近日，中國科學院南海海洋研究所海洋生物技術與遺傳學科組何毛賢團隊在海馬冷泉深海貝類生物礦化機制研究中獲得新進展。
相關成果"Proteomics of the shell matrix proteins and functional analysis of Am13 and AmKaSPI from the shell of Archivesica marissinica"（碩士研究生劉冬婷、林泳儀為共同第一作者，副研究員石禹為通訊作者）和"Proteomic and functional analysis of the shell matrix proteins and the multifunctional Gh26 regulates biomineralization in the Gigantidas haimaensis"(碩士研究生劉冬婷、李沛霖為共同第一作者，副研究員石禹為通訊作者)近日在International Journal of Biological Macromolecules上正式發表。
處于海底極端環境的冷泉，深度超過550m，具有黑暗、低溫、低pH、高壓、富含錳、鐵、鋅、銅等重金屬、高濃度的甲烷和硫化氫等眾多不利于生物生存的環境特征，實則卻具有非常豐富的生物多樣性，軟體動物門、節肢動物門和環節動物門大約構成了冷泉區90%以上的生物種類，其中，有殼的大型底棲貝類的種類最多、分布最為廣泛。深海海馬偏頂蛤（Gigantidas haimaensis）和中國海伴溢蛤(Archivesica marissinica)是海馬冷泉活動區的主要優勢種之一。貝殼的形成是貝類生長發育的重要組成部分，與生物礦化有關，而生物礦化中最受關注的問題之一，是少量的有機質如何調控無機離子有序沉積到固相，有機質中的殼基質蛋白（Shell matrix protein，SMP）被認為是調控這些結構形成的關鍵因素，因而研究SMP的特點、功能、調控作用對于了解貝殼生物礦化的原理有重要意義。以往SMPs的研究主要聚焦于淺海軟體動物，對深海貝類的SMP認知還非常有限。
研究團隊揭示，海馬大偏頂蛤的殼具有獨特的六層結構，且珍珠層由整塊的文石構成，這與淺海軟體動物的結構存在顯著差異（圖1）。利用液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）技術分析海馬大偏頂蛤的貝殼，鑒定出231種SMPs。通過與13種淺海貝類的SMPs比對發現了兩個保守的SMPs（SMP-1和Pif-like），暗示生物礦化功能的保守性。此外，研究還發現了一種特有的SMP命名為Gh26。體外結晶實驗表明Gh26重組蛋白能同時與文石和方解石結合，抑制文石和方解石的結晶，起負調控作用。同時在文石結晶體系中高濃度的Gh26可以誘導方解石成核并抑制文石成核（圖2）。揭示了Gh26在調節晶體形態上的多功能性。
圖1 深海海馬大偏頂蛤貝殼微觀結構
圖2 Gh26重組蛋白體外調控方解石、文石結晶形成
中國海伴溢蛤的外殼由文石片或微顆粒聚成復雜的不規則結構，分半透明內殼與非透明外殼，均多層疊合。內殼層由文石針狀垂直交錯結構與粒狀均質結構組成，且均質層中嵌有兩層薄肌棱柱層。橫截面顯“菊花”樣六角文石片堆疊，有黑洞和縫隙。外殼層為不同大小文石顆粒均質結構（圖3）。在本研究中，鑒定出266種SMPs，并通過和13種淺海貝類SMPs的比較發現了兩種核心的保守SMPs（AmSMP1和Pif-like），暗示了生物礦化功能的保守性。同時通過轉錄組和蛋白組序列比對，研究發現了一種特異性的SMP，命名為Am13，以及一種具有Kazal結構域的高度表達的SMP，命名為AmKaSPI。通過體外結晶實驗發現Am13負調控方解石形成，正向調控文石形成，同時在高濃度下抑制文石晶體大小生長。AmKaSPI通過增強成核和聚集以及誘導CaCO3晶體的形態變化，積極調節方解石和文石的形成，同時能促進方解石形態變化，形成十字星形結構（圖4）。這可能是SMP形成“菊花”狀棱柱層的關鍵。
圖3 中國海伴溢蛤貝殼微觀結構
圖4 AmKaSPI重組蛋白體外調控方解石、文石結晶形成
本研究揭示了兩種深海貝類殼基質蛋白的組成，發現了保守性的核心SMP，解析了特異性SMP的礦化調控機制，研究結果不僅有助于深入理解深海貝類的環境適應機制，深化對極端環境生物適應性的認知，填補深海生物極端環境適應的礦化理論空白，還為深海資源開發、海洋環境保護及生物醫學應用提供了理論支撐與技術儲備，具有顯著的科學與戰略價值。
該研究得到了廣東省自然科學基金青年提升項目、廣東省基礎和應用基礎研究重大專項和廣東省科技計劃項目的聯合資助。
相關論文信息：
Dongting Liu#,Yongyi Lin#,Maoxian He,Yu Shi*,Proteomics of the shell matrix proteins and functional analysis of Am13 and AmKaSPI from the shell of Archivesica marissinica. International Journal of Biological Macromolecules,2025,288: 138767.
Dongting Liu#,Peilin Li#,Maoxian He,Yu Shi*,Proteomic and functional analysis of the shell matrix proteins and the multifunctional Gh26 regulates biomineralization in the Gigantidas haimaensis. International Journal of Biological Macromolecules,2025,305: 140871.
文章鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39675600/
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39952539/
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