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  2018年8月6日，國(guó)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(bào)道了利用基因定點(diǎn)替換的方法在家蠶絲腺和蠶繭中大量表達(dá)蜘蛛絲蛋白。

  蜘蛛絲是自然界中機(jī)械性能最好的天然蛋白纖維，其強(qiáng)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(guó)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(lái)難以解決的問(wèn)題。一方面，由于蜘蛛的領(lǐng)地和捕食特性，無(wú)法通過(guò)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(dòng)植物等表達(dá)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(wèn)題。家蠶是唯一可以通過(guò)人工養(yǎng)殖大量獲取絲纖維的動(dòng)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(gè)可行性高的策略。近年來(lái)已有通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)在家蠶中表達(dá)蜘蛛絲蛋白的報(bào)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(dá)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(chóng)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(dá)350kDa，約占整個(gè)絲蛋白含量的70%以上，也是決定蠶絲纖維機(jī)械性能的主要因素。在本項(xiàng)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(shí)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(diǎn)整合了含有部分蜘蛛絲基因和熒光標(biāo)記的DNA片段，實(shí)現(xiàn)了：1.完全去除內(nèi)源性絲蛋白FibH的表達(dá)（knock out）；2.利用FibH的內(nèi)源性調(diào)控序列來(lái)調(diào)控外源性蜘蛛絲基因的表達(dá)（knock in and gene replacement）。在轉(zhuǎn)化個(gè)體的絲腺和蠶繭中均可檢測(cè)到蜘蛛絲蛋白的表達(dá)，其含量在純和個(gè)體的繭層中可達(dá)35.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于已報(bào)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(duì)照品種蠶絲相比，在強(qiáng)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(dá)其它高附加值蛋白提供了新的策略。

  中國(guó)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(diǎn)部署和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.1806805115