Nov 11, 2023
분자 아틀라스는 삼중 구조를 드러낸다
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Nature Communications 14권, 기사 번호: 837(2023) 이 기사 인용
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거미 주요팽대부(Ma) 샘에서 천연 실크를 생산하는 과정은 드래그라인 실크에 탁월한 기계적 특성과 생체 모방 응용 가능성을 부여합니다. 그러나 이 과정에서 Ma선의 정확한 유전적 역할은 아직 알려져 있지 않습니다. 여기서 우리는 황금 구를 짜는 거미 Trichonephila clavata에 대한 고품질 게놈 어셈블리와 Ma 글랜드 3단 구조(꼬리, 주머니 및 덕트)를 정의하기 위한 다중학 접근 방식을 통해 드래그라인 실크 생산의 체계적인 분자 지도책을 수행했습니다. 우리는 미세한 실크 구성에 전념하는 단면화된 Ma 선에서 스피드로인, 유기산, 지질 및 키틴의 계층적 생합성을 발견했습니다. 스피드로인의 질서 있는 분비는 게놈 그룹에 분산된 스피드로인 유전자에 대한 후생적 및 ceRNA 시그니처의 시너지적 조절에 의해 달성되었습니다. 단세포 및 공간 RNA 프로파일링을 통해 Ma 선의 3단 구성을 결정하는 분할된 기능적 분할을 통해 10가지 세포 유형이 확인되었습니다. 수렴 분석과 유전자 조작을 통해 실크샘의 삼중 구조가 절지동물 전반에 걸쳐 유사하며 실크 형성과 불가분의 관계가 있음이 추가로 검증되었습니다. 종합적으로, 우리의 연구는 거미 드래그라인 실크 생성에 대한 지식을 크게 확장하고 궁극적으로 거미에서 영감을 얻은 섬유의 혁신에 도움이 되는 다차원 데이터를 제공합니다.
거미목(Order Araneae)은 5만 종 이상의 현존하는 종을 포함하는 풍부한 일반 절지동물 포식자입니다1,2. 모든 거미는 거미의 생존과 번식에 중요한 천연 고성능 단백질성 섬유인 실크를 생산합니다3,4. 실크 생산은 주로 높은 인장 강도 및 인성, 낮은 밀도, 자체 동력 회전 작동 및 생체 적합성을 포함하여 이러한 섬유의 뛰어난 특성으로 인해 특별한 경제적 관심을 끄는 매혹적인 거미의 두드러진 특성입니다. 수많은 연구자들이 거미줄과 같은 특성을 지닌 인공 물질의 생체 모방 생성을 위한 천연 스피드로인(거미줄의 주요 단백질) 생산 및 회전 과정을 모방하려고 노력해 왔습니다8,9,10,11; 그러나 거미줄 형성에 대한 우리의 현재 이해의 대부분은 거미줄의 본질에 대한 부분적인 그림만을 제공한 물리적, 물질적 연구를 기반으로 합니다12,13. 따라서, 천연 실크 생산 시스템과 관련된 분자 생물학적 메커니즘의 해명은 거미 실크14,15,16,17에 대한 심층적인 이해를 얻는 데 유용할 것입니다.
구형 거미에는 여러 개의 실크 생산 샘이 있지만 주요 팽창(Ma) 샘은 상대적으로 큰 크기와 특히 해당 제품인 드래그라인 실크의 인상적인 특성으로 인해 실크 생산 연구에서 모델 시스템으로 자주 사용됩니다. 따라서 드래그라인 실크에서 영감을 받은 섬유를 혁신하려는 대부분의 시도는 일반적으로 Ma 분비선11,12,19에서 생성된 실크 단백질 및 미세 환경과 관련이 있습니다. Ma 글랜드는 pH 값, 이온 농도 및 전단력의 구배를 특징으로 하는 꼬리, 주머니 및 덕트의 세 가지 거시적 세그먼트로 나눌 수 있습니다. 액체 실크 단백질은 꼬리와 주머니에 매우 높은 농도로 합성되어 저장되며 덕트를 통해 불용성 섬유로 변환됩니다.
이러한 맥락에서, 강도, 신장성 및 끈적거림을 포함하여 실크의 특정 물리적 특성을 달성하기 위해 재조합 주요 팽창 스파이드로인(MaSps)이 구축되었습니다25,26,27. 비스피드로인 단백질인 거미 실크 구성 요소(SpiCE)는 복합 실크 필름의 경우 인장 강도를 높이기 위해 활용되었습니다. 또한, 자연 이온 및 pH 조건을 밀접하게 시뮬레이션하도록 설계된 미세 유체 장치를 사용하면 자연 방사에서와 같이 섬유가 출구에서 직접 당겨진 다음 공기 중에 감겨질 수 있습니다. Ma 선의 세포 구조와 분자 기능뿐만 아니라 드래그라인 실크의 생체 구성 및 형성을 포함하여 드래그라인 실크 생산의 기본이 되는 세부 메커니즘이 고급 섬유 혁신의 기본이라는 것이 분명해지고 있습니다11,33.
2) were identified in the 2 kb regions upstream and downstream of genes, and 10,501,151 (Tail), 11,356,55 (Sac), and 9,778,368 (Duct) significant ATAC peaks (RPKM > 2) were identified at the whole-genome level. The Tail (mean RPKM: 1.78) and Sac (mean RPKM: 2.04) plots showed genes with more accessible chromatin than the Duct (mean RPKM: 1.59) plots (Fig. 3a). We then analyzed the genome-wide DNA methylation level in the Tail, Sac, and Duct. We found the highest levels of DNA methylation in the CG context (beta value: 0.12 in Tail, 0.13 in Sac, and 0.10 in Duct) and only a small amount in the CHH (beta value: 0.04 in Tail, 0.05 in Sac, and 0.03 in Duct) and CHG (beta value: 0.04 in Tail, 0.05 in Sac, and 0.04 in Duct) contexts (Fig. 3b). Overall, there was no significant difference in methylation levels among the Tail, Sac, and Duct. Taken together, our results suggest a potential regulatory role of CA rather than DNA methylation in the transcription of dragline silk genes./p> 10,000, and orange hollow circles represent the genes with an FPKM < 10,000, CA chromatin accessibility, Me methylation. Adobe Illustrator 2020 was used to create the image./p> 95%) or a corresponding sequence from at least one closely related species (E-value > 1e−5, identity > 50%)./p> 10% and Q < 20). Methylation levels were estimated by determining the corresponding beta values: beta = M/(M + U), where M and U represent methylated and unmethylated signal values, respectively. The BED file of methylation data was converted to BigWig format by using the "bedGraphToBigWig" command line and visualized in IGV75./p> 7.0) were used for further experiments. Then, the sections were placed on Visium Spatial slides, fixed with methanol, stained with hematoxylin and eosin, and observed by a BX53 microscope (Olympus, Japan). The polyadenylated mRNA was captured with the primers employed for spots. RT Master Mix reverse transcription reagent was subsequently added to permeate tissue sections, and second-strand cDNA synthesis was performed on the slide by adding the Second Strand Mix. The obtained cDNA was denatured from each capture zone and transferred to the corresponding tube for amplification, library construction, and sequencing on the Illumina NovaSeq600 platform./p> 3, Q < 5, and base ratio ≥ 20%) reads, the spaceranger v1.3.1 mkref and count programs were used for data preprocessing. Then, spot clustering was analyzed using the Seurat v4.0.695 package./p> 
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