化石魚の耳石と生体鉱物結晶ホストの原始的な保存に関する最初の古プロテオーム研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3822 (2023) この記事を引用

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耳石は、硬骨魚類の聴覚と体のバランスの維持に関与する静音響器官の炭酸カルシウム成分です。 それらの形成中、形態や炭酸塩多形などの制御は、複雑な不溶性コラーゲン様タンパク質と可溶性非コラーゲン性タンパク質の集合体によって影響されます。 これらのタンパク質の多くは、アラゴナイトの結晶構造に組み込まれています。 しかし、化石記録では、これらのタンパク質は続成過程によって失われたと考えられており、過去の生体石灰化メカニズムの研究が妨げられています。 今回我々は、中新世（約14.8～14.6Ma）のメルルーサの耳石に11種類の魚類特異的タンパク質（およびいくつかのアイソフォーム）が存在することを報告する。 これらの化石耳石は、水を通さない粘土の中に保存されており、現代の代表的なものと見分けがつかないほどの顕微鏡的および結晶学的特徴を示し、極めて原始的な保存状態と一致しています。 実際、これらの耳石化石には約 100 グラムの成分が保存されています。 現代の対応物から配列決定されたタンパク質の10%には、耳石の感覚上皮への配置に関与するオトリン-1様タンパク質や無細胞膜に位置するオトゲリン/オトジェリン様タンパク質など、内耳の発生に特異的なタンパク質が含まれます。現代の魚の内耳の膜。 これらのタンパク質の特異性により、外部汚染の可能性が排除されます。 現生のメルルーサの耳石化石と同一のタンパク質の一部が同定されたことは、内耳の生体石灰化プロセスが長期にわたり高度に保存されていることを示唆している。

パレオプロテオミクスは、時間の経過による生物鉱化プロセスの進化などに関する新たな視点を提供し、化石遺跡についての理解をさらに洗練させる、加速している研究分野です1。 DNA は細胞死後に比較的早く分解するため、古代 DNA の研究は数百万年に限定されていますが 2、化石記録に残るより安定したタンパク質の研究は、タンパク質の機能と地質学的時間スケールにわたるその進化を調査する機会を提供します。 数百万年から数億年3. 骨、歯、貝殻などの生体鉱物の古プロテオミクス研究は、そのような構造がよく保存された化石標本に埋め込まれたタンパク質残基を保存する可能性が高いため、特に有望です。 今回、我々は硬骨魚類の内耳（耳石）の化石化した炭酸カルシウム構造におけるこの可能性を探ります。 魚の耳石は、魚の骨学的遺骸とは対照的に、中生代の化石記録で頻繁に発見され、新生代の地層ではその量が増加しています4。 これらの化石は、分類群に特有の形態のため、魚類の古生物多様性の解釈や、同位体および微量元素の組成に基づいた古環境の再構築の鍵となります5。 耳石の炭酸カルシウムの鉱物構造は、無機的に沈殿した結晶の集合体に似ていることがありますが、実際には、他の多くの生体炭酸塩と同様、複雑な有機鉱物複合体です6。 現代の耳石の生体石灰化プロセスの研究では、有機高分子、特にタンパク質が、カルシウムの輸送、核形成、結晶化部位での飽和状態の制御など、耳石形成の重要な側面を制御し、アラゴナイト結晶の成長を積極的に調節していることが示されています8。 実際、特定の炭酸カルシウム多形（方解石やバテライトとは対照的にアラゴナイト）の厳密な選択は、成長する結晶表面にカルシウムカチオンを引き付けるアスパラギン酸やセリン残基などのタンパク質によって制御されることも示されています。そしてイオンのより密な（すなわち、アラゴナイト状の）充填を好む9。 現在までに、数百のタンパク質が現生魚の耳石で同定されており、その多くは生体石灰化に直接関与していると考えられています10。 耳石の生体石灰化に関与することが知られているタンパク質は、(1) 構造的不溶性コラーゲン様タンパク質の複合体、および (2) 可溶性非コラーゲン性タンパク質 (NCP) の 2 つの主なグループに分類できます。 オトリン-1 などのコラーゲン様タンパク質は、成長する生体ミネラルの足場を作成します。 オトリン-1 は、軟骨内骨化と骨折修復にも関与するタンパク質であるコラーゲン X と配列の相同性を持っています11。 可溶性 NCP は通常、核形成、配向、結晶成長を直接制御する強酸性の本質的に無秩序なタンパク質 (IDP) です。 このような IDP は、ゼブラフィッシュの Starmaker (Stm) 7、メダカの Starmaker 様 (Stm-1) 12、ニジマスの耳石マトリックス高分子 64 (OMM-64) 13 など、いくつかの魚類分類群で同定されており、生体ミネラル化におけるそれらの役割も明らかにされています。は徹底的に特徴付けられています14、15、16、17。