单细胞空间技术探秘动物世界连载[2]：揭开蛛丝的秘密

尽管我们不想扫蜘蛛侠所有粉丝的兴，但人类目前还无法编织这些蜘蛛网——无论是用于医疗、商业还是超级英雄电影。大自然在这一点上做得最好。

不过，在单细胞和空间转录组学技术的帮助下，科学家正在确定一个神奇物种产丝的分子机制，这个物种就是产金丝的棒络新妇蜘蛛（Trichonephila clavata），又被贴切地称为金丝圆蛛。

对金丝圆蛛的产丝器官（大壶状腺）的细胞组成和结构排布的详细了解，再加上关于超强蛛丝物理和材料特性的现有知识，有望为人类提供信息，帮助我们根据自身的需求（比如从屋顶上纵身跃下）来生产经过优化的合成丝(1)。

蜘蛛大壶状腺，而不是蜘蛛侠，才是生产蛛丝的超级英雄

中国西南大学的科学家团队近日在《Nature Communications》杂志上发表论文(1)，介绍了对金丝圆蛛的大壶状（Ma）腺的多组学研究。这个腺体可帮助蜘蛛生产牵引丝，蜘蛛可利用这种丝来编织令人害怕的圆形蛛网，甚至进行飞航（ballooning），这是他们空中旅行的一种方式(1,2)。

棒络新妇蜘蛛的丝腺形态学。改编自Hu W等人的图1g和图2a (1)。知识共享许可协议4.0。

大壶状腺由三个不同区段组成：尾部、囊腔和导管。利用批量细胞RNA-seq，研究团队表征了每一段的转录特征，希望以此来追踪牵引丝28个蛋白成分的来源，并确定蛛丝生产的分子机制。根据转录组和蛋白质组分析结果，他们发现尾部和囊腔作为泌丝的主要区段有着相似的分子功能。具体来说，尾部富含与有机酸合成相关的基因，而囊腔富含与脂类合成相关的基因。导管中的基因则主要与离子（Ca2+和H+）交换和甲壳素（蜘蛛外骨骼的主要成分）合成有关(1)。

利用细胞和空间见解来探索蛛丝生产的机制

为了建立蛛丝生产的细胞机制，研究团队使用Chromium单细胞基因表达技术来鉴定组成大壶状腺的细胞类型。他们分析了9,349个细胞，并根据基因表达确定了10个分子功能不同的独特细胞群。其中一些细胞群包括大壶状腺起源细胞，以及负责生产蛛丝主要蛋白成分的多个细胞类型，这些细胞来源于尾部和囊腔区段。他们还鉴定出脂类合成细胞、甲壳素合成细胞和pH调节细胞等(1)。

研究团队随后对这些细胞群的发育轨迹进行排序，发现了从大壶状腺起源细胞开始的连续细胞群，这些起源细胞聚集在尾部，并分支形成另外两个主要区段——囊腔和导管。此外，利用Visium空间基因表达分析，他们还绘制了大壶状腺内各个细胞群的空间排布，重点放在分泌蛛丝蛋白的细胞。结果证实了它们定位在尾部和囊腔区段。

单细胞和空间转录组学（ST）数据的可视化，改编自Hu W等人的图4a-d(1)。a. 大壶状腺的细胞类型分析，具体分为10个细胞簇。白色圆圈中的数字代表细胞簇。b.全部9,349个大壶状腺细胞的拟时序分析。每个点代表一个细胞，细胞簇的颜色编码如（a）所示。黑色圆圈中的数字代表分支位置。c. 大壶状腺切片的苏木精/伊红染色以及空间转录组学（ST）数据点的无偏聚类。d. MaSp（蛛丝蛋白）家族中各个基因表达的UMAP和ST特征图。知识共享许可协议4.0。

将单细胞和空间数据集结合起来，研究团队能够进一步完善独特细胞簇的分子功能，并根据35个区段特异性基因表达特征的比对，将单细胞和空间转录组学细胞簇划分为“集合（set）”。这一功能图谱确定了单个细胞簇的特定功能，如细胞簇2已被证明在有机酸代谢过程和氧化还原酶活性中发挥作用，同时确定了它们在腺体组织的特定区域内的位置(1)。

这些详细的见解不仅从机理上解释了大壶状腺的发育过程，还解决了长期以来关于大壶状腺细胞组成的科学争论，包括独特细胞类型的数量，以及哪些细胞负责产生蛋白质，最终促成牵引丝达到惊人的强度和弹性。

揭开复杂动物和人类的生物学秘密

大自然不断带给我们惊喜和超越。随着科学家开始用高分辨率工具来深入探索复杂的生物学机制，这些机制造就了自然界中令人惊叹的特征（比如圆蛛编织的网），谁知道我们下一步会发现什么。无论是章鱼的照相机式眼睛、墨西哥蝾螈的神经再生，还是作为新兴模式生物的兔子的胚胎发育，这背后的生物学机制都值得我们去探索。

不过，不仅仅是自然界拥有不为人知的秘密。人类生物学以及它在发育和疾病过程中如何出错，也必须得到更多关注。单细胞和空间工具及其综合分析能力有着巨大的潜力，可支持新一轮的发现，并对转化医学和临床改进产生影响。

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本文基于如下10x博客生成：

https://www.10xgenomics.com/cn/blog/untangling-spider-silk-secrets-with-multidimensional-analysis

参考文献: 

1.Hu W, et al. A molecular atlas reveals the tri-sectional spinning mechanism of spider dragline silk. Nat Commun. 14: 837 (2023). doi: 10.1038/s41467-023-36545-6

2.Trichonephila clavata. Updated: March 23, 2023. https://a-z-animals.com/animals/joro-spider/

Social share image credit Micha L. Rieser. 

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