论文标题：Characterization of Spectrin Family Genes and Their Evolutionary Roles in Domestication and Breeding of the Silkworm Bombyx mori

论文链接：https://doi.org/10.3390/insects16060556

期刊名：Insects

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/insects

1. 研究背景

血影蛋白 (Spectrin) 因最先在红细胞血影膜 (Erythrocyte Ghost Membranes) 中被鉴定而得名，后来相继在神经、肌肉等非血红细胞组织中被鉴定到。这类蛋白对维持正常的细胞膜骨架至关重要。大多数血影蛋白由上千个氨基酸组成，蛋白编码序列在基因组上的跨度甚至能达到上百Kb，是名副其实的大蛋白。目前，它们的功能研究多集中于经典模式生物中，如果蝇、小鼠等。在非经典模式生物中，这些基因常因结构注释不完整或被注释为多个独立的基因片段而得不到较好的认识。这限制了在更广泛的物种中研究血影蛋白基因的功能和作用机制。

近期，西南大学资源昆虫高效养殖与利用全国重点实验室、农业农村部蚕桑生物学与遗传育种重点实验室代方银教授团队陆昆鹏博士等以血影蛋白基因家族 (Spectrin Gene Family) 为例，在家蚕 (Bombyx mori) 中对大蛋白编码基因进行鉴定和功能分析，为在非经典模式物种中研究大蛋白编码基因提供了可借鉴的方案，发现血影蛋白家族基因在家蚕驯化和品种改良过程中具有潜在作用。研究结果以“Characterization of Spectrin Family Genes and Their Evolutionary Roles in Domestication and Breeding of the Silkworm Bombyx mori”为题在 Insects 期刊上发表。

2. 研究过程与结果

•研究对象

家蚕是唯一被人类完全驯化的昆虫，也是研究鳞翅目昆虫的模式物种。本研究以家蚕为主要研究对象，鉴定家蚕基因组中的血影蛋白家族基因，分析该家族基因成员在家蚕驯化和改良过程中的作用。

•研究方法

在全基因组范围内，以Spectrin Repeat (SR) 为目标结构域，鉴定家蚕 (Bombyx mori)、果蝇 (Drosophila melanogaster)、小鼠 (Mus musculus)、人类 (Homo sapiens) 基因组中的血影蛋白家族基因，构建该家族基因的系统发育树，分析其在家蚕中的时空表达模式，在家蚕驯化、改良过程中的人工选择信号及其与家蚕茧丝产量的相关关系。

•研究结论

结论 1：在家蚕中鉴定到8个血影蛋白家族基因

通过全基因组扫描、基因结构优化、同源基因结构域比较等方法，在家蚕、果蝇、小鼠和人类基因组中分别鉴定到8、8、23和24个血影蛋白家族基因。在家蚕中分别将这些基因命名为BmSptbn5、BmMacf1、BmDys、BmBeta_spc、BmAlpha_spc、BmTrio、BmSyne1和BmActn。这些基因全部具有多个SR结构域，SR结构域数目最少的是BmActn基因 (4个)，最多的是BmSyne1 (54个)。它们还包含其他结构域，如Calponin Homology (CH)、Pleckstrin Homology (PH)、EF-hand Motifs (EFh) 等。

图1. BmMacf1、BmDys、BmSptbn5和BmSyne1优化前、后的基因结构和蛋白质结构域特征

结论 2：血影蛋白家族基因在物种间保守，在哺乳动物中发生了家族成员扩张

系统发生分析显示，血影蛋白家族基因在物种间是保守的。与昆虫相比，小鼠和人类的血影蛋白家族成员发生了扩张。如家蚕和果蝇中仅有基因1个Actn基因，而在小鼠和人类中存在4个Actn基因拷贝 (Actn1、Actn2、Actn3、Actn4)。

图2. 家蚕、果蝇、小鼠、人类血影蛋白家族基因的系统发生关系

结论 3：血影蛋白家族基因在家蚕的多个组织和时期表达

通过转录组分析了血影蛋白家族基因在家蚕17个组织 (生殖腺、表皮、血淋巴、丝腺等)，9个发育时期 (4龄3天至蛹7天) 的时空表达模式，结果显示，血影蛋白家族基因在家蚕的多个组织和时期均有表达，如BmBeta_spc在幼虫的精巢、卵巢、中肠及成虫的胸、头、腿、脂肪体等组织表达。

图3. 血影蛋白家族基因在家蚕中的时空表达模式

结论 4：BmTrio与家蚕驯化有关

群体遗传分析显示BmTrio基因区域有强烈的人工选择信号，该区域内鉴定到7350个SNPs、1161个InDels和7个Vs在野桑蚕与和家蚕地方种群体间存在显著分化，BmTrio在野桑蚕头部和中肠的表达显著高于家蚕，提示其可能参与蚕的行为驯化。

图4. BmTrio与家蚕驯化有关

结论 5：BmBeta_spc与家蚕茧丝产量有显著关联且可能贡献于杂种优势

本课题组前期研究已发现BmBeta_spc是中国实用种 (CHN-I) 改良的潜在靶点，本研究新鉴定到1945个SNPs、162个InDels、28个SVs在地方种和中国实用种亚群间有显著分化。关联分析显示该基因与茧丝产量有显著相关性，且在中国实用种丝腺中表达量显著高于地方种和日本实用种 (JPN-I)。

图5. BmBeta_spc基因与家蚕茧丝产量有显著关联

中国实用种和日本实用种是一对存在强杂种优势的组合，BmBeta_spc基因在中国和日本实用种两亚群间存在显著分化。杂交种“菁松×皓月”是蚕业生产上常用的杂交组合，菁松为中国种，皓月为日本种，两亲本的杂交F1代在茧丝产量上表现出较强的杂种优势。分析发现在该基因区域中菁松和皓月的变异具有显著分化，单倍型分布在两个不同的单倍型网络中。在表达模式上，杂交种在5龄3天的表达水平与亲本菁松相当，且显著高于亲本皓月，符合显性效应的杂种优势遗传模型。这表明BmBeta_spc基因可能对家蚕产丝量的杂种优势有贡献。

图6. BmBeta_spc家蚕产丝量的杂种优势有潜在贡献

3. 研究总结

通过生物信息学手段鉴定并优化了家蚕的8个血影蛋白家族基因，系统发生分析显示该家族基因在家蚕、果蝇、小鼠、人类4个物种中保守，且在小鼠和人类中发生了家族成员扩张。转录组分析表明家蚕的血影蛋白家族基因具有广泛的组织和时空表达模式。群体遗传、转录组、qPCR联合分析发现BmTrio与家蚕驯化有关，BmBeta_spc与家蚕茧丝产量呈显著关联且对产丝量的杂种优势有潜在贡献。

原文信息

西南大学资源昆虫高效养殖与利用全国重点实验室/农业农村部蚕桑生物学与遗传育种重点实验室/蚕桑纺织与生物质科学学院为论文第一署名单位，青年教师陆昆鹏博士为论文第一作者，代方银教授为论文通讯作者。本研究由国家自然科学基金项目、重庆市自然科学基金创新群体项目等提供资助。