화석 어류 이석에 대한 최초의 고단백체 연구 및 바이오미네랄 결정 호스트의 깨끗한 보존

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3822(2023) 이 기사 인용

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이석은 경골어류의 신체 균형을 듣고 유지하는 역할을 하는 정적 음향 기관의 탄산칼슘 성분입니다. 형성 동안, 형태 및 탄산염 다형체에 대한 제어는 복잡한 불용성 콜라겐 유사 단백질 및 가용성 비콜라겐성 단백질 집합에 의해 영향을 받습니다. 이들 단백질 중 다수는 아라고나이트 결정 구조에 통합되어 있습니다. 그러나 화석 기록에서 이러한 단백질은 속성적인 과정을 통해 손실된 것으로 간주되어 과거의 생물광물화 메커니즘에 대한 연구를 방해합니다. 여기에서 우리는 중신세(약 1480만~1460만 년 전) 피시드 헤이크 이석에 11개의 어류 특정 단백질(및 여러 이소형)의 존재를 보고합니다. 이 화석 이석은 물이 스며들지 않는 점토에 보존되어 있으며 현대의 대표자와 구별할 수 없는 미세하고 결정학적 특징을 나타내며, 이는 매우 원시적인 보존 상태와 일치합니다. 실제로, 이 화석 이석은 ca. 이석을 감각 상피로 배열하는 데 관여하는 오톨린-1 유사 단백질과 무세포에 위치한 오토겔린/오토겔린 유사 단백질과 같이 내이 발달에 특이적인 단백질을 포함하여 현대 대응 단백질의 서열이 분석된 단백질의 10% 현대 물고기의 내이 막. 이들 단백질의 특이성은 외부 오염 가능성을 배제합니다. 현대 및 화석 피시드 헤이크 이석에서 동일한 단백질의 일부를 식별하는 것은 시간이 지남에 따라 고도로 보존된 내이 생광물화 과정을 의미합니다.

고생물학(Paleoproteomics)은 시간에 따른 생물광물화 과정의 진화에 대한 새로운 관점을 제공하고 화석 유적에 대한 이해를 개선하는 가속화된 연구 분야입니다1. DNA는 세포 사멸 후 상대적으로 빠르게 분해되기 때문에 고대 DNA에 대한 연구는 수백만 년으로 제한되어 있지만2, 화석 기록에 남아 있는 보다 안정적인 단백질에 대한 연구는 단백질 기능과 지질학적 시간 규모에 따른 단백질의 진화를 탐구할 수 있는 기회를 제공합니다. 수억년에서 수억년3. 뼈, 치아, 껍질과 같은 생체광물에 대한 고단백체 연구는 특히 유망합니다. 왜냐하면 이러한 구조는 잘 보존된 화석 표본에 포함된 단백질 잔류물을 보존할 가능성이 높기 때문입니다. 여기에서는 경골어류 어류(이석) 내이의 화석화된 탄산칼슘 구조에서 이러한 잠재력을 탐구합니다. 어류 이석은 골학적 어류 잔해와 달리 중생대 화석 기록에서 자주 발견되며 신생대 지층에서는 그 양이 증가하고 있습니다4. 분류군 특유의 형태로 인해 이러한 화석은 어류의 고생물 다양성을 해석하고 동위원소 및 미량 원소 조성을 기반으로 한 고생물 환경 재구성에 핵심입니다5. 이석 탄산칼슘 광물 구조는 무기적으로 침전된 결정 집합체와 유사할 수 있지만 실제로는 다른 많은 생체 탄산염과 유사한 복잡한 유기-광물 복합물입니다6. 현대 이석 생광물화 공정에 대한 연구에 따르면 유기 고분자, 특히 단백질은 결정화 부위의 칼슘 수송, 핵 생성 및 포화 상태 조절을 포함하여 이석 형성의 주요 측면을 제어하여 아라고나이트 결정 성장을 적극적으로 조절하는 것으로 나타났습니다. 실제로, 특정 탄산칼슘 다형체(예: 방해석 또는 바테라이트와 반대되는 아라고나이트)의 엄격한 선택은 성장하는 결정 표면에 칼슘 양이온을 끌어당기는 아스파르트산 및 세린 잔기와 같은 단백질에 의해 제어되는 것으로 나타났습니다. 그리고 이온의 밀도가 높은(즉, 아라고나이트) 패킹을 선호합니다9. 현재까지 현대 어류 이석에서 수백 개의 단백질이 확인되었으며, 그 중 다수는 생체광물화10에 직접적으로 관여하는 것으로 생각됩니다. 이석 생체광물화에 관여하는 것으로 알려진 단백질은 (1) 구조적, 불용성 콜라겐 유사 단백질 복합체 및 (2) 가용성, 비콜라겐성 단백질(NCP)의 두 가지 주요 그룹으로 나눌 수 있습니다. 오톨린-1과 같은 콜라겐 유사 단백질은 바이오미네랄 성장을 위한 발판을 만듭니다. 오토린-1은 연골 내 골화 및 골절 복구에도 관여하는 단백질인 콜라겐 X와 서열의 상동성을 가지고 있습니다11. 가용성 NCP는 일반적으로 핵 생성, 배향 및 결정 성장을 직접 조절하는 매우 산성이며 본질적으로 무질서한 단백질(IDP)입니다. 이러한 IDP는 여러 어류 분류군(예: zebrafish7의 Starmaker(Stm), medaka12의 Starmaker-like(Stm-1), 무지개 송어13의 Otolith Matrix Macromolecule-64(OMM-64))에서 확인되었으며 생체광물화에서의 역할 철저하게 특성화되었습니다14,15,16,17.