Erste Paläoproteomstudie fossiler Fischotolithen und der unberührten Erhaltung des biomineralischen Kristallwirts

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3822 (2023) Diesen Artikel zitieren

1279 Zugriffe

20 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Otolithen sind Calciumcarbonatbestandteile des statoakustischen Organs, das für das Hören und die Aufrechterhaltung des Körpergleichgewichts bei Knochenfischen verantwortlich ist. Während ihrer Bildung wird die Kontrolle z. B. über Morphologie und Carbonatpolymorphie durch komplexe unlösliche kollagenähnliche Protein- und lösliche nichtkollagene Proteinanordnungen beeinflusst; Viele dieser Proteine sind in ihre Aragonit-Kristallstruktur eingebaut. Im Fossilienbestand gelten diese Proteine jedoch als durch diagenetische Prozesse verloren gegangen, was Untersuchungen früherer Biomineralisierungsmechanismen erschwert. Hier berichten wir über das Vorhandensein von 11 fischspezifischen Proteinen (und mehreren Isoformen) in Phycid-Seehecht-Otolithen aus dem Miozän (ca. 14,8–14,6 Ma). Diese fossilen Otolithen wurden in wasserundurchlässigem Ton konserviert und weisen mikroskopische und kristallografische Merkmale auf, die von modernen Vertretern nicht zu unterscheiden sind, was auf einen außergewöhnlich makellosen Erhaltungszustand hinweist. Tatsächlich enthalten diese fossilen Otolithen ca. 10 % der Proteine wurden aus modernen Gegenstücken sequenziert, einschließlich Proteinen, die für die Entwicklung des Innenohrs spezifisch sind, wie z. B. Otolin-1-ähnliche Proteine, die an der Anordnung der Otolithen im sensorischen Epithel beteiligt sind, und Otogelin/Otogelin-ähnliche Proteine, die sich im azellulären Bereich befinden Membranen des Innenohrs bei modernen Fischen. Die Spezifität dieser Proteine schließt die Möglichkeit einer externen Kontamination aus. Die Identifizierung eines Bruchteils identischer Proteine in modernen und fossilen Phycid-Seehecht-Otolithen deutet auf einen über die Zeit hinweg hochkonservierten Biomineralisationsprozess im Innenohr hin.

Die Paläoproteomik ist ein sich rasch entwickelndes Forschungsgebiet, das neue Perspektiven bietet, beispielsweise auf die Entwicklung von Biomineralisationsprozessen im Laufe der Zeit, und unser Verständnis von fossilen Überresten verfeinert1. Während Studien an alter DNA auf einige Millionen Jahre beschränkt sind, da DNA nach dem Zelltod relativ schnell abgebaut wird2, bietet die Untersuchung stabilerer Proteinreste im Fossilienbestand die Möglichkeit, die Proteinfunktion und ihre Entwicklung über geologische Zeitskalen zu untersuchen; mehrere bis hunderte Millionen Jahre3. Paläoproteomische Untersuchungen von Biomineralien wie Knochen, Zähnen und Muscheln sind besonders vielversprechend, da solche Strukturen ein hohes Potenzial für die Konservierung von Proteinrückständen haben, die in gut erhaltenen Fossilienproben eingebettet sind. Hier untersuchen wir dieses Potenzial in versteinerten Kalziumkarbonatstrukturen des Innenohrs von Knochenfischen (Otolithen). Im Gegensatz zu osteologischen Fischresten kommen Fischotolithen im Fossilienbestand des Mesozoikums häufig vor, und zwar mit zunehmender Häufigkeit in känozoischen Schichten4. Aufgrund ihrer taxonspezifischen Morphologie sind diese Fossilien von entscheidender Bedeutung für die Interpretation der Paläobiodiversität von Fischen und für die Rekonstruktion der Paläoumwelt auf der Grundlage ihrer Isotopen- und Spurenelementzusammensetzungen5. Obwohl Otolith-Kalziumkarbonat-Mineralstrukturen anorganisch ausgefällten Kristallaggregaten ähneln können, handelt es sich tatsächlich um komplexe organisch-mineralische Verbundstoffe, ähnlich wie viele andere biogene Karbonate6. Studien zum modernen Otolithen-Biomineralisationsprozess haben gezeigt, dass die organischen Makromoleküle, insbesondere Proteine, Schlüsselaspekte der Otolithenbildung steuern7, einschließlich der Regulierung des Kalziumtransports, der Keimbildung und des Sättigungszustands an der Kristallisationsstelle, und so das Aragonitkristallwachstum aktiv modulieren8. Tatsächlich wurde gezeigt, dass die strikte Auswahl eines bestimmten Calciumcarbonat-Polymorphs (Aragonit im Gegensatz zu z. B. Calcit oder Vaterit) auch durch Proteine wie Asparaginsäure und Serinreste gesteuert wird, die Calciumkationen an die wachsende Kristalloberfläche anziehen und begünstigen eine dichtere (d. h. aragonitische) Packung von Ionen9. Bis heute wurden mehrere hundert Proteine in modernen Fisch-Otolithen identifiziert, von denen viele vermutlich direkt an der Biomineralisierung beteiligt sind10. Proteine, von denen bekannt ist, dass sie an der Biomineralisierung des Otolithen beteiligt sind, können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden: (1) Komplexe aus strukturellen, unlöslichen kollagenähnlichen Proteinen und (2) lösliche, nicht kollagene Proteine (NCPs). Die kollagenähnlichen Proteine wie Otolin-1 bilden ein Gerüst für das wachsende Biomineral; Otolin-1 weist Sequenzhomologien zu Kollagen X auf, einem Protein, das auch an der endochondralen Ossifikation und der Reparatur von Knochenbrüchen beteiligt ist11. Bei den löslichen NCPs handelt es sich in der Regel um stark saure und intrinsisch ungeordnete Proteine (IDPs), die direkt die Keimbildung, Orientierung und das Kristallwachstum regulieren. Solche IDPs wurden in mehreren Fischtaxa identifiziert, z. B. Starmaker (Stm) im Zebrafisch7, Starmaker-like (Stm-l) im Medaka12 und Otolith Matrix Macromolecule-64 (OMM-64) in der Regenbogenforelle13, und ihre Rolle bei der Biomineralisierung wurde gründlich charakterisiert14,15,16,17.

Die Suche nach Hinweisen auf Proteine, die in fossilen Otolithen eingebettet sind, würde unser Verständnis der Entwicklung eines wichtigen aquatischen Biomineralisierungsprozesses verbessern. Solche Rückstände wurden jedoch noch nicht identifiziert und es wird allgemein angenommen, dass diese organischen Komponenten aufgrund diagenetischer Veränderungen abgebaut werden und verloren gehen Aragonit-Polymorph, das metastabil ist und sich normalerweise in einen stabileren Calcit umwandelt, z. B. durch Auflösungs-Ausfällungs-Prozesse in Gegenwart aktiver Lösungen18. Solche diagenetischen Prozesse wirken sich auch stark auf die Erhaltung vieler inter-/intrakristalliner Proteine aus – insbesondere der hochlabilen NCPs19. Um die Überreste solcher Proteine in fossilen Otolithen erfolgreich nachzuweisen und zu identifizieren, stellten wir die Hypothese auf, dass nur Exemplare, die in wasserundurchlässigen Ablagerungen konserviert wurden und immer noch vollständig aus Aragonit mit ultrastrukturellen Merkmalen ähnlich modernen Gegenstücken bestehen, das Potenzial haben, organische Bestandteile zu bewahren , höchstwahrscheinlich als Einschlüsse, die in die Aragonitkristalle eingebettet sind. Einige leicht zu findende sagittale Miozän-Otolithenfossilien von Knochenfischen erfüllen diese Kriterien. Hier berichten wir über die Ergebnisse einer Suche nach Proteinen, die in fossilen Otolithen von phyciden Seehechtfischen eingebettet sind, die in wasserundurchlässigen Tonen des Miozäns (etwa 14 Millionen Jahre alt) gefunden wurden, die in Korytnica (Heilig-Kreuz-Gebirge, Zentralpolen; siehe Material) freigelegt wurden20.

Moderne (weiße) und fossile (bräunliche Farbe) sagittale Otolithen von Phycis spp. sind schlanke und längliche biomineralische Calciumcarbonat-Strukturen; vorne breiter und nach hinten hin allmählich schmaler (Abb. 1a,h). Die Innenseite (proximale Oberfläche) ist konvex ohne ausgeprägten Sulcus acusticus (der Bereich, in dem das Sinnesgewebe mit dem Otolithen in Kontakt kommt). Die Außenfläche (distale Oberfläche) besteht am häufigsten aus unregelmäßigen Verdickungen/Vorsprüngen und Rillen (Abb. 1a,h). Längsschnitte (d. h. in der Sagittalebene), die sowohl mit polarisiertem als auch mit normalem Durchlicht beobachtet werden, weisen ca. 500 µm dicke säulenförmige Einheiten, deren Größe den Ausstülpungen auf der Oberfläche entspricht (Abb. 1c,j). Gelegentlich treten spindelförmige Hohlräume zwischen Säuleneinheiten auf, die den Rillen zwischen benachbarten Oberflächenvorsprüngen entsprechen können (weiße Pfeile in Abb. 1c, j). Die säulenförmigen Einheiten und andere Teile (proximal) moderner und fossiler Otolithen zeigen im Längsschnitt zahlreiche Schichten (abwechselnd dunkelbraune und farblose Zonen, ca. 5–7 µm dick; Abb. 1c,d,j,k. Schichten sind zusammengesetzt von Kristallen, die in kristallographischen Orientierungsbildern (EBSD) in modernen und fossilen Proben in ähnlicher Größe vorhanden sind (Abb. 1e, l). Phasenkarten haben die streng aragonitische Mineralogie sowohl moderner als auch fossiler Proben bestätigt (Abb. 1f, m) und Die resultierenden Polfiguren sind zwischen modernen (Abb. 1g) und fossilen Exemplaren (Abb. 1n) vollständig vergleichbar. Ein hoher Grad an Ähnlichkeit zwischen modernen und fossilen Exemplaren wurde auch hinsichtlich der Kristallgröße, Neigung, azimutalen Streuung und turbostratischen Verteilung im beobachtet Ebene (222) (Abb. 1g, n). Die Aragonitfasern moderner und fossiler Otolithen bestehen aus schlanken Einheiten mit einer Breite von ca. 200–300 nm, die eine nanogranulare Organisation aufweisen (Abb. 2a, b, g, h), wobei Nanokörner ca . 50–100 nm Durchmesser deutlich sichtbar in AFM-Höhen- und Peak-Force-Error-Mode-Bildern (Abb. 2c,d,i,j). TEM-Beobachtungen von Skelettlamellen (extrahiert mit einem fokussierten Ionenstrahl) zeigen feine Aragonitfasern, deren Größe mit denen vergleichbar ist, die in FESEM beobachtet werden, die entweder schräg (Abb. 2e) oder längs (Abb. 2k) zur Wachstumsrichtung geschnitten sind. Die Fasern enthalten zahlreiche intrakristalline Defekte geringer Dichte (Einschlüsse) mit einer Größe zwischen 2 und 25 nm, die in TEM-Bildern deutlich als helle Flecken zu erkennen sind (weiße Pfeile in Abb. 2f, l). Diese Einschlüsse sind senkrecht zur Kristallwachstumsrichtung ausgerichtet, wie in Längsschnitten zu sehen ist (Abb. 2f, l). Material mit ähnlich geringer Dichte befindet sich auch an den Korngrenzen (Abb. 2e, k). Die modernen und fossilen Proben zeigen insgesamt ähnliche Gewichtsverlustprofile, aber die Ableitungskurven deuten auf Unterschiede in der Zersetzung hin. Moderne Otolithen zersetzen sich im Vergleich zu modernen über einen größeren Temperaturbereich (ca. 200–430 °C gegenüber 250–400 °C) und zeigen mehrere Gewichtsverlustschritte (bei ca. 210 °C, 360 °C und 410 °C). C) im Vergleich zu dem einen relativ großen Gewichtsverlust (bei ca. 340 °C) in fossilen Otolithen (Ergänzende Abbildung S1).

Morphologische, mikrostrukturelle und kristallographische Ähnlichkeit moderner sagittaler Otolithen von Phycis phycis (a–g) und fossilen Phycis tenuis (h–n). Moderne (a) und fossile (h) Sagittas sind schlank und länglich; Die Außenfläche (distale Oberfläche) besteht am häufigsten aus unregelmäßigen Verdickungen/Ausstülpungen und Rillen. Dünnschnitte in polarisiertem (b,c,i,j) und normalem Durchlicht (d,k) zeigen zahlreiche Wachstumsringe und weisen auf eine ontogenetische Kontinuität der Ausstülpungen hin (Säulen im Längsschnitt; gelegentlich durch spindelförmige Hohlräume getrennt, weiße Pfeile). ). Kristallographische Orientierungsbilder (EBSD) zeigen Aragonitkristalle ähnlicher Größe in modernen (e) und fossilen (l) Proben (Phasenkarten (f,m) bestätigen die Aragonitmineralogie beider Proben); Polfiguren sind zwischen modernen (g) und fossilen Proben (n) vollständig vergleichbar: gleiche Kristallgröße, Verteilung, Neigung, azimutale Streuung und turbostratische Verteilung in der Ebene (222). ZPAL S.21/R-OTH-242/001 (a–g); ZPAL S.21/ C-OTH-07/006 (h–n). Zur Erstellung der Orientierungsbilder und der Polfiguren wurde die BungeColorKey-Palette (besser zugänglich für farbenblinde Benutzer) von MTEX verwendet.

Zusammengesetzte, organisch-mineralische Struktur von sagittalen Otolithen von Phycis phycis (a–f) und fossilen Phycis tenuis (g–l). In FESEM bestehen die Aragonitfasern moderner und fossiler Otolithen aus schlanken Einheiten von ca. 200–300 nm breit (a,g), die bei höherer Vergrößerung (b,h) eine nanogranulare Organisation zeigen; Nanokörner ca. 50–100 nm Durchmesser sind in Bildern im AFM-Höhenmodus (c,i) und im Peak-Force-Fehlermodus (d,j) sichtbar. TEM-Beobachtungen von Skelettlamellen (extrahiert mit einem fokussierten Ionenstrahl) zeigen feinschuppige Aragonitfasern (vergleichbar in der Größe mit denen, die in FESEM beobachtet wurden), die zahlreiche organische Einschlüsse enthalten (Pfeile in f,l). Fasern in (e) schneiden schräg oder längs (k) zur Wachstumsrichtung. ZPAL S.21/R-OTH-187/002 (a–f); ZPAL S.21/C-OTH-07/007 (g–l).

Die Aminosäureracemisierung und ihr relativer Gehalt in fossilen Otolithenproben wurden als Indikator für den Proteinabbau verwendet. Die Analysen wurden anhand fossiler P. tenuis-Otolithen im direkten Vergleich mit modernen P. phycis-Otolithen durchgeführt. Die Messungen umfassten sowohl freie Aminosäuren, die ursprünglich in Biomineralien vorhanden waren (FAAs), als auch solche, die bei der Hydrolyse vollständiger Peptide in einzelne Aminosäuren gebildet wurden (sogenannte total hydrolysierbare Aminosäuren, THAA). FAAs entstehen tendenziell aus der Hydrolyse hochracemisierter N-terminaler Aminosäuren, sodass das D/L-Verhältnis von FAA für eine bestimmte Aminosäure höher sein sollte als das von THAA. Wie erwartet zeigt die Verteilung der Aminosäuren zwischen Pools freier Aminosäuren (FAA) und polymerisierten Aminosäuren (THAA-FAA; als pmol Aminosäuren pro mg Ausgangs-Otolith), dass die meisten Aminosäuren in modernen Proben Teil intakter Peptide sind Der Großteil der fossilen Peptide ist in einzelne Aminosäuren zerfallen. In fossilen Proben wurde ein dramatischer Verlust sowohl von Asx und Glx – zu denen die sauren Aminosäuren Asparagin- und Glutaminsäure gehören – als auch von Ser beobachtet (Tabelle 1).

Insgesamt wurden Peptide für 132 fischspezifische Proteine und mehrere Isoformen in modernen P. phycis-Otolithen nachgewiesen (Ergänzungstabelle S2), während Peptide für 11 fischspezifische Proteine in fossilen P. tenuis-Otolithen gefunden wurden (Tabelle 2, Ergänzungstabellen S3). –S5), was einem Renditeverhältnis entspricht, das mit dem von modernen vs. fossilen Korallenskeletten (Aragonit) vergleichbar ist 21,22. Proteine wurden in beiden Säurelöslichkeitsfraktionen in allen Proben beobachtet und GluC verbesserte den Proteinnachweis in modernen Proben, in fossilen Proben wurden jedoch nur tryptische Verdauungspeptide nachgewiesen (Ergänzungstabelle S6). Darüber hinaus wurden eine Desamidierung von Asparagin und Glutamin sowie eine Oxidation von Methionin festgestellt (Ergänzungstabelle S6)23. Fünf von elf aus fossilen Otolithen sequenzierten Proteinen stellen Proteine dar, die von Genen kodiert werden, die im Innenohr exprimiert werden (d. h. Alpha-Tectorin, Beta-Tectorin, Otolin-1-like, Otogelin/Otogelin-like und Otogelin-like). Die anderen sechs Proteine kommen in modernen Fisch-Otolithen vor, sind jedoch nicht spezifisch für die Innenohrfunktion. Zu den Proteinen, die in modernen Otolithen, aber nicht in Fossilien vorkommen, gehört beispielsweise Usherin, ein Protein, das für die Entwicklung und Homöostase des Innenohrs wichtig ist. Zu den weiteren modernen Otolithenproteinen gehören verschiedene Arten von Kollagenen, Contactin, Low-Density-Rezeptor-verwandtes Lipoprotein und Carboanhydrase, die CO2 und Bicarbonat umwandelt (Ergänzungstabelle S2).

Eines der hervorstechendsten Merkmale von Biomineralien, einschließlich Carbonaten, besteht darin, dass es sich ausnahmslos um organisch-mineralische Verbundstoffe handelt, bei denen die organischen Komponenten wie Polysaccharide, Lipide und Proteine in die anorganische Mineralphase eingebaut/eingebettet sind und so meso- bis nanoskalige Formen bilden intra- und interkristalline Einschlüsse und Netzwerke 24,25. Diese organischen Komponenten sind am physiologisch vermittelten Prozess der Biomineralbildung beteiligt. Da die proteomischen Profile mit transkriptomischen Ressourcen/Expression verknüpft werden können, liefern Untersuchungen des Proteoms moderner Biomineralstrukturen Einblicke in molekulare Mechanismen der Biomineralisierung. Die Identifizierung von Proteinen in fossilen Biomineralstrukturen weckt daher die Hoffnung, einen indirekten Zugang zu genombezogenen Informationen zu erhalten, auch wenn in Fossilien, die viel älter als ca. 300 Jahre sind, keine DNA erhalten bleibt. 2 My, das Alter, ab dem die DNA im Fossilienbestand im Allgemeinen nicht mehr überlebt 26,27.

Zunehmend wurden paläoproteomische Daten aus verschiedenen fossilen Biomineralstrukturen extrahiert 21,28,29,30,31. Bisher liegen jedoch keine paläoproteomischen Informationen über fossile Otolithen vor, die die häufigsten Fischreste in mesozoischen und känozoischen Ablagerungen darstellen. Diese Studie ist der erste Bericht über die Proteinidentifizierung in fossilen Otolithen, der im direkten Vergleich mit dem Proteom kongenerischer moderner Otolithen (Phycid-Seehecht) durchgeführt wurde. Die folgende Diskussion konzentriert sich auf zwei Schlüsselaspekte: Strukturkriterien fossiler Biomineralien, die unberührte paläoproteomische Informationen bewahren, und vergleichende Analyse des Proteingehalts in modernen und fossilen Phycid-Seehecht-Otolithen.

Das für diese Studie ausgewählte Fossilienmaterial stammte aus Korytnica, einem Ort, der für die außergewöhnliche Erhaltung aragonitischer Biomineralien bekannt ist (siehe auch Abschnitt „Material“)32,33. Tatsächlich wurde in allen hier untersuchten fossilen Otolithenproben nur die Aragonit-Carbonat-Polymorphie nachgewiesen; Das heißt, wir haben keine Hinweise auf das Vorhandensein von sekundärem Calcit oder anderen sekundären Phasen beobachtet. Die außergewöhnliche Erhaltung dieser fossilen Otolithen wird außerdem durch ihre kristallographischen und ultrastrukturellen Merkmale gestützt, die sich hinsichtlich der Verteilung der Kristallgrößen, der Ausrichtung/Neigung, der azimutalen Streuung und der turbostratischen Verteilung (Ebene (222)) nicht von denen unterscheiden, die die modernen Gegenstücke charakterisieren. (Abb. 1, 2). Ein weiterer Beweis für den äußerst makellosen Erhaltungszustand dieser fossilen Otolithen ist das Vorkommen ihrer nanogranularen Textur, die typisch für Otolithen und die meisten anderen biogenen Mineralien ist6,34,35. Die knötchenförmigen Nanokörner (ca. 100 nm im Durchmesser), die typischerweise mit Rasterkraftmikroskopie sichtbar gemacht werden (Abb. 2c, d, i, j), werden als Produkt eines Biomineralisierungsprozesses betrachtet, an dem amorphe Vorläufer beteiligt waren36,37. Bei diesem Prozess werden die organischen Moleküle in die aufgenommen kristallisierendes Biomineral, z. B. als Einschlüsse und als organisch reiche „Hüllen“ um die resultierenden Nanokörner (Abb. 2e, f, k, l)25. Einzelne Proteine, die am Carbonat-Biomineralisationsprozess beteiligt sind, haben Massen von bis zu Hunderten kDa und Größen von Wenige bis mehrere Nanometer Durchmesser/Radius der zufälligen Knäuel (strukturierte/IDPs-Proteine). Ihre Einbettung in die Kristallstruktur wurde als Auftreten intra- und interkristalliner Einschlüsse interpretiert38,39. Solche Einschlüsse sind in den hier analysierten modernen und fossilen Otolithen durchweg vorhanden, und wir gehen davon aus, dass sie die Hauptquelle des proteinhaltigen Materials in dieser Studie sind. Frühere (paläo)proteomische Analysen untersuchten die Aminosäureracemisierung und ihre relativen Gehaltsmessungen, um das Konservierungspotenzial der Proben zu bewerten40. Der Proteinabbau wird durch die Verteilung der Aminosäuren zwischen Pools freier Aminosäuren (FAAs) und polymerisierten Aminosäuren (THAA-FAA, als pmol Aminosäuren pro mg Ausgangs-Otolithenmaterial) eindeutig nahegelegt; Die meisten fossilen Peptide sind in einzelne Aminosäuren zerfallen. Die beobachtete Tendenz zu sauren Aminosäuren in fossilen Proben lässt darauf schließen, dass stark saure Proteine (die bei Biomineralien im Allgemeinen häufig vorkommen) Teil der löslicheren Teile des Biominerals sind, die bevorzugt abgebaut wurden; Dies spiegelt sich in den Proteintypen wider, die mittels LC-MS/MS sequenziert wurden (Tabelle 2). Der Proteinabbau wird auch durch die thermogravimetrischen Daten gestützt. Die Thermogramme neuerer Proben weisen im Vergleich zu fossilen Proben einen breiteren thermischen Zersetzungsbereich und eine höhere Anzahl an Gewichtsverlustschritten auf. Die jüngsten Proben enthalten organische Verbindungen, die sich in ihrer Anfälligkeit für thermische Zersetzung unterscheiden. Daher ist es nicht verwunderlich, dass der Temperaturbereich ihres Zerfalls relativ groß ist. Es scheint daher, dass moderne Otolithen im Vergleich zu fossilen Otolithen, bei denen die organische Vielfalt geringer ist, eine größere Vielfalt an organischen (proteinhaltigen) Komponenten enthalten, was sich in einem höheren thermischen Zersetzungsbereich (Anzahl der Gewichtsverlustschritte) zeigt.

Mehr als 130 Proteine wurden in Otolithen des modernen erwachsenen Phycis phycis identifiziert. Dazu gehören Otoline, Otogeline, Usherins und ein Cochlin, die zuvor in Otolithen identifiziert wurden41,42. Von den nachgewiesenen modernen Otolithenproteinen wurden 11 auch in den fossilen P. tenuis-Otolithen beobachtet. Dazu gehören Alpha- und Beta-Tectorin, zwei Otogelin-ähnliche Proteine, Otolin-1-like, und ein Neuroserpin, von denen angenommen wird, dass sie alle direkt an der Biomineralisierung von Calciumcarbonat beteiligt sind. Wir haben in den fossilen Otolithen auch zusätzliche Proteine identifiziert, die bisher in Fisch-Otolithen nicht beschrieben wurden, wie z. B. Kollagenase; transformierender Wachstumsfaktor B-induzierendes Protein, Spleißfaktor; Arginin/Serin-reiches 19-ähnliches Protein; Protocadherin FAT 4-ähnliche Proteine; und Thrombospondin. Alle diese zusätzlichen Proteine mit Ausnahme des Spleißfaktors haben GO-Begriffe, die sie als extrazellulär oder mit einer Membran assoziiert bezeichnen. Mehrere sind kalziumbindend und mindestens eines, Protocadherin, wurde in biogenen Carbonaten anderer Organismen nachgewiesen43.

Es gibt mehrere mögliche Gründe, warum diese besondere Gruppe von Proteinen, die zuvor als Otolithenmatrixproteine etabliert wurden, in den hier untersuchten fossilen Otolithen erhalten blieb. Die gleichzeitige Konservierung einiger Proteine kann auf ihre engen Wechselwirkungen während der Biomineralisierung zurückzuführen sein. Sowohl Otogelin als auch Alpha-Tectorine sind für die Bindung der Otolithenmembran an sensorische Strukturen im Ohr44 notwendig, und Otogelin ist entscheidend für die frühe Larvenentwicklung bei der ersten Aussaat des Otolithen10. Beta-Tectorine binden wahrscheinlich Kalzium, wenn die Biomineralisierung voranschreitet10 und können mit Otolin45 polymerisieren, was möglicherweise deren Co-Konservierung verbessert. In ähnlicher Weise besitzen Alpha-Tectorine eine N-terminale Nidogen-Domäne, von der vorgeschlagen wurde, dass sie auch mit Otolin interagieren kann46. Die in fossilen Otolithen nachgewiesenen Proteine gehören zu den Proteinen mit der höchsten Bewertung in modernen Otolithen (höhere Werte weisen auf eine sicherere Übereinstimmung zwischen den kombinierten Werten aller beobachteten Massenspektren und Aminosäuresequenzen innerhalb des untersuchten Proteins hin), wovon nachweislich ein linearer Zusammenhang besteht relative Proteinhäufigkeit47. Schließlich werden einige Proteine mit sauren Resten, die ein organisches Gerüst für die Bildung von Biomineralien bilden (z. B. Otolin-1 wie48), durch Calciumionen stark stabilisiert; Solche Proteine können fest an der biomineralischen Oberfläche haften, was ihr Konservierungspotenzial im Fossilienbestand verbessern kann29.

Unsere Beobachtungen verfeinern die strukturellen Kriterien für die außergewöhnliche Erhaltung von Karbonat-Biomineralien im Fossilienbestand, und die Paläoproteinsequenzen weisen auf hochkonservierte Innenohr-Biomineralisationsprozesse bei Fischen über geologische Zeiträume hin.

Moderne Otolithen von Forkbeard (Phycis phycis, Familie Phycidae) wurden von Fischen gesammelt, die zwischen 2011 und 2012 von Fischern an der portugiesischen Westküste auf dem Festland gefangen wurden. Sagittale Otolithen wurden mit einem ventralen Schädelschnitt durch Kiemen entfernt, mit Wasser gespült, an der Luft getrocknet und in etikettierten Behältern gelagert Kunststoffröhrchen an der Naturwissenschaftlichen Fakultät Lissabon (Portugal) bis zur Analyse49,50. Zwei große Exemplare von Phycis phycis wurden für biomineralische Strukturanalysen ausgewählt (ZPAL P.21/R-OTH-242/001, ZPAL P.21/R-OTH-187/002) und drei Exemplare (ca. 2,5 g schwer) wurden für die Proteomanalyse ausgewählt (ZPAL P.21/R-OTH-196/003, ZPAL P.21/R-OTH-197/004, ZPAL P.21/R-OTH-198/005).

Die fossilen sagittalen Otolithproben von P. tenuis wurden aus den Korytnica-Tonen gesammelt [GPS-Position: 50°39′50′′ bis 50°40′50′′ N und 20°31′20′′ bis 20°33′00′ 'E; drei Standorte: Korytnica-Plebania, Korytnica-Wald und Mt. Lysa33], eine einzigartige Fazies, die im Endteil der Bucht (Korytnica-Becken) abgelagert wurde und sich im Miozän entlang der felsigen Küste an den Südhängen des Holy Cross-Gebirges entwickelte, Zentralpolen20. Das Korytnica-Becken ist mit einer flacher werdenden Sedimentabfolge gefüllt, die aus ca. 30–60 m dicke Tonfolge, lokal durchsetzt mit Austernschalenbänken. Das absolute Alter der Korytnica-Sequenz wird auf 14,8–14,6 Ma geschätzt51,52 Korytnica-Tone sind für die makellose Erhaltung miozäner Fossilien bekannt. Diese außergewöhnliche Erhaltung wird durch die Aragonit-Mineralogie (eine unter normalen Bedingungen metastabile CaCO3-Polymorphie) von Skeletten von z. B. Skleraktin-Korallen, Gastropoden und Fisch-Otolithen und ihren ausgeprägten und mit modernen Gegenstücken vollständig vergleichbaren mikro- und nanostrukturellen Merkmalen unterstützt6. Die ungewöhnlich günstigen Versteinerungsbedingungen werden außerdem durch außergewöhnliche Restfarbmuster einiger Schnecken- und Seepockenschalen bestätigt20,53,54. Eine solche Konservierung impliziert, dass in undurchlässigem Ton eingebettete Fossilien praktisch von extremen Umwelteinflüssen abgeschirmt waren. Nach dem Rückzug der Paratethys-Meere aus den südlichen Ausläufern des Holy-Cross-Gebirges waren diese Sedimente nicht von einer zusätzlichen dicken Sedimentdecke bedeckt, die einen geothermischen Wärmegradienteneffekt auf fossiles Material verursachen könnte. Die voreingestellte jährliche Durchschnittstemperatur für die Region Heiligkreuz in Polen liegt zwischen 5,61 °C (im Jahr 1940) und 10,10 °C (im Jahr 2019); Beobachtungen von 1901 bis 202155. In Anbetracht der sehr feinkörnigen Beschaffenheit von Korytnica-Tonen und der daraus resultierenden, für solche Sedimente typischen, extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit56 kann zuverlässig vermutet werden, dass die untersuchten Otolithenproben (gewonnen aus heute in 1–2 m Tiefe gefundenen Sedimenten) ) haben während ihrer Bestattungsgeschichte keine nennenswerten Temperaturschwankungen erfahren.

Die Tonproben wurden gewaschen und durch Standardsiebe (500/250/125 μm) gesiebt und bei 40 °C getrocknet. Von ca. 300 Otolithenproben von P. tenuis, 2 Proben wurden für biomineralische Strukturanalysen ausgewählt (ZPAL P.21/C-OTH-07/006 und ZPAL P.21/C-OTH-07/006); Für die Proteomanalyse wurden 20 Proben (ca. 1,6 g Gewicht) ausgewählt (Sammelnummer ZPAL P.21/C-OTH-07/008-027). Für (Paläo-)Proteomanalysen ausgewählte Proben wurden 3 Stunden lang in Natriumhypochlorit (5 %) eingeweicht, gespült und mit entionisiertem Wasser ultraschallbehandelt und über Nacht bei 40 °C getrocknet.

Das Material moderner und fossiler Otolithen befindet sich im Institut für Paläobiologie der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau (Abkürzung ZPAL). Detaillierte Informationen zur Probenidentifikation finden Sie in der Ergänzungstabelle S1.

Strukturmerkmale des Otolithen wurden mit einem Durchlichtmikroskop Nikon Eclipse 80i am Institut für Paläobiologie der Polnischen Akademie der Wissenschaften, Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM, Zeiss Merlin) am Fachbereich Chemie der Universität Warschau, Thermo, untersucht und fotografiert Fisher Tecnai Osiris-Mikroskop in der zentralen Einrichtung für Elektronenmikroskopie (CIME) der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit Multimode 5-Instrument (Veeco), aufgerüstet auf Multimode 8-Version (Bruker), am Fakultät für Chemie, Universität Warschau. Lichtmikroskopische Bilder (in polarisiertem Licht) wurden aus ultradünnen (2–12 μm dicken) Schnitten in der Sagittalebene des Otolithen aufgenommen. FE-SEM-Bilder wurden von transversal gebrochenen Abschnitten von Otolithen aufgenommen, die mit doppelseitigem Klebeband auf Stutzen befestigt und mit einem leitfähigen Platinfilm durch Sputtern beschichtet waren; Die Beschleunigungsspannung betrug 5 kV, der Arbeitsabstand 4–6 mm. Die Rasterkraftmikroskopie-Bildgebung wurde im ScanAsyst-Modus mit speziellen Silikonauslegern aufgenommen. Während jedes Scans wurden gleichzeitig zwei Signale (Höhe und Spitzenkraftfehler) erfasst. Polierte Sagittalschnitte des Otolithen (Endpoliersuspension Buehler Topol 3 mit einer Partikelgröße von 0,25 µm) wurden in Milli-Q-Wasser gespült, 10 s lang in einem Ultraschallreiniger gewaschen und dann 7 h lang mit einer Milli-Q-Wasserlösung geätzt. Die Bilder wurden mit der Software WSxM v5.0 Develop 10.2 von Nanotec57 verarbeitet. Proben für die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wurden als TEM-Querschnittslamellen vorbereitet, die extrahiert und dann mit einer Zweistrahl-Maschine mit fokussiertem Gemini NVision 40-Ionenstrahl gemahlen wurden. Die anfänglichen Stücke werden mit Galliumionen bei 30 kV, 6,5 nA gemahlen und dann mit niedrigeren Strömen schrittweise bis zu 80 pA verdünnt und schließlich bei 5 kV, 80 pA geglättet. TEM-Analysen wurden bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV durchgeführt. Hochwinkel-Ringdunkelfeldbilder (HAADF) im Rastertransmissionselektronenmikroskopiemodus (STEM) wurden mit einer Punktgröße von 0,5 nm und einer Kameralänge von 115 mm aufgenommen.

Die Oberflächenprobe (dicker Objektträger) wurde mit Aluminiumoxid von 1 µm, 0,3 µm und 0,05 µm poliert und schließlich mit kolloidalem Siliciumdioxid (0,05 µm) poliert. Vor der Analyse wurden die Proben mithilfe eines Hochvakuumbeschichters mit einer dünnen Kohlenstoffschicht (ca. 2 nm) beschichtet. Die EBSD-Studie wurde mit dem Oxford NordlysMax-Detektor durchgeführt, der auf einem Rasterelektronenmikroskop JEOL JSM-6610LV am Institut für Werkstofftechnik der Technischen Universität Łódź montiert war. EBSD-Daten wurden mit der AztecHKL-Software bei Hochvakuum, 20 kV, großem Sondenstrom und 20 mm Arbeitsabstand erfasst. EBSD-Muster wurden mit einer Auflösung von 0,22 μm Schrittweite für kristallographische Karten unter Verwendung der für Aragonit und Calcit charakteristischen Elementarzelleneinstellungen wie folgt erfasst58,59: „Pmcn“-Symmetrie und a = 4,96 Å, b = 7,97 Å und c = 5,75 Å geschätzt für Favia-Korallen mittels Röntgenpulverbeugung mit Synchrotronstrahlung (43) und a = b = 4,99 Å bzw. c = 17,06 Å. Die EBSD-Daten werden in dieser Studie durch kristallographische Karten, Phasenbilder und Polfiguren dargestellt, die die stereografische Projektion der kristallographischen Ebenen in Bezug auf die (100), (010), (001) und (222) Aragonitebenen darstellen. Orientierungsbilder und Polfiguren wurden mit dem MTEX-Open-Source-Plugin für das Matlab-Programm (https://mtex-toolbox.github.io/) erstellt. Um die Kombination roter und grüner Farben zu vermeiden und Bilder zu erstellen, die für farbenblinde Benutzer zugänglicher sind, haben wir die BungeColorKey-Palette von MTEX ausgewählt (das Ergebnis wurde mit Coblis, dem Farbenblindheitssimulator unter https://www.color-blindness.com/coblis, getestet). -Farbenblindheits-Simulator/).

Die thermogravimetrische Analyse wurde mit einem TGA Q50-Gerät (TA Instruments) am Institut für Chemie der Universität Warschau durchgeführt. Otolithenproben (37,48 bzw. 37,16 mg für fossile und rezente Proben) wurden in einer Stickstoffumgebung unter einem linearen Gradienten (10 °C min–1) von 20 °C Umgebungstemperatur auf 550 °C erhitzt.

Der erste Test der Annahme, dass ursprüngliches organisches Material im Otolithen verbleibt, umfasste eine Aminosäure-Racemisierungsanalyse (AAR)60,61. Die AAR-Analyse lieferte Informationen darüber, dass die Proben ordnungsgemäß gereinigt wurden (D/L der Fossilien nähert sich (1), dass das ursprüngliche Proteinmaterial noch eingebettet war (D/L der Fossilien nähert sich (1)) und gab eine Vorstellung vom Zustand des Abbaus (d. h. relative Konzentrationen und Häufigkeiten der Aminosäuren, die denen in modernen Otolithenproben ähneln, sollten auf einen minimalen Abbau hinweisen).

Aminosäuren für die Racemisierungsanalyse, sowohl freie als auch vollständig hydrolysierbare Aminosäuren, wurden mit Standardmethoden aus gereinigten Gerüstpulvern (unten beschrieben) extrahiert, hydrolysiert und zur Trockne eingedampft61. Alle Proben wurden in zweifacher Ausfertigung hergestellt und im Amino Acid Geochronology Laboratory der Northern Arizona University unter Verwendung von Standardmethoden mit Modifikationen für Mikrofossilien60,62 analysiert. Rehydrierte Proben wurden mit L-Homo-Arginin als internem Standard versetzt und dann in eine HPLC injiziert, die mit einer Umkehrphasen-C18-gepackten Säule ausgestattet war. „Leer“-Proben waren enthalten. Wir haben zuvor gezeigt, dass unsere „Clean Space“-Einrichtung und unser Handhabungsprotokoll ausreichen, um eine exogene Proteinkontamination im Labor zu verhindern21.

Die fossilen und modernen Otolithen wurden mit Mörser und Pistill auf 125 μm pulverisiert, 1 Stunde lang in 50:50 konzentriertem Bleichmittel/H2O2 unter Ultraschallbehandlung nach den modifizierten Methoden von Stoll et al.63 oxidiert, fünfmal mit MilliQ gespült und getrocknet. Oxidation und Spülungen wurden noch zweimal wiederholt. Gereinigte Pulver von etwa 0,5 g pro Probe wurden in 0,5 M Essigsäure entkalkt, wobei die gesamte Handhabung in einer Laminar-Flow-Abzugshaube erfolgte, um die Kontamination zu minimieren. Die lösliche organische Matrix (SOM) wurde durch Zentrifugalfiltration (Amicon, 3 kDa Cutoff) konzentriert und mit filtrierter phosphatgepufferter Kochsalzlösung gespült. Die unlösliche organische Matrix (IOM; Material, das 5 Minuten lang bei 43.000 × g pelletiert wurde) wurde dreimal mit 80 % Aceton gewaschen. Fossile Proteine wurden als Einzelproben für jede Löslichkeitsfraktion hergestellt (Probe 07); Moderne Proben wurden als biologische Dreifachproben extrahiert (Proben 196–198). Die Proben wurden in SDS-Puffer solubilisiert und dann unter Verwendung des MED-FASP-Protokolls auf einer 30-kDa-Microcon-Zentrifugaleinheit (Sigma Aldrich) verdaut, nachdem der SDS-Puffer mit 8 M Harnstoff 64 durch aufeinanderfolgende Anwendung von Trypsin und dann Glu-C-Enzymen ausgespült wurde. Die Proben wurden mittels Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) in der Proteomics Facility des UCLA Semel Institute sequenziert. Jede Fraktion wurde separat auf einem Nanoflüssigkeitschromatographiesystem analysiert, das an ein hochauflösendes Tisch-Orbitrap-Massenspektrometer (QE-Plus; Thermo Fisher) gekoppelt war und im Positivionenmodus mit datenabhängiger Erfassung betrieben wurde. MS1 wurde mit einer Auflösung von 70.000 (bei 400 m/z) und MS2 mit 17.500 durchgeführt. Zwischen allen Proben wurden instrumentelle Leerwerte gemessen, um eine Verschleppung zu minimieren. Transformierte Massenspektren wurden in Mascot anhand der UniProt-Human-Datenbank, einer gemeinsamen Kontaminantendatenbank und der 65 vorhergesagten Proteindatenbank des Phycis phycis-Genoms analysiert. Die P. phycis-Proteindatenbank (Ergänzungstabelle S5) wurde mithilfe der BRAKER-Pipeline erstellt, die die Verwendung der Programme GeneMark-ES/ET und Augustus66,67,68,69 umfasst, um proteinkodierende Regionen des nicht annotierten P. phycis vorherzusagen. phycis-Genom. Die Datenbank für vorhergesagte Proteine des Atlantischen Kabeljaus (Gadus morhua) (NCBI-Assembly GCA_902167405.1 gadMor3.0) (Datei mit vorhergesagten Proteinen verfügbar) wurde zur Eingabe von „Hinweisen“ zur Steuerung der CDS-Vorhersage verwendet. Alle Proben ermöglichten eine feste Modifikation der Carbamidomethylierung an C und eine variable Oxidation an MW, Desamidierung an NQ und Protein-N-terminale Acetylierung; Fossilienproben erlaubten auch Phospho K & T und MOD. Für jede Probe wurde eine erste Täuschungssuche durchgeführt, um p-Werte für eine Fehlentdeckungsrate von 1 % zu ermitteln. Anschließend wurde eine fehlertolerante Suche durchgeführt und bei Bedarf der p-Wert angepasst. Cutoff-Scores wurden mit dem vom Mascot-Algorithmus empfohlenen Wert angewendet. Zurückgegebene Sequenzen wurden in der Blast2GO-Software mit Anmerkungen versehen und in Blast2GO weiter mit der NCBI-Primatendatenbank Nr. ausgeführt, um auf potenzielle menschliche Kontaminanten zu testen, die nicht von der UniProt-Human-Datenbank in Mascot erfasst wurden. Wahrscheinliche menschliche Kontaminationsproteine wurden von der endgültigen Liste ausgeschlossen, wenn sie > 90 % ähnlich zu Primaten waren, mit einem E-Wert innerhalb von 20 Einheiten der ursprünglichen Anmerkung, innerhalb von 10 E-Wert-Einheiten und 10 % Ähnlichkeit für E-50 und niedriger, oder innerhalb von 5 E-Wert-Einheiten und 10 % Ähnlichkeit für E-50 und höher22. Doppelte Sequenzen wurden in CD-HIT mit > 90 % Ähnlichkeit überprüft; Duplikate werden separat notiert, aber in der Gesamtproteinzahl zusammengezählt. Mehrere Proteine wurden als separate Peptide vorhergesagt; Diese Peptide wurden gegen das vorhergesagte Proteom des Atlantischen Kabeljaus (Gadus morhua) (NCBI-Assembly GCA_902167405.1 gadMor3.0) BLASTed und verkettet, wobei XX-Strings Regionen unbekannter Sequenz zwischen bekannten Peptiden bezeichnen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel (und seinen ergänzenden Informationen) enthalten. Die Massenspektrometrie-Proteomikdaten wurden über das Pride-Partner-Repository70 (https://www.ebi.ac.uk/pride/login) unter der Datensatzkennung PXD036742 und https://doi.org/10.6019 beim Proteomic Xchange Consortium hinterlegt /PXD036742. Es war keine ethische Genehmigung oder Anleitung erforderlich, da in dieser Studie nur Proben aus kommerziellen Anlandungen von Fischereifahrzeugen und Fossilienmaterial in Museumssammlungen analysiert wurden.

Thomas, B. & Taylor, S. Proteome der Vergangenheit: Die Suche nach Proteinen in der Paläontologie. Exp. Rev. Proteom. 16, 881–895. https://doi.org/10.1080/14789450.2019.1700114 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Green, EJ & Speller, CF Neuartige Substrate als Quellen antiker DNA: Perspektiven und Hürden. Gene (Basel) https://doi.org/10.3390/genes8070180 (2017).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Cappellini, E. et al. Antike Biomoleküle und evolutionäre Schlussfolgerungen. Annu. Rev. Biochem. 87, 1029–1060. https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-062917-012002 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Schwarzhans, W., Beckett, HT, Schein, JD, Friedman, M. & Rahman, I. Computertomographie-Scanning als Werkzeug zur Verknüpfung der Skelett- und Otolithen-basierten Fossilienbestände von Knochenfischen. Paläontologie 61, 511–541. https://doi.org/10.1111/pala.12349 (2018).

Artikel Google Scholar

Campana, SE Otolithenwissenschaft auf dem Weg ins 21. Jahrhundert. März. Frischw. Res. https://doi.org/10.1071/mf04147 (2005).

Artikel Google Scholar

Stolarski, J. & Mazur, M. Nanostruktur biogener versus abiogener Calciumcarbonatkristalle. Acta Palaeontol. Pol. 50, 847–865 (2005).

Google Scholar

Sollner, C. et al. Kontrolle der Kristallgröße und Gitterbildung durch Sternmacher bei der Otolithen-Biomineralisierung. Wissenschaft 302, 282–286. https://doi.org/10.1126/science.1088443 (2003).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Payan, P., De Pontual, H., Bœuf, G. & Mayer-Gostan, N. Endolymphchemie und Otolithenwachstum bei Fischen. CR Palevol 3, 535–547. https://doi.org/10.1016/j.crpv.2004.07.013 (2004).

Artikel Google Scholar

Thompson, JB et al. Direkte Beobachtung des Übergangs vom Calcit- zum Aragonitwachstum, der durch Abalone-Schalenproteine induziert wird. Biophys. J . 79, 3307–3312. https://doi.org/10.1016/s0006-3495(00)76562-3 (2000).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Thomas, ORB & Swearer, SE Otolithenbiochemie – Eine Rezension. Rev. Fish. Wissenschaft. Aquakult. 27, 458–489. https://doi.org/10.1080/23308249.2019.1627285 (2019).

Artikel Google Scholar

Murayama, E. et al. Fisch-Otolith enthält ein einzigartiges Strukturprotein, Otolin-1. EUR. J. Biochem. 269(2), 688–696 (2002).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Bajoghli, B., Ramialison, M., Aghaallaei, N., Czerny, T. & Wittbrodt, J. Identifizierung von Starmaker-like in Medaka als mutmaßliches Zielgen von Pax2 im Ohrbläschen. Entwickler Dyn. 238, 2860–2866. https://doi.org/10.1002/dvdy.22093 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Tohse, H., Takagi, Y. & Nagasawa, H. Identifizierung eines neuen Matrixproteins, das in einem mit Kollagen assoziierten Proteinaggregat in Fisch-Otolithen enthalten ist. FEBS J. 275, 2512–2523. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2008.06400.x (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kapłon, T. et al. Biomakromoleküle. Bd. 9.8. 2118–2125 (2008).

Wojtas, M., Marek, W., Andrzej, O. & Piotr, D. Die Phosphorylierung von intrinsisch ungeordnetem Starmaker-Protein erhöht seine Fähigkeit, die Bildung von Calciumcarbonatkristallen zu kontrollieren. Kristall. Wachstumsdes. 12, 158–168. https://doi.org/10.1021/cg200905f (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Różycka, M. et al. Intrinsisch ungeordnetes und biegsames sternbildendes Protein aus Medaka (Oryzias latipes) steuert die Bildung von Calciumcarbonatkristallen. PLoS ONE 9, 114308 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Kalka, M. et al. In-vivo- und In-vitro-Analyse der Starmaker-Aktivität bei der Biomineralisierung von Zebrafisch-Otolithen. FASEB J 33, 6877–6886. https://doi.org/10.1096/fj.201802268R (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Hashim, MS & Kaczmarek, SE Die Umwandlung von Aragonit in Calcit in Gegenwart von Magnesium: Auswirkungen auf die marine Diagenese. Planet Erde. Wissenschaft. Lette. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117166 (2021).

Artikel Google Scholar

Mitterer, RM Organic Geochemistry (Hrsg. Macko Micheael, SA, Engel, H.). 739–753 (Plenum Press, 1993).

Bałuk, W. & Radwański, A. Organische Gemeinschaften und Faziesentwicklung des Korytnica-Beckens (mittleres Miozän; Heilig-Kreuz-Gebirge, Zentralpolen). Acta Geol. Pol. 27, 85–123 (1977).

Google Scholar

Drake, JL, Whitelegge, JP & Jacobs, DK Erste Sequenzierung alter Korallenskelettproteine. Wissenschaft. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-020-75846-4 (2020).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Peled, Y. et al. Die Optimierung der Skelettproteinpräparation für die LC-MS/MS-Sequenzierung liefert zusätzliche Korallenskelettproteine in Stylophora pistillata. BMC Mater 2, 8. https://doi.org/10.1186/s42833-020-00014-x (2020).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Hendy, J. et al. Ein Leitfaden für antike Proteinstudien. Nat. Ökologisch. Entwicklung 2, 791–799. https://doi.org/10.1038/s41559-018-0510-x (2018).

Artikel PubMed Google Scholar

Mann, S. Biomineralisation: Prinzipien und Konzepte in der Chemie bioanorganischer Materialien. 1–210 (Oxford University Press, 2001).

Cuif, J.-P., Dauphin, Y. & Sorauf, JE Biomineralien und Fossilien im Wandel der Zeit. (2011).

van der Valk, T. et al. Millionen Jahre alte DNA gibt Aufschluss über die genomische Geschichte von Mammuts. Natur 591, 265–269. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03224-9 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kjaer, KH et al. Ein 2 Millionen Jahre altes Ökosystem in Grönland, das durch Umwelt-DNA entdeckt wurde. Natur 612, 283–291. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05453-y (2022).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bada, JL, Wang, XS & Hamilton, H. Erhaltung wichtiger Biomoleküle im Fossilienbestand: Aktuelles Wissen und zukünftige Herausforderungen. Philos. Trans. R Soc. London. B Biol. Wissenschaft. 354, 77–86. https://doi.org/10.1098/rstb.1999.0361 (1999).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Demarchi, B. et al. An Mineraloberflächen gebundene Proteinsequenzen bleiben bis in die lange Zeit bestehen. Elife https://doi.org/10.7554/eLife.17092 (2016).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Schroeter, ER et al. Erweiterung für die Kollagen-I-Sequenz von Brachylophosaurus canadensis und zusätzlicher Beweis für die Erhaltung von Kreideprotein. J. Proteome Res. 16, 920–932. https://doi.org/10.1021/acs.jproteome.6b00873 (2017).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Warinner, C., Korzow Richter, K. & Collins, M. Paläoproteomik. J. Chem Rev 122, 13401–13446. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00703 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Radwańska, U. Fischotolithen in den Ablagerungen des mittleren Miozäns (Baden) in Südpolen. Acta Geol. Pol. 42, 141–327 (1992).

Google Scholar

Stolarski, J. Miozäne Scleractinia aus dem Heilig-Kreuz-Gebirge, Polen; Teil 1 – Caryophylliidae, Flabellidae, Dendrophylliidae und Micrabaciidae. Acta Geol. Pol. 41, 37–67 (1991).

Google Scholar

Dauphin, Y. & Dufour, E. Nanostrukturen des aragonitischen Otolithen von Kabeljau (Gadus morhua). Mikron 39, 891–896. https://doi.org/10.1016/j.micron.2007.11.007 (2008).

Artikel PubMed Google Scholar

Gilbert, PUPA et al. Biomineralisation durch Partikelanlagerung bei frühen Tieren. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. 116, 17659. https://doi.org/10.1073/pnas.1902273116 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mastropietro, F. et al. Aufdeckung kristalliner Domänen in einem einkristallinen Prisma einer Molluskenschale. Nat. Mater. 16, 946–952. https://doi.org/10.1038/nmat4937 (2017).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

De Yoreo, JJ et al. Kristallwachstum. Kristallisation durch Partikelanlagerung in synthetischen, biogenen und geologischen Umgebungen. Wissenschaft 349, aaa6760. https://doi.org/10.1126/science.aaa6760 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Younis, S., Kauffmann, Y., Bloch, L. & Zolotoyabko, E. Inhomogenität von Perlmuttlamellen auf der Nanometerlängenskala. Kristall. Wachstumsdes. 12, 4574–4579. https://doi.org/10.1021/cg3007734 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Frankowiak, K. et al. Durch feinskalige Skelettbänderung können symbiotische von asymbiotischen Arten moderner und fossiler Skleraktin-Korallen unterschieden werden. PLoS ONE 11, e0147066. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0147066 (2016).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Drake, JL, Guillermic, M., Eagle, RA & Jacobs, DK Fossile Korallen mit unterschiedlichem Erhaltungsgrad können Informationen über biomineralisationsbezogenes organisches Material speichern. Vorderseite. Erdwissenschaft. https://doi.org/10.3389/feart.2021.643864 (2021).

Artikel Google Scholar

Thomas, ORB et al. Das Innenohr-Proteom von Fischen. FEBS J. 286, 66–81. https://doi.org/10.1111/febs.14715 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Leventea, E. et al. Ciliopathie-Gene sind für die apikale Sekretion von Cochlin, einem Otolithenkristallisationsfaktor, erforderlich. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA https://doi.org/10.1073/pnas.2102562118 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Drake, JL, Mass, T. & Falkowski, PG Die Entwicklung und Zukunft des Karbonatniederschlags bei wirbellosen Meerestieren: Zeuge des Aussterbens oder Dokumentation der Widerstandsfähigkeit im Anthropozän?. Elementa Sci. Anthropozän https://doi.org/10.12952/journal.elementa.000026 (2014).

Artikel Google Scholar

Stooke-Vaughan, GA, Obholzer, ND, Baxendale, S., Megason, SG & Whitfield, TT Die Anbindung des Otolithen in der Ohrblase des Zebrafisches erfordert Otogelin und Alpha-Tectorin. Entwicklung 142, 1137–1145. https://doi.org/10.1242/dev.116632 (2015).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yang, CH et al. Das Zona pellucida-Domänen enthaltende Protein Beta-Tectorin ist für die ordnungsgemäße Entwicklung des Innenohrs von Zebrafischen von entscheidender Bedeutung. PLoS ONE 6, e23078. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0023078 (2011).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lundberg, YW, Zhao, Gehirnres. 1091, 47–57. https://doi.org/10.1016/j.brainres.2006.02.083 (2006).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Liu, H., Sadygov, RG & Yates, JR 3rd. Ein Modell zur Zufallsstichprobe und Schätzung der relativen Proteinhäufigkeit in der Shotgun-Proteomik. Anal. Chem. 76, 4193–4201. https://doi.org/10.1021/ac0498563 (2004).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Holubowicz, R. et al. Einfluss von Calciumionen auf Struktur und Stabilität der C1q-ähnlichen Domäne von Otolin-1 von Menschen und Zebrafischen. FEBS J. 284, 4278–4297. https://doi.org/10.1111/febs.14308 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Vieira, AR, Neves, A., Sequeira, V., Paiva, RB & Gordo, LS Alter und Wachstum von Gabelbart, Phycis phycis, in portugiesischen Kontinentalgewässern. J. Mar. Biol. Assoc. UK 94, 623–630. https://doi.org/10.1017/s0025315413001549 (2013).

Artikel Google Scholar

Vieira, AR, Neves, A., Sequeira, V., Paiva, RB & Gordo, LS Analyse der Otolithenform als Instrument zur Bestandsunterscheidung von Gabelbart (Phycis phycis) im Nordostatlantik. Hydrobiologia 728, 103–110. https://doi.org/10.1007/s10750-014-1809-5 (2014).

Artikel Google Scholar

Rögl, FHM et al. Der mittelmiozäne badische Stratotyp in Baden-Sooss (Niederösterreich). Geol. Carpathica 59, 367–374 (2008).

Google Scholar

Zágoršek, K., Radwańska, U. & Radwański, A. Bryozoa aus dem Korytnica-Becken (mittleres Miozän; Heilig-Kreuz-Gebirge, Zentralpolen). Stier. Geosci. https://doi.org/10.3140/bull.geosci.1249 (2012).

Artikel Google Scholar

Bałuk, W. Untere Torton-Gastropoden aus Korytnica. Polen. TeilI. Paläontol. Polonium. 32, 1–186 (1975).

Google Scholar

Bałuk, WRA Miozäne Cirripeds, die in Korallen beheimatet sind. Acta Palaeontol. Polon. 12, 457–513 (1967).

Google Scholar

Wissensportal zum Klimawandel. https://climateknowledgeportal.worldbank.org/country/poland/climate-data-historical (2023).

Midttømme, KRE & Aagaard, P. Wärmeleitfähigkeit ausgewählter Ton- und Tonsteine aus England. Tonbergmann. 33, 131–145 (1998).

Artikel ADS Google Scholar

Horcas, I. et al. WSXM: Eine Software für die Rastersondenmikroskopie und ein Werkzeug für die Nanotechnologie. Rev. Sci. Instrument. 78, 013705. https://doi.org/10.1063/1.2432410 (2007).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Stolarski, J., Przeniosło, R., Mazur, M. & Brunelli, M. Hochauflösende Synchrotronstrahlungsstudien an natürlichen und thermisch getemperten Skleraktin-Korallen-Biomineralien. J. Appl. Kristalllogr. 40, 2–9. https://doi.org/10.1107/s002188980604489x (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Coronado, I., Fine, M., Bosellini, FR & Stolarski, J. Einfluss der Ozeanversauerung auf die kristallographische Vitalwirkung des Korallenskeletts. Nat. Komm. 10, 2896. https://doi.org/10.1038/s41467-019-10833-6 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kaufman, DS & Manley, WF Ein neues Verfahren zur Bestimmung der dl-Aminosäureverhältnisse in Fossilien mittels Umkehrphasen-Flüssigkeitschromatographie. Quatern. Wissenschaft. Rev. 17, 987–1000. https://doi.org/10.1016/s0277-3791(97)00086-3 (1998).

Artikel ADS Google Scholar

Penkman, KE, Kaufman, DS, Maddy, D. & Collins, MJ Verhalten des intrakristallinen Anteils von Aminosäuren in Molluskenschalen im geschlossenen System. Quat. Geochronol. 3, 2–25. https://doi.org/10.1016/j.quageo.2007.07.001 (2008).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kaufman, D. Datierung von Tiefseesedimenten mithilfe der Aminosäureracemisierung in fossilen Ostracodes. Geologie https://doi.org/10.1130/g20004.1 (2003).

Artikel Google Scholar

Stoll, HM et al. Ein erster Blick auf die Paläotemperaturaussichten von Mg in Coccolithcarbonat: Reinigungstechniken und Kulturmessungen. Geochem. Geophys. Geosyst. https://doi.org/10.1029/2000gc000144 (2001).

Artikel Google Scholar

Wisniewski, JR Filtergestützte Probenvorbereitung: Die vielseitige und effiziente Methode zur Proteomanalyse. Methoden Enzymol. 585, 15–27. https://doi.org/10.1016/bs.mie.2016.09.013 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Malmstrom, M., Matschiner, M., Torresen, OK, Jakobsen, KS & Jentoft, S. Gesamtgenomsequenzierungsdaten und De-novo-Entwurfsassemblys für 66 Knochenfischarten. Wissenschaft. Daten 4, 160132. https://doi.org/10.1038/sdata.2016.132 (2017).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hoff, KJ, Lange, S., Lomsadze, A., Borodovsky, M. & Stanke, M. BRAKER1: Unüberwachte RNA-seq-basierte Genomannotation mit GeneMark-ET und AUGUSTUS. Bioinformatik 32, 767–769. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btv661 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Hoff, KJ, Lomsadze, A., Borodovsky, M. & Stanke, M. Annotation des gesamten Genoms mit BRAKER. Methoden Mol. Biol. 65–95, 2019. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-9173-0_5 (1962).

Artikel CAS Google Scholar

Stanke, M., Schoffmann, O., Morgenstern, B. & Waack, S. Genvorhersage in Eukaryoten mit einem verallgemeinerten Hidden-Markov-Modell, das Hinweise aus externen Quellen verwendet. BMC Bioinform. 7, 62. https://doi.org/10.1186/1471-2105-7-62 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Lomsadze, A., Burns, PD & Borodovsky, M. Integration kartierter RNA-Seq-Reads in das automatische Training des eukaryotischen Genfindungsalgorithmus. Nukleinsäuren Res. 42, e119. https://doi.org/10.1093/nar/gku557 (2014).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Perez-Riverol, Y. et al. Die PRIDE-Datenbank und zugehörige Tools und Ressourcen im Jahr 2019: Verbesserung der Unterstützung für Quantifizierungsdaten. Nukleinsäuren Res. 47, D442–D450. https://doi.org/10.1093/nar/gky1106 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde durch die Forschungsstipendien 2017/25/B/ST10/02221 und 2020/39/B/ST10/01253 des National Science Center (Polen) an JS, den NSF Postdoctoral Research Fellowship in Biology Award #1611943 und das Zuckerman STEM Postdoctoral Leadership Fellowship unterstützt an JD und der Schweizerische Nationalfonds gewährt 205321_212614 an AM. ARV wurde von der Fundação para a Ciência ea Tecnologia (FCT, Portugal) durch den Forschungsvertrag CEECIND/01528/2017 unterstützt. Wir danken T. Bernat, dem Amino Acid Geochronology Laboratory an der Northern Arizona University und dem NPI-Semel Institute Proteomics Laboratory an der UCLA für die Probenverarbeitung bzw. Aminosäure- und Proteinanalyse.

Institut für Paläobiologie, Polnische Akademie der Wissenschaften, Twarda 51/55, 00818, Warschau, Polen

Jarosław Stolarski

Abteilung für Erd-, Planeten- und Weltraumwissenschaften, University of California, Los Angeles, CA, USA

Jean Drake

Fakultät für Bio- und Umweltwissenschaften, Universidad de León, Campus Vegazana S/N, 24171, Leon, Spanien

Ismael Coronado

Abteilung für Tierbiologie, Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Lissabon, Campo Grande, 1749-016, Lissabon, Portugal

Ana R. Vieira

Zentrum für Meeres- und Umweltwissenschaften (MARE), Universität Lissabon, Campo Grande, 1749-016, Lissabon, Portugal

Ana R. Vieira

Institut für Geologie, Universität Warschau, Żwirki i Wigury 93, 02089, Warschau, Polen

Urszula Radwańska

Abteilung für Integrative Biologie, Michigan State University, East Lansing, MI, USA

Elizabeth AC Heath-Heckman

Fakultät für Chemie, Universität Warschau, Pasteura 1, 02-093, Warschau, Polen

Maciej Mazur

Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Hubei-Universität, Wuhan, 430062, Hubei, China

Jinming Guo

Labor für biologische Geochemie, Fakultät für Architektur, Bau- und Umweltingenieurwesen, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, 1015, Lausanne, Schweiz

Anders Meibom

Zentrum für fortgeschrittene Oberflächenanalyse, Institut für Geowissenschaften, Université de Lausanne, 1015, Lausanne, Schweiz

Anders Meibom

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

JS und JD entwarfen die Studie, analysierten die Daten und verfassten das Manuskript. ARV und UR lieferten und identifizierten Material moderner und einiger fossiler Otolithen. IC erstellte EBSD-Karten und interpretierte kristallographische Messungen. MM erstellte AFM-Bilder und thermogravimetrische Analysen. EACH führte die P. phycis-Proteinvorhersage mit BRAKER durch. GJ führte TEM-Analysen durch. JS, JD, IC, EACH, GJ, AM trugen zur Interpretation der Ergebnisse und zum Verfassen des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit Jarosław Stolarski.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Stolarski, J., Drake, J., Coronado, I. et al. Erste Paläoproteomstudie fossiler Fischotolithen und der unberührten Erhaltung des biomineralischen Kristallwirts. Sci Rep 13, 3822 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30537-8

Zitat herunterladen

Eingegangen: 09. November 2022

Angenommen: 24. Februar 2023

Veröffentlicht: 07. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30537-8

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.