Первое палеопротеомное исследование отолитов ископаемых рыб и первозданная сохранность биоминерального кристалла-хозяина

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3822 (2023) Цитировать эту статью

1279 Доступов

20 Альтметрика

Подробности о метриках

Отолиты — карбонатные кальциевые компоненты статоакустического органа, ответственного за слух и поддержание баланса тела костистых рыб. Во время их формирования на контроль, например, морфологии и карбонатного полиморфа влияют сложные нерастворимые коллагеноподобные белки и растворимые неколлагеновые белковые сборки; многие из этих белков включены в их кристаллическую структуру арагонита. Однако в летописи окаменелостей эти белки считаются утраченными в результате диагенетических процессов, что затрудняет изучение прошлых механизмов биоминерализации. Здесь мы сообщаем о присутствии 11 специфичных для рыб белков (и нескольких изоформ) в миоценовых (около 14,8–14,6 млн лет назад) отолитах хека. Эти ископаемые отолиты сохранились в водонепроницаемых глинах и демонстрируют микроскопические и кристаллографические особенности, неотличимые от современных представителей, что соответствует исключительно первозданному состоянию сохранности. Действительно, эти ископаемые отолиты сохраняют ок. 10% белков, секвенированных из современных аналогов, включая белки, специфичные для развития внутреннего уха, такие как отолин-1-подобные белки, участвующие в расположении отолитов в сенсорном эпителии, и отогелин/отогелин-подобные белки, которые расположены в бесклеточных мембраны внутреннего уха современных рыб. Специфичность этих белков исключает возможность внешнего загрязнения. Идентификация фракции идентичных белков в отолитах современных и ископаемых фицидных хеков предполагает высококонсервативный процесс биоминерализации внутреннего уха во времени.

Палеопротеомика – это развивающаяся область исследований, открывающая новые перспективы, например, эволюции процессов биоминерализации во времени и улучшающая наше понимание ископаемых останков1. Хотя исследования древней ДНК ограничены несколькими миллионами лет, поскольку ДНК разлагается относительно быстро после смерти клетки2, изучение более стабильных остатков белка в летописи окаменелостей дает возможность изучить функцию белков и их эволюцию в геологических временных масштабах; от нескольких до сотен миллионов лет3. Палеопротеомные исследования биоминералов, таких как кости, зубы и панцири, особенно многообещающи, поскольку такие структуры обладают высоким потенциалом сохранения белковых остатков, встроенных в хорошо сохранившиеся ископаемые образцы. Здесь мы исследуем этот потенциал в окаменелых структурах карбоната кальция внутреннего уха костистых рыб (отолитах). Отолиты рыб, в отличие от остеологических останков рыб, часто встречаются в летописи окаменелостей в мезозойскую эпоху и с увеличением их численности в кайнозойских слоях4. Благодаря своей морфологии, специфичной для таксона, эти окаменелости играют ключевую роль в интерпретации палеобиоразнообразия рыб и реконструкции палеоэкологической среды на основе их изотопного и микроэлементного состава5. Хотя минеральные структуры карбоната кальция отолита могут напоминать неорганически осажденные агрегаты кристаллов, на самом деле они представляют собой сложные органо-минеральные композиты, родственные многим другим биогенным карбонатам6. Исследования современного процесса биоминерализации отолитов показали, что органические макромолекулы, в частности белки, контролируют ключевые аспекты образования отолитов7, включая регуляцию транспорта кальция, зародышеобразование и состояние насыщения в месте кристаллизации, тем самым активно модулируя рост кристаллов арагонита8. Действительно, было показано, что строгий выбор конкретной полиморфной модификации карбоната кальция (арагонита в отличие, например, от кальцита или ватерита) контролируется белками, такими как аспарагиновая кислота и остатки серина, которые притягивают катионы кальция к поверхности растущего кристалла. и способствуют более плотной (т.е. арагонитовой) упаковке ионов9. На сегодняшний день в отолитах современных рыб идентифицировано несколько сотен белков, многие из которых, как полагают, непосредственно участвуют в биоминерализации10. Белки, которые, как известно, участвуют в биоминерализации отолитов, можно разделить на две основные группы: (1) комплексы структурных нерастворимых коллагеноподобных белков и (2) растворимые неколлагеновые белки (NCP). Коллагеноподобные белки, такие как отолин-1, создают основу для растущего биоминерала; otolin-1 имеет гомологию последовательностей с коллагеном X, белком, который также участвует в эндохондральном оссификации и восстановлении переломов костей11. Растворимые NCP обычно представляют собой высококислотные и по своей природе неупорядоченные белки (IDP), которые напрямую регулируют зародышеобразование, ориентацию и рост кристаллов. Такие IDP были идентифицированы в нескольких таксонах рыб, например, Starmaker (Stm) у рыбок данио7, Starmaker-like (Stm-l) у медаки12 и Otolith Matrix Macromolecule-64 (OMM-64) у радужной форели13, а также их роль в биоминерализации был тщательно охарактеризован14,15,16,17.