大连理工刘田教授和农科院基因组所杨青研究员合作ACS Nano：飞蝗上颚机械梯度形成机制及关键蛋白功能

机械梯度材料在工程领域有着广泛应用，然而目前这类材料的制备仍是一项挑战。阐明天然机械梯度材料的形成机制，可能为机械梯度材料的设计和制造提供思路。前人研究表明鱿鱼喙这种天然材料的机械性能梯度形成是由于一类富含组氨酸（His-rich）的结构蛋白的化学梯度决定的（Nat. Chem. Biol., 2015, 11, 488−495），但这些蛋白如何在生物材料中形成化学梯度进而影响机械梯度形成的机制尚不明确。

在国家高层次人才特殊支持计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持下，大连理工大学刘田教授和中国农业科学院农业基因组研究所杨青研究员团队合作发现了对于飞蝗上颚形成关键的结构蛋白LmMHSP，并阐明了该蛋白形成化学梯度，进而决定上颚机械梯度的分子机制，不仅为仿生材料的设计提供了思路，也为害虫防治提供了潜在靶标。

图1. 飞蝗上颚机械梯度形成的机制及关键蛋白的功能。(a) 飞蝗上颚；(b-e) LmMHSP基因沉默导致飞蝗存活率下降 (b)、上颚磨损加剧(c)、甘油三酯相对含量降低 (e)、上颚尖端机械性能下降 (e)；(f) 陆生生物LmMHSP较海洋生物结构蛋白功能更加复杂，作为核心元件整合多种功能，从而构建具有机械梯度的飞蝗上颚。图片来源：ACS Nano

本研究首先对飞蝗上颚进行了结构及化学成分表征。发现上颚从基部到尖端机械性能逐渐增强，伴随着色素和蛋白含量的逐渐增加以及水分含量的逐渐减少。进一步发现飞蝗上颚存在组氨酸-多巴胺交联产物，在尖端有Zn元素富集，且富含His-rich的结构蛋白，因此推测His-rich的结构蛋白可能在决定飞蝗机械梯度方面发挥重要作用。

通过转录组分析和RT-qPCR验证，发现了在上颚特异性高表达的His-rich结构蛋白LmMHSP。RNAi实验结果表明，LmMHSP对飞蝗上颚机械性能至关重要，其缺失会导致飞蝗生长发育迟缓，体内甘油三酯含量下降。上述结果表明，LmMHSP可以作为害虫防治的靶标。

体外重组表达及性质表征实验结果进一步表明，LmMHSP是飞蝗上颚形成的核心结构蛋白，具有较海洋生物鱿鱼喙及蠕虫颚相应His-rich蛋白具有更复杂的功能，包括几丁质结合、液液相分离、化学交联和金属配位，这些功能之间协同作用从而形成坚硬的基质结构。进一步，本研究还发现飞蝗上颚几丁质骨架微观结构变化影响LmMHSP的结合量，从而揭示了LmMHSP化学梯度形成的机制，进而揭示了飞蝗上颚机械梯度形成的机制。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Core Structural Protein That Builds the Locust Mandible with a Mechanical Gradient

Huitang Qi, Yi Ding, Yingda Teng, Xiangyu Liang, Lei Chen, Jianli Ma, Qing Yang, Tian Liu

ACS Nano, 2023, DOI: 10.1021/acsnano.3c08715

通讯作者简介

刘田，教授，博士生导师，入选国家级青年人才计划。主要研究方向是从昆虫表皮形成的关键蛋白入手，发现有害生物控制新靶标、研发绿色植保产品、寻找生物材料设计新思路及开发生物资源利用新酶。曾在Matter、ACS Nano、Biotechnol. Adv.、Cell Rep. Phys. Sci.及J. Agric. Food Chem.等SCI期刊发表论文60余篇，近5年他引>1200次，h-index>25。担任Curr. Med. Chem.、Front. Mol. Biosci.及Heliyon等SCI期刊副主编或编委，《农药学学报》青年编委会副主任。在研国家自然科学基金(2项)、国家重点研发计划子课题(2项)及Bayer公司Grants4Ag 2023等项目。课题组常年招收博士后、博士生及硕士生，欢迎对科研工作有兴趣、对自己未来有规划的优秀青年加盟！

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