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Sep 13, 2023

Primeiro estudo de paleoproteoma de otólitos de peixes fósseis e a preservação intocada do hospedeiro de cristal biomineral

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3822 (2023) Citar este artigo

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Os otólitos são componentes de carbonato de cálcio do órgão estato-acústico responsável pela audição e manutenção do equilíbrio corporal em peixes teleósteos. Durante sua formação, o controle sobre, por exemplo, a morfologia e o polimorfo de carbonato é influenciado por proteínas complexas insolúveis semelhantes a colágeno e proteínas solúveis não colágenas; muitas dessas proteínas são incorporadas à sua estrutura cristalina de aragonita. No entanto, no registro fóssil, essas proteínas são consideradas perdidas por processos diagenéticos, dificultando estudos de mecanismos de biomineralização do passado. Aqui relatamos a presença de 11 proteínas específicas de peixes (e várias isoformas) em otólitos de pescada ficida do Mioceno (ca. 14,8–14,6 Ma). Esses otólitos fósseis foram preservados em argilas impermeáveis ​​à água e exibem características microscópicas e cristalográficas indistinguíveis dos representantes modernos, consistentes com um estado excepcionalmente primitivo de preservação. De fato, esses otólitos fósseis retêm ca. 10% das proteínas sequenciadas de contrapartes modernas, incluindo proteínas específicas para o desenvolvimento da orelha interna, como proteínas semelhantes à otolina-1 envolvidas no arranjo dos otólitos no epitélio sensorial e proteínas semelhantes à otogelina/otogelina que estão localizadas no acelular membranas do ouvido interno em peixes modernos. A especificidade dessas proteínas exclui a possibilidade de contaminação externa. A identificação de uma fração de proteínas idênticas em otólitos modernos e fósseis de pescada física implica um processo de biomineralização da orelha interna altamente conservado ao longo do tempo.

A paleoproteômica é um campo de pesquisa acelerado, fornecendo novas perspectivas sobre, por exemplo, a evolução dos processos de biomineralização ao longo do tempo e refinando nossa compreensão dos restos fósseis1. Embora os estudos de DNA antigo sejam limitados a alguns milhões de anos porque o DNA se degrada relativamente rápido após a morte celular2, o estudo de proteínas mais estáveis ​​permanece no registro fóssil oferece uma oportunidade para explorar a função da proteína e sua evolução em escalas de tempo geológicas; vários a centenas de milhões de anos3. Estudos paleoproteômicos de biominerais como ossos, dentes e conchas são particularmente promissores porque tais estruturas têm alto potencial de preservação de resíduos proteicos embutidos em espécimes fósseis bem preservados. Aqui, exploramos esse potencial em estruturas fossilizadas de carbonato de cálcio do ouvido interno de peixes teleósteos (otólitos). Os otólitos de peixes são, em contraste com os restos osteológicos de peixes, freqüentemente encontrados no registro fóssil durante o Mesozóico, e com abundância crescente nos estratos do Cenozóico4. Devido à sua morfologia específica do táxon, esses fósseis são fundamentais para a interpretação da paleobiodiversidade de peixes e para reconstruções paleoambientais com base em suas composições de isótopos e oligoelementos5. Embora as estruturas minerais de carbonato de cálcio dos otólitos possam se assemelhar a agregados de cristais inorgânicos precipitados, eles são, na verdade, compostos orgânicos-minerais complexos, semelhantes a muitos outros carbonatos biogênicos6. Estudos do moderno processo de biomineralização de otólitos mostraram que as macromoléculas orgânicas, proteínas em particular, controlam os principais aspectos da formação de otólitos7, incluindo a regulação do transporte de cálcio, nucleação e estado de saturação no local de cristalização, modulando assim ativamente o crescimento de cristais de aragonita8. De fato, a seleção rigorosa de um polimorfo de carbonato de cálcio específico (aragonita em oposição a, por exemplo, calcita ou vaterita) também demonstrou ser controlada por proteínas, como ácido aspártico e resíduos de serina, que atraem cátions de cálcio para a superfície do cristal em crescimento. e favorecem o empacotamento mais denso (ou seja, aragonítico) de íons9. Até o momento, várias centenas de proteínas foram identificadas em otólitos de peixes modernos, muitos dos quais estão diretamente envolvidos na biomineralização10. As proteínas conhecidas por estarem envolvidas na biomineralização de otólitos podem ser divididas em dois grupos principais: (1) complexos de proteínas estruturais insolúveis semelhantes ao colágeno e (2) proteínas solúveis não colágenas (NCPs). As proteínas semelhantes ao colágeno, como a otolina-1, criam um andaime para o crescimento do biomineral; a otolina-1 possui sequências homólogas ao colágeno X, proteína também envolvida na ossificação endocondral e no reparo de fraturas ósseas11. Os NCPs solúveis são geralmente altamente ácidos e proteínas intrinsecamente desordenadas (IDPs) que regulam diretamente a nucleação, orientação e crescimento de cristais. Tais IDPs foram identificados em vários táxons de peixes, por exemplo, Starmaker (Stm) em zebrafish7, Starmaker-like (Stm-l) em medaka12 e Otolith Matrix Macromolecule-64 (OMM-64) em truta arco-íris13, e seu papel na biomineralização foi amplamente caracterizado14,15,16,17.