科學家利用基因組編輯家蠶大量表達蜘蛛絲

近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所譚安江研究組利用基因定點替換的方法在家蠶絲腺和蠶繭中大量表達蜘蛛絲蛋白。

蜘蛛絲是自然界中機械性能最好的天然蛋白纖維，其強度甚至高於用於製作防彈衣的凱夫拉縴維，在工業、醫療和國防中有廣泛應用前景。如何大量獲取蜘蛛絲纖維是一直以來難以解決的問題。一方面，由於蜘蛛的領地和捕食特性，無法通過大規模人工養殖獲取蜘蛛絲；另一方面，由於蜘蛛絲蛋白結構特殊（分子量大且序列重複性高），採用細菌、酵母、動植物等表達體系面臨著成本高昂，純化和制絲工藝複雜等一系列難以克服的問題。家蠶是唯一可以通過人工養殖大量獲取絲纖維的動物，由於蠶絲蛋白和蜘蛛絲蛋白在結構上有一定的相似性，因此利用家蠶遺傳改造大量獲取類蜘蛛絲纖維是一個可行性高的策略。近年來已有通過轉基因技術在家蠶中表達蜘蛛絲蛋白的報道，但由於轉基因技術本身的限制以及內源性蠶絲蛋白的表達干擾，蜘蛛絲蛋白的產量一直難以得到提高。

譚安江研究組致力於昆蟲轉基因和基因組編輯等遺傳調控技術的應用。家蠶絲蛋白的主要成分有絲素重鏈（FibH），絲素輕鏈（FibL），絲膠蛋白（Sericin）等，其中FibH的分子量達350kDa，約佔整個絲蛋白含量的70%以上，也是決定蠶絲纖維機械性能的主要因素。該研究利用基因組編輯工具TALEN完全敲除了FibH編碼區，同時保留了編碼區上下游完整的調控序列。在此基礎上定點整合了含有部分蜘蛛絲基因和熒游標記的DNA片段，實現了完全去除內源性絲蛋白FibH的表達（knock out）和利用FibH的內源性調控序列調控外源性蜘蛛絲基因的表達（knock in and gene replacement）。在轉化個體的絲腺和蠶繭中均可檢測到蜘蛛絲蛋白的表達，其含量在純和個體的繭層中可達35.2%，遠遠高於已報道的轉基因方法（0.3-3%）。因轉入的蜘蛛絲蛋白片段分子量較小（約70kDa），此次獲得的嵌合型蜘蛛絲與對照品種蠶絲相比，在強度上有所下降，但在延展性上有了顯著提高。本系統拓展了家蠶絲腺生物反應器的應用，為利用家蠶大量生產新型纖維材料及表達其他高附加值蛋白提供了新策略。

相關研究成果於8月6日以Mass spider silk production through targeted gene replacement in Bombyx mori為題，發表在《美國國家科學院院刊》上。植生生態所博士後許軍、復旦大學博士研究生董慶林為共同第一作者，譚安江為通訊作者。該研究得到了中科院重點部署項目、博士後創新人才支持計劃等資助。

利用基因組編輯家蠶大量表達蜘蛛絲

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