合浦珠母贝贝壳再生过程的分子调控机制

Self-regeneration of shells after injury is a dynamic process of biomineralization, the study of which will help us to further understand biomineralization. At present, we know little about gene regulation, protein expression patterns and protein complex during the process of shell regeneration, which limits our understanding of the dynamic processes of biomineralization. Based on the above scientific problems, we intend to use the important pearl economic species of Pinctada fucata as the experimental object, and take the regeneration process of shell injury as the research model. By comprehensively using transcriptomics, proteomics, molecular biology and other technical approaches, we plan to study gene regulation, protein expression patterns involved in the process of regenerated shells. This work will help us to understand the processes of biomineralization from different levels, and reveal how genes and proteins interact during shell regeneration, and coordinate the process of shell repair. Moreover, this study may enlighten new biomaterial preparation and provide guidance for pearl oyster culture industry.

贝壳在损伤后的再生过程是一个动态的生物矿化过程。研究贝壳损伤再生有助于深入了解生物矿化的机理。目前，我们对于贝壳再生过程中的基因调控、蛋白表达模式以及是否有蛋白复合物的参与了解的很少，这限制了我们对于生物矿化动态过程的研究。基于以上科学问题，我们拟以中国重要的海水产珍珠经济种类合浦珠母贝为实验对象，以其贝壳损伤后的再生过程为研究模型，综合利用转录组学、蛋白组学、分子生物学等技术手段，研究贝壳再生过程中的基因表达和蛋白参与模式。本研究工作有助于我们从基因和蛋白水平全面了解生物矿化的过程，揭示贝壳再生过程中基因、蛋白是如何相互作用，共同协调以完成贝壳修复过程。同时，了解这一过程有助于研发新型的生物材料，对于珍珠贝的养殖也具有重要的指导意义。

合浦珠母贝贝壳由高度有序的碳酸钙复合物以及蛋白质、脂质和多糖组成。贝壳在发生损伤之后，可以自发进行修复再生，该修复过程与贝壳的生长过程类似，均受到生物大分子，尤其是贝壳基质蛋白（SMP）的调节。我们以贝壳损伤修复模型为基础，对损伤后的外套膜组织进行转录组测序和生物信息学分析，探究在贝壳损伤修复过程中矿化过程相关基因的整体表达变化。我们利用蛋白组学，鉴定了合浦珠母贝贝壳损伤5-20内修复再生的贝壳的SMPs，并比较了新生贝壳与成熟贝壳之间的微观结构差异，从新生的贝壳中发现了49 个 SMPs。. microRNA是一类重要的表观遗传调控因子, 可以在转录后水平调控基因的表达。通过高通量测序和生物信息学分析，我们对合浦珠母贝外套膜组织的miRNA进行全基因组和转录组范围的筛查，鉴定了378个miRNA，其中139个为保守的miRNA，239个为全新的miRNA，并发现其中部分miRNA表达水平会响应贝壳损伤而改变。. 我们通过分析合浦珠母贝外套膜组织转录组数据，对BMP信号通路及其受体进行深入研究，鉴定了三个Smad同源基因PfSMAD4、PfSMAD5和PfSMAD6，并通过ChIP和IP实验确定了其调控的下游靶基因。在贝壳损伤修复过程中利用RNAi特异性抑制两个受体基因，发现基质蛋白表达水平有所变化且贝壳内表面出现了孔洞或紊乱的生长结构，进一步说明BMP信号通路参与到贝壳再生的调控当中。. 为了定量测定合浦珠母贝珍珠层的生长速度，我们建立了一种新方法 DCSr-NL（Detect the Content of Sr in Nacreous Layer）。通过将锶元素标记到新生成的珍珠层上，用盐酸将其溶解到溶液中，最后测量溶液中锶元素的浓度，以此对珍珠层的生长速度进行定量分析。此方法结合 RNA 干扰技术，可以快速的确定基质蛋白是否会调控珍珠层文石的沉积速度，为探究基质蛋白的生物矿化功能提供了强有力的研究手段。. 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，我们鉴定了包括Alv、PfX、PNU2、PNU7和PNU9在内的一系列基质蛋白并深入研究其功能，发现其在贝壳损伤修复过程中都发挥了作用，参与指导碳酸钙沉积。