β-呋喃果糖苷酶调控家蚕前中部丝腺糖代谢的作用机理研究

Researches about the silk gland (SG) of silkworm Bombyx mori mainly focus on the development of SG, expression and protein synthesis of silk protein genes and SG bioreactor, while it is very weak about other functional proteins existing in SG by far. A novel animal β-fructofuranosidase (β-FFase)-encoding gene BmSuc1 was first cloned and identified from B. mori, which is abundantly expressed in larval midgut and anterior and middle SG. However, function of β-FFase in vivo is still not clear. As carbon and energy sources, timely transportation and reasonable deployment of sugar nutrients are important physiological process for increasing silk proteins synthesis and improving silk structure and characters. Our recent studies showed that BmSuc1 plays an essential role in the sucrose hydrolysis and glycogen storage for silkworm larvae. Based on these new findings, in this project, we plan to reveal β-FFase’s roles in anterior and middle SG as both sucrase and glycosyltransferase by transgenic RNAi, omics correlation analysis and general biochemistry and molecular biology tools. We will mainly investigate the molecular mechanism how β-FFase controls sugar metabolism, affects glycolysis pathway and takes part in the glycosylation of sericin proteins in anterior and middle SG. Additionally, molecular function of β-FFase in the processes of silk protein assembling, transporting and spinning through participating in energy metabolism will be studied there. Theoretically speaking, our achievements in this project will contribute to better understanding the effects of sugar and energy metabolism in SG on the silk protein synthesis and silk structure and property.

家蚕丝腺的研究主要集中在丝腺的发育、丝蛋白基因的表达及生物反应器，对于丝腺其他功能性蛋白的研究进展缓慢。BmSuc1是首个被克隆和鉴定的动物型β-呋喃果糖苷酶(β-FFase)，在家蚕幼虫的中肠组织、前中部丝腺高量表达，然而其在体内的生物学功能尚不明确。作为碳源和能源的糖类营养的及时输送和合理调配是提高丝蛋白合成效率，改善茧丝结构和性质的重要生理过程。我们的近期研究表明BmSuc1对蚕体的蔗糖水解和糖原贮存具有主导作用，在此基础之上，本项目拟利用转基因RNAi、组学关联分析及生物化学与分子生物学等技术，从蔗糖水解酶和糖基转移酶两方面揭示β-FFase在前中部丝腺组织调节糖类代谢、影响糖酵解途径及参与丝胶蛋白糖基化的作用机制，鉴定β-FFase在丝蛋白合成等耗能过程参与能量代谢的分子功能。本项目所取得的研究成果为阐明家蚕丝腺糖类代谢和能量代谢对丝蛋白合成及茧丝结构性质的影响效应提供理论依据。

家蚕丝腺的研究主要集中在丝腺的发育、丝蛋白基因的表达及生物反应器，对于丝腺其他功能性蛋白的研究进展缓慢。BmSUC1是首个被克隆和鉴定的动物型β-呋喃果糖苷酶(β-FFase)，在家蚕幼虫的中肠组织、前中部丝腺高量表达，然而其在丝腺组织中的生物学功能尚不明确。本项目针对这一科学问题，以转基因基础品系Nistari、转基因RNAi-BmSuc1以及CRISPR/Cas9-BmSuc1家蚕为研究材料，主要开展了4个方面的研究工作：1）β-FFase在前中部丝腺的表达模式和催化活性分析；2）β-FFase对糖代谢的调控作用；3）丝腺糖代谢、能量代谢的多组学关联分析及关键基因、蛋白质和代谢物的鉴定；4）β-FFase与丝胶蛋白的表达、丝胶蛋白糖基化及茧丝结构和性质的功能关系。主要研究结果如下：1）BmSuc1在丝腺中的表达模式与丝腺的增长速率一致，说明BmSUC1丝腺中的功能可能与丝腺的发育相关；前中部丝腺组织中不存在α-葡萄糖苷酶，仅存在β-呋喃果糖苷酶，且前中部丝腺内腔蛋白具有果糖基转移酶活性，推测BmSUC1在丝腺组织中除了具有水解蔗糖的功能，可能还具有与糖基转移酶活性相关的功能。2）多组学联合分析发现，大量差异表达基因、蛋白质和代谢物在糖代谢相关途径中最为富集，包括氧化磷酸化、磷酸戊糖途径、丙酮酸代谢和糖酵解/糖异生途径；根据对所得差异组分及其相关蛋白的功能分析，结合其在糖代谢相关代谢通路中的位置，绘制了BmSuc1对丝腺糖代谢调控作用的机制预测图。3）BmSUC1缺失导致前中部丝腺组织中部分丝胶蛋白1 (Ser1) 的分子质量降低，茧丝中丝胶含量降低，进而影响了茧丝的品质和稳定性。综上，本项目阐明了BmSUC1通过参与糖代谢相关过程，影响家蚕丝腺组织中的能量供应；揭示了BmSUC1参与Ser1蛋白的合成，在维持茧丝纤维中丝胶蛋白含量的稳态以及丝纤维的力学性能中发挥重要作用，为今后深入研究丝蛋白合成、组装与分泌过程的糖代谢途径及其分子调控机制提供重要的理论依据。