深海双壳贝类壳基质蛋白生物矿化功能的演化与环境适应特性取得新进展

发布时间：2025-02-28 作者：【小中大】

近日，中国科学院南海海洋研究所海洋生物技术与遗传学科组何毛贤团队在海马冷泉深海贝类生物矿化机制研究中获得新进展。

相关成果"Proteomics of the shell matrix proteins and functional analysis of Am13 and AmKaSPI from the shell of Archivesica marissinica"（硕士研究生刘冬婷、林泳仪为共同第一作者，副研究员石禹为通讯作者）和"Proteomic and functional analysis of the shell matrix proteins and the multifunctional Gh26 regulates biomineralization in the Gigantidas haimaensis" (硕士研究生刘冬婷、李沛霖为共同第一作者，副研究员石禹为通讯作者)近日在International Journal of Biological Macromolecules上正式发表。

处于海底极端环境的冷泉，深度超过550m，具有黑暗、低温、低pH、高压、富含锰、铁、锌、铜等重金属、高浓度的甲烷和硫化氢等众多不利于生物生存的环境特征，实则却具有非常丰富的生物多样性，软体动物门、节肢动物门和环节动物门大约构成了冷泉区90%以上的生物种类，其中，有壳的大型底栖贝类的种类最多、分布最为广泛。深海海马偏顶蛤（Gigantidas haimaensis）和中国海伴溢蛤(Archivesica marissinica)是海马冷泉活动区的主要优势种之一。贝壳的形成是贝类生长发育的重要组成部分，与生物矿化有关，而生物矿化中最受关注的问题之一，是少量的有机质如何调控无机离子有序沉积到固相，有机质中的壳基质蛋白（Shell matrix protein，SMP）被认为是调控这些结构形成的关键因素，因而研究SMP的特点、功能、调控作用对于了解贝壳生物矿化的原理有重要意义。以往SMPs的研究主要聚焦于浅海软体动物，对深海贝类的SMP认知还非常有限。

研究团队揭示，海马大偏顶蛤的壳具有独特的六层结构，且珍珠层由整块的文石构成，这与浅海软体动物的结构存在显著差异（图1）。利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术分析海马大偏顶蛤的贝壳，鉴定出231种SMPs。通过与13种浅海贝类的SMPs比对发现了两个保守的SMPs（SMP-1和Pif-like），暗示生物矿化功能的保守性。此外，研究还发现了一种特有的SMP命名为Gh26。体外结晶实验表明Gh26重组蛋白能同时与文石和方解石结合，抑制文石和方解石的结晶，起负调控作用。同时在文石结晶体系中高浓度的Gh26可以诱导方解石成核并抑制文石成核（图2）。揭示了Gh26在调节晶体形态上的多功能性。

图1 深海海马大偏顶蛤贝壳微观结构

图2 Gh26重组蛋白体外调控方解石、文石结晶形成

中国海伴溢蛤的外壳由文石片或微颗粒聚成复杂的不规则结构，分半透明内壳与非透明外壳，均多层叠合。内壳层由文石针状垂直交错结构与粒状均质结构组成，且均质层中嵌有两层薄肌棱柱层。横截面显“菊花”样六角文石片堆叠，有黑洞和缝隙。外壳层为不同大小文石颗粒均质结构（图3）。在本研究中，鉴定出266种SMPs，并通过和13种浅海贝类SMPs的比较发现了两种核心的保守SMPs（AmSMP1和Pif-like），暗示了生物矿化功能的保守性。同时通过转录组和蛋白组序列比对，研究发现了一种特异性的SMP，命名为Am13，以及一种具有Kazal结构域的高度表达的SMP，命名为AmKaSPI。通过体外结晶实验发现Am13负调控方解石形成，正向调控文石形成，同时在高浓度下抑制文石晶体大小生长。AmKaSPI通过增强成核和聚集以及诱导CaCO3晶体的形态变化，积极调节方解石和文石的形成，同时能促进方解石形态变化，形成十字星形结构（图4）。这可能是SMP形成“菊花”状棱柱层的关键。

图3 中国海伴溢蛤贝壳微观结构

图4 AmKaSPI重组蛋白体外调控方解石、文石结晶形成

本研究揭示了两种深海贝类壳基质蛋白的组成，发现了保守性的核心SMP，解析了特异性SMP的矿化调控机制，研究结果不仅有助于深入理解深海贝类的环境适应机制，深化对极端环境生物适应性的认知，填补深海生物极端环境适应的矿化理论空白，还为深海资源开发、海洋环境保护及生物医学应用提供了理论支撑与技术储备，具有显著的科学与战略价值。

该研究得到了广东省自然科学基金青年提升项目、广东省基础和应用基础研究重大专项和广东省科技计划项目的联合资助。