一作兼唯一通讯！研究“牙齿”，发了一篇Science，仿生材料设计新思路！

石鳖牙齿矿化机制揭秘

自然界生物矿化现象一直是材料科学的重要研究方向，但石鳖（chiton）牙齿中铁氧化物沉积的分子机制数十年来悬而未决。这种海洋软体动物通过含磁铁矿的齿尖刮食岩石表面藻类，其牙齿耐磨性甚至超越人造氧化锆材料。此前研究表明，牙齿形成需经历从水铁矿到磁铁矿的矿化转变，且该过程受上皮细胞精密调控，然而调控铁沉积的关键蛋白及其作用原理始终未知。

日本冈山大学Michiko Nemoto副教授（一作兼唯一通讯）团队首次发现，石鳖齿舌基质蛋白1（RTMP1）是控制牙齿铁氧化物沉积的核心因子。该蛋白在矿化启动阶段通过微绒毛运输至甲壳素纤维表面，通过时空特异性引导增强氧化铁沉积，最终形成兼具硬度与韧性的多层齿尖结构。这一发现为理解生物如何调控铁代谢制造超硬材料提供了分子基础。相关论文以“Radular teeth matrix protein 1 directs iron oxide deposition in chiton teeth”为题，发表在Science上。

通过跨物种转录组分析（图1），研究人员在四种石鳖中鉴定出22种矿化齿尖特异性蛋白，其中RTMP1表现出显著的石鳖特异性。序列分析显示，所有RTMP1同源物均含信号肽和高比例丝氨酸（>18.9%），且存在保守的色氨酸残基（与甲壳素结合相关）。有趣的是，日本棘石鳖的AJRTMP1虽缺乏甘氨酸/组氨酸富集域，却拥有独特的天冬氨酸富集域，暗示物种间调控差异。

图1：齿舌组织转录组比较证实RTMP1为石鳖特异性蛋白 (A) 本研究所用石鳖物种（上排：整体形态；下排：牙齿显微结构） (B) RNA测序实验设计示意图 (C) 四种石鳖共享及特有同源蛋白群分析（红色：全部共有；紫色：草食种共有；蓝色：三尖齿型共有） (D) 矿化齿尖特异性蛋白同源物表达热图 (E) RTMP1一级结构示意图（氨基酸单字母代码标注） (F) RTMP1氨基酸组成对比（含信号肽全序列分析） (G) IUPred预测的RTMP1无序区域

免疫定位实验（图2）揭示RTMP1的精确工作时相：在矿化启动期（齿序#-3至#-1），该蛋白于上皮细胞高表达并定位于齿尖前沿。Western blot检测显示其表达峰值出现在矿化第二阶段（水铁矿沉积期）。当齿尖前沿开始沉积氧化铁（齿序#0）后，蛋白转向齿根侧上皮细胞分泌，并通过微绒毛持续输入齿尖内部（图3）。共聚焦显微镜证实，RTMP1沿微丝骨架（F-actin）分布，在矿化前沿形成线性定位模式。

图2：AJRTMP1在牙齿成熟过程中的定位 (A) 日本棘石鳖齿舌不同成熟阶段牙齿 (B) 牙齿基底结构示意图（含齿尖、连接区、基部及膜结构） (C) 蛋白质SDS-PAGE电泳与(D) Western blot结果（显示AJRTMP1在阶段2上皮细胞及阶段3矿化齿尖富集） (E) 免疫荧光定位（a-g：明场；h-n：荧光；白色箭头指示齿尖定位；底部图表为荧光强度分布）

图3：日本棘石鳖齿舌组织多重免疫荧光染色 (A) 纵/横截面样本制备 (B) 齿序（蓝色：细胞核；红色：微丝；绿色：AJRTMP1） (C) 齿序#-1共聚焦成像（白色箭头示蛋白定位于微丝间隙；右侧图表为荧光分布） (D) 齿序#-2至#0横截面共聚焦成像（底部模型示矿化过程中蛋白定位向齿根侧偏移） (E) 体外矿化实验（a-c,f-h：STEM明场像；d-e,i-j：氧/铁元素分布图）

功能验证实验（图4）证实RTMP1的双重作用：重组CsRTMP1蛋白既能结合甲壳素纳米纤维，又能通过富甘氨酸重复域结合铁离子。体外矿化体系中，该蛋白引导形成直径27-53纳米的非晶态铁氧颗粒。当使用SDS去除天然牙齿中的蛋白后，铁沉积效率显著降低。基因敲低实验进一步证实，抑制AJRTMP1表达会导致后续齿序（-#3）矿化进程停滞。

图4：重组CsRTMP1的铁离子结合与氧化铁沉淀活性 (A) 重组蛋白结构示意图 (B) 甲壳素结合实验（WGA为阳性对照） (C) 普鲁士蓝染色检测铁结合能力（铁蛋白为阳性对照） (D) 氧化铁形成实验设计 (E) 甲壳素纤维表面纳米颗粒表征（STEM/SEM图像及铁/氧/磷元素分布）

基于上述发现（图5），研究团队提出四步调控模型：1）未矿化阶段，RTMP1锚定齿尖甲壳素纤维；2）水铁矿通过蛋白-铁离子相互作用沉积；3）矿化前沿形成后，新蛋白从齿根侧输入，推动矿化层向后延伸；4）成熟阶段水铁矿转化为磁铁矿。该过程成功解释了石鳖牙齿如何实现梯度矿化与自修复能力。

图5：RTMP1调控石鳖牙齿铁氧化物沉积的模型 步骤1：RTMP1分泌并锚定未矿化齿尖（齿序#-3至#-1） 步骤2：铁蛋白释放铁离子，以RTMP1为模板沉积水铁矿（齿序#0） 步骤3：新蛋白从齿根侧输入，推动矿化层向后延伸（齿序#0+） 步骤4：成熟齿尖中水铁矿转化为磁铁矿

这项研究破解了困扰学界数十年的生物矿化谜题，证实RTMP1是石鳖建造"活体铁锤"的核心分子蓝本。其通过降低成核能垒、引导铁离子有序沉积的机制，不仅深化了对生物铁代谢的理解，更为设计新型仿生耐磨材料提供了理论依据。未来研究将聚焦于铁氧化物从非晶态向晶态转变的调控机制，以及磷酸化修饰对蛋白功能的精确调控作用。

来源：高分子科学前沿

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