Otolina -1 – białko biomineralizacji ludzkich otokoniów i rybich otolitów - Bielak, Klaudia (Politechnika Wrocławska, 2023)
Biomineralizacja jest procesem podlegającym ścisłej kontroli fizjologicznej, w wyniku którego organizmy żywe wytwarzają struktury mineralne pełniące różnorodne funkcje. Interesującymi strukturami biomineralnymi występującymi pośród kręgowców są otolity i otokonia – zbudowane z biogenicznego węglanu wapnia sensory grawitacji i przyspieszenia liniowego, zlokalizowane w uchu wewnętrznym. Otolity i otokonia posiadają poniżej 10% macierzy organicznej, której składniki białkowe odgrywają kluczową rolę w ich postawaniu. Jednym ze składników macierzy organicznej ludzkich otokoniów i rybich otolitów jest otolina-1 - białko podobne, chociaż krótsze, do kolagenu należące do nadrodziny białek C1q. Otolina-1 jest otokoniną specyficzną dla ucha wewnętrznego, której rola biologiczna została nakreślona m.in. w badaniach nad Danio rerio, słodkowodnej ryby będącej organizmem modelowym m.in. chorób ucha człowieka. Molekularne podstawy działania poszczególnych składników macierzy organicznej otolitów i otokoniów są niezbędne do poznania mechanizmów ich mineralizacji oraz chorób związanych z uchem wewnętrznym, takich jak łagodne położeniowe zawroty głowy. Celem pracy doktorskiej było dokonanie analizy porównawczej otoliny-1 z Danio rerio oraz Homo sapiens, skupiając się na badaniach nad właściwościami molekularnymi białek w obecności naturalnego liganda – jonów wapnia, oraz poznania ich roli w eksperymentach bioinspirowanej mineralizacji węglanu wapnia in vitro. Część pracy skupiała się na analizie proteomu otolitów Cyprinus carpio oraz kopalnych otolitów Gadiculus argenteus. Opracowanie metody nadekspresji i oczyszczania rekombinowanej otoliny-1 pozwoliły na przeprowadzenie analizy strukturalno-funkcjonalnej białek. Pomimo wysokiego podobieństwa sekwencji aminokwasowych i struktury drugorzędowej otoliny-1 z Danio rerio i Homo sapiens, przekładających się na ogólne własności badanych białek, szczegóły relacji struktura-funkcja mogą być kluczowe dla zrozumienia ich roli w mineralizacji otolitów oraz otokoniów. Wykazano, że obecność jonów wapnia stabilizuje termicznie otolinę-1 oraz wpływa na tworzone przez nią oligomery. Przeprowadzone analizy wskazują, że niższe stężenia jonów wapnia wywierają silny wpływ na otolinę-1 z Homo sapiens, w odróżnieniu od otoliny-1 z Danio rerio modulowanej wyższymi stężeniami jonów wapnia. W pracy zaprezentowano częściowy, niskorozdzielczy obraz 3D otoliny-1 z Danio rerio uzyskany z użyciem mikroskopii krioelektronowej. W wyniku eksperymentów bioinspirowanej mineralizacji węglanu wapnia w obecności otoliny-1 zaproponowano rolę białka związaną z nukleacją oraz selektywną inhibicją budowania ścian kryształów z jednoczesnym indukowaniem powstawania kolejnych płaszczyzn mineralizacji. Zjawisko to jest szczególnie widoczne dla homologa z Danio rerio. W wyniku badań proteomicznych otolitów Cyprinus carpio zidentyfikowano białka będące potencjalnymi izoformami otoliny-1. Z kolei analiza proteomu kopalnych otolitów Gadiculus argenteus wykazała obecność dwóch białek lub ich fragmentów zachowanych w otolitach datowanych na epokę pliocenu.
Keywords: biomineralizacja; otolity; otokonia; otolina-1; białka rekombinowane; badania biochemiczne; charakterystyka białek; spektroskopia; relacja struktura-funkcja; proteomika