スピドロイン

スピドロインはクモ糸の主なタンパク質です。異なるタイプのクモ糸には異なるスピドロインが含まれており、それらはすべて単一のタンパク質ファミリーのメンバーです。^[1]最も研究されているスピドロインのタイプは、最も強力なタイプのクモ糸であるドラッグラインシルクの構築に使用される主要なアンプルレートシルクタンパク質（MaSp）です。ドラッグラインシルク繊維は、当初、スピドロイン1（MaSp1）とスピドロイン2（MaSp2）の2種類のスピドロインで構成されていると考えられていましたが、1000種を超えるクモの最近のトランスクリプトーム分析により、複数のスピドロインが発現していることが明らかになり、はるかに複雑になっています。^{[2] [3] [4]}

スピドロインは、硬化タンパク質と呼ばれるタンパク質の大きなグループの一部です。このグループには、コラーゲンやケラチンなどの他の不溶性構造タンパク質も含まれます。

ドラッグラインスピドロインの繊維は鋼鉄の繊維と同じくらい太く耐久性がありますが、より柔軟です。元の長さの約135%まで伸ばしても切れません。その特性により、さまざまな科学分野での使用に最適です。^[5]

大瓶状スピドロインは、平均3500個のアミノ酸を含む、250 ～350 kDaの大きなタンパク質です。これらは、主に高度に均質化されたタンデムリピートに基づいたポリマー組織を表しています。配列を繰り返す30～40個のアミノ酸の100個のタンデムコピーがあり、タンパク質配列の90％以上を占めています。^[6]これらのタンパク質で最も豊富なアミノ酸は、アラニンとグリシン残基です。アラニンは、 βシートを形成する6～14個のブロックで存在します。これらのアラニンブロックは積み重ねて繊維内に結晶構造を作り、異なるタンパク質分子を互いに結合することができます。グリシンは、GGXやGPGXX（X = A、L、Q、またはY）などのさまざまなモチーフに存在し、特定の二次構造（それぞれ3 10ヘリックスとβスパイラル）も持っています。グリシンが豊富な領域はよりアモルファスで、伸長性と柔軟性に貢献しています。スピドロイン1 とスピドロイン2 (最も重要な大瓶状スピドロイン)の間に見られる違いには、プロリン含有量 (前者では非常に低いが後者では有意) とモチーフがあります。モチーフ (GGX)n はスピドロイン1 に特徴的であり、GPG と QQ はスピドロイン2 に典型的です。           

一方、スピドロインは、それぞれ約 150 個と 100 個のアミノ酸からなる非反復アミノ (N) 末端ドメインとカルボキシル(C) 末端ドメインを持っています。N 末端ドメインと C 末端ドメインは、どちらもセリンが豊富で、どちらも両親媒性のα ヘリックス二次構造であることを除いて、ほとんど類似点がありません。これらのドメインは、スピドロイン1 と 2 の間だけでなく、多くの種類の絹やクモの種の間でも保存されています。実験データによると、N 末端ドメインと C 末端ドメインは繊維の組み立てに寄与しています。^[7] C末端ドメインは、紡糸中に可溶性のスピドロイン溶液から不溶性の繊維への組織化された移行に関与しています。^[8] N 末端ドメインには、絹腺細胞からのスピドロイン分泌を制御するシグナルペプチドがあります。 ^{[9] [10]}   

クモは一匹で多数の種類の糸を紡ぎ、それぞれの種類は独自の腹部絹糸腺から出ている。この複雑な糸の仕組みにより、クモは特定のタスクに特化した糸（例えば、巣の組み立て、卵嚢の構築、獲物の包み込みなど）を使用することができる。^[10]異なる種類の糸（大膨大糸、小膨大糸、鞭毛状糸、腺房状糸、管状糸、梨状糸、凝集糸）^[11]は、異なる種類のタンパク質から構成されている。

引き糸は主にスピドロインタンパク質によって形成される。これは大瓶状糸の一種で、大瓶状腺で生成される。引き糸は球状の巣の外枠と半径を構成するだけでなく、クモが捕食者から逃れたり逃げたりできるように垂れ下がる命綱としても使用される。^[12]この糸を生成する大瓶状腺は、中央の袋（Bゾーン）とその両側の尾（Aゾーン）と出口に向かう管の3つの主要部分から構成される。尾は、糸繊維を構成するタンパク質分子を含む溶液である「紡糸ドープ」のほとんどを分泌する。袋は主な貯蔵庫である。

A ゾーンの上皮は、分泌顆粒が詰まった単一タイプの分泌細胞の長い柱で構成されています。フィブロイン溶液を分泌するこれらの細胞の主成分は、スピドロイン I とスピドロイン II というポリペプチドを含む 275kDa のタンパク質です。これらの細胞から出るものは、約 50% のタンパク質 (主にスピドロイン) を含む水性で非常に粘性の高い溶液です。分泌された産物は、主な構造であるドラグライン シルクを構成します。

この高粘度のタンパク質エマルジョンは、糖タンパク質で覆われた B ゾーンに流れ込みます。このバッグから出た液体は、狭いダクトに流し込まれます。ゼラチン状のタンパク質溶液がダクトに流れ込むと、一体化したスピドロインと糖タンパク質は、流れの方向に沿って細長い形に徐々に変形します。その後、それらは引き伸ばされ、最終的に強力な分子間リンクを形成できるような形で整列します。さまざまなプロセスの後、シルクは紡糸チャネル内で引き伸ばされ、非常に丈夫な糸を形成します。

過去 10 年間、スピドロイン タンパク質とクモの糸に関する研究が盛んに行われ、その弾力性や強度などの特性を活用することが試みられてきました。クモの糸はさまざまな業界で使用されており、バイオメディカルにおける応用範囲は日々拡大しています。たとえば、軍事産業や防衛産業では、この繊維で作られた防弾チョッキが使用されています。

組み換えスピドロインは、遺伝子配列の長さのために手順に多少の困難があったものの、真核細胞と原核細胞の両方でうまく得られました。発現とクローニング作業のおかげで、スピドロインの大規模生産が可能になり、新しいバイオマテリアルの製造に新たな機会がもたらされました。^[13]組み換えジョロウグラインタンパク質を大量に発現する遺伝子組み換えタバコとジャガイモの植物を生成する試みが行われてきました。^[14]

さらに、スピドロインから開発された繊維は、試験管内、細胞培養、豚などの動物の体内で許容され、これらの繊維に対して炎症反応や身体反応の兆候は見られませんでした。これらの結果は、これらの繊維が生体適合性の問題のリスクなしに医療に使用できることを示唆しており、組織工学や再生医療の分野で多くの新しい機会につながる可能性があります。

クモがミセル中にスピドロインを生産する方法は、組み換えタンパク質を大量生産する方法にインスピレーションを与えました。生産するタンパク質にスピドロインN末端ドメインのpH非感受性、電荷反転変異体を融合することで、大腸菌でより可溶性のタンパク質を生産することができます。^[15]

他の種類のクモ糸に含まれるシルクタンパク質も、スピドロインと呼ばれることがあります。これらには、管状シルクタンパク質 (TuSP)、鞭毛状シルクタンパク質 (Flag; O44358 - Q9NHW4 - O44359 )、小アンプル状シルクタンパク質 (MiSp; K4MTL7 )、腺房状シルクタンパク質 (AcSP)、梨状シルクタンパク質 (PySp)、凝集シルク接着剤 (ASG2/AgSp) が含まれます。これらの異なるシルクタンパク質は、MaSP とともに、タンパク質ドメイン、リピート、プロモーターにおいて互いにある程度の相同性を示していますが、これらの部分にはそれぞれ独自の特徴やバリエーションがあり、さまざまな機能を果たしています。^{[16] [17] [18]}これらの共通点は、これらすべての異なる種類のシルクに見られるタンパク質の共通の起源を示しています。^{[1] [10]}

2020年7月、RIKΞNの研究チームは、 R. sulfidophilumの遺伝子組み換え変異体を使用してスピドロインを生成することに成功したと報告した。^{[19] [20]}

• クモの糸
• フィブロイン
• 硬タンパク質
• バイオスチール（繊維）

• PDBe-KBのUniProt : Q05H60 (Major ampullate spidroin 1)のPDBで入手可能なすべての構造情報の概要。