通讯生物学文章 https://doi.org/10.1038/s42003-024-06474-1 《分子组织成纤蛋白重链及家蚕纤维形成机制》

本文由Rafael O. Moreno-Tortolero1,2, Yijie Luo1,3, Fabio Parmeggiani1,3,4, Nick Skær5, Robert Walker5, Louise C. Serpell6, Chris Holland7和Sean A. Davis1撰写，发表于《Communications Biology》。此研究主要集中在家蚕（Bombyx mori）丝蛋白的转化过程，从液态到固态，这是纺织与丝绸独特性能的基础。

研究背景

在昆虫中，丝蛋白以液态凝胶的形式储存，需要经过纺织触发转化成高度稳定的固态纤维。这一转化始于蚕的丝腺中，这是一个专门的器官，通过控制PH值和金属离子浓度来调节。在分子水平上，目前对于这一转化过程中涉及的细节仍不清楚。研究指出，PH和流动应力/应变会影响蛋白组装和结构变构，但对液态丝（称为丝-I）的分子结构仍存在争论。

在家蚕中，丝蛋白由三种不同蛋白合成：成纤蛋白重链（FibH）、成纤蛋白轻链（FibL）和糖蛋白纱线六聚体（P25）。FibH和FibL组成的异二聚体通过位于FibH的C-末端的单一二硫键稳定，且与P25的相互作用是非共价的。普通认为，仅FibH对于纤维形成是必需的，而FibL和P25在分泌过程中起辅助作用。

研究方法与流程

本文通过结合光谱和建模技术，提出液态丝-I丝蛋白重链（FibH）采用了一种新报告的β-螺旋结构。通过流变学，我们建议FibH的N-末端区（NTD）在PH值减少时模板可逆的高阶寡聚。整体方法有助于深入理解FibH结构，并提供跨尺度的空间和时间层次自组装的见解。

研究采用的主要方法包括：利用光纤X射线衍射（XRD）、电子显微镜（EM）和核磁共振（NMR）等技术研究FibH分子的结构以及在不同PH值下的流变特性；应用AlphaFold2软件预测FibH的重复结构域潜在β-螺旋构象；探讨其流变行为表明了刚性分子网络在高PH值下分解，增加了液态性质的证据。

研究结果

研究发现，FibH的NTD在PH下降时出现可逆寡聚，并在这一过程中表现出化学位移不变的特点。光谱数据结合XRD模式和液晶相的观察，揭示了丝I的β-螺旋结构。此外，NTD负责自上而下的超分子构建，所观察的流变现象与端部交错的寡聚体有关。

研究意义

此研究揭示了较为复杂的丝I流变行为，并帮助解释了丝腺中的光学纹理。研究强调了天然及类天然丝的独特性，提供了一种对丝纤维生产和应用的全新理解视角。新发现贡献于理解其它类似蛋白质的重链构象，并在丝纤维的分子工程和生物材料设计上具有潜在应用价值。

综上所述，本文为理解家蚕丝蛋白的分子结构及转化机制提供了重要见解，对生物材料的设计提供了重要参考。