شكرًا لك على زيارة Nature.com.إصدار المتصفح الذي تستخدمه لديه دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة ، نوصي باستخدام مستعرض محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).في غضون ذلك ، لضمان استمرار الدعم ، سنعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
ينطوي تطور الطفيليات الميكروبية على مواجهة بين الانتقاء الطبيعي ، الذي يتسبب في تحسن الطفيليات ، والانحراف الجيني ، الذي يتسبب في فقدان الطفيليات للجينات وتراكم الطفرات الضارة.هنا ، من أجل فهم كيفية حدوث هذا الفعل المضاد على مقياس جزيء واحد ، نصف بنية cryo-EM لريبوسوم Encephalitozoon cuniculi ، وهو كائن حقيقي النواة مع واحد من أصغر الجينومات في الطبيعة.ويرافق الانخفاض الشديد في الرنا الريباسي في E. cuniculi ribosomes تغيرات هيكلية غير مسبوقة ، مثل تطور روابط الرنا الريباسي غير المعروفة سابقًا والرنا الريباسي بدون انتفاخات.بالإضافة إلى ذلك ، نجا E. cuniculi ribosome من فقدان شظايا rRNA والبروتينات من خلال تطوير القدرة على استخدام الجزيئات الصغيرة كمحاكاة بنيوية لشظايا وبروتينات rRNA المتدهورة.بشكل عام ، نظهر أن الهياكل الجزيئية التي كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنها تتقلص وتتحلل وتخضع للطفرات المنهكة لديها عدد من الآليات التعويضية التي تحافظ عليها نشطة على الرغم من الانقباضات الجزيئية الشديدة.
نظرًا لأن معظم مجموعات الطفيليات الميكروبية لديها أدوات جزيئية فريدة لاستغلال مضيفيها ، غالبًا ما يتعين علينا تطوير علاجات مختلفة لمجموعات مختلفة من الطفيليات 1،2.ومع ذلك ، تشير الأدلة الجديدة إلى أن بعض جوانب تطور الطفيليات متقاربة ويمكن التنبؤ بها إلى حد كبير ، مما يشير إلى أساس محتمل للتدخلات العلاجية الواسعة في الطفيليات الميكروبية 3،4،5،6،7،8،9.
حدد العمل السابق اتجاهًا تطوريًا شائعًا في الطفيليات الميكروبية يسمى اختزال الجينوم أو تسوس الجينوم.تظهر الأبحاث الحالية أنه عندما تتخلى الكائنات الحية الدقيقة عن أسلوب حياتها الحر وتتحول إلى طفيليات داخل الخلايا (أو متعايشات داخلية) ، فإن جينوماتها تخضع لتحولات بطيئة ولكنها مذهلة على مدى ملايين السنين.في عملية تُعرف باسم اضمحلال الجينوم ، تراكم الطفيليات الميكروبية طفرات ضارة تحول العديد من الجينات المهمة سابقًا إلى جينات خادعة ، مما يؤدي إلى فقدان الجينات التدريجي والانهيار الطفري.يمكن لهذا الانهيار أن يدمر ما يصل إلى 95٪ من الجينات في أقدم الكائنات الحية داخل الخلايا مقارنةً بأنواع الكائنات الحية الحرة ذات الصلة الوثيقة.وبالتالي ، فإن تطور الطفيليات داخل الخلايا هو شد الحبل بين قوتين متعارضتين: الانتقاء الطبيعي الدارويني ، مما يؤدي إلى تحسين الطفيليات ، وانهيار الجينوم ، مما يؤدي إلى نسيان الطفيليات.كيف تمكن الطفيلي من الخروج من لعبة شد الحبل هذه والاحتفاظ بنشاط تركيبته الجزيئية لا يزال غير واضح.
على الرغم من أن آلية تحلل الجينوم ليست مفهومة تمامًا ، إلا أنه يبدو أنها تحدث أساسًا بسبب الانجراف الجيني المتكرر.نظرًا لأن الطفيليات تعيش في مجموعات صغيرة ، لا جنسية ، ومحدودة وراثيًا ، فإنها لا تستطيع القضاء بشكل فعال على الطفرات الضارة التي تحدث أحيانًا أثناء تكرار الحمض النووي.هذا يؤدي إلى تراكم لا رجعة فيه للطفرات الضارة وتقليل جينوم الطفيل.نتيجة لذلك ، لا يفقد الطفيل فقط الجينات التي لم تعد ضرورية لبقائه في البيئة داخل الخلايا.إن عدم قدرة مجموعات الطفيليات على القضاء بشكل فعال على الطفرات الضارة المتفرقة هي التي تتسبب في تراكم هذه الطفرات في جميع أنحاء الجينوم ، بما في ذلك الجينات الأكثر أهمية.
يعتمد الكثير من فهمنا الحالي لخفض الجينوم فقط على مقارنات تسلسل الجينوم ، مع اهتمام أقل بالتغيرات في الجزيئات الفعلية التي تؤدي وظائف التدبير المنزلي وتعمل كأهداف محتملة للأدوية.أظهرت الدراسات المقارنة أن عبء الطفرات الميكروبية الضارة داخل الخلايا يبدو أنه يهيئ البروتينات والأحماض النووية لسوء الطي والتجمع ، مما يجعلها أكثر اعتمادًا على المرافقة وفرط الحساسية للحرارة.بالإضافة إلى ذلك ، عانت طفيليات مختلفة - تطور مستقل يفصلها أحيانًا ما يصل إلى 2.5 مليار سنة - من فقدان مماثل لمراكز مراقبة الجودة في تخليق البروتين وآليات إصلاح الحمض النووي 24.ومع ذلك ، لا يُعرف الكثير عن تأثير نمط الحياة داخل الخلايا على جميع الخصائص الأخرى للجزيئات الكبيرة الخلوية ، بما في ذلك التكيف الجزيئي مع العبء المتزايد للطفرات الضارة.
في هذا العمل ، من أجل فهم أفضل لتطور البروتينات والأحماض النووية للكائنات الدقيقة داخل الخلايا ، حددنا بنية الريبوسومات للطفيلي داخل الخلايا Encephalitozoon cuniculi.E. cuniculi هو كائن حي شبيه بالفطر ينتمي إلى مجموعة من الكائنات الدقيقة الطفيلية التي تحتوي على جينومات حقيقية النواة صغيرة بشكل غير عادي ، وبالتالي تستخدم ككائنات نموذجية لدراسة تحلل الجينوم.في الآونة الأخيرة ، تم تحديد بنية الريبوسوم cryo-EM من أجل جينومات منخفضة بشكل معتدل من Microsporidia و Paranosema locustae و Vairimorpha necatrix (حوالي 3.2 ميجا بايت من الجينوم).تشير هذه الهياكل إلى أن بعض فقدان تضخيم الرنا الريباسي يتم تعويضه عن طريق تطوير اتصالات جديدة بين بروتينات الريبوسوم المجاورة أو الحصول على بروتينات ريبوسومية جديدة msL131،32.تُظهر الأنواع Encephalitozoon (جينوم ~ 2.5 مليون نقطة أساس) ، جنبًا إلى جنب مع أقرب أقربائها Ordospora ، الدرجة النهائية من انخفاض الجينوم في حقيقيات النوى - لديهم أقل من 2000 جينة ترميز البروتين ، ومن المتوقع أن لا تكون ريبوسوماتها خالية فقط من شظايا تمدد الرنا الريباسي (شظايا الرنا الريباسي التي تميز ريبوسوم حقيقيات النوى الأربعة بسبب الريبوسومات البكتيرية). جينوم cuniculi 26،27،28.لذلك ، خلصنا إلى أن E. cuniculi ribosome يمكن أن تكشف عن استراتيجيات غير معروفة من قبل للتكيف الجزيئي مع تسوس الجينوم.
يمثل هيكلنا cryo-EM أصغر ريبوسوم حشوي حقيقي النواة يمكن توصيفه ويوفر نظرة ثاقبة حول كيفية تأثير الدرجة النهائية للحد من الجينوم على بنية وتجميع وتطور الآلية الجزيئية التي تعتبر جزءًا لا يتجزأ من الخلية.وجدنا أن E. cuniculi ribosome ينتهك العديد من المبادئ المحفوظة على نطاق واسع لطي RNA وتجميع الريبوسوم ، واكتشفنا بروتينًا ريبوسوميًا جديدًا غير معروف سابقًا.بشكل غير متوقع تمامًا ، أظهرنا أن الميكروسبوريديا الريبوسومات قد طورت القدرة على ربط الجزيئات الصغيرة ، وافترضنا أن الاقتطاعات في الرنا الريباسي والبروتينات تؤدي إلى ابتكارات تطورية قد تمنح في النهاية صفات مفيدة للريبوسوم.
لتحسين فهمنا لتطور البروتينات والأحماض النووية في الكائنات داخل الخلايا ، قررنا عزل جراثيم E. cuniculi من مزارع خلايا الثدييات المصابة من أجل تنقية ريبوسوماتها وتحديد بنية هذه الريبوسومات.من الصعب الحصول على عدد كبير من ميكروسبوريديا الطفيلية لأنه لا يمكن تربيتها في وسط مغذي.بدلاً من ذلك ، فإنها تنمو وتتكاثر فقط داخل الخلية المضيفة.لذلك ، للحصول على الكتلة الحيوية E. cuniculi لتنقية الريبوسوم ، قمنا بإصابة خط خلايا الكلى في الثدييات RK13 بجراثيم E. cuniculi وزرعنا هذه الخلايا المصابة لعدة أسابيع للسماح لـ E. cuniculi بالنمو والتكاثر.باستخدام طبقة أحادية الخلية المصابة تبلغ مساحتها حوالي نصف متر مربع ، تمكنا من تنقية حوالي 300 مجم من جراثيم Microsporidia واستخدامها لعزل الريبوسومات.قمنا بعد ذلك بتعطيل الجراثيم المنقاة بخرز زجاجي وعزلنا الريبوسومات الخام باستخدام تجزئة البولي إيثيلين غليكول التدريجي للمحللات.سمح لنا هذا بالحصول على ما يقرب من 300 ميكروغرام من E. cuniculi ribosomes الخام للتحليل الهيكلي.
قمنا بعد ذلك بجمع صور cryo-EM باستخدام عينات الريبوسوم الناتجة وعالجنا هذه الصور باستخدام أقنعة تتوافق مع الوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة ورأس الوحدة الفرعية الصغيرة والوحدة الفرعية الصغيرة.خلال هذه العملية ، قمنا بجمع صور لحوالي 108000 جسيم ريبوزومي وصور مبردة محسوبة بدقة 2.7 Å (الأشكال التكميلية 1-3).ثم استخدمنا صور cryoEM لنمذجة الرنا الريباسي وبروتين الريبوسوم وعامل السبات Mdf1 المرتبط بـ E. cuniculi ribosomes (الشكل 1 أ ، ب).
هيكل من E. cuniculi ribosome معقد مع عامل السبات Mdf1 (pdb id 7QEP).(ب) خريطة عامل السبات Mdf1 المرتبط بـ E. cuniculi ribosome.ج خريطة بنية ثانوية تقارن الرنا الريباسي المسترد في الأنواع الميكروسبوريدية بالتراكيب الريبوسومية المعروفة.تُظهر اللوحات موقع شظايا الرنا الريباسي المضخم (ES) والمواقع النشطة للريبوسوم ، بما في ذلك موقع فك التشفير (DC) ، وحلقة السارسينيسين (SRL) ، ومركز الببتيدل ترانسفيراز (PTC).د تشير كثافة الإلكترون المقابلة لمركز peptidyl transferase الخاص بـ E.cuniculi ribosome إلى أن هذا الموقع التحفيزي له نفس البنية في طفيلي E. cuniculi ومضيفاته ، بما في ذلك H. sapiens.e ، f تشير كثافة الإلكترون المقابلة لمركز فك التشفير (e) والهيكل التخطيطي لمركز فك التشفير (f) إلى أن E. cuniculi لها بقايا U1491 بدلاً من A1491 (ترقيم E. coli) في العديد من حقيقيات النوى الأخرى.يشير هذا التغيير إلى أن E. cuniculi قد تكون حساسة للمضادات الحيوية التي تستهدف هذا الموقع النشط.
على عكس الهياكل التي تم إنشاؤها سابقًا لـ V. necatrix و P. locustae ribosomes (يمثل كلا الهيكلين نفس عائلة microsporidia Nosematidae وتشبهان إلى حد بعيد بعضهما البعض) ، تخضع 31،32 E. cuniculi ribosomes لعمليات عديدة من الرنا الريباسي وتفتيت البروتين.مزيد من التمسخ (الأشكال التكميلية 4-6).في الرنا الريباسي ، تضمنت التغييرات الأكثر لفتًا للانتباه الخسارة الكاملة لجزء الرنا الريباسي 25S المضخم ES12L والانحلال الجزئي لولبونات h39 و h41 و H18 (الشكل 1 ج ، الشكل التكميلي 4).من بين بروتينات الريبوسوم ، تضمنت التغييرات الأكثر لفتًا للانتباه فقدانًا كاملًا لبروتين eS30 وتقصير بروتينات eL8 و eL13 و eL18 و eL22 و eL29 و eL40 و uS3 و uS9 و uS14 و uS17 و eS7 (الأشكال التكميلية 4 ، 5).
وبالتالي ، فإن الانخفاض الشديد في جينومات أنواع Encephalotozoon / Ordospora ينعكس في هيكلها الريبوسومي: تعاني E. cuniculi ribosomes من أكثر خسارة دراماتيكية لمحتوى البروتين في الريبوسومات السيتوبلازمية حقيقية النواة الخاضعة للتوصيف الهيكلي ، ولا تحتوي حتى على تلك الرنا الريباسي وشظايا البروتين التي يتم حفظها على نطاق واسع ليس فقط في حقيقيات النوى.يوفر هيكل E. cuniculi ribosome النموذج الجزيئي الأول لهذه التغييرات ويكشف عن الأحداث التطورية التي تم تجاهلها من قبل كل من الجينوميات المقارنة ودراسات التركيب الجزيئي الحيوي داخل الخلايا (الشكل التكميلي 7).أدناه ، نصف كل من هذه الأحداث جنبًا إلى جنب مع أصولها التطورية المحتملة وتأثيرها المحتمل على وظيفة الريبوسوم.
ثم وجدنا أنه بالإضافة إلى عمليات اقتطاع الرنا الريباسي الكبيرة ، فإن E. cuniculi ribosomes لها اختلافات في الرنا الريباسي في أحد مواقعها النشطة.على الرغم من أن مركز ترانسفيراز الببتيدل الخاص بـ E.cuniculi ribosome له نفس بنية الريبوسومات حقيقية النواة الأخرى (الشكل 1 د) ، يختلف مركز فك التشفير بسبب اختلاف التسلسل في النيوكليوتيدات 1491 (ترقيم E.coli ، الشكل 1 هـ ، و).هذه الملاحظة مهمة لأن موقع فك تشفير الريبوسومات حقيقية النواة يحتوي عادةً على بقايا G1408 و A1491 مقارنةً بمخلفات من النوع البكتيري A1408 و G1491.يكمن هذا الاختلاف في الحساسية المختلفة للريبوسومات البكتيرية وحقيقية النواة لعائلة أمينوغليكوزيد للمضادات الحيوية الريبوزومية والجزيئات الصغيرة الأخرى التي تستهدف موقع فك التشفير.في موقع فك تشفير E. cuniculi ribosome ، تم استبدال البقايا A1491 بـ U1491 ، مما قد يؤدي إلى إنشاء واجهة ربط فريدة للجزيئات الصغيرة التي تستهدف هذا الموقع النشط.يوجد متغير A14901 نفسه أيضًا في الكائنات المجهرية الأخرى مثل P. locustae و V. necatrix ، مما يشير إلى أنه منتشر بين أنواع microsporidia (الشكل 1f).
نظرًا لأن عينات E. cuniculi ribosome الخاصة بنا تم عزلها من جراثيم غير نشطة أيضيًا ، فقد اختبرنا خريطة cryo-EM لـ E.cuniculi لربط الريبوسوم الموصوف سابقًا تحت الضغط أو ظروف الجوع.عوامل السبات 31،32،36،37،38. لقد قمنا بمطابقة الهيكل الذي تم إنشاؤه مسبقًا للريبوسوم السبات مع خريطة cryo-EM للبكتيريا E. cuniculi ribosome.لرسو السفن ، تم استخدام الريبوسومات S. cerevisiae في معقد مع عامل السبات Stm138 ، وريبوزومات الجراد في مجمع مع عامل Lso232 ، والريبوزومات V.في الوقت نفسه ، وجدنا كثافة cryo-EM المقابلة لعامل الباقي Mdf1.على غرار ربط Mdf1 بالريبوسوم V. necatrix ، يرتبط Mdf1 أيضًا بـ E.cuniculi ribosome ، حيث يحجب الموقع E للريبوسوم ، مما قد يساعد في إتاحة الريبوسومات عندما تصبح جراثيم الطفيليات غير نشطة أيضيًا عند تعطيل الجسم (الشكل 2).).
يحجب Mdf1 الموقع E للريبوسوم ، والذي يبدو أنه يساعد في تعطيل الريبوسوم عندما تصبح جراثيم الطفيليات غير نشطة من الناحية الأيضية.في بنية E. cuniculi ribosome ، وجدنا أن Mdf1 يشكل اتصالًا غير معروف سابقًا مع جذع الريبوسوم L1 ، وهو جزء من الريبوسوم يسهل إطلاق الحمض النووي الريبي المنزوع الكريات من الريبوسوم أثناء تخليق البروتين.تشير جهات الاتصال هذه إلى أن Mdf1 ينفصل عن الريبوسوم باستخدام نفس آلية الحمض النووي الريبي المنزوع الأسيتيل ، مما يوفر تفسيرًا محتملاً لكيفية إزالة الريبوسوم لـ Mdf1 لإعادة تنشيط تخليق البروتين.
ومع ذلك ، كشف هيكلنا عن اتصال غير معروف بين Mdf1 وساق الريبوسوم L1 (جزء الريبوسوم الذي يساعد على إطلاق الحمض الريبي النووي النقال المنزوع الكريات من الريبوسوم أثناء تخليق البروتين).على وجه الخصوص ، يستخدم Mdf1 نفس جهات الاتصال مثل جزء الكوع من جزيء الحمض النووي الريبي المنزوع الكريات (الشكل 2).أظهرت هذه النمذجة الجزيئية غير المعروفة سابقًا أن Mdf1 ينفصل عن الريبوسوم باستخدام نفس آلية الحمض النووي الريبي المنزوع الأسيتيل ، وهو ما يفسر كيف يزيل الريبوسوم عامل السبات هذا لإعادة تنشيط تخليق البروتين.
عند بناء نموذج الرنا الريباسي ، وجدنا أن E. cuniculi ribosome لديها شظايا rRNA مطوية بشكل غير طبيعي ، والتي أطلقنا عليها اسم rRNA المدمج (الشكل 3).في الريبوسومات التي تمتد عبر مجالات الحياة الثلاثة ، يتحول الرنا الريباسي إلى هياكل تكون فيها معظم قواعد الرنا الريباسي إما زوجًا قاعديًا وتنطوي مع بعضها البعض أو تتفاعل مع بروتينات الريبوسوم.ومع ذلك ، في E. cuniculi ribosomes ، يبدو أن الرنا الريباسي ينتهك مبدأ الطي هذا عن طريق تحويل بعض حلزوناتها إلى مناطق rRNA مكشوفة.
هيكل اللولب الرنا الريباسي H18 25S في S. cerevisiae و V. necatrix و E. cuniculi.عادةً ، في الريبوسومات التي تغطي مجالات الحياة الثلاثة ، يتم لف هذا الرابط في حلزون RNA يحتوي على 24 إلى 34 وحدة بنائية.على النقيض من ذلك ، في Microsporidia ، يتم تقليل رابط الرنا الريباسي هذا تدريجيًا إلى رابطين أحاديي الشريطة غنيان باليوريدين يحتويان على 12 وحدة بنائية فقط.تتعرض معظم هذه المخلفات للمذيبات.يوضح الشكل أن ميكروسبوريديا الطفيلية يبدو أنها تنتهك المبادئ العامة لطي الرنا الريباسي ، حيث تقترن قواعد الرنا الريباسي عادةً بقواعد أخرى أو تشارك في تفاعلات بروتين الرنا الريباسي.في ميكروسبوريديا ، تأخذ بعض شظايا الرنا الريباسي طية غير مواتية ، حيث يصبح اللولب الرنا الريباسي السابق شظية أحادية الجديلة ممدودة تقريبًا في خط مستقيم.يسمح وجود هذه المناطق غير العادية للميكروسبوريديا الرنا الريباسي بربط شظايا الرنا الريباسي البعيدة باستخدام أقل عدد ممكن من قواعد الحمض النووي الريبي.
يمكن ملاحظة المثال الأكثر لفتًا للانتباه لهذا التحول التطوري في H18 25S rRNA helix (الشكل 3).في الأنواع من الإشريكية القولونية إلى البشر ، تحتوي قواعد لولب الرنا الريباسي هذا على 24-32 نيوكليوتيد ، مما يشكل لولبًا غير منتظم قليلاً.في الهياكل الريبوزومية التي تم تحديدها مسبقًا من V. necatrix و P. locustae ، 31،32 تكون قواعد اللولب H18 غير ملفوفة جزئيًا ، ولكن يتم الحفاظ على الاقتران بقاعدة النوكليوتيدات.ومع ذلك ، في E. cuniculi ، يصبح جزء الرنا الريباسي هذا هو أقصر الروابط 228UUUGU232 و 301UUUUUUUUU307.على عكس شظايا الرنا الريباسي النموذجية ، فإن هذه الروابط الغنية باليوريدين لا تلتف أو تجري اتصالًا واسعًا ببروتينات الريبوسوم.وبدلاً من ذلك ، فإنها تعتمد هياكل مفتوحة المذيبات وغير مكشوفة بالكامل حيث يتم تمديد خيوط الرنا الريباسي بشكل مستقيم تقريبًا.يوضح هذا التشكل الممتد كيف يستخدم E. cuniculi 12 قاعدة فقط من RNA لملء الفجوة 33 بين H16 و H18 rRNA ، بينما تتطلب الأنواع الأخرى ضعف عدد قواعد الرنا الريباسي لملء الفجوة.
وبالتالي ، يمكننا إثبات أنه من خلال الطي غير المواتي بقوة ، طورت الكائنات المجهرية الطفيلية استراتيجية للتعاقد حتى تلك الأجزاء من الرنا الريباسي التي تظل محفوظة على نطاق واسع عبر الأنواع في مجالات الحياة الثلاثة.على ما يبدو ، من خلال تجميع الطفرات التي تحول حلزونات الرنا الريباسي إلى روابط قصيرة من بولي يو ، يمكن أن تشكل E. cuniculi شظايا غير عادية من الرنا الريباسي تحتوي على أقل عدد ممكن من النيوكليوتيدات لربط أجزاء الرنا الريباسي البعيدة.يساعد هذا في تفسير كيف حققت ميكروسبوريديا انخفاضًا كبيرًا في بنيتها الجزيئية الأساسية دون أن تفقد سلامتها الهيكلية والوظيفية.
ميزة أخرى غير عادية من E. cuniculi rRNA هي ظهور الرنا الريباسي بدون سماكة (الشكل 4).الانتفاخات عبارة عن نيوكليوتيدات بدون أزواج قاعدية تنحرف عن لولب الحمض النووي الريبي بدلاً من الاختباء فيه.تعمل معظم نتوءات الرنا الريباسي كمواد لاصقة جزيئية ، مما يساعد على ربط البروتينات الريبوزومية المجاورة أو شظايا الرنا الريباسي الأخرى.تعمل بعض الانتفاخات كمفصلات ، مما يسمح لولب الرنا الريباسي بالثني والطي على النحو الأمثل لتخليق البروتين المنتج 41.
أ نتوء الرنا الريباسي (ترقيم S. cerevisiae) غائب من بنية ريبوسوم E. cuniculi ، ولكنه موجود في معظم حقيقيات النوى الأخرى ب E. coli و S. cerevisiae و H. sapiens و E. cuniculi ribosomes الداخلية.تفتقر الطفيليات إلى العديد من انتفاخات الرنا الريباسي القديمة والمحفوظة للغاية.هذه الثخانات تثبت بنية الريبوسوم ؛لذلك ، فإن غيابهم في microsporidia يشير إلى انخفاض استقرار قابلية طي الرنا الريباسي في طفيليات ميكروسبوريديا.تُظهر المقارنة مع السيقان P (السيقان L7 / L12 في البكتيريا) أن فقدان نتوءات الرنا الريباسي يتزامن أحيانًا مع ظهور نتوءات جديدة بجوار النتوءات المفقودة.يحتوي اللولب H42 في 23S / 28S rRNA على انتفاخ قديم (U1206 في Saccharomyces cerevisiae) يُقدر بعمر 3.5 مليار سنة على الأقل بسبب حمايته في ثلاثة مجالات من الحياة.في microsporidia ، يتم التخلص من هذا الانتفاخ.ومع ذلك ، ظهر انتفاخ جديد بجوار الانتفاخ المفقود (A1306 في E. cuniculi).
اللافت للنظر ، وجدنا أن E. cuniculi ribosomes تفتقر إلى معظم انتفاخات الرنا الريباسي الموجودة في الأنواع الأخرى ، بما في ذلك أكثر من 30 انتفاخًا محفوظًا في حقيقيات النوى الأخرى (الشكل 4 أ).تقضي هذه الخسارة على العديد من الاتصالات بين الوحدات الفرعية الريبوسومية وحلزونات الرنا الريباسي المجاورة ، مما يؤدي أحيانًا إلى خلق فراغات جوفاء كبيرة داخل الريبوسوم ، مما يجعل E. cuniculi ribosome أكثر مسامية مقارنةً بالريبوسومات التقليدية (الشكل 4 ب).والجدير بالذكر أننا وجدنا أن معظم هذه الانتفاخات قد ضاعت أيضًا في هياكل V. necatrix و P. locustae الريبوسوم التي تم تحديدها سابقًا ، والتي تم تجاهلها من خلال التحليلات الهيكلية السابقة.
في بعض الأحيان يكون فقدان انتفاخات الرنا الريباسي مصحوبًا بتطور انتفاخات جديدة بجوار الانتفاخ المفقود.على سبيل المثال ، يحتوي جذع الريبوسوم P على انتفاخ U1208 (في Saccharomyces cerevisiae) نجا من الإشريكية القولونية للإنسان ، وبالتالي يقدر عمره بـ 3.5 مليار سنة.أثناء تخليق البروتين ، يساعد هذا الانتفاخ الجذع P على التحرك بين التوافقات المفتوحة والمغلقة بحيث يمكن للريبوسوم تجنيد عوامل الترجمة وتسليمها إلى الموقع النشط.في E. cuniculi ribosomes ، هذا التكاثف غائب ؛ومع ذلك ، فإن سماكة جديدة (G883) تقع فقط في ثلاثة أزواج أساسية يمكن أن تسهم في استعادة المرونة المثلى للساق P (الشكل 4 ج).
تشير بياناتنا عن الرنا الريباسي بدون انتفاخات إلى أن تقليل الرنا الريباسي لا يقتصر على فقدان عناصر الرنا الريباسي على سطح الريبوسوم ، ولكنه قد يشمل أيضًا نواة الريبوسوم ، مما يخلق عيبًا جزيئيًا خاصًا بالطفيلي لم يتم وصفه في الخلايا الحية الحرة.الأنواع الحية لوحظت.
بعد نمذجة بروتينات الريبوسوم الكنسي والـ rRNA ، وجدنا أن مكونات الريبوسوم التقليدية لا يمكنها تفسير الأجزاء الثلاثة من صورة cryo-EM.اثنان من هذه الأجزاء عبارة عن جزيئات صغيرة الحجم (الشكل 5 ، الشكل التكميلي 8).يقع الجزء الأول بين البروتينات الريبوزومية uL15 و eL18 في موضع يشغله عادةً الطرف C لـ eL18 ، والذي يتم تقصيره في E. cuniculi.على الرغم من أننا لا نستطيع تحديد هوية هذا الجزيء ، فإن حجم وشكل جزيرة الكثافة هذه يمكن تفسيرهما جيدًا من خلال وجود جزيئات سبيرميدين.يتم تثبيت ارتباطه بالريبوسوم عن طريق الطفرات الخاصة بالميكروسبوريديا في بروتينات uL15 (Asp51 و Arg56) ، والتي يبدو أنها تزيد من تقارب الريبوسوم لهذا الجزيء الصغير ، لأنها تسمح لـ uL15 بلف الجزيء الصغير في بنية ريبوسومية.الشكل التكميلي 2).8 ، بيانات إضافية 1 ، 2).
يظهر التصوير بالتبريد- EM وجود النيوكليوتيدات خارج الريبوز المرتبط بـ E. cuniculi ribosome.في E. cuniculi ribosome ، يحتل هذا النيوكليوتيد نفس مكان النوكليوتيدات 25S rRNA A3186 (ترقيم Saccharomyces cerevisiae) في معظم الريبوسومات حقيقية النواة الأخرى.ب في البنية الريبوزومية لـ E. cuniculi ، يقع هذا النيوكليوتيد بين بروتينات الريبوسوم uL9 و eL20 ، وبالتالي استقرار الاتصال بين البروتينين.cd eL20 تحليل الحفظ المتسلسل بين أنواع ميكروسبوريديا.تُظهر شجرة النشوء والتطور لأنواع Microsporidia (c) والمحاذاة المتعددة للتسلسل لبروتين eL20 (d) أن بقايا الارتباط بالنيوكليوتيدات F170 و K172 محفوظة في معظم أنواع Microsporidia النموذجية ، باستثناء S. lophii ، باستثناء S.هـ يوضح هذا الشكل أن بقايا الارتباط بالنيوكليوتيدات F170 و K172 موجودة فقط في eL20 من جينوم ميكروسبوريديا شديد الانخفاض ، ولكن ليس في حقيقيات النوى الأخرى.بشكل عام ، تشير هذه البيانات إلى أن الريبوسومات Microsporidian قد طورت موقعًا لربط النوكليوتيدات يبدو أنه يربط جزيئات AMP ويستخدمها لتثبيت تفاعلات البروتين والبروتين في بنية الريبوسوم.يشير الحفظ العالي لموقع الارتباط هذا في Microsporidia وغيابه في حقيقيات النوى الأخرى إلى أن هذا الموقع قد يوفر ميزة بقاء انتقائية لـ Microsporidia.وبالتالي ، لا يبدو أن الجيب المرتبط بالنيوكليوتيدات في الريبوسوم الميكرو سبوريديا سمة متدهورة أو شكل نهائي من تدهور الرنا الريباسي كما هو موصوف سابقًا ، بل هو ابتكار تطوري مفيد يسمح للميكروسبوريديا الريبوسوم بربط الجزيئات الصغيرة مباشرة ، باستخدامها كوحدات بناء جزيئية.اللبنات الأساسية للريبوسومات.يجعل هذا الاكتشاف من ميكروسبوريديا ريبوسوم الريبوسوم الوحيد المعروف باستخدام نيوكليوتيد واحد ككتلة بنائية هيكلية.و المسار التطوري الافتراضي المشتق من الارتباط بالنيوكليوتيدات.
تقع كثافة الوزن الجزيئي المنخفض الثانية عند السطح البيني بين بروتينات الريبوسوم uL9 و eL30 (الشكل 5 أ).تم وصف هذه الواجهة مسبقًا في بنية Saccharomyces cerevisiae ribosome كموقع ربط للنيوكليوتيدات 25S من الرنا الريباسي A3186 (جزء من امتداد ES39L rRNA).وقد تبين أنه في المتحللة P. locustae ES39L ribosomes ، ترتبط هذه الواجهة بنيوكليوتيد واحد غير معروف 31 ، ويفترض أن هذا النيوكليوتيد هو شكل نهائي مخفض من الرنا الريباسي ، حيث يبلغ طول الرنا الريباسي حوالي 130-230 قاعدة.يتم تقليل ES39L إلى نوكليوتيد مفرد 32.43.تدعم صورنا المبردة EM فكرة أن الكثافة يمكن تفسيرها بواسطة النيوكليوتيدات.ومع ذلك ، فإن الدقة الأعلى لهيكلنا أظهرت أن هذا النيوكليوتيد هو جزيء خارج الجسم ، ربما AMP (الشكل 5 أ ، ب).
ثم سألنا ما إذا كان موقع الارتباط بالنيوكليوتيدات قد ظهر في E. cuniculi ribosome أو ما إذا كان موجودًا من قبل.نظرًا لأن ارتباط النوكليوتيدات يتم توسطه بشكل أساسي عن طريق بقايا Phe170 و Lys172 في بروتين الريبوسوم eL30 ، قمنا بتقييم حفظ هذه البقايا في 4396 حقيقيات نواة تمثيلية.كما في حالة uL15 أعلاه ، وجدنا أن بقايا Phe170 و Lys172 يتم حفظها بشكل كبير فقط في Microsporidia النموذجية ، ولكنها غائبة في حقيقيات النوى الأخرى ، بما في ذلك Microsporidia Mitosporidium و Amphiamblys غير النمطية ، حيث لا يتم تقليل جزء ES39L rRNA 44 ، 45 ، 46 (الشكل 5 ج).-e).
مجتمعة ، تدعم هذه البيانات فكرة أن E. cuniculi وربما الأخرى microsporidia الكنسي قد طورت القدرة على التقاط أعداد كبيرة من المستقلبات الصغيرة بكفاءة في بنية الريبوسوم للتعويض عن الانخفاض في مستويات الرنا الريباسي والبروتين.من خلال القيام بذلك ، طوروا قدرة فريدة على ربط النيوكليوتيدات خارج الريبوسوم ، مما يدل على أن الهياكل الجزيئية الطفيلية تعوض عن طريق التقاط مستقلبات صغيرة وفيرة واستخدامها كمحاكاة هيكلية لشظايا RNA والبروتينات المتدهورة..
الجزء الثالث غير المحاكى من خريطة cryo-EM الخاصة بنا ، الموجود في الوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة.تشير الدقة العالية نسبيًا (2.6 Å) لخريطتنا إلى أن هذه الكثافة تنتمي إلى بروتينات ذات مجموعات فريدة من بقايا السلسلة الجانبية الكبيرة ، مما سمح لنا بتحديد هذه الكثافة كبروتين ريبوزومي غير معروف سابقًا والذي حددناه على أنه سمي msL2 (بروتين ميكروسبوريديا L2) (الطرق ، الشكل 6).أظهر بحثنا عن التماثل أن msL2 محفوظ في صنف Microsporidia من جنس Encephaliter و Orosporidium ، ولكنه غائب في الأنواع الأخرى ، بما في ذلك Microsporidia الأخرى.في البنية الريبوزومية ، تحتل msL2 فجوة شكلتها خسارة الرنا الريباسي ES31L الممتد.في هذا الفراغ ، يساعد msL2 على استقرار طي الرنا الريباسي ويمكن أن يعوض فقدان ES31L (الشكل 6).
كثافة الإلكترون ونموذج البروتين الريبوزومي الخاص بـ Microsporidia msL2 الموجود في E. cuniculi ribosomes.(ب) معظم الريبوسومات حقيقية النواة ، بما في ذلك الريبوسوم 80S من Saccharomyces cerevisiae ، لديها تضخيم الرنا الريباسي ES19L المفقود في معظم الأنواع Microsporidian.يشير الهيكل الذي تم إنشاؤه مسبقًا لـ V. necatrix microsporidia ribosome إلى أن فقدان ES19L في هذه الطفيليات يتم تعويضه عن طريق تطور بروتين الريبوسوم msL1 الجديد.في هذه الدراسة ، وجدنا أن E. cuniculi ribosome طور أيضًا بروتينًا إضافيًا لمحاكاة RNA للريبوسوم كتعويض واضح عن فقدان ES19L.ومع ذلك ، فإن msL2 (الموضح حاليًا كبروتين ECU06_1135 الافتراضي) و msL1 لهما أصول هيكلية وتطورية مختلفة.ج هذا الاكتشاف لتوليد البروتينات الريبوسومية msL1 و msL2 غير المرتبطة تطوريًا يشير إلى أنه إذا تراكمت الريبوسومات طفرات ضارة في الرنا الريباسي الخاص بها ، فيمكنها تحقيق مستويات غير مسبوقة من التنوع التركيبي حتى في مجموعة فرعية صغيرة من الأنواع وثيقة الصلة.يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف في توضيح أصل وتطور ريبوسوم الميتوكوندريا ، المعروف بتخفيضه الشديد في الرنا الريباسي والتنوع غير الطبيعي في تكوين البروتين عبر الأنواع.
قمنا بعد ذلك بمقارنة بروتين msL2 ببروتين msL1 الموصوف سابقًا ، وهو بروتين الريبوسوم الوحيد المعروف الخاص بالميكروسبوريديا الموجود في ريبوسوم V.أردنا اختبار ما إذا كان msL1 و msL2 مرتبطان تطوريًا.أظهر تحليلنا أن msL1 و msL2 يشغلان نفس التجويف في بنية الريبوسوم ، لكن لهما هياكل أولية وثالثية مختلفة ، مما يشير إلى أصلهما التطوري المستقل (الشكل 6).وبالتالي ، يوفر اكتشافنا لـ msL2 دليلًا على أن مجموعات الأنواع حقيقية النواة المدمجة يمكن أن تطور بشكل مستقل بروتينات ريبوسومية متميزة هيكليًا للتعويض عن فقدان أجزاء الرنا الريباسي.يُلاحظ هذا الاكتشاف في أن معظم الريبوسومات حقيقية النواة السيتوبلازمية تحتوي على بروتين ثابت ، بما في ذلك نفس العائلة المكونة من 81 بروتينًا ريبوزوميًا.يشير ظهور msL1 و msL2 في مجموعات مختلفة من microsporidia استجابة لفقدان مقاطع الرنا الريباسي الممتدة إلى أن تدهور البنية الجزيئية للطفيلي يجعل الطفيليات تبحث عن طفرات تعويضية ، والتي قد تؤدي في النهاية إلى اكتسابها في مجموعات طفيليات مختلفة.الهياكل.
أخيرًا ، عند اكتمال نموذجنا ، قمنا بمقارنة تركيبة E. cuniculi ribosome مع تلك المتنبأ بها من تسلسل الجينوم.كان يُعتقد سابقًا أن العديد من بروتينات الريبوسوم ، بما في ذلك eL14 و eL38 و eL41 و eS30 ، مفقودة من جينوم E. cuniculi بسبب الغياب الواضح لمثيلاتها من جينوم E. cuniculi.من المتوقع أيضًا فقدان العديد من البروتينات الريبوزومية في معظم الطفيليات الأخرى داخل الخلايا والتعايش الداخلي المنخفض للغاية.على سبيل المثال ، على الرغم من أن معظم البكتيريا الحرة تحتوي على نفس العائلة المكونة من 54 بروتينًا ريبوزوميًا ، إلا أن 11 من هذه العائلات البروتينية فقط لديها متماثلات يمكن اكتشافها في كل جينوم تم تحليله للبكتيريا المقيدة بالمضيف.لدعم هذه الفكرة ، لوحظ فقدان البروتينات الريبوزومية بشكل تجريبي في V. necatrix و P. locustae microsporidia ، التي تفتقر إلى بروتينات eL38 و eL4131،32.
ومع ذلك ، تظهر هياكلنا أن eL38 و eL41 و eS30 فقط هي التي تُفقد فعليًا في E. cuniculi ribosome.تم الحفاظ على بروتين eL14 وأظهر هيكلنا سبب عدم إمكانية العثور على هذا البروتين في بحث التماثل (الشكل 7).في E. cuniculi ribosomes ، يتم فقد معظم موقع ربط eL14 بسبب تدهور ES39L المضخم للـ rRNA.في غياب ES39L ، فقد eL14 معظم هيكله الثانوي ، وكان 18٪ فقط من تسلسل eL14 متطابقًا في E. cuniculi و S. cerevisiae.هذا الحفاظ على التسلسل السيئ أمر رائع لأنه حتى Saccharomyces cerevisiae و Homo sapiens - الكائنات الحية التي تطورت بفارق 1.5 مليار سنة - تشترك في أكثر من 51٪ من نفس البقايا في eL14.يفسر هذا الفقد الشاذ للحفظ سبب شرح E. cuniculi eL14 حاليًا كبروتين M970_061160 وليس بروتين ريبوسومي eL1427.
وفقد Microsporidia ribosome امتداد ES39L rRNA ، والذي أزال جزئيًا موقع ارتباط بروتين الريبوسوم eL14.في حالة عدم وجود ES39L ، يخضع بروتين eL14 microspore لفقدان البنية الثانوية ، حيث يتحلل الحلزون α-helix السابق المرتبط بالـ rRNA إلى حلقة الحد الأدنى من الطول.(ب) تُظهر محاذاة التسلسل المتعدد أن بروتين eL14 محفوظ بدرجة كبيرة في الأنواع حقيقية النواة (57٪ هوية تسلسلية بين الخميرة والمتجانسات البشرية) ، ولكن يتم حفظها بشكل سيئ ومتباعد في الكائنات الدقيقة (حيث لا تتطابق أكثر من 24٪ من المخلفات مع متماثل eL14).من S. cerevisiae أو H. sapiens).يفسر هذا الحفظ السيئ للتسلسل وتنوع البنية الثانوية سبب عدم العثور على متماثل eL14 في E. cuniculi ولماذا يُعتقد أن هذا البروتين قد فُقد في E. cuniculi.في المقابل ، تم شرح E. cuniculi eL14 مسبقًا كبروتين مفترض M970_061160.تشير هذه الملاحظة إلى أن تنوع جينوم ميكروسبوريديا مبالغ فيه حاليًا: بعض الجينات التي يُعتقد حاليًا أنها مفقودة في ميكروسبوريديا يتم الحفاظ عليها في الواقع ، وإن كان ذلك في أشكال شديدة التباين ؛بدلاً من ذلك ، يُعتقد أن بعضها يرمز لجينات ميكروسبوريديا لبروتينات خاصة بالديدان (على سبيل المثال ، البروتين الافتراضي M970_061160) في الواقع يرمز للبروتينات المتنوعة للغاية الموجودة في حقيقيات النوى الأخرى.
تشير هذه النتيجة إلى أن تمسخ الرنا الريباسي يمكن أن يؤدي إلى خسارة كبيرة في حفظ التسلسل في بروتينات الريبوسوم المجاورة ، مما يجعل هذه البروتينات غير قابلة للكشف عن عمليات البحث عن التماثل.وبالتالي ، قد نبالغ في تقدير الدرجة الفعلية للتدهور الجزيئي في كائنات الجينوم الصغيرة ، نظرًا لأن بعض البروتينات التي يُعتقد أنها مفقودة تستمر فعليًا ، وإن كان ذلك في أشكال متغيرة للغاية.
كيف يمكن للطفيليات الاحتفاظ بوظيفة آلاتها الجزيئية في ظل ظروف الاختزال الشديد في الجينوم؟تجيب دراستنا على هذا السؤال من خلال وصف التركيب الجزيئي المعقد (الريبوسوم) لـ E.cuniculi ، وهو كائن حي به أحد أصغر جينومات حقيقية النواة.
لقد كان معروفًا منذ ما يقرب من عقدين من الزمن أن جزيئات البروتين والحمض النووي الريبي في الطفيليات الميكروبية تختلف غالبًا عن جزيئاتها المتماثلة في الأنواع التي تعيش بحرية لأنها تفتقر إلى مراكز مراقبة الجودة ، ويتم تقليل حجمها إلى 50 ٪ من حجمها في الميكروبات التي تعيش بحرية ، وما إلى ذلك.العديد من الطفرات المنهكة التي تضعف الطي والوظيفة.على سبيل المثال ، من المتوقع أن تفتقر ريبوسومات كائنات الجينوم الصغيرة ، بما في ذلك العديد من الطفيليات داخل الخلايا والتعايش الداخلي ، إلى العديد من البروتينات الريبوزومية وما يصل إلى ثلث نيوكليوتيدات الرنا الريباسي مقارنةً بالأنواع التي تعيش بحرية 27 ، 29 ، 30 ، 49. ومع ذلك ، فإن الطريقة التي تعمل بها هذه الجزيئات في الطفيليات تظل لغزًا إلى حد كبير ، تمت دراسته بشكل أساسي من خلال الجينوم المقارن.
تُظهر دراستنا أن بنية الجزيئات الكبيرة يمكن أن تكشف عن العديد من جوانب التطور التي يصعب استخلاصها من الدراسات الجينومية المقارنة التقليدية للطفيليات داخل الخلايا والكائنات الأخرى المقيدة بالمضيف (الشكل التكميلي 7).على سبيل المثال ، يوضح مثال بروتين eL14 أنه يمكننا المبالغة في تقدير الدرجة الفعلية لتدهور الجهاز الجزيئي في الأنواع الطفيلية.يُعتقد الآن أن الطفيليات الدماغية تحتوي على مئات الجينات الخاصة بالميكروسبوريديا.ومع ذلك ، تظهر نتائجنا أن بعض هذه الجينات التي تبدو محددة هي في الواقع مجرد أنواع مختلفة جدًا من الجينات الشائعة في حقيقيات النوى الأخرى.علاوة على ذلك ، يوضح مثال بروتين msL2 كيف نتغاضى عن البروتينات الريبوزومية الجديدة ونستخف بمحتوى الآلات الجزيئية الطفيلية.يوضح مثال الجزيئات الصغيرة كيف يمكننا التغاضي عن أكثر الابتكارات إبداعًا في الهياكل الجزيئية الطفيلية التي يمكن أن تمنحها نشاطًا بيولوجيًا جديدًا.
مجتمعة ، تعمل هذه النتائج على تحسين فهمنا للاختلافات بين الهياكل الجزيئية للكائنات المقيدة بالمضيف ونظيراتها في الكائنات الحية الحرة.لقد أظهرنا أن الآلات الجزيئية ، التي كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنها تتقلص وتتحلل وتخضع للعديد من الطفرات المنهكة ، لديها مجموعة من السمات الهيكلية غير العادية التي تم التغاضي عنها بشكل منهجي.
من ناحية أخرى ، فإن شظايا الرنا الريباسي غير الضخمة والشظايا المندمجة التي وجدناها في ريبوسومات E. cuniculi تشير إلى أن اختزال الجينوم يمكن أن يغير حتى تلك الأجزاء من الآلية الجزيئية الأساسية المحفوظة في مجالات الحياة الثلاثة - بعد ما يقرب من 3.5 مليار سنة.التطور المستقل للأنواع.
تعتبر شظايا الرنا الريباسي الخالية من الانتفاخات والمدمجة في E. cuniculi ribosomes ذات أهمية خاصة في ضوء الدراسات السابقة لجزيئات الحمض النووي الريبي في البكتيريا التكافلية الداخلية.على سبيل المثال ، في حشرة المن Buchnera aphidicola ، تبين أن جزيئات الرنا الريباسي والرنا الريباسي لها هياكل حساسة لدرجة الحرارة بسبب انحياز تركيبة A + T ونسبة عالية من أزواج القواعد غير الكنسية.يُعتقد الآن أن هذه التغييرات في الحمض النووي الريبي ، وكذلك التغييرات في جزيئات البروتين ، مسؤولة عن الاعتماد المفرط للتعايش الداخلي على الشركاء وعدم قدرة المتعايشين الداخليين على نقل الحرارة.على الرغم من أن الرنا الميكروسبوريديا الطفيلية لها تغيرات هيكلية متميزة ، فإن طبيعة هذه التغييرات تشير إلى أن انخفاض الاستقرار الحراري والاعتماد العالي على البروتينات المرافقة قد تكون سمات مشتركة لجزيئات الحمض النووي الريبي في الكائنات الحية ذات الجينوم المنخفض.
من ناحية أخرى ، تُظهر هياكلنا أن ميكروسبوريديا الطفيلي قد طورت قدرة فريدة على مقاومة أجزاء الرنا الريباسي والبروتينات المحفوظة على نطاق واسع ، مما طور القدرة على استخدام مستقلبات صغيرة وفيرة ومتاحة بسهولة كمحاكاة هيكلية للرنا الريباسي المنحل وشظايا البروتين.تدهور البنية الجزيئية..هذا الرأي مدعوم بحقيقة أن الجزيئات الصغيرة التي تعوض فقدان شظايا البروتين في الرنا الريباسي والريبوزومات من E. cuniculi ترتبط بالبقايا الخاصة بالميكروسبوريديا في بروتينات uL15 و eL30.يشير هذا إلى أن ارتباط الجزيئات الصغيرة بالريبوسومات قد يكون نتاجًا للاختيار الإيجابي ، حيث تم اختيار الطفرات الخاصة بالميكروسبوريديا في بروتينات الريبوسوم لقدرتها على زيادة تقارب الريبوسومات للجزيئات الصغيرة ، مما قد يؤدي إلى كائنات ريبوزومية أكثر كفاءة.يكشف الاكتشاف عن ابتكار ذكي في التركيب الجزيئي للطفيليات الميكروبية ويعطينا فهمًا أفضل لكيفية الحفاظ على الهياكل الجزيئية للطفيليات وظيفتها على الرغم من التطور الاختزالي.
في الوقت الحاضر ، لا يزال تحديد هذه الجزيئات الصغيرة غير واضح.ليس من الواضح سبب اختلاف ظهور هذه الجزيئات الصغيرة في البنية الريبوزومية بين أنواع ميكروسبوريديا.على وجه الخصوص ، ليس من الواضح سبب ملاحظة ارتباط النوكليوتيدات في ريبوسومات E. cuniculi و P. locustae ، وليس في ريبوسومات V. necatrix ، على الرغم من وجود بقايا F170 في بروتينات eL20 و K172 من V.قد يكون سبب هذا الحذف هو البقايا 43 uL6 (الموجودة بجوار جيب ربط النوكليوتيدات) ، وهي التيروزين في V. necatrix وليس threonine في E. cuniculi و P. locustae.يمكن أن تتداخل السلسلة الجانبية العطرية الضخمة لـ Tyr43 مع الارتباط بالنيوكليوتيدات بسبب التداخل الفراغي.بدلاً من ذلك ، قد يكون الحذف الظاهر للنيوكليوتيدات ناتجًا عن الدقة المنخفضة للتصوير بالتبريد EM ، مما يعيق نمذجة شظايا الريبوسوم V.
من ناحية أخرى ، يشير عملنا إلى أن عملية اضمحلال الجينوم قد تكون قوة إبداعية.على وجه الخصوص ، تشير بنية E. cuniculi ribosome إلى أن فقدان الرنا الريباسي وشظايا البروتين في الميكروسبوريديا الريبوسوم يخلق ضغطًا تطوريًا يعزز التغييرات في بنية الريبوسوم.تحدث هذه المتغيرات بعيدًا عن الموقع النشط للريبوسوم ويبدو أنها تساعد في الحفاظ على (أو استعادة) تجميع الريبوسوم الأمثل الذي قد يتعطل بسبب انخفاض الرنا الريباسي.يشير هذا إلى أن ابتكارًا رئيسيًا للميكروسبوريديا الريبوسوم يبدو أنه تطور إلى حاجة إلى منع الانجراف الجيني.
ربما يكون أفضل توضيح لذلك هو الارتباط بالنيوكليوتيدات ، والذي لم يتم ملاحظته من قبل في الكائنات الحية الأخرى حتى الآن.حقيقة أن بقايا الارتباط بالنيوكليوتيدات موجودة في ميكروسبوريديا نموذجية ، ولكن ليس في حقيقيات النوى الأخرى ، تشير إلى أن مواقع الارتباط بالنيوكليوتيدات ليست مجرد بقايا تنتظر الاختفاء ، أو الموقع النهائي لاستعادة الرنا الريباسي إلى شكل نيوكليوتيدات فردية.بدلاً من ذلك ، يبدو هذا الموقع كميزة مفيدة كان من الممكن أن تتطور عبر عدة جولات من الاختيار الإيجابي.قد تكون مواقع الارتباط بالنيوكليوتيدات نتاجًا ثانويًا للانتقاء الطبيعي: بمجرد تدهور ES39L ، تضطر ميكروسبوريديا لطلب تعويض لاستعادة التكوين الحيوي الأمثل للريبوسوم في غياب ES39L.نظرًا لأن هذا النيوكليوتيد يمكن أن يقلد الملامسات الجزيئية للنيوكليوتيدات A3186 في ES39L ، فإن جزيء النيوكليوتيد يصبح لبنة بناء للريبوسوم ، والذي تم تحسين ارتباطه عن طريق طفرة تسلسل eL30.
فيما يتعلق بالتطور الجزيئي للطفيليات داخل الخلايا ، تُظهر دراستنا أن قوى الانتقاء الطبيعي الدارويني والانجراف الجيني لانحلال الجينوم لا تعمل بالتوازي ، ولكنها تتأرجح.أولاً ، يزيل الانجراف الجيني السمات المهمة للجزيئات الحيوية ، مما يجعل التعويض مطلوبًا بشدة.فقط عندما تلبي الطفيليات هذه الحاجة من خلال الانتقاء الطبيعي الدارويني ، ستتاح لجزيئاتها الكبيرة فرصة لتطوير سماتها الأكثر إبداعًا وإبداعًا.الأهم من ذلك ، أن تطور مواقع الارتباط بالنيوكليوتيدات في E. cuniculi ribosome يشير إلى أن نمط الخسارة مقابل الكسب للتطور الجزيئي لا يؤدي فقط إلى إطفاء الطفرات الضارة ، بل يمنح أحيانًا وظائف جديدة تمامًا على الجزيئات الكبيرة الطفيلية.
تتوافق هذه الفكرة مع نظرية التوازن المتحرك لسيويل رايت ، والتي تنص على أن نظامًا صارمًا للانتقاء الطبيعي يحد من قدرة الكائنات الحية على الابتكار.ومع ذلك ، إذا كان الانجراف الجيني يعطل الانتقاء الطبيعي ، فإن هذه الانجرافات يمكن أن تنتج تغييرات ليست في حد ذاتها قابلة للتكيف (أو حتى ضارة) ولكنها تؤدي إلى مزيد من التغييرات التي توفر لياقة أعلى أو نشاطًا بيولوجيًا جديدًا.يدعم إطار عملنا هذه الفكرة من خلال توضيح أن نفس النوع من الطفرات التي تقلل من ثنية ووظيفة الجزيء الحيوي يبدو أنه الدافع الرئيسي لتحسينه.تماشياً مع النموذج التطوري المربح للجانبين ، تُظهر دراستنا أن تحلل الجينوم ، الذي يُنظر إليه تقليديًا على أنه عملية تنكسية ، هو أيضًا محرك رئيسي للابتكار ، وأحيانًا وربما في كثير من الأحيان يسمح للجزيئات الكبيرة باكتساب أنشطة طفيلية جديدة.يمكن استخدامها.