近日，前沿交叉學(xué)科研究院生物學(xué)研究中心王翊/馬三垣教授團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》（Nature Communications）期刊在線(xiàn)發(fā)表題為《一種新進(jìn)化的增強(qiáng)蜘蛛絲機(jī)械性能的小分泌肽》（A newly evolved small secretory peptide enhances mechanical properties of spider silk）的研究論文，通過(guò)系統(tǒng)演化基因組學(xué)方法，在棒絡(luò)新婦蜘蛛（Trichonephila clavata）基因組中發(fā)現(xiàn)了大量在圓蛛總科（Araneoidea）祖先分化后新出現(xiàn)的基因，并揭示其中一個(gè)名為SpiCE-DS8的小分子分泌肽，能夠顯著提升絲的力學(xué)性能。該研究不僅為理解蜘蛛絲腺的功能演化提供了全新視角，也為人工合成高性能仿生纖維材料開(kāi)辟了新路徑。
結(jié)網(wǎng)蜘蛛通過(guò)特化的多個(gè)絲腺分泌出多種性能各異的絲蛋白，從而織造精巧的捕食網(wǎng)，被視為一項(xiàng)重要的演化創(chuàng)新，媲美于鳥(niǎo)類(lèi)的羽毛和昆蟲(chóng)的翅膀。在圓蛛總科蜘蛛中，這一特性尤為突出。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用公開(kāi)發(fā)表的30余種蛛形綱動(dòng)物基因組及1100多種蜘蛛的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行大規(guī)模分析，構(gòu)建了完整的系統(tǒng)演化層級(jí)（PS，phylogenetic strata），并鑒定出一批在圓蛛總科分化后新出現(xiàn)的“年輕基因”。令人驚訝的是，這些基因普遍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、蛋白序列短，且表達(dá)具有高度的組織特異性，絕大多數(shù)新基因在蜘蛛的各類(lèi)絲腺中活躍表達(dá)，并與古老的絲蛋白基因形成協(xié)同表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，共同調(diào)控絲腺的功能分化。
在眾多新基因中，一個(gè)名為SpiCE-DS8的基因引起了研究人員的注意。該基因僅在絡(luò)新婦亞科（Nephilinae）蜘蛛中存在，是一個(gè)典型的“孤兒基因”，編碼一個(gè)具有信號(hào)肽的小分子肽。蛋白質(zhì)組學(xué)分析顯示，SpiCE-DS8不僅在大壺狀腺的囊部和導(dǎo)管部表達(dá)，還直接被分泌到蜘蛛的牽引絲中。進(jìn)一步的機(jī)制研究表明，SpiCE-DS8能夠與蜘蛛絲主要蛋白MaSp1b的N端結(jié)構(gòu)域發(fā)生相互作用。為驗(yàn)證SpiCE-DS8的功能，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了體外濕法紡絲實(shí)驗(yàn)。他們?cè)谛Q絲蛋白和轉(zhuǎn)基因表達(dá)蜘蛛絲蛋白的蠶絲溶液中，分別添加了合成的SpiCE-DS8肽段。結(jié)果顯示，加入SpiCE-DS8后，所得纖維的β-折疊含量顯著上升，力學(xué)性能也增強(qiáng)：其斷裂伸長(zhǎng)率提升超過(guò)80%，韌性模量近乎翻倍。這表明，該小肽能有效優(yōu)化絲蛋白的聚集狀態(tài)與纖維結(jié)構(gòu)，從而大幅提升絲纖維的綜合性能。
該研究從分子層面揭示了新基因在蜘蛛絲腺功能演化中的核心作用。在圓蛛總科蜘蛛輻射演化期間，大量新基因的出現(xiàn)及其在絲腺中的特異性表達(dá)，可能直接促進(jìn)了絲蛋白成分的多樣化與絲纖維性能的優(yōu)化，從而幫助蜘蛛編織出更能適應(yīng)不同生態(tài)環(huán)境、或捕獲更強(qiáng)壯獵物的覓食網(wǎng)。
西南大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院生物學(xué)研究中心博士生賈安強(qiáng)（已畢業(yè)）、博士生毛禹狄和碩士生楊田芳（已畢業(yè)）為本文共同第一作者，王翊教授和馬三垣教授為論文共同通訊作者，博士生張國(guó)慶（已畢業(yè)）、碩士生王慶媛也參與了部分?jǐn)?shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)。該研究還得到了該中心胡文波副教授、董照明副教授，生命科學(xué)學(xué)院張志升教授的指導(dǎo)與幫助。江蘇科技大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院蠶業(yè)研究所譚安江教授也對(duì)該研究提供了幫助。項(xiàng)目得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)和重慶市科技創(chuàng)新重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65026-1
