Primo studio sul paleoproteoma degli otoliti fossili di pesci e sulla conservazione incontaminata del cristallo biominerale ospite

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3822 (2023) Citare questo articolo

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Gli otoliti sono componenti di carbonato di calcio dell'organo stato-acustico responsabile dell'udito e del mantenimento dell'equilibrio corporeo nei pesci teleostei. Durante la loro formazione, il controllo, ad esempio, sulla morfologia e sul polimorfo del carbonato è influenzato da complessi complessi di proteine ​​insolubili simili al collagene e da complessi di proteine ​​solubili non collageniche; molte di queste proteine ​​sono incorporate nella loro struttura cristallina di aragonite. Tuttavia, nella documentazione fossile queste proteine ​​sono considerate perse attraverso processi diagenetici, ostacolando gli studi sui meccanismi di biomineralizzazione del passato. Qui riportiamo la presenza di 11 proteine ​​specifiche del pesce (e diverse isoforme) negli otoliti di nasello phycid del Miocene (ca. 14,8–14,6 Ma). Questi otoliti fossili sono stati conservati in argille impermeabili all'acqua e mostrano caratteristiche microscopiche e cristallografiche indistinguibili dai rappresentanti moderni, coerenti con uno stato di conservazione eccezionalmente incontaminato. Infatti, questi otoliti fossili conservano ca. Il 10% delle proteine ​​sequenziate da controparti moderne, comprese le proteine ​​specifiche per lo sviluppo dell'orecchio interno, come le proteine ​​otolina-1-simili coinvolte nella disposizione degli otoliti nell'epitelio sensoriale e le proteine ​​otogelina/otogelina-simili che si trovano nell'epitelio acellulare membrane dell'orecchio interno nei pesci moderni. La specificità di queste proteine ​​esclude la possibilità di contaminazione esterna. L'identificazione di una frazione di proteine ​​identiche negli otoliti di nasello fisico moderni e fossili implica un processo di biomineralizzazione dell'orecchio interno altamente conservato nel tempo.

La paleoproteomica è un campo di ricerca in accelerazione che fornisce nuove prospettive, ad esempio, sull'evoluzione dei processi di biomineralizzazione nel tempo e affina la nostra comprensione dei resti fossili1. Mentre gli studi sul DNA antico sono limitati a pochi milioni di anni perché il DNA si degrada relativamente velocemente dopo la morte cellulare2, lo studio delle proteine ​​più stabili rimaste nella documentazione fossile offre l’opportunità di esplorare la funzione delle proteine ​​e la loro evoluzione su scale temporali geologiche; da diverse a centinaia di milioni di anni3. Gli studi paleoproteomici su biominerali come ossa, denti e conchiglie sono particolarmente promettenti perché tali strutture hanno un alto potenziale di conservazione dei residui proteici incorporati all'interno di campioni fossili ben conservati. Qui, esploriamo questo potenziale nelle strutture fossilizzate di carbonato di calcio dell'orecchio interno dei pesci teleostei (otoliti). Gli otoliti di pesce, a differenza dei resti osteologici di pesci, si trovano frequentemente nella documentazione fossile durante il Mesozoico e con crescente abbondanza negli strati Cenozoici4. A causa della loro morfologia taxon-specifica, questi fossili sono fondamentali per l'interpretazione della paleobiodiversità dei pesci e per le ricostruzioni paleoambientali basate sulla loro composizione isotopica e di oligoelementi5. Sebbene le strutture minerali del carbonato di calcio otolitico possano assomigliare ad aggregati di cristalli precipitati inorganicamente, sono in realtà compositi organico-minerali complessi, simili a molti altri carbonati biogenici6. Gli studi sul moderno processo di biomineralizzazione degli otoliti hanno dimostrato che le macromolecole organiche, in particolare le proteine, controllano gli aspetti chiave della formazione degli otoliti7, inclusa la regolazione del trasporto del calcio, della nucleazione e dello stato di saturazione nel sito di cristallizzazione, modulando così attivamente la crescita dei cristalli di aragonite8. Infatti, è stato dimostrato che la rigorosa selezione di uno specifico polimorfo del carbonato di calcio (aragonite in contrapposizione, ad esempio, a calcite o vaterite) è controllata da proteine, come l'acido aspartico e i residui di serina, che attraggono cationi calcio sulla superficie cristallina in crescita. e favoriscono un accumulo di ioni più denso (cioè aragonitico)9. Ad oggi, negli otoliti dei pesci moderni sono state identificate diverse centinaia di proteine, molte delle quali si ritiene siano direttamente coinvolte nella biomineralizzazione10. Le proteine ​​note per essere coinvolte nella biomineralizzazione degli otoliti possono essere divise in due gruppi principali: (1) complessi di proteine ​​strutturali, insolubili, simili al collagene e (2) proteine ​​solubili, non collageniche (NCP). Le proteine ​​simili al collagene, come l'otolina-1, creano un'impalcatura per il biominerale in crescita; otolin-1 ha omologia di sequenze con il collagene X, una proteina coinvolta anche nell'ossificazione endocondrale e nella riparazione delle fratture ossee11. Gli NCP solubili sono solitamente proteine ​​altamente acide e intrinsecamente disordinate (IDP) che regolano direttamente la nucleazione, l'orientamento e la crescita dei cristalli. Tali IDP sono stati identificati in diversi taxa di pesci, ad esempio Starmaker (Stm) nel pesce zebra7, Starmaker-like (Stm-l) nel medaka12 e Otolith Matrix Macromolecule-64 (OMM-64) nella trota iridea13, e il loro ruolo nella biomineralizzazione è stato completamente caratterizzato14,15,16,17.