Magnétite dans les dents: séquençage des transcriptomes du tissu de la radula du mollusque coquille

Selon les statistiques, les médecins les plus terribles sont les dentistes. Ces adeptes d'une perceuse et d'un gaz hilarant sont prêts à tout pour se faire des perles de dents. C'est du moins ce que pensent les personnes atteintes de dentophobie. En fait, le travail des dentistes est important et nécessaire. Mais celui qui n’a pas besoin d’un dentiste, ce sont les chitons - mollusques à coquille. Leurs dents sont si fortes que l'expression «ronger le granit de la science» prend un sens littéral. Les dents de la radula tunique sont recouvertes de minéral de magnétite, que ces habitants marins produisent indépendamment. Les scientifiques ont donc décidé d'étudier ce processus plus en détail dans l'espoir d'obtenir de nouvelles informations pouvant aider à la création de nouveaux matériaux ultra-résistants. Comment les scientifiques ont mené leurs recherches sur les «sourires» des tuniques, ce qu'ils ont réussi à découvrir et comment leurs découvertes peuvent aider les gens - les réponses à ces questions figurent dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Malacologie

Les chitons ou mollusques à coquille sont une classe de mollusques marins recouverts de coquille. Voici une telle tautologie. À l'heure actuelle, environ 1 500 espèces vivent dans une grande variété de régions géographiques et de couches d'eau (des eaux peu profondes à des profondeurs de 2 500 m). La première caractéristique qui attire votre attention est leur carapace. Il se compose de 8 plaques interconnectées de manière assez mobile, ce qui permet aux tuniques de s'effondrer en boule en cas de danger.


Chiton de l'espèce Cryptochiton stelleri.

Si nous disons que la généalogie des tuniques est très ancienne, alors ce sera un euphémisme, car certains restes des ancêtres des tuniques (fossiles) datent d'environ 400 millions d'années. En même temps, ces habitants marins étaient reclus - les premières descriptions de tuniques remontent à 1758 après la paternité du scientifique suédois Karl Linnaeus.


Tunique Radula.

Le cauchemar de tout dentiste est une bouche tunique, équipée d'une radula avec plusieurs rangées de dents de 17 pièces chacune. Encore une fois, nous disons grâce à l'évolution que ces créatures atteignent un maximum de 35 cm et se nourrissent d'algues microscopiques, et non d'humains. Chacune des dents est recouverte de magnétite, ce qui les aide à gratter leur nourriture de toute surface.

Et c'est précisément cette caractéristique qui a intéressé les scientifiques. Comment les chitons produisent-ils de la magnétite, faisant de leurs dents l'une des plus fortes de la nature?


Magnétite

La magnétite (Fe ₃ O ₄ / oxyde de fer), comme vous pouvez le deviner d'après son nom, possède de fortes propriétés magnétiques, en plus, c'est un semi-conducteur. Vous ne pouvez pas appeler ce minéral rare, mais c'est une chose de l'exploiter dans certaines montagnes et une autre de le développer avec votre propre corps pour donner de la force à vos dents.

Nous avons donc fait un peu connaissance avec le protagoniste de cette étude et sa «superpuissance». Il est maintenant temps d'approfondir l'étude elle-même et ses résultats.

Base d'étude

Les scientifiques savent depuis longtemps que certains organismes peuvent produire de la magnétite. Parmi ces organismes, il y a des bactéries, des abeilles, du saumon et même des pigeons. Cependant, depuis la découverte d'une telle caractéristique chez les chitons en 1962, le mécanisme de production de magnétite n'a pas été entièrement décrit. Les scientifiques notent que l'intérêt pour les chitons a augmenté à plusieurs reprises après que la magnétite produite par Cryptochiton stelleri (un type de chitons) a été reconnue comme l'un des biominéraux les plus durables.

Une autre caractéristique importante des chitons est le remplacement d'un certain nombre de dents usées par de nouvelles formées à l'intérieur de la radula, ce qui nous permet d'analyser l'ensemble du processus de minéralisation. Les 8 à 12 premières rangées de dents de C. stelleri sont transparentes et ne contiennent pas de magnétite, mais se composent davantage d'α-chitine et de protéines. Au bout de 2 à 5 rangées de dents, la couleur devient brun rougeâtre, ce qui correspond visuellement à une minéralisation partielle au moyen d'oxyde de fer nanocristallin amorphe (ferrihydrite). Et les rangées de dents les plus récentes ont déjà des saillies noires prononcées, ce qui indique l'achèvement du processus de minéralisation, c'est-à-dire la transition de la ferrihydrite à la magnétite.

Une nuance importante - la surface de la radula et la base des dents sont principalement constituées d'α-chitine, mais la pointe des dents est déjà constituée d'un minéral. Et cela signifie qu'il existe un certain nombre de protéines qui déterminent les spécificités de la formation d'oxyde de fer et la couverture supplémentaire de cette zone particulière avec de la magnétite.

Pour étudier ces processus, les scientifiques ont effectué une série d'observations qui ont permis de recréer avec une transcription de la radula tissulaire du chiton C. stelleri des deux régions - avec et sans minéralisation.

Résultats


Image n ° 1

Les dents du mollusque sont formées à l'intérieur des tissus de la radula, où elles sont entourées de cellules épithéliales ( 1a ). Par conséquent, les protéines nécessaires à leur formation sont produites dans les mêmes cellules.

Les scientifiques ont isolé l'ARN des tissus de la radula afin de construire une série de séquences exprimées dans ces tissus (transcription).

Les tissus de trois sites ( 1a ) ont servi d'échantillons pour l'isolement de l'ARN: les 8–12 premières rangées de dents (sans minéralisation), 2–5 rangées (minéralisation partielle) et 5–6 rangées (minéralisation complète). Ensuite, le séquençage de l'ARN, c'est-à-dire la détermination de la structure primaire de l'ARN, a été effectué. Les données des sites minéralisés et non minéralisés ont été recueillies dans 187980 transcriptions. La longueur moyenne d'un transcrit était de 705 pb (bases appariées / paires de nucléotides), et le maximum atteignait 16738 pb.

La figure 1b montre schématiquement une dent chiton: une membrane raduleuse à la base, puis la partie principale et l'apex pointu de la dent (partie extérieure).


Résultats de séquençage d'ARN Tableau C. stelleri.

Parmi les 20 transcrits les plus exprimés dans la région dentaire non minéralisée, cinq transcrits sont des isoformes de la protéine Cs17717 | c0_g1 . Il a également été révélé 2 transcrits de protéines de type péritrophine - Cs79475 | c0_g1_i1 et Cs70642 | c0_g2_i1 qui ont un domaine de liaison à la chitine. Il est également important de noter que Cs25220 | c1_g1_i1 est similaire à la protéine Pif, qui est associée à la biominéralisation du carbonate de calcium dans les mollusques. Ainsi, les protéines ci-dessus ont un domaine de liaison à la chitine de type 2.

Une image différente a été observée dans les vingt transcriptions exprimées dans la région minéralisée des dents. 35% d'entre eux étaient des enzymes de la chaîne respiratoire mitochondriale. La protéine Cs12250 | c0_g1_i1 impliquée dans la liaison à la chitine a également été détectée. Fait intéressant, cette protéine a déjà été trouvée dans le bec du calmar. Environ 25% des transcrits sont des isoformes de la protéine Cs22243 | c0_g7 , dont les fonctions n'ont pas encore été étudiées.

Les scientifiques ont identifié un certain nombre de protéines importantes impliquées dans le processus de minéralisation. Mais ils considèrent la ferritine comme la plus importante, nécessaire au stockage et au transfert du fer. La ferritine forme une cellule protéique - une sorte de piège dans lequel jusqu'à 4 500 atomes de fer sont placés sous la forme d'un minéral à base d'oxyde de fer.


Tableau de toutes les protéines associées à la minéralisation dentaire C. stelleri.

Et puisque des gènes de ferritine ont été trouvés dans les tissus de la radula des mollusques testés, les scientifiques ont hardiment suggéré qu'il était impliqué dans le processus de minéralisation des dents.

Les scientifiques ont analysé 134 993 transcriptions à la recherche de signes d'homologie (similitude génétique) avec les gènes de la ferritine. En conséquence, 4 séquences de transcription d'acides aminés ont été isolées.

Une analyse des quatre a montré que Cs90734 | c0_g1_i1 a une homologie avec des ferritines sécrétées, et les trois autres ( Cs22563 | c0_g1_i1 , Cs75144 | c0_g1_i1 et Cs17042 | c0_g1_i1 ) sont plus similaires aux ferritines cytoplasmiques.

Les scientifiques soulignent également que la ferritine Cs90734 | c0_g1_i1 , contrairement à ses «collègues», possède certaines propriétés structurelles inhérentes aux ferritines de type sécrétées et non cytoplasmiques.

Premièrement, il a une insertion d'environ 40 résidus d'acides aminés (acides aminés en dehors de la séquence peptidique). Deuxièmement, les résidus de liaison aux métaux sont remplacés par d'autres acides aminés. La seule chose que Cs90734 | c0_g1_i1 n'a pas de ferritines de type sécrétée est les séquences de signaux.

Le taux d'expression le plus élevé était pour une ferritine spécifique - Cs75144 | c0_g1_i1 , qui était, ce qui est intéressant, plus prononcé dans la région non minéralisée des dents. Cela indique son importance dans le processus de minéralisation.

Au total, 31 protéines de la base dentaire et de la membrane radula ont été identifiées. Parmi ceux-ci, 22 ont été identifiés au cours de la première étape de l'analyse par spectrométrie de masse en tandem. Cette technique a également permis de comprendre que les séquences peptidiques des zones minéralisées de la dent sont en corrélation avec 232 transcrits et les séquences peptidiques de la base dentaire et de la membrane avec 114 transcrits.

77 protéines ont été identifiées au niveau de la pointe des dents (61 lors de la première analyse et 54 lors de la seconde), parmi lesquelles: myoglobine, actine, facteur d'élongation alpha 1 et arginine kinase ( Cs77196 | c0_g2_i1 , Cs47470 | c2_g3_i1 , Cs24354 | c0_ g1_i1 Cs82664 | c0_g1_i1 , respectivement). Tous sont représentés par les vingt transcriptions les plus exprimées dans la zone non minéralisée des dents.

Lors de la recherche des responsables de la minéralisation des protéines, le logiciel Mascot a été utilisé, travaillant sur la base des données de spectrométrie de masse et déterminant les protéines par séquences peptidiques. Parmi les protéines étudiées, une attention particulière a été accordée à la protéine Cs68435 | c0_g1_i1 non identifiée auparavant, qui n'avait pas de caractéristiques communes avec les séquences d'autres protéines. Les scientifiques lui ont donné le nom de RTMP1 (protéine matricielle des dents radiales 1).

La séquence peptidique de la protéine Cs68435 | c0_g1_i1 contient des résidus de glycine et de sérine. Étant donné que les cinq premiers (5 ') de cette protéine ont été raccourcis, la longueur totale de la séquence a été déterminée en utilisant 5'-RACE.

RACE (amplification rapide des extrémités d'ADNc) est une méthode pour produire des régions d'extrémité d'ADNc double brin homologues aux extrémités 3 'ou 5' de molécules d'ARNm spécifiques.

La séquence d'acides aminés complète de la nouvelle protéine RTMP1.

L'image générale de la séquence est la suivante: sites enrichis en glycine et sérine (GS), puis sites avec tryptophane et phénylalanine (WF) et sites riches en histidine (H).

Les scientifiques ont également découvert que l'alignement des séquences WF des domaines de liaison à la chitine RTMP1 de quatre chitinases bactériennes (enzymes qui activent la dégradation de la chitine) a montré que trois résidus putatifs sur cinq interagissant avec la chitine dans les domaines de liaison à la chitine sont également présents dans RTMP1.

Les scientifiques ont déterminé le profil d'expression des transcrits associés aux protéines de minéralisation à différentes périodes de minéralisation. Le niveau d'expression de certains transcrits (par exemple, les protéines de type neuroglobine, la superoxyde dismutase, la peroxyrédoxine-6, etc.) diffère d'environ 4 fois dans les zones dentaires avec et sans minéralisation. Le niveau d'expression varie en fonction du déroulement du processus de minéralisation. En d'autres termes, plus le site de minéralisation est proche, plus l'expression de certains transcrits est faible et plus l'expression d'autres est élevée (par exemple, la protéine RTMP1).

Pour une connaissance plus détaillée de l'étude, je vous recommande fortement de consulter le rapport du groupe de recherche et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Cette étude a été la première à démontrer une transcription de chiton de radon tissulaire. Les scientifiques ont pu découvrir que les transcrits les plus exprimés dans les zones non minéralisées contiennent des gènes de ferritine et dans ceux minéralisés - des enzymes de la chaîne respiratoire mitochondriale.

Les chercheurs ont également isolé 22 protéines dans la zone minéralisée, parmi lesquelles une toute nouvelle a été découverte - RTMP1. Ce sont ces protéines qui seront testées dans d'autres études sur la minéralisation de l'oxyde de fer dans les tuniques.

Ce travail est la première étape pour comprendre comment les minéraux se forment réellement dans les systèmes biologiques. De tels cas ne sont pas rares, mais ils ont été étudiés de manière extrêmement superficielle à l'heure actuelle. À l'avenir, ces connaissances peuvent aider à créer de nouvelles méthodes de culture de certains matériaux, en leur conférant des propriétés très utiles (résistance, conductivité électrique, aimantation, etc.).

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars.

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