2018年8月6日，國際學(xué)術(shù)期刊PNAS在線發(fā)表了中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所譚安江研究員課題組題為“Mass spider silk production through targeted gene replacement in Bombyx mori”的研究論文，該論文報道了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，其強度甚至高于用于制作防彈衣的凱夫拉纖維，在工業(yè)、醫(yī)療和國防上都有著廣泛的應(yīng)用前景。但是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，由于蜘蛛的領(lǐng)地和捕食特性，無法通過大規(guī)模人工養(yǎng)殖獲取蜘蛛絲；另一方面，由于蜘蛛絲蛋白結(jié)構(gòu)特殊（分子量大且序列重復(fù)性高），采用細(xì)菌、酵母、動植物等表達體系面臨著成本高昂，純化和制絲工藝復(fù)雜等一系列難以克服的問題。家蠶是唯一可以通過人工養(yǎng)殖大量獲取絲纖維的動物，由于蠶絲蛋白和蜘蛛絲蛋白在結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)基因技術(shù)在家蠶中表達蜘蛛絲蛋白的報道，但由于轉(zhuǎn)基因技術(shù)本身的限制以及內(nèi)源性蠶絲蛋白的表達干擾，蜘蛛絲蛋白的產(chǎn)量一直難以得到提高。
譚安江研究員課題組一直致力于昆蟲轉(zhuǎn)基因和基因組編輯等遺傳調(diào)控技術(shù)的應(yīng)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，約占整個絲蛋白含量的70%以上，也是決定蠶絲纖維機械性能的主要因素。在本項研究中，作者利用基因組編輯工具TALEN 完全敲除了FibH編碼區(qū)，同時保留了編碼區(qū)上下游完整的調(diào)控序列。在此基礎(chǔ)上定點整合了含有部分蜘蛛絲基因和熒光標(biāo)記的DNA片段，實現(xiàn)了：1.完全去除內(nèi)源性絲蛋白FibH的表達（knock out）；2.利用FibH的內(nèi)源性調(diào)控序列來調(diào)控外源性蜘蛛絲基因的表達（knock in and gene replacement）。在轉(zhuǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于已報道的轉(zhuǎn)基因方法（0.3-3%）。因轉(zhuǎn)入的蜘蛛絲蛋白片段分子量較。s70kDa），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(tǒng)拓展了家蠶絲腺生物反應(yīng)器的應(yīng)用，為利用家蠶大量生產(chǎn)新型纖維材料及表達其它高附加值蛋白提供了新的策略。
中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所博士后許軍和復(fù)旦大學(xué)博士生董慶林為共同第一作者，譚安江研究員為通訊作者。研究工作得到了中科院重點部署和博士后創(chuàng)新人才支持計劃等項目的資助。
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