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间液蛋白在合浦珠母贝贝壳形成中的作用机制研究

谢军  
【摘要】:合浦珠母贝(Pinctada fucata)贝壳由珍珠层和棱柱层两种矿化层组成,其形成过程涉及一个矿化平衡的过程。间液位于珠母贝贝壳和外套膜之间,被认为在贝壳形成中起重要作用。然而,对间液的功能研究却相对较少。碳酸钙体外结晶实验表明间液蛋白不仅能够控制CaCO_3晶体的形貌,而且能够通过文石和方解石特异结合蛋白调控CaCO_3的晶型转变。结晶抑制实验表明,当CaCl2和NaHCO_3的浓度从50mM降低到5mM时,间液蛋白从显著增加CaCO_3晶体的数量转变为抑制CaCO_3的沉积。间液蛋白同时能够显著抑制CaCO_3结晶速率。在体内,当间液被连续抽取20天后,间液蛋白浓度降低,珍珠层不能形成正常的文石小片,取而代之的是无序沉积的方解石。同时,间液变化能够作为外部信号引起珍珠层和棱柱层形成相关基因的变化。综上所述,间液蛋白不但参与CaCO_3结晶的成核,形貌,抑制和相变,而且在贝壳形成特别是珍珠层棱柱层转换中起着双重作用。随后我们对特异结合方解石和文石的间液蛋白进行了LC-MS质谱鉴定,共鉴定到了221条共有序列,79条方解石特异结合的序列和47条文石特异结合的序列。氨基酸组成分析发现与方解石特异结合的蛋白其Lys,Val,Ser和Gly含量相对较多,而与文石特异结合的蛋白其Leu,Glu和Val相对较多。结构域分析发现与方解石文石特异结合的蛋白结构域涉及离子调节,蛋白相互作用,蛋白酶抑制和胶原蛋白等,这些结果为后续研究提供了基础。最后,我们发现间液蛋白SPARC的含量在贝壳缺刻后48 h显著升高。SPARC在贝壳珍珠层及棱柱层EDTA可溶性组分中均存在。当用多克隆抗体将间液中SPARC拮抗掉以后,新生成珍珠小片受到明显影响。在体外,SPARC不但能够控制CaCO_3晶体的形貌而且能在方解石结晶体系中诱导球文石的形成。然而,Mg2+能够抵消这种作用,并诱导文石的形成。进一步的圆二色谱实验表明,SPARC可能通过其蛋白二级结构的改变来发挥作用。结合结构域分析,我们发现其EC结构域在稳定球文石中起主要作用。综上所述,SPARC通过其EC结构域稳定球文石,从而抑制方解石的形成,以便在Mg2+的作用下促进文石的形成来参与贝壳的形成。综上所述,我们第一次深入研究了间液蛋白在珠母贝贝壳矿化平衡中的双重作用,并且发现间液中的蛋白能够控制ACC,球文石,方解石和文石之间的转变。我们的研究结果为珍珠生产和体外类似材料的合成提供了有力的理论指导。


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