蜘蛛丝蛋白的模块结构性能和重组表达

［摘要】 蜘蛛丝是一类天然蛋白质纤维，具有独特的机械性能（高强度、高弹性和高断裂功等）和卓著的生物学特性（生物
可降解性和与生物组织的相客性等），在生物医学、材料、纺织和军事等领域都有着很高的潜在应用价值。综述了不同蜘蛛
丝蛋白的模块结构特征及与其功能的关系，扼要介绍了目前利用各种基因工程方法表达重组蜘蛛丝蛋白的研究进展。
近年来，陆续有一些从ｃＤＮＡ文库中克隆或人工合成蜘蛛 丝蛋白基因，并通过不同的表达系统来生产重组蜘蛛丝蛋白的 研究报道。Ｆａｈｎｅｓｔｏｃｋ等旧利用微生物（主要足大肠杆菌和毕赤 酵母）表达系统来表达蜘蛛丝蛋白。在大肠杆菌表达系统中，小 于３ ｋｂ的基因可以进行有效表达，但大于３ ｋｂ的蜘蛛丝蛋白 基因表达效率降低和删节表达；在毕赤酵母表达系统中，虽然没 有基凼删节表达等现象，但表达效率不高。ＡｒｃｉｄｊａｃｏｎＤ等【１ｑ也将 蜘蛛丝蛋白基因在大肠杆菌中表达，克隆基因片段有１．７ ｋｂ（包 括１．４ ｋｂ的重复序列基因和０．３ ｋｂ的非重复序列基因），但是 在大肠杆菌中只表达出１．５ ｋｂ的基因片段，也就是相对分子质 量约４３ ０００的重组蜘蛛丝蛋白，原因可能在于蜘蛛丝蛋白基因
蜘蛛丝蛋白中只有鞭毛丝蛋白和牵引丝蛋白含有ＣＰＧＸＸ
３蜘蛛丝蛋白的重组表达
蜘蛛丝具有广泛的潜在应用价值，因而需要一定的产量才 可能满足需求。由于蜘蛛是独行动物，并且相互蚕食，不可能像 家蚕那样高密度驯养，而且蜘蛛的产丝量很少，所以科学家希望 能够借助基因工程技术获得大量的蜘蛛丝蛋白，继而得到足够 的人工蜘蛛丝。
２蜘蛛丝蛋白结构和功能的关系
模块，而且也只有这２种蛋白具有弹性。结合ＧＰＧＸＸ模块的结 构特点，可以推断该模块决定蜘蛛丝弹性性能，模块数与蜘蛛丝 的弹性呈正相关【ｌｌ】。牵引丝的弹性为３５％，其中每个蛋白质重复 单元至多有９个Ｂ一转角结构（ＧＰＧＸＸ模块）；鞭毛丝的弹性大于 ２００％，每个重复单元至少含有４３个Ｂ一转角结构（ＧＰＧＸＸ模 块）。很明显，随着该模块数目的增加，蜘蛛丝的弹性也增加。
６×ｌ ０４
万方数据
１蜘蛛丝蛋白的结构及序列模块
蜘蛛丝是由蜘蛛丝蛋白分子集柬构成的生物纤维。我们以 络新妇属蜘蛛（Ｍｐ＾池ｃ妇ｉＰｅｓ）为例，对牵引丝蛋白、小囊状腺 丝蛋白、鞭毛丝蛋白的分子结构做一介绍。
牵引丝蛋白是目前研究的重要对象，它至少由Ｍ嬲ｐ１和 Ｍａ印２等２种蛋白组成。Ｘｕ等【ｗ测定了络新妇属蜘蛛Ｍａｓｐｌ的部 分氨基酸序列，发现该蛋白含有大量的重复序列，其中每个重复 序列包括由ＧＧＸ（Ｘ代表酪氨酸、亮氨酸、谷氨酸和丙氨酸）重复 ５次组成的核心区、由５—１０个丙氨酸组成的多聚丙氨酸区和６— ９个氨基酸组成的可变区。Ｈｉｎｍｎ等【叼得到了Ｍ鹊ｐ２的序列， Ｍａｓｐ２也具有多聚丙氨酸区，并含有ＧＰＧＧＹ和ＧＰＧＱＱ交替排 列的重复序列区，二者之间是ＧＰＳＧＰＧＳ序列区域。这２种蛋白 重复序列的共同之处，就是甘氨酸、丙氨酸和谷氨酰胺的含量占 有绝对优势，并且２种蛋白的Ｃ端非重复序列比较相似，据推测 这个序列与蛋白质的组装、加工成纤维等过程有关嘲。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
含丝氨酸的『日Ｊ隔区隔开，平均每个间隔区约有ｌｏｏ多个氨基酸。 Ｈａｙａｓｈｉ等嘲建立了鞭毛状腺的ｃＤＮＡ库，筛选出弹性很强的
通过Ｘ一线衍射观察，Ｂ一片层呈晶体结构存在，由连续的阿 氨酸或丙氨酸与甘氨酸交替构成。研究表明，这个区域与形成高 强度纤维相关，该区域通过分子间的作用将蛋白质分子紧密结 合在一起旧。Ａ。结构与（ＧＡ）。的结构相似，但前者分子间作用比 后者强，结合的能量也较强。如牵引丝蛋白的Ｂ一片层主要由甘氨 酸组成，而小囊状腺丝蛋白的Ｂ一片层由＂氨酸和丙氨酸交替组 成，前者强度为４００ Ｎ／ｍ２，后者强度为１００ Ｎ／ｍ２。因此可以推 断，Ｂ一片层之间的分子作用决定了不同蜘蛛丝蛋白对应的蜘蛛 丝具有不同的强度，也是导致蜘蛛丝不溶于水的原因之一。
ｓｐｉｄｅｒ ｓｉｌｋ ｐｒｏｔｅｉｎｓ．
ｅｘｐ嗍ｊｏｎ ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】 叩ｉｄｅｒ ８ｉｌｋ ｐｒｏｔｅｊｎ；ｍｏＩｅｃｕＪａｒ ｍｏｄｕｌｅ；ｓｔｎ｜ｃｔｕｒｅ ａｌ】ｄ ｆｕ力ｃｔｉｏｎ；ｒｅｃ伽幽ｎ彻ｔ
蜘蛛为节肢动物，属蛛形纲、蛛形目。蜘蛛的丝状分泌 物——蜘蛛丝的主要成分是蛋白质，通常被称为蜘蛛丝蛋白。蜘 蛛不同丝腺分泌不同的蜘蛛丝，包括牵引丝、小囊状腺丝、鞭毛 丝和包卵丝等【１Ｊ，它们的氨基酸组成不一样，其机械性能和生物 学功能也不一样。将蜘蛛丝与一些合成纤维等物质进行对比（表 １闭），可以看出，牵引丝的强度和凯夫伦纤维相当，但弹性明显大 于凯夫伦纤维，断裂功也位于各种物质之首；鞭毛丝的强度一 般，但其弹性大于２００％，约为凯夫伦纤维的４０倍。也就是说，牵 引丝具有高强度、高弹性和高断裂功，有着“生物钢”之美誉；鞭 毛丝更是具有其他物质无法比拟的高弹性。
粘性丝蛋白，称为鞭毛丝蛋白。鞭毛丝蛋白也含有大量重复序 列，主要是ＧＰＧＧＸ（Ｘ代表酪氨酸、缬氨酸、丝氨酸、苏氨酸和丙 氨酸）和ＧＧＸ，ＧＰＧＧＸ可以串联重复４３—６３次，ＧＧＸ含量则相 对较低，大约重复１２次。另外，还有一个由２８个氨基酸组成的 保守序列，用来间隔上述富含甘氨酸的区域。
比较上述３种蜘蛛丝蛋白的一致序列ｒ７】，可以看出有４种通 用的氨基酸模块，即ＧＰＧＸＸ、ＧＧＸ、Ａ－／（ＧＡ）。和间隔区。研究发 现，这些氨基酸模块具有相应的结构特征。ＧＰＧＸＸ（主要是
小囊状腺丝蛋白的弹性和强度都次于牵引丝蛋白。小囊状 腺丝蛋白也包括２种蛋白。即Ｍｉｓｐｌ和Ｍｉ叩２。Ｍｉｓｐｌ由（ＧＧＸ）拍 和（ＧＡ）撕（Ａ）撕交替重复。与Ｍｉｓｐｌ相似，Ｍｉ８ｐ２由（ＧＧＸ）。寸和 （ＧＡ）。－５（Ａ）撕２个重复区交替排列。Ｍｉｓｐ基因的重复区都被富
［收稿日期］２００ｒ７一０８—２０ ［基金项目］上海市科委纳米科技专项（０５ｎｍ０５０１６） ［作者简介］周培（１９８２一），女，硕士研究生 ［通讯作者］邹竹荣，（Ｅ—ｒｒｌａｉｌ）ｚ心０ｕ＠ｂｉｏ．ｅｃｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
研究发现，ＧＰＧＸＸ模块可能形成类似弹性蛋白的Ｂ一转角结 构ｐ“。在鞭毛丝蛋白中，主要以ＧＰＧＧｘ形式存在（Ｘ可以是酪氨 酸、丝氨酸和苏氨酸等）；在牵引丝蛋白中，主要以ＧＰＧＧＹ和 ＧＰＧＱＱ这２种形式存在。这个模块有２个比较显著的特征旧。首 先，这个８一转角结构类似于弹簧，而这个“弹簧”结构与丝蛋白纤 维的弹性相关。脯氨酸是“弹簧”结构的支点，当Ｂ一转角受到拉 力，在脯氨酸上会产生较大的扭矩，脯氨酸则会相应地产生回缩 力。另外一个比较显著的特征，就是丝氨酸和酪氨酸的羟基与下 游甘氨酸形成氧键，酪氨酸较长的侧链可以加固Ｂ一转角结构，同 样丝氨酸较短的侧链有利于螺旋片层的维持。
［Ａｂｓ订ａｃｔ】 Ｓｐｉｄｅｒ ｓｉｌｋ８， ｂｅｉｎｇ ａ ｃｌａｓｓ ｏｆ ｎａｔｕｒｅ ｐｒｏｔｅｉｎ ｆｉｂｅｒｓ， ｈａｖｅ ａ ｌａｒｇｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ８ ｉｎ ｔｌｌｅ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ， 眦ｔｅｒｉａｌ， ｔｅｘｔｉｌｅ蚰ｄ ｍｉｌｉｔａｒｙ ａｒｅ鹊， ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｕｎｉｑｕｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅ￥ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔＩ℃ｎ舀ｈ， ｅｌ鹊ｔｉｃｉｔｙ明ｄ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏ ｂｒｅａｋ＇ａｎｄ ｅｍｉｎｅｎｔ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｅｃｕｌｉａｒｉｔｉｅｓ ｉｎ ｔｅｒｒ璐ｏｆ ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔ）ｒ ｔｏ ｔｈｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｔｉｓｓｕｅｓ．Ｔｈｉ８ ｍｉ· ｎｉ—ｒｅｖｉｅｗ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｃｕｎ．ｅｎｔ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｄｉｆｆ．ｅｒｅｎｔ ｓｐｉｄｅｒ ｓｉｌｋ ｐｍｔｅｉｎｓ ｉｎ ｒｅｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔ｝ｌｅ ｓｔｎＪｃｔｕｍｌ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｎ＿ｉｅｌａｔｉｏｎｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｐｍｃｅｅｄｉｎｇｓ ｉｎ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｖａｒｉｏｕｓ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｐｐｍａｃｈｅｓ ｔｏ ｐｍｄｕｃｅ ｔ｝ｌｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎ粕ｔ
９一转角 ＧＰＧ××
ｐ片层 ＾．，（Ｇ‰
３１０一螺旋 ＧＧ×
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图１ 蜘蛛丝蛋白的模块化结构 此图不代表模块在蛋口中的位置
通过傅立叶变换红外光谱（Ｆｒ—ＩＲ）和核磁共振（ＮＭＲ）测定， 发现ＧＧＸ模块是一个由３个氨基酸组成的螺旋结构㈣。这样一 个螺旋结构被认为是Ｂ一片层晶体结构和非刚性结构的连接区， 是过渡区。而且，在同一纤维中不同蛋白分子上的ＧＧＸ会相互 作用，导致蛋白聚集在一起。
间隔区存在于小囊状腺丝蛋白和鞭毛丝蛋白中，间隔甘氨 酸含量过高的区域。这２种间隔区的氨基酸序列已初步确定，但 是其结构还在研究之中。问隔区可能具有以下功能ｆ１４】：①促使不 同蛋白质分子的晶体结构或其他结构区域相互结合；②当蜘蛛 丝还呈液体状态储存在腺体时，间隔区叮以促使形成不同结构 的蜘蛛丝；③提供表面区域结合蜘蛛丝的其他重要成分。比如， 鞭毛丝表面附着由集合状腺分泌的黏性物质，是捕获猎物的重 要工具。总之，间隔区被认为可能是重要的分子组织者，但是其 结构和功能还需要进一步研究。
几乎所有类型的蜘蛛丝蛋白都可以用上述模块来描述，不 同的模块结构解释了蜘蛛丝不同的功能，符合结构和功能相对 应这一生物学基本规律。
从目前的研究进展来看，蜘蛛丝蛋白的结构不是随意的，而 是有规律的，因为每种氨基酸序列模块都可能导致蜘蛛丝蛋白 二级和三级特殊结构的形成。从生化角度来看，蜘蛛丝蛋白的氨 基酸序列高度重复性决定了该蛋白不可能生成任意结构。从基 因角度来看，在不同蜘蛛丝蛋白的序列模块上，个别氨基酸有被 其他氨基酸取代的现象。这种极个别被取代的现象，说明蜘蛛丝 蛋白序列模块在进化过程中经历了较强的进化握力嘲。
表１ 蜘蛛丝和其他物质的机械性能的比较
物质
牵引丝 小囊状腺丝 鞭毛丝 凯夫伦纤维 橡胶 尼龙６号
弹性（％） ３５ ５
＞２００ ５
６００ ２００
强度（Ｎ／ｍ２）断裂功（Ｊ／ｋｇ）
４×ｌ ０９
ｌ×ｌ∥
ｌ×１０９
３×ｌ ０４
ｌ×１０９ ４×１０９ １×１０６
１×ｌ ０５ ３×ｌ ０４ ８ｘｌ ０４
７ｘ１０７
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文章编号：１００９—０（）０２（２００８）０４—０６２３—０３
蜘蛛丝蛋白的模块结构性能和重组表达
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综
述
周培，邹竹荣，曹丽娟，苏裕 华东师范大学生命科学学院，上海２０００６２
ＧＰＧＧＸ和ＧＰＧＱＱ这２种形式）是一个五聚肽，主要存在于牵引 丝蛋白和鞭毛丝蛋白，被认为形成Ｂ一转角结构，一系列的ｐ一转 角串联折叠在一起，类似弹簧结构。ＧＧＸ形成３。ｏ－螺旋结构，即 每３个氨基酸组成一个螺旋。Ａ／（ＧＡ）。形成Ｂ一片层结构，几乎 存在于除鞭毛丝蛋白以外的所有蜘蛛丝蛋白。间隔区是一个保 守区域，用来间隔富含甘氨酸的区域，主要存在于鞭毛丝蛋白和 小囊状腺丝蛋白。这４种模块在几种蜘蛛丝蛋白的存在情况，表 示如图１。
［关键词］ 蜘蛛丝蛋白；分子模块；结构和功能；重组表达
［中图分类号】Ｑ５ｌ；Ｑ７８
【文献标识码］Ａ
Ｍｏｄｕｌａｒ Ｓｔｍｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｎｔ Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｓｐｉｄｅｒ Ｓｉｌｋ Ｐｒｏｔｅｉ脑
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Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌ如ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｅａｓｔ ｃｈｉｎａ Ｎｏｍａｌ ｕｎｉｖｅｒｓｉ饥Ｓｈａｎｇｈａｉ，２０００６２
随着研究的深入，发现蜘蛛丝不仅具有高弹性、高强度和高 断裂功等优点，还具有生物可降解性、超收缩性、耐高温和耐低 温及与生物组织的相容性等特性。由于蜘蛛丝这些独特的物理 和生物学特性，它在医学、材料、军事和纺织等方面都有着广泛 的应用前景。我们着重就蜘蛛丝蛋白的结构和功能的关系、重组 蜘蛛丝蛋白表达的研究进展进行简单介绍。