+、Cu2+和Fe3+能提高丝蛋白中的β折叠含量，并使丝纤维的强度增加。本结果揭示了丝纤维形成的具体过程，表明通过改变蚕丝纤维形成的离子环境可以调控蚕丝纤维的力学性能。本项目进一步鉴定了家蚕纺丝管道特异启动子BmCP231，并利用此启动子在家蚕的纺丝管道对离子转运蛋白基因（BmSERCA和BmNa/K-ATPase）进行超量表达，制备了稳定遗传的能生产新型高性能蚕丝纤维的转基因家蚕品系。分析转基因家蚕的茧丝，发现超量表达BmSERCA的转基因蚕丝β折叠和螺旋结构含量增加，相应的强度、延展性、韧性和刚度都显著增加，其中强度增加了21%，韧性增加了73%。本项目共发表论文25篇，其中SCI论文22篇，获得专利授权1项。以上结果为揭示丝纤维形成机制的研究增加了新的知识，同时通过对蚕丝蛋白成纤维环境的遗传操作赋予了蚕丝纤维新特质，为新型蚕丝的开发提供了新的视野。