天津大学袁文肃/林志最新PNAS

壶腹状蛛丝是一种极其强韧且富有弹性的蛋白纤维，蜘蛛主要利用其包裹猎物并构建卵囊内层。尽管壶腹状丝与卵壳丝的成丝机制已被广泛研究，但壶腹状蛛丝蛋白AcSp1自组装的分子机制仍不明确。

2025年10月8日，天津大学袁文肃和林志共同通讯在PNAS（IF=9.4）在线发表题为“Intrinsically disordered linkers and terminal domains codriveaciniformspidroinself-assembly through liquid–liquid phase separation”的研究论文。该研究发现，AcSp1中天然无序的连接区通过溶液中的液-液相分离在驱动蛛丝蛋白组装过程中发挥关键作用。其N端结构域（NTD）在生理pH范围（5.0至7.0）内呈现不依赖pH的二聚化，并随浓度增加发生四聚化转变。

AcSp1-NTD的四级结构显示出由疏水作用与静电相互作用共同介导的层级组装过程，该过程可显著增强无盐及含盐溶液中的相分离现象。基于此机制启示，作者开发出全水性纺丝技术，成功制备出具有优异延展性与韧性的仿生壶腹状纤维。本研究揭示了一种关键分子策略，不仅深化了对蛛丝蛋白多样化组装机制的理解，更为设计与制备高弹性、高韧性丝基生物材料奠定了理论基础。

蜘蛛丝代表了一类卓越的半结晶生物材料，其力学性能通常超越众多合成纤维。这类纤维生物材料通过称为蜘蛛丝蛋白（spidroins）的特化蛋白质经复杂组装而形成。蜘蛛丝共有六种不同类型及一种黏性丝胶，分别承担从网构建到猎物捕获等特定功能。这些丝蛋白的力学性能显著多样，兼具优异的拉伸强度、显著延展性及卓越韧性，共同彰显了蜘蛛丝作为一种天然材料的高度精密性。

基因组与转录组分析揭示了蜘蛛物种中存在丰富的丝蛋白基因库。这些系统研究识别了与不同丝性能相关的丝蛋白组成及表达模式的种属特异性变异。在拖丝蛋白中，已明确介导末端结构域组装的保守机制，而在管状丝与葡萄状丝蛋白中则观察到不同的组装过程。生物化学与分子生物学研究亦阐明，蜘蛛丝通常由多种丝蛋白共同纺出，根据其在最终纤维性能中的相对丰度与结构贡献，可分为主要与次要丝组分。

主要丝组分的典型特征为包含多个重复结构域（RP）或基序，两端分别由非重复性末端结构域——N端结构域（NTD）与C端结构域（CTD）——所 flank。其整体结构进一步表现为存在长度不一的多重天然无序连接区（LK），这些连接区在蛋白质柔性及丝组装动态过程中发挥关键作用。与主要丝组分保守的结构相比，次要丝组分在分子结构上表现出显著变异性。此类异质性具有高度种属特异性，且在不同丝类型间差异明显，反映了不同蜘蛛丝功能的多样化需求。

重复域的结构（图片源自PNAS）

丝腺内丝蛋白的精密协调存储与加工过程堪称智能设计的杰作。这些蛋白质通过形成类胶束结构及液-液相分离（LLPS）维持在亚稳态。LLPS是一种由多价交互作用驱动、蛋白质与其他生物分子从周围溶液中分离形成无膜动态液滴状凝聚体的过程。与淀粉样纤维等不可逆组装不同，LLPS凝聚体保持液体样特性，并允许组分与环境因素快速交换。在这些浓缩液滴内部及丝腺的限域环境下，丝蛋白可进一步采取液晶状组织，浓度超过30%（w/v）。这一层级化组织发生在精确控制的生理条件下，特别是中性pH环境并存在氯化钠（NaCl）及其他离子的情况中。作为蛋白质合并与纤维形成之间的关键中间阶段，丝腺使蜘蛛能够维持丝蛋白的即时供应，其状态既保持稳定性，又具备在需要时快速发生可控组装形成高性能纤维的能力。理解这些复杂相行为与结构转变对于基础研究及试图在合成系统中复刻蜘蛛丝生产的生物技术应用均具有重要意义。

对主要壶腹丝蛋白（MaSp）及其微型丝蛋白的结构研究揭示了各结构域与基序在丝形成中的不同功能。MaSp1-NTD在中性pH下主要保持单体状态，并在较低pH（约5.0–6.0）下发生快速二聚化，该过程对防止过早聚集及实现丝腺内丝蛋白快速自组装至关重要。与之不同，MaSp-CTD在pH 7.0下为稳定二聚体，并与无序区协同驱动磷酸盐诱导的LLPS。对次要壶腹丝蛋白（MiSp）的研究亦表明MiSp可自组装成液滴，凸显了无序区与折叠RP结构域均易发生聚集的特性及其在LLPS中的关键作用。

然而，尽管末端结构域部分保守，六类蜘蛛丝的氨基酸（aa）序列仍表现出显著变异性，提示不同丝蛋白可能具有独特的纤维形成机制。来自棒络新妇（N. an.）的管状丝蛋白1（TuSp1）的自组装与链排列可被次要卵囊丝组分TuSp2通过RP结构域间的交互作用显著促进。来自N. an.的葡萄状丝蛋白（AcSp）N端结构域在盐浓度由高至低降低的条件下展示出组装成大分子寡聚体（而非形成二聚体）的能力。然而，丝蛋白存储与丝形成过程中AcSp1组装的結構机制仍鲜为人知。

本文中，作者研究了来自黑寡妇蜘蛛（Latrodectus hesperus, L. he）葡萄状丝蛋白的自组装行为。作者发现，尽管AcSp1-RP结构域在溶液中保持单体状态，天然无序连接区在通过LLPS驱动葡萄状丝蛋白组装中起关键作用。与MaSp和MiSp的NTD不同，AcSp1-NTD在pH 5.0至7.0范围内表现出不依赖pH的二聚化，并能够继发地以浓度依赖性方式寡聚化为四聚体，从而增强丝蛋白的LLPS。最后，作者设计了一种全水性纺丝方法，用于生产具弹性与韧性的人工葡萄状丝纤维。

https://doi.org/10.1073/pnas.2510216122