Sci Adv丨古老全基因組復制事件驅動蜘蛛紡器起源

蜘蛛絲是一種性能優異的天然蛋白質纖維，具備高強度、高延展性和高韌性等力學優勢，以及質量輕、耐低溫和集水性等特點，在生物醫學工程及國防與航空航天等領域具有重要應用價值。當前，人工仿制蜘蛛絲的研究主要圍繞“蛛絲蛋白獲取—紡絲成型—性能調控優化”技術鏈條展開，典型路徑是利用合成生物學手段制備蛛絲蛋白并結合紡絲工藝進一步成形制造。隨著3D打印等新興技術發展，體外重建蜘蛛紡絲器官結構與功能以實現蛛絲生產正成為蜘蛛絲仿生制造研究中的一個新興探索方向。

2026年1月14日，中國科學院動物研究所、北京大學與安徽師范大學的研究團隊在Science Advances上發表題為

An ancient genome duplication event drives the development and evolution of spinnerets in spiders

研究團隊首先獲取了蜘蛛的古老姐妹群鞭蝎，以及兩個早期蜘蛛分支類群的染色體級別基因組。通過宏觀共線性分析，構建了蛛形動物基因組的演化框架。結果顯示，這些物種的基因組演化相對保守，仍保留可追溯至石炭紀的基因組復制痕跡，為理解蜘蛛基因組的早期重組提供了關鍵線索。在此基礎上，研究聚焦于全基因組復制事件對紡器演化的具體影響。團隊成功建立了蜘蛛胚胎CRISPR-Cas9基因編輯系統，以此深入探究重復基因對的功能。研究發現，abd-A-1與abd-A-2在演化中經歷了亞功能化，各自保留了原始功能的部分方面；同時，該基因對還通過新功能化在蜘蛛紡器的發育與多樣化中發揮關鍵作用。這種遺傳模式，可能為紡器這一新穎結構的出現奠定了基礎。

為進一步解析紡器形成的基因調控網絡，研究對蜘蛛胚胎在紡器出現前后的關鍵發育階段進行了單細胞轉錄組測序。通過偽時序分析與差異表達基因篩選，團隊識別出一批在紡器形成中可能起核心作用的候選基因，并為“紡器起源于足”的假說提供了數據支持。隨后的基因表達驗證、RNA干擾及CRISPR/Cas9功能實驗表明，肢體建造基因dac-1的功能在腹部新區域被重新部署，進一步支持該假說的可靠性。研究團隊進一步運用單細胞加權基因共表達網絡分析方法，構建與紡器發育相關的基因共表達模塊。分析發現，模塊21與紡器發育顯著相關，其中包含參與紡器形成的abd-A-1、abd-A-2和dac-1。通過RNA干擾敲低abd-A基因表達后，第四與第五腹節紡器原基中dac-1的表達明顯下降，而其在足的表達未受影響。這一結果說明，dac-1等肢體建造基因被招募至abd-A基因調控網絡中，在發育早期共同指導紡器的精細化構建。

安徽師范大學李樞強教授與北京大學張蔚教授為本文共同通訊作者，中國科學院動物研究所李逢源助理研究員、楊晗博士研究生與張一名博士研究生為共同第一作者。中國科學院動物研究所顧奇研究員、博士生王書慧、博士生吳美明、碩士生黃炘、碩士生鐘禹、博士生黃鮮婷、安徽師范大學靳鵬宇教授、林業杰、碩士生郭馨悅以及碩士生李蕓蕓為該研究做出了重要貢獻。

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adw2173

制版人： 十一

學術合作組織

（*排名不分先后）

戰略合作伙伴

（*排名不分先后）

轉載須知

【非原創文章】本文著作權歸文章作者所有，歡迎個人轉發分享，未經作者的允許禁止轉載，作者擁有所有法定權利，違者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推薦

點擊主頁推薦活動

關注更多最新活動！