基质蛋白调控晶体自组装形成贝壳有序结构的机制研究

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合浦珠母贝的珍珠和贝壳是典型的生物矿物,基质蛋白对于晶体自组装形成贝壳特殊有序结构具有重要的调控作用,因此研究基质蛋白(组)的定位和功能对于阐明贝壳有序结构的形成机理具有重要意义。根据贝壳总蛋白、EDTA可溶性基质蛋白(ESM)和EDTA不可溶性基质蛋白(EISM)的功能和显微分布探究结果,我们推断贝壳棱柱层形成过程中部分EISM先形成棱柱的早期有机鞘,同时ESM和部分EISM调控晶体的成核和生长。随着棱柱的生长,越来越多的基质蛋白被挤压形成致密的有机鞘,由规整的多边形方解石矿物柱组成的棱柱层形貌得以形成。EISM组分在珍珠层上先形成有机框架,文石晶体在其中沉积生长。抑制EISM后,棱柱层和珍珠层的有序结构都被破坏。为了探究EISM调控晶体自组装形成贝壳有序结构的机制,我们筛选了两个EISM组分蛋白——Alv和PNU9,并对它们进行了深入研究。PNU9蛋白呈弱碱性,富含“E-C”重复序列。将PNU9蛋白功能抑制后,贝壳的珍珠层出现文石小片和基质膜的过度生长,棱柱层则没有明显变化。体外结晶实验显示r PNU9蛋白能够影响方解石和文石的形貌,参与文石的成核过程,抑制文石晶体形成(降低文石的结晶速率,抑制ACC向文石的转化)。Alv蛋白呈强碱性,富含“V-P”重复序列,在贝壳中的免疫荧光定位与EISM组分一致。Alv的功能被抑制后,合浦珠母贝的珍珠层过度生长而棱柱层则出现结构缺损。r Alv蛋白促进文石和方解石的晶体成核,改变方解石形貌。r Alv蛋白促进方解石结晶(提高方解石结晶速率,促进ACC转变成方解石),抑制文石结晶(降低文石结晶速率,抑制ACC转变成文石)。钙离子、镁离子和碳酸根离子能够影响r Alv蛋白的二级结构。我们也获取了Alv基因的启动子序列,并发现Pf-AP-1和Pf-POU3F4可以激活Alv基因启动子的活性。PNU9和Alv蛋白不仅作为有机框架调控了晶体的有序沉积,也参与了晶体的成核和生长过程。综上所述,基质蛋白(组)尤其是EISM对于晶体自组装形成贝壳有序结构有着非常重要的调控作用,PNU9和Alv蛋白的研究阐明了EISM的调控机制。这些工作对贝壳生物矿化的理论研究做出了补充,有助于我们深入理解生物矿化的原理。
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