单核和空间转录组学揭示家蚕终幼虫期分泌丝器官的结构

天然蚕丝因其卓越的机械性能、生物相容性和生物降解性，在生物医学、组织工程和食品工业等领域具有广泛应用前景。然而，大部分丝分泌物种无法在人工饲养条件下大规模生产蚕丝蛋白。蚕丝腺分为前、中、后三部分，各自具有不同的功能。尽管已有研究揭示了蚕丝腺的一些特性，但对丝腺细胞的异质性和高分辨率的分子特征仍缺乏深入了解，这限制了人们对高效蚕丝蛋白合成机制的理解。因此，需要进一步探索丝腺细胞在幼虫末期阶段如何高效合成蚕丝蛋白的分子机制。

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本研究希望通过单核RNA测序（snRNA-seq）和空间转录组学（ST）技术，系统地绘制蚕丝腺的细胞类型和空间组成图谱，以期为高效蚕丝蛋白合成机制提供更深入的理解和参考。

1. 幼虫末期蚕丝腺细胞的时空分布

为了阐明幼虫末期蚕丝腺细胞的时空结构，研究者首先对家蚕（B. mori）和其祖先（B. mandarina）的丝腺核进行了单核RNA测序（snRNA-seq）。基于78,785个高质量单核的转录组数据，识别出11个细胞簇，并根据标记基因的功能注释和实验验证，确定了它们的分布和细胞类型分类。

在前丝腺（ASG）中，识别出5个细胞簇（snC_2, -3, -4, -5, 和 -9），分为三种细胞类型：分解代谢细胞（CBCs）、能量供应和代谢细胞（ESMs）和上皮细胞重塑细胞（ECRs）。在中丝腺和后丝腺（MSG/PSG）中，识别出6个细胞簇（snC_1, -6, -7, -8, -10, 和 -11），分为四种细胞类型：非茧丝胶蛋白合成细胞（NCSs）、茧丝胶蛋白合成和分泌细胞（CSSs）、丝素蛋白合成和分泌细胞（FBSs）和体内平衡细胞（HMSs）。

2. 丝腺细胞在丝蛋白合成过程中的功能动态变化

通过伪时间轨迹分析发现，丝腺细胞在幼虫末期经历了三个分支和七个细胞状态。在L4M和L5D1阶段，细胞状态以1、2和7为主，而在L5D3阶段，细胞状态3和4显著增加，表明这是丝蛋白高效合成的重要转折点。在L5D3阶段，丝蛋白基因（如fibH, fibL, P25, Ser1, 和 Ser3）的表达显著增加，而Ser2和MBF2的表达下降，表明丝蛋白合成从抑制状态转变为活跃状态。

3. 丝蛋白合成的调控网络和细胞间通讯

研究者识别了687个转录因子（TFs），其中177个在细胞类型特异性或普遍性表达中较高水平。通过差异表达转录因子（DETFs）分析，发现TFs在每个发育阶段对丝蛋白基因的调控具有明显的时间差异。

在FBSs、CSSs和NCSs中，特定TFs（如Dimm、FOXO、VSX2、CrebA和Xbp1）对丝蛋白基因具有显著的调控作用。通过CelIPhoneDB分析发现，细胞间通讯在L5D3阶段的MSG/PSG细胞中最为频繁，特别是HMSs与其他细胞类型之间的通讯，表明细胞间通讯在丝蛋白大规模合成过程中起到重要作用。

4. 与丝腺内复制相关的细胞周期基因

研究发现，丝腺细胞在幼虫末期通过内复制过程获得高度分支的细胞核，这是合成丝蛋白所必需的。CDK抑制剂（CKI）基因在丝腺细胞中高度表达，表明细胞生长受到抑制。特别是CycG和CycT这两个细胞周期蛋白在MSG/PSG细胞类型中普遍表达，可能作为丝腺内复制周期的核心调控因子。

5. 蜕皮激素受体在丝腺内复制中的不可或缺作用

研究发现，蜕皮激素受体（EcR）和超螺旋蛋白（USP）在几乎所有丝腺细胞类型中普遍且相对高度表达。通过转基因过表达实验，发现USP的过表达导致丝腺细胞数量显著减少和丝腺退化，特别是幼虫末期。过表达USP的PSG中，许多细胞周期相关基因显著上调或下调，表明USP在丝腺发育和内复制过程中起到关键的调控作用。

本研究通过snRNA-seq和ST技术，系统地描绘了家蚕在幼虫末期丝腺细胞的时空分布和功能动态变化。研究揭示了丝腺细胞类型及其在丝蛋白合成中的角色，阐明了细胞状态转变、调控网络和细胞间通讯在高效丝蛋白合成中的作用，并强调了蜕皮激素受体（尤其是超螺旋蛋白）在丝腺内复制中的不可或缺作用。这些发现为理解蚕丝腺的分子机制提供了重要参考，并为开发可持续的天然丝蛋白产品提供了新的视角。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114460