單核和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示家蠶終幼蟲期分泌絲器官的結(jié)構(gòu)
期刊：Cell Reports
影響因子：7.383
伯豪試劑產(chǎn)品：伯優(yōu)®細(xì)胞核分離試劑盒
研究背景
天然蠶絲因其卓越的機(jī)械性能、生物相容性和生物降解性，在生物醫(yī)學(xué)、組織工程和食品工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而，大部分絲分泌物種無法在人工飼養(yǎng)條件下大規(guī)模生產(chǎn)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(xì)胞的異質(zhì)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(jī)制的理解。因此，需要進(jìn)一步探索絲腺細(xì)胞在幼蟲末期階段如何高效合成蠶絲蛋白的分子機(jī)制。
伯豪產(chǎn)品
伯優(yōu)®細(xì)胞核分離試劑盒
研究目的
本研究希望通過單核RNA測序（snRNA-seq）和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（ST）技術(shù)，系統(tǒng)地繪制蠶絲腺的細(xì)胞類型和空間組成圖譜，以期為高效蠶絲蛋白合成機(jī)制提供更深入的理解和參考。
研究結(jié)果
1. 幼蟲末期蠶絲腺細(xì)胞的時(shí)空分布
為了闡明幼蟲末期蠶絲腺細(xì)胞的時(shí)空結(jié)構(gòu)，研究者首先對家蠶（B. mori）和其祖先（B. mandarina）的絲腺核進(jìn)行了單核RNA測序（snRNA-seq）�；�78,785個高質(zhì)量單核的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，識別出11個細(xì)胞簇，并根據(jù)標(biāo)記基因的功能注釋和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了它們的分布和細(xì)胞類型分類。
在前絲腺（ASG）中，識別出5個細(xì)胞簇（snC_2, -3, -4, -5, 和 -9），分為三種細(xì)胞類型：分解代謝細(xì)胞（CBCs）、能量供應(yīng)和代謝細(xì)胞（ESMs）和上皮細(xì)胞重塑細(xì)胞（ECRs）。在中絲腺和后絲腺（MSG/PSG）中，識別出6個細(xì)胞簇（snC_1, -6, -7, -8, -10, 和 -11），分為四種細(xì)胞類型：非繭絲膠蛋白合成細(xì)胞（NCSs）、繭絲膠蛋白合成和分泌細(xì)胞（CSSs）、絲素蛋白合成和分泌細(xì)胞（FBSs）和體內(nèi)平衡細(xì)胞（HMSs）。
2. 絲腺細(xì)胞在絲蛋白合成過程中的功能動態(tài)變化
通過偽時(shí)間軌跡分析發(fā)現(xiàn)，絲腺細(xì)胞在幼蟲末期經(jīng)歷了三個分支和七個細(xì)胞狀態(tài)。在L4M和L5D1階段，細(xì)胞狀態(tài)以1、2和7為主，而在L5D3階段，細(xì)胞狀態(tài)3和4顯著增加，表明這是絲蛋白高效合成的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在L5D3階段，絲蛋白基因（如fibH, fibL, P25, Ser1, 和 Ser3）的表達(dá)顯著增加，而Ser2和MBF2的表達(dá)下降，表明絲蛋白合成從抑制狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S狀態(tài)。
3. 絲蛋白合成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和細(xì)胞間通訊
研究者識別了687個轉(zhuǎn)錄因子（TFs），其中177個在細(xì)胞類型特異性或普遍性表達(dá)中較高水平。通過差異表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子（DETFs）分析，發(fā)現(xiàn)TFs在每個發(fā)育階段對絲蛋白基因的調(diào)控具有明顯的時(shí)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(diào)控作用。通過CelIPhoneDB分析發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞間通訊在L5D3階段的MSG/PSG細(xì)胞中最為頻繁，特別是HMSs與其他細(xì)胞類型之間的通訊，表明細(xì)胞間通訊在絲蛋白大規(guī)模合成過程中起到重要作用。
4. 與絲腺內(nèi)復(fù)制相關(guān)的細(xì)胞周期基因
研究發(fā)現(xiàn)，絲腺細(xì)胞在幼蟲末期通過內(nèi)復(fù)制過程獲得高度分支的細(xì)胞核，這是合成絲蛋白所必需的。CDK抑制劑（CKI）基因在絲腺細(xì)胞中高度表達(dá)，表明細(xì)胞生長受到抑制。特別是CycG和CycT這兩個細(xì)胞周期蛋白在MSG/PSG細(xì)胞類型中普遍表達(dá)，可能作為絲腺內(nèi)復(fù)制周期的核心調(diào)控因子。
5. 蛻皮激素受體在絲腺內(nèi)復(fù)制中的不可或缺作用
研究發(fā)現(xiàn)，蛻皮激素受體（EcR）和超螺旋蛋白（USP）在幾乎所有絲腺細(xì)胞類型中普遍且相對高度表達(dá)。通過轉(zhuǎn)基因過表達(dá)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)USP的過表達(dá)導(dǎo)致絲腺細(xì)胞數(shù)量顯著減少和絲腺退化，特別是幼蟲末期。過表達(dá)USP的PSG中，許多細(xì)胞周期相關(guān)基因顯著上調(diào)或下調(diào)，表明USP在絲腺發(fā)育和內(nèi)復(fù)制過程中起到關(guān)鍵的調(diào)控作用。
研究總結(jié)
本研究通過snRNA-seq和ST技術(shù)，系統(tǒng)地描繪了家蠶在幼蟲末期絲腺細(xì)胞的時(shí)空分布和功能動態(tài)變化。研究揭示了絲腺細(xì)胞類型及其在絲蛋白合成中的角色，闡明了細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和細(xì)胞間通訊在高效絲蛋白合成中的作用，并強(qiáng)調(diào)了蛻皮激素受體（尤其是超螺旋蛋白）在絲腺內(nèi)復(fù)制中的不可或缺作用。這些發(fā)現(xiàn)為理解蠶絲腺的分子機(jī)制提供了重要參考，并為開發(fā)可持續(xù)的天然絲蛋白產(chǎn)品提供了新的視角。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114460
