蜘蛛丝是自然界已知最坚韧的材料之一，其卓越的抗拉强度和弹性引起了材料科学和合成生物学领域的广泛兴趣。蜘蛛能够通过位于腹部后端的特殊结构——纺丝器，挤出并操控多种类型的丝，以适应不同的生态需求。然而，纺丝器这一关键附属器官是如何在演化过程中起源和发展的，其背后的遗传机制一直是未解之谜。此前的研究提出了两种竞争性假说：“鳃起源假说”认为纺丝器源于古生代节肢动物的鳃，而“腿起源假说”则认为其由祖先的腿部演化而来，但这些假说大多基于基因表达数据，缺乏功能层面的直接验证。此外，基因组学研究提示蜘蛛及其近亲（如蝎子和鞭蝎）可能经历了一次古老的全基因组加倍（WGD）事件，这被认为是驱动生物创新和多样化的重要力量，但WGD事件与蜘蛛关键性状（如纺丝器）形成之间的直接遗传联系尚不明确，相关的基因调控网络演变过程也知之甚少。
为了深入探究蜘蛛纺丝器的起源之谜，一个研究团队在《科学·进展》（SCIENCE ADVANCES）上发表了一项综合性研究。研究人员综合运用了多种关键技术方法：他们首先对包括节板蛛（Luthela beijing）、地蛛（Atypus sp.）和鞭蝎（Typopeltis vanoorti）在内的早期分支蛛形纲动物进行了染色体水平基因组的测序和组装，为后续的比较基因组学分析奠定了基础。通过宏观共线性分析和基于基因树的模型（如WHALE）推断，他们进一步验证了蛛形纲演化早期发生的WGD事件。为了揭示纺丝器发育的细胞和分子基础，研究人员对家隅蛛（Parasteatoda tepidariorum）胚胎发育关键阶段（第8至第10期）进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq），构建了细胞图谱并分析了发育轨迹。更重要的是，他们成功建立了蜘蛛胚胎的CRISPR-Cas9基因编辑和RNA干扰（RNAi）技术体系，对候选基因（如abd-A基因对和dac-1）进行了功能缺失验证，从而将基因型与表型直接联系起来。
蜘蛛基因组的演化
研究人员通过构建高质量的染色体级别基因组，发现早期分支的蜘蛛和鞭蝎具有相对保守的染色体数目，反映了祖先状态。系统发育分析将蛛形纲肺孔类（Arachnopulmonata，包括蜘蛛、蝎子和鞭蝎）的起源定位于志留纪（约4.38亿年前）。通过分析基因复制事件的同义替换率（Ks）分布、构建染色体水平系统发育树以及进行贝叶斯基因树-物种树 reconciliation 分析，多项证据均强有力地支持在蛛形纲肺孔类共同祖先中发生了一次WGD事件（AR事件），而非一系列小规模的片段重复。这些早期分支物种的基因组演化速率较慢，为研究蜘蛛基因组的早期特征和适应性性状提供了一个窗口。
Abd-A基因对作为纺丝器形成的驱动因素
研究发现，蜘蛛和蝎子保留了WGD产生的两个abd-A基因拷贝，而鞭蝎的abd-A-1则发生了假基因化。通过胚胎原位杂交链式反应（HCR）发现，abd-A-1和abd-A-2在发育中的纺丝器原基（O4-O5体节）均有强烈表达。利用CRISPR-Cas9技术进行基因敲除实验发现，单独敲除Ptep-abd-A-1或Ptep-abd-A-2均未导致纺丝器完全缺失的表型，但双敲除胚胎则表现出O5后纺丝器缺失、O4前纺丝器减少以及体轴发育异常的表型。父本RNAi（pRNAi）实验也得到了类似结果。这表明两个abd-A拷贝在演化过程中发生了功能分化（亚功能化），但又保留了一定的功能冗余，需要协同作用才能确保纺丝器的正常发育。进一步的进化分析显示，蜘蛛的abd-A拷贝经历了功能限制的松弛，并存在I型功能分歧位点。染色质构象捕获（Hi-C）分析表明，这两个拷贝位于保守的拓扑关联域（TADs）内，这可能限制了它们的过度分化，从而维持了部分功能重叠。
蜘蛛纺丝器源于腿部同源物的精细化
单细胞转录组分析将胚胎细胞分为27个主要组织/细胞簇，并成功鉴定出与后体节（O2-O3, O4-O5）发育相关的细胞群体。伪时间轨迹分析显示，细胞命运在阶段9发生分岔，分别走向O2-O3（书肺）和O4-O5（纺丝器）谱系。差异表达分析发现，在O4-O5发育轨迹中，腿部模式基因dac-1和hth-1等显著上调，而与鳃相关的基因则未显示表达差异，这一结果支持了纺丝器演化的“腿起源假说”。原位杂交证实了dac-1在纺丝器肢芽近端区域的特异性表达，且其表达晚于abd-A基因。功能实验表明，CRISPR-Cas9敲除或RNAi敲低Ptep-dac-1会导致纺丝器发育不全或缺失，同时步足和触肢的中部结构也出现缺陷，证明了dac-1在纺丝器形成中的关键作用。而Ptep-hth-1的突变则未导致纺丝器缺失。
纺丝器发育的基因网络
通过单细胞加权基因共表达网络分析（scWGCNA），研究人员鉴定出一个与纺丝器发育显著相关的基因共表达模块（模块21），其中包含了abd-A-1, abd-A-2和dac-1等关键基因。利用GENIE3构建的转录调控网络揭示了这些基因之间的调控关系。此外，在abd-A RNAi的胚胎中，dac-1在纺丝器原基中的表达显著减弱，表明dac-1被招募到了abd-A基因对下游的调控网络中，共同指导纺丝器的精细化发育。
该研究通过多组学与功能实验的结合，构建了一个较为完整的纺丝器发育演化模型。结论与讨论部分强调，古老的全基因组加倍事件为蜘蛛的演化创新提供了遗传素材。WGD产生的abd-A基因对通过功能分化与冗余，共同赋予了O4-O5体节形成新型附属器官（纺丝器）的潜能。同时，蜘蛛在演化过程中“招募”了原本用于腿部发育的古老工具包基因dac-1，将其整合进由abd-A主导的新调控网络中，从而实现了从祖先腿部结构到功能性纺丝器的转变。这项工作不仅为理解蜘蛛关键创新性状的起源提供了坚实的遗传和发育基础，也作为WGD驱动节肢动物适应性演化的一个典型案例，挑战了WGD在具有染色体性别决定的动物中较为罕见的传统观点。从应用角度看，对纺丝器遗传基础的深入理解，有望为人工合成蜘蛛丝这一极具前景的生物材料提供新的设计思路和基因操作靶点，推动其在医疗、纺织和先进材料等领域的应用。
