單核和空間轉錄組學揭示家蠶終幼蟲期分泌絲器官的結構
期刊：Cell Reports
影響因子：7.383
伯豪試劑產品：伯優®細胞核分離試劑盒
研究背景
天然蠶絲因其卓越的機械性能、生物相容性和生物降解性，在生物醫學、組織工程和食品工業等領域具有廣泛應用前景。然而，大部分絲分泌物種無法在人工飼養條件下大規模生產蠶絲蛋白。蠶絲腺分為前、中、后三部分，各自具有不同的功能。盡管已有研究揭示了蠶絲腺的一些特性，但對絲腺細胞的異質性和高分辨率的分子特征仍缺乏深入了解，這限制了人們對高效蠶絲蛋白合成機制的理解。因此，需要進一步探索絲腺細胞在幼蟲末期階段如何高效合成蠶絲蛋白的分子機制。
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研究目的
本研究希望通過單核RNA測序（snRNA-seq）和空間轉錄組學（ST）技術，系統地繪制蠶絲腺的細胞類型和空間組成圖譜，以期為高效蠶絲蛋白合成機制提供更深入的理解和參考。
研究結果
1. 幼蟲末期蠶絲腺細胞的時空分布
為了闡明幼蟲末期蠶絲腺細胞的時空結構，研究者首先對家蠶（B. mori）和其祖先（B. mandarina）的絲腺核進行了單核RNA測序（snRNA-seq）。基于78,785個高質量單核的轉錄組數據，識別出11個細胞簇，并根據標記基因的功能注釋和實驗驗證，確定了它們的分布和細胞類型分類。
在前絲腺（ASG）中，識別出5個細胞簇（snC_2, -3, -4, -5, 和 -9），分為三種細胞類型：分解代謝細胞（CBCs）、能量供應和代謝細胞（ESMs）和上皮細胞重塑細胞（ECRs）。在中絲腺和后絲腺（MSG/PSG）中，識別出6個細胞簇（snC_1, -6, -7, -8, -10, 和 -11），分為四種細胞類型：非繭絲膠蛋白合成細胞（NCSs）、繭絲膠蛋白合成和分泌細胞（CSSs）、絲素蛋白合成和分泌細胞（FBSs）和體內平衡細胞（HMSs）。
2. 絲腺細胞在絲蛋白合成過程中的功能動態變化
通過偽時間軌跡分析發現，絲腺細胞在幼蟲末期經歷了三個分支和七個細胞狀態。在L4M和L5D1階段，細胞狀態以1、2和7為主，而在L5D3階段，細胞狀態3和4顯著增加，表明這是絲蛋白高效合成的重要轉折點。在L5D3階段，絲蛋白基因（如fibH, fibL, P25, Ser1, 和 Ser3）的表達顯著增加，而Ser2和MBF2的表達下降，表明絲蛋白合成從抑制狀態轉變為活躍狀態。
3. 絲蛋白合成的調控網絡和細胞間通訊
研究者識別了687個轉錄因子（TFs），其中177個在細胞類型特異性或普遍性表達中較高水平。通過差異表達轉錄因子（DETFs）分析，發現TFs在每個發育階段對絲蛋白基因的調控具有明顯的時間差異。
在FBSs、CSSs和NCSs中，特定TFs（如Dimm、FOXO、VSX2、CrebA和Xbp1）對絲蛋白基因具有顯著的調控作用。通過CelIPhoneDB分析發現，細胞間通訊在L5D3階段的MSG/PSG細胞中最為頻繁，特別是HMSs與其他細胞類型之間的通訊，表明細胞間通訊在絲蛋白大規模合成過程中起到重要作用。
4. 與絲腺內復制相關的細胞周期基因
研究發現，絲腺細胞在幼蟲末期通過內復制過程獲得高度分支的細胞核，這是合成絲蛋白所必需的。CDK抑制劑（CKI）基因在絲腺細胞中高度表達，表明細胞生長受到抑制。特別是CycG和CycT這兩個細胞周期蛋白在MSG/PSG細胞類型中普遍表達，可能作為絲腺內復制周期的核心調控因子。
5. 蛻皮激素受體在絲腺內復制中的不可或缺作用
研究發現，蛻皮激素受體（EcR）和超螺旋蛋白（USP）在幾乎所有絲腺細胞類型中普遍且相對高度表達。通過轉基因過表達實驗，發現USP的過表達導致絲腺細胞數量顯著減少和絲腺退化，特別是幼蟲末期。過表達USP的PSG中，許多細胞周期相關基因顯著上調或下調，表明USP在絲腺發育和內復制過程中起到關鍵的調控作用。
研究總結
本研究通過snRNA-seq和ST技術，系統地描繪了家蠶在幼蟲末期絲腺細胞的時空分布和功能動態變化。研究揭示了絲腺細胞類型及其在絲蛋白合成中的角色，闡明了細胞狀態轉變、調控網絡和細胞間通訊在高效絲蛋白合成中的作用，并強調了蛻皮激素受體（尤其是超螺旋蛋白）在絲腺內復制中的不可或缺作用。這些發現為理解蠶絲腺的分子機制提供了重要參考，并為開發可持續的天然絲蛋白產品提供了新的視角。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114460
