Diolch am ymweld â Nature.com.Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig.I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod yn defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer).Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, byddwn yn gwneud y wefan heb arddulliau a JavaScript.
Mae esblygiad parasitiaid microbaidd yn cynnwys gwrthweithio rhwng detholiad naturiol, sy'n achosi i barasitiaid wella, a drifft genetig, sy'n achosi i barasitiaid golli genynnau a chronni mwtaniadau niweidiol.Yma, er mwyn deall sut mae'r gwrthweithio hwn yn digwydd ar raddfa macromoleciwl sengl, rydym yn disgrifio strwythur cryo-EM y ribosom o Encephalitozoon cuniculi, organeb ewcaryotig gydag un o'r genomau lleiaf mewn natur.Mae newidiadau strwythurol digynsail yn cyd-fynd â gostyngiad eithafol rRNA mewn ribosomau E. cuniculi, megis esblygiad cysylltwyr rRNA wedi'u hasio ac rRNA heb chwydd.Yn ogystal, goroesodd ribosom E. cuniculi golli darnau rRNA a phroteinau trwy ddatblygu'r gallu i ddefnyddio moleciwlau bach fel dynwarediadau strwythurol o ddarnau a phroteinau rRNA diraddiedig.Yn gyffredinol, rydym yn dangos bod strwythurau moleciwlaidd y credir ers tro eu bod yn cael eu lleihau, yn dirywio, ac yn amodol ar dreigladau gwanychol, â nifer o fecanweithiau cydadferol sy'n eu cadw'n actif er gwaethaf cyfangiadau moleciwlaidd eithafol.
Gan fod gan y rhan fwyaf o grwpiau o barasitiaid microbaidd offer moleciwlaidd unigryw i ecsbloetio eu gwesteiwyr, yn aml mae'n rhaid i ni ddatblygu therapiwteg gwahanol ar gyfer gwahanol grwpiau o barasitiaid1,2.Fodd bynnag, mae tystiolaeth newydd yn awgrymu bod rhai agweddau ar esblygiad parasitiaid yn gydgyfeiriol ac yn rhagweladwy i raddau helaeth, gan ddangos sail bosibl ar gyfer ymyriadau therapiwtig eang mewn parasitiaid microbaidd3,4,5,6,7,8,9.
Mae gwaith blaenorol wedi nodi tuedd esblygiadol gyffredin mewn parasitiaid microbaidd a elwir yn lleihau genom neu bydredd genom10,11,12,13.Mae ymchwil cyfredol yn dangos pan fydd micro-organebau yn rhoi'r gorau i'w ffordd o fyw rhydd ac yn dod yn barasitiaid mewngellol (neu endosymbiontau), mae eu genomau'n mynd trwy fetamorffau araf ond rhyfeddol dros filiynau o flynyddoedd9,11.Mewn proses a elwir yn bydredd genom, mae parasitiaid microbaidd yn cronni mwtaniadau niweidiol sy’n troi llawer o enynnau a oedd gynt yn bwysig yn ffugogenau, gan arwain at golli genynnau’n raddol a chwymp treiglo14,15.Gall y cwymp hwn ddinistrio hyd at 95% o'r genynnau yn yr organebau mewngellol hynaf o'u cymharu â rhywogaethau sy'n byw'n rhydd sy'n perthyn yn agos.Felly, mae esblygiad parasitiaid mewngellol yn tynnu rhyfel rhwng dau rym gwrthwynebol: detholiad naturiol Darwinaidd, gan arwain at wella parasitiaid, a chwymp y genom, gan daflu parasitiaid i ebargofiant.Mae sut y llwyddodd y paraseit i ddod allan o'r tynnu-of-war hwn a chadw gweithgaredd ei strwythur moleciwlaidd yn parhau i fod yn aneglur.
Er nad yw mecanwaith pydredd genom yn cael ei ddeall yn llawn, mae'n ymddangos ei fod yn digwydd yn bennaf oherwydd drifft genetig aml.Gan fod parasitiaid yn byw mewn poblogaethau bach, anrhywiol a chyfyngedig yn enetig, ni allant ddileu treigladau niweidiol sy'n digwydd weithiau yn ystod dyblygu DNA yn effeithiol.Mae hyn yn arwain at grynhoad anghildroadwy o dreigladau niweidiol a gostyngiad yn genom y parasit.O ganlyniad, mae'r parasit nid yn unig yn colli genynnau nad ydynt bellach yn angenrheidiol ar gyfer ei oroesiad yn yr amgylchedd mewngellol.Anallu poblogaethau parasitiaid i ddileu treigladau niweidiol achlysurol yn effeithiol sy'n achosi'r treigladau hyn i gronni trwy'r genom, gan gynnwys eu genynnau pwysicaf.
Mae llawer o'n dealltwriaeth bresennol o leihau genomau yn seiliedig ar gymariaethau o ddilyniannau genom yn unig, gyda llai o sylw i newidiadau mewn moleciwlau gwirioneddol sy'n cyflawni swyddogaethau cadw tŷ ac yn gweithredu fel targedau cyffuriau posibl.Mae astudiaethau cymharol wedi dangos ei bod yn ymddangos bod baich treigladau microbaidd mewngellol niweidiol yn rhagdueddiad i broteinau ac asidau niwclëig gamblygu a chyfuno, gan eu gwneud yn fwy dibynnol ar hebryngwr a gorsensitif i wres19,20,21,22,23.Yn ogystal, bu i barasitiaid amrywiol - esblygiad annibynnol weithiau wedi'i wahanu cymaint â 2.5 biliwn o flynyddoedd - brofi colled tebyg o ganolfannau rheoli ansawdd yn eu synthesis protein5,6 a mecanweithiau atgyweirio DNA24.Fodd bynnag, ychydig a wyddys am effaith ffordd o fyw mewngellol ar holl briodweddau eraill macromoleciwlau cellog, gan gynnwys addasu moleciwlaidd i faich cynyddol treigladau niweidiol.
Yn y gwaith hwn, er mwyn deall yn well esblygiad proteinau ac asidau niwclëig micro-organebau mewngellol, fe wnaethom bennu strwythur ribosomau'r paraseit mewngellol Encephalitozoon cuniculi.Mae E. cuniculi yn organeb tebyg i ffwng sy'n perthyn i grŵp o ficrosporidia parasitig sydd â genomau ewcaryotig anarferol o fach ac sy'n cael eu defnyddio felly fel organebau model i astudio pydredd genom25,26,27,28,29,30.Yn ddiweddar, penderfynwyd strwythur ribosom cryo-EM ar gyfer genomau cymedrol llai o Microsporidia, Paranosema locustae, a Vairimorpha necatrix31,32 (~ genom 3.2 Mb).Mae'r strwythurau hyn yn awgrymu bod rhywfaint o golled ymhelaethiad rRNA yn cael ei ddigolledu trwy ddatblygu cysylltiadau newydd rhwng proteinau ribosomaidd cyfagos neu gaffael proteinau ribosomaidd msL131,32 newydd.Mae Enseffalitozoon Rhywogaethau (genom ~2.5 miliwn bp), ynghyd â'u Ordospora perthynas agosaf, yn dangos y graddau eithaf o ostyngiad yn y genom mewn ewcaryotau - mae ganddyn nhw lai na 2000 o enynnau codio protein, a disgwylir bod eu ribosomau nid yn unig yn amddifad o ddarnau ehangu rRNA (darnau rRNA sy'n gwahaniaethu â risbosomau ewcaryotig hefyd yn brin o risosomau a risbosomau bacteriolaidd) diffygiol. yn y genom E. cuniculi26,27,28.Felly, daethom i'r casgliad y gall y ribosom E. cuniculi ddatgelu strategaethau anhysbys o'r blaen ar gyfer addasu moleciwlaidd i bydredd genom.
Mae ein strwythur cryo-EM yn cynrychioli'r ribosom cytoplasmig ewcaryotig lleiaf i'w nodweddu ac yn rhoi mewnwelediad i sut mae'r graddau eithaf o ostyngiad genom yn effeithio ar strwythur, cydosodiad ac esblygiad y peiriannau moleciwlaidd sy'n rhan annatod o'r gell.Canfuom fod y ribosom E. cuniculi yn torri llawer o'r egwyddorion a gadwyd yn eang o blygu RNA a chynulliad ribosom, a darganfuwyd protein ribosomaidd newydd nad oedd yn hysbys o'r blaen.Yn gwbl annisgwyl, rydym yn dangos bod ribosomau microsporidia wedi datblygu'r gallu i glymu moleciwlau bach, ac yn damcaniaethu bod cwtogi mewn rRNA a phroteinau yn sbarduno arloesiadau esblygiadol a allai roi rhinweddau defnyddiol i'r ribosom yn y pen draw.
Er mwyn gwella ein dealltwriaeth o esblygiad proteinau ac asidau niwclëig mewn organebau mewngellol, penderfynasom ynysu sborau E. cuniculi o ddiwylliannau celloedd mamalaidd heintiedig er mwyn puro eu ribosomau a phennu strwythur y ribosomau hyn.Mae'n anodd cael nifer fawr o ficrosporidia parasitig oherwydd ni ellir meithrin microsporidia mewn cyfrwng maethol.Yn lle hynny, maen nhw'n tyfu ac yn atgenhedlu y tu mewn i'r gell letyol yn unig.Felly, i gael biomas E. cuniculi ar gyfer puro ribosom, fe wnaethom heintio'r llinell gell arennau mamalaidd RK13 â sborau E. cuniculi a meithrin y celloedd heintiedig hyn am sawl wythnos i ganiatáu i E. cuniculi dyfu a lluosi.Gan ddefnyddio monolayer celloedd heintiedig o tua hanner metr sgwâr, roeddem yn gallu puro tua 300 mg o sborau Microsporidia a'u defnyddio i ynysu ribosomau.Yna tarfwyd ar y sborau wedi'u puro gyda gleiniau gwydr ac ynysu'r ribosomau crai gan ddefnyddio ffracsiynu polyethylen glycol fesul cam o'r lysates.Roedd hyn yn ein galluogi i gael tua 300 µg o ribosomau crai E. cuniculi ar gyfer dadansoddiad strwythurol.
Yna fe wnaethom gasglu delweddau cryo-EM gan ddefnyddio'r samplau ribosom canlyniadol a phrosesu'r delweddau hyn gan ddefnyddio masgiau a oedd yn cyfateb i'r is-uned ribosomaidd fawr, pen is-uned bach, ac is-uned fach.Yn ystod y broses hon, casglwyd delweddau o tua 108,000 o ronynnau ribosomaidd a chyfrifo delweddau cryo-EM gyda chydraniad o 2.7 Å (Ffigurau Atodol 1-3).Yna fe wnaethom ddefnyddio delweddau cryoEM i fodelu rRNA, protein ribosomaidd, a ffactor gaeafgysgu Mdf1 sy'n gysylltiedig â ribosomau E. cuniculi (Ffig. 1a, b).
a Strwythur y ribosom E. cuniculi wedi'i gymhlethu â'r ffactor gaeafgysgu Mdf1 (pdb id 7QEP).b Map o ffactor gaeafgysgu Mdf1 sy'n gysylltiedig â'r ribosom E. cuniculi.c Map adeiledd eilaidd yn cymharu rRNA a adferwyd mewn rhywogaethau Microsporidian â strwythurau ribosomaidd hysbys.Mae'r paneli'n dangos lleoliad y darnau rRNA chwyddedig (ES) a safleoedd gweithredol ribosom, gan gynnwys y safle datgodio (DC), y ddolen sarcinicin (SRL), a'r ganolfan peptidyl transferase (PTC).d Mae'r dwysedd electronau sy'n cyfateb i ganol peptidyl transferase y ribosom E. cuniculi yn awgrymu bod gan y safle catalytig hwn yr un strwythur yn y parasit E. cuniculi a'i westeion, gan gynnwys H. sapiens.e, f Mae dwysedd electronau cyfatebol y ganolfan ddatgodio (e) ac adeiledd sgematig y ganolfan ddadgodio (f) yn dangos bod gan E. cuniculi weddillion U1491 yn lle A1491 (rhifau E. coli) mewn llawer o ewcaryotau eraill.Mae'r newid hwn yn awgrymu y gallai E. cuniculi fod yn sensitif i wrthfiotigau sy'n targedu'r safle actif hwn.
Mewn cyferbyniad â'r strwythurau a sefydlwyd yn flaenorol o ribosomau V. necatrix a P. locustae (mae'r ddau strwythur yn cynrychioli'r un teulu microsporidia Nosematidae ac yn debyg iawn i'w gilydd), mae 31,32 o ribosomau E. cuniculi yn mynd trwy brosesau niferus o rRNA a darnio protein.Dadnatureiddio pellach (Ffigurau Atodol 4-6).Yn rRNA, roedd y newidiadau mwyaf trawiadol yn cynnwys colli'r darn rRNA chwyddedig 25S ES12L yn gyfan gwbl a dirywiad rhannol helisau h39, h41, a H18 (Ffig. 1c, Ffig Atodol 4).Ymhlith proteinau ribosomaidd, roedd y newidiadau mwyaf trawiadol yn cynnwys colli'r protein eS30 yn llwyr a byrhau'r proteinau eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17, ac eS7 (Ffigurau Atodol 4, 5).
Felly, adlewyrchir y gostyngiad eithafol yn genomau rhywogaethau Encephalotozoon/Ordospora yn eu strwythur ribosom: Mae ribosomau E. cuniculi yn profi'r golled fwyaf dramatig o gynnwys protein mewn ribosomau cytoplasmig ewcaryotig sy'n destun nodweddu adeileddol, ac nid oes ganddynt hyd yn oed y darnau rRNA a phrotein hynny sy'n cael eu cadw'n eang nid yn unig mewn ewcaryotau, ond hefyd yn y tri pharth bywyd.Mae strwythur y ribosom E. cuniculi yn darparu'r model moleciwlaidd cyntaf ar gyfer y newidiadau hyn ac yn datgelu digwyddiadau esblygiadol sydd wedi'u hanwybyddu gan genomeg gymharol ac astudiaethau o strwythur biomoleciwlaidd mewngellol (Ffig Atodol 7).Isod, rydym yn disgrifio pob un o'r digwyddiadau hyn ynghyd â'u tarddiad esblygiadol tebygol a'u heffaith bosibl ar swyddogaeth ribosom.
Yna gwelsom, yn ogystal â chwtogi rRNA mawr, fod gan ribosomau E. cuniculi amrywiadau rRNA yn un o'u safleoedd gweithredol.Er bod gan ganolfan peptidyl transferase y ribosom E. cuniculi yr un strwythur â ribosomau ewcaryotig eraill (Ffig. 1d), mae'r ganolfan ddadgodio yn wahanol oherwydd amrywiad dilyniant yn niwcleotid 1491 (rhif E. coli, Ffig. 1e, f).Mae'r arsylwi hwn yn bwysig oherwydd bod safle datgodio ribosomau ewcaryotig fel arfer yn cynnwys gweddillion G1408 ac A1491 o gymharu â gweddillion math bacteriol A1408 a G1491.Mae'r amrywiad hwn yn sail i sensitifrwydd gwahanol ribosomau bacteriol ac ewcaryotig i'r teulu aminoglycosid o wrthfiotigau ribosomaidd a moleciwlau bach eraill sy'n targedu'r safle datgodio.Ar safle datgodio'r ribosom E. cuniculi, disodlwyd gweddillion A1491 am U1491, gan greu rhyngwyneb rhwymo unigryw o bosibl ar gyfer moleciwlau bach sy'n targedu'r safle gweithredol hwn.Mae'r un amrywiad A14901 hefyd yn bresennol mewn microsporidia eraill megis P. locustae a V. necatrix, sy'n awgrymu ei fod yn gyffredin ymhlith rhywogaethau microsporidia (Ffig. 1f).
Oherwydd bod ein samplau ribosom E. cuniculi wedi'u hynysu oddi wrth sborau sy'n metabolaidd anweithgar, gwnaethom brofi'r map cryo-EM o E. cuniculi ar gyfer rhwymiad ribosom a ddisgrifiwyd yn flaenorol o dan amodau straen neu newyn.Ffactorau gaeafgysgu 31,32,36,37, 38. Fe wnaethom baru strwythur sefydledig y ribosom gaeafgysgu â'r map cryo-EM o ribosom E. cuniculi.Ar gyfer tocio, defnyddiwyd ribosomau S. cerevisiae mewn cymhleth gyda ffactor gaeafgysgu Stm138, ribosomau locust mewn cymhleth gyda ffactor Lso232, a ribosomau V. necatrix yn gymhleth gyda ffactorau Mdf1 a Mdf231.Ar yr un pryd, canfuom y dwysedd cryo-EM sy'n cyfateb i'r ffactor gweddill Mdf1.Yn debyg i rwymo Mdf1 i'r ribosom V. necatrix, mae Mdf1 hefyd yn clymu i'r ribosom E. cuniculi, lle mae'n blocio safle E y ribosom, gan helpu o bosibl i sicrhau bod ribosomau ar gael pan fydd sborau parasitiaid yn mynd yn metabolaidd anweithgar ar anactifadu'r corff (Ffigur 2).).
Mae Mdf1 yn blocio safle E y ribosom, sy'n ymddangos fel pe bai'n helpu i anactifadu'r ribosom pan fydd sborau parasit yn mynd yn metabolaidd anweithgar.Yn strwythur y ribosom E. cuniculi, canfuom fod Mdf1 yn ffurfio cyswllt anhysbys o'r blaen â'r coesyn ribosom L1, y rhan o'r ribosom sy'n hwyluso rhyddhau tRNA dadacylated o'r ribosom yn ystod synthesis protein.Mae'r cysylltiadau hyn yn awgrymu bod Mdf1 yn datgysylltu o'r ribosom gan ddefnyddio'r un mecanwaith â tRNA wedi'i ddadasetyleiddio, gan roi esboniad posibl o sut mae'r ribosom yn tynnu Mdf1 i ail-greu synthesis protein.
Fodd bynnag, datgelodd ein strwythur gysylltiad anhysbys rhwng Mdf1 a choes ribosom L1 (y rhan o'r ribosom sy'n helpu i ryddhau tRNA dadacylated o'r ribosom yn ystod synthesis protein).Yn benodol, mae Mdf1 yn defnyddio'r un cysylltiadau â segment penelin y moleciwl tRNA dadacylated (Ffig. 2).Dangosodd y modelu moleciwlaidd hwn nad oedd yn hysbys o'r blaen fod Mdf1 yn daduno o'r ribosom gan ddefnyddio'r un mecanwaith â tRNA wedi'i ddadasetyleiddio, sy'n esbonio sut mae'r ribosom yn dileu'r ffactor gaeafgysgu hwn i ail-greu synthesis protein.
Wrth adeiladu'r model rRNA, canfuom fod gan ribosom E. cuniculi ddarnau rRNA wedi'u plygu'n annormal, yr ydym yn ei alw'n rRNA wedi'i asio (Ffig. 3).Mewn ribosomau sy'n rhychwantu tri pharth bywyd, mae rRNA yn plygu i mewn i strwythurau lle mae'r rhan fwyaf o rRNA yn seilio naill ai pâr sylfaen ac yn plygu â'i gilydd neu'n rhyngweithio â phroteinau ribosomaidd38,39,40.Fodd bynnag, yn ribosomau E. cuniculi, mae'n ymddangos bod rRNAs yn torri'r egwyddor blygu hon trwy drawsnewid rhai o'u helices yn rhanbarthau rRNA heb eu plygu.
Adeiledd yr helics rRNA H18 25S yn S. cerevisiae, V. necatrix, ac E. cuniculi.Yn nodweddiadol, mewn ribosomau sy'n rhychwantu'r tri pharth bywyd, mae'r cysylltydd hwn yn torchi i helics RNA sy'n cynnwys 24 i 34 o weddillion.Yn Microsporidia, mewn cyferbyniad, mae'r cysylltydd rRNA hwn yn cael ei leihau'n raddol i ddau gysylltydd un llinyn llawn wridin sy'n cynnwys dim ond 12 o weddillion.Mae'r rhan fwyaf o'r gweddillion hyn yn agored i doddyddion.Mae'r ffigur yn dangos ei bod yn ymddangos bod microsporidia parasitig yn torri egwyddorion cyffredinol plygu rRNA, lle mae basau rRNA fel arfer yn cael eu cysylltu â seiliau eraill neu'n ymwneud â rhyngweithiadau rRNA-protein.Mewn microsporidia, mae rhai darnau rRNA yn cymryd plyg anffafriol, lle mae'r helics rRNA blaenorol yn dod yn ddarn un llinyn hirgul bron mewn llinell syth.Mae presenoldeb y rhanbarthau anarferol hyn yn caniatáu i microsporidia rRNA rwymo darnau rRNA pell gan ddefnyddio nifer fach iawn o fasau RNA.
Gellir gweld yr enghraifft fwyaf trawiadol o'r trawsnewidiad esblygiadol hwn yn helics rRNA H18 25S (Ffig. 3).Mewn rhywogaethau o E. coli i fodau dynol, mae gwaelod yr helics rRNA hwn yn cynnwys 24-32 niwcleotidau, gan ffurfio helics ychydig yn afreolaidd.Mewn strwythurau ribosomaidd a nodwyd yn flaenorol o V. necatrix a P. locustae,31,32 mae gwaelodion helics H18 heb eu torchi'n rhannol, ond mae paru sylfaen niwcleotid wedi'i gadw.Fodd bynnag, yn E. cuniculi y darn rRNA hwn yw'r cysylltwyr byrraf 228UUUGU232 a 301UUUUUUUUUU307.Yn wahanol i ddarnau rRNA nodweddiadol, nid yw'r cysylltwyr llawn wridin hyn yn torchi nac yn cysylltu'n helaeth â phroteinau ribosomaidd.Yn lle hynny, maent yn mabwysiadu strwythurau toddyddion-agored ac heb eu plygu'n llawn lle mae'r llinynnau rRNA yn cael eu hymestyn bron yn syth.Mae'r cydffurfiad estynedig hwn yn esbonio sut mae E. cuniculi yn defnyddio dim ond 12 bas RNA i lenwi'r bwlch 33 Å rhwng helisau rRNA H16 a H18, tra bod angen o leiaf ddwywaith cymaint o fasau rRNA ar rywogaethau eraill i lenwi'r bwlch.
Felly, gallwn ddangos, trwy blygu egniol anffafriol, bod microsporidia parasitig wedi datblygu strategaeth i gontractio hyd yn oed y segmentau rRNA hynny sy'n parhau i gael eu cadw'n fras ar draws rhywogaethau yn y tri pharth bywyd.Yn ôl pob tebyg, trwy gronni treigladau sy'n trawsnewid helices rRNA yn gysylltwyr poly-U byr, gall E. cuniculi ffurfio darnau rRNA anarferol sy'n cynnwys cyn lleied o niwcleotidau â phosibl ar gyfer ligation darnau rRNA distal.Mae hyn yn helpu i egluro sut mae microsporidia wedi cyflawni gostyngiad dramatig yn eu strwythur moleciwlaidd sylfaenol heb golli eu cyfanrwydd strwythurol a swyddogaethol.
Nodwedd anarferol arall o rRNA E. cuniculi yw ymddangosiad rRNA heb dewychu (Ffig. 4).Niwcleotidau yw chwyddau heb barau bas sy'n troi allan o'r helics RNA yn lle cuddio ynddo.Mae'r rhan fwyaf o allwthiadau rRNA yn gweithredu fel gludyddion moleciwlaidd, gan helpu i rwymo proteinau ribosomaidd cyfagos neu ddarnau rRNA eraill.Mae rhai o'r chwydd yn gweithredu fel colfachau, gan ganiatáu i'r helics rRNA ystwytho a phlygu yn y ffordd orau bosibl ar gyfer synthesis protein cynhyrchiol 41 .
a Mae allwthiad rRNA (rhif S. cerevisiae) yn absennol o'r strwythur ribosom E. cuniculi, ond mae'n bresennol yn y rhan fwyaf o ewcaryotau eraill b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens, ac E. cuniculi ribosomau mewnol.nid oes gan barasitiaid lawer o'r chwydd rRNA hynafol sydd wedi'u cadw'n helaeth.Mae'r tewhau hyn yn sefydlogi'r strwythur ribosom;felly, mae eu habsenoldeb mewn microsporidia yn dangos sefydlogrwydd llai o blygu rRNA mewn parasitiaid microsporidia.Mae cymhariaeth â choesynnau P (coesynnau L7/L12 mewn bacteria) yn dangos bod colli lympiau rRNA weithiau'n cyd-daro ag ymddangosiad lympiau newydd wrth ymyl y lympiau coll.Mae gan yr helics H42 yn yr rRNA 23S/28S chwydd hynafol (U1206 yn Saccharomyces cerevisiae) yr amcangyfrifir ei fod o leiaf 3.5 biliwn o flynyddoedd oed oherwydd ei fod yn cael ei warchod mewn tri maes bywyd.Mewn microsporidia, mae'r chwydd hwn yn cael ei ddileu.Fodd bynnag, ymddangosodd chwydd newydd wrth ymyl y chwydd coll (A1306 yn E. cuniculi).
Yn drawiadol, canfuwyd nad oes gan ribosomau E. cuniculi y rhan fwyaf o'r chwydd rRNA a geir mewn rhywogaethau eraill, gan gynnwys mwy na 30 o chwydd wedi'u cadw mewn ewcaryotau eraill (Ffig. 4a).Mae'r golled hon yn dileu llawer o gysylltiadau rhwng is-unedau ribosomaidd a helices rRNA cyfagos, weithiau'n creu bylchau mawr gwag o fewn y ribosom, gan wneud y ribosom E. cuniculi yn fwy hydraidd o'i gymharu â ribosomau mwy traddodiadol (Ffig. 4b).Yn nodedig, canfuom fod y rhan fwyaf o'r chwyddiadau hyn hefyd wedi'u colli yn y strwythurau ribosom V. necatrix a P. locustae a nodwyd yn flaenorol, a anwybyddwyd gan ddadansoddiadau strwythurol blaenorol31,32.
Weithiau mae colli chwydd rRNA yn cyd-fynd â datblygiad chwydd newydd wrth ymyl y chwydd coll.Er enghraifft, mae'r coesyn P ribosomaidd yn cynnwys chwydd U1208 (yn Saccharomyces cerevisiae) a oroesodd o E. coli i fodau dynol ac felly amcangyfrifir ei fod yn 3.5 biliwn o flynyddoedd oed.Yn ystod synthesis protein, mae'r chwydd hwn yn helpu'r coesyn P i symud rhwng cydffurfiadau agored a chaeedig fel y gall y ribosom recriwtio ffactorau cyfieithu a'u danfon i'r safle actif.Yn ribosomau E. cuniculi, nid yw'r tewhau hwn yn absennol;fodd bynnag, gall tewychu newydd (G883) a leolir mewn tri phâr o sylfaen yn unig gyfrannu at adfer yr hyblygrwydd gorau posibl o'r coesyn P (Ffig. 4c).
Mae ein data ar rRNA heb fylchau yn awgrymu nad yw lleihau rRNA yn gyfyngedig i golli elfennau rRNA ar wyneb y ribosom, ond gall hefyd gynnwys y cnewyllyn ribosom, gan greu nam moleciwlaidd parasit-benodol nad yw wedi'i ddisgrifio mewn celloedd sy'n byw'n rhydd.rhywogaethau byw yn cael eu harsylwi.
Ar ôl modelu proteinau ribosomaidd canonaidd ac rRNA, canfuom na all cydrannau ribosomaidd confensiynol esbonio tair rhan y ddelwedd cryo-EM.Mae dau o'r darnau hyn yn foleciwlau bach o ran maint (Ffig. 5, Ffig. Atodol 8).Mae'r segment cyntaf wedi'i wasgu rhwng y proteinau ribosomaidd uL15 ac eL18 mewn sefyllfa a feddiannir fel arfer gan derfynell C eL18, sy'n cael ei fyrhau yn E. cuniculi.Er na allwn bennu hunaniaeth y moleciwl hwn, mae presenoldeb moleciwlau sbermidin yn esbonio maint a siâp yr ynys ddwysedd hon yn dda.Mae ei rwymiad i'r ribosom yn cael ei sefydlogi gan dreigladau microsporidia-benodol yn y proteinau uL15 (Asp51 ac Arg56), sy'n ymddangos fel pe baent yn cynyddu affinedd y ribosom ar gyfer y moleciwl bach hwn, gan eu bod yn caniatáu i uL15 lapio'r moleciwl bach yn strwythur ribosomaidd.Ffigur 2 Atodol).8, data ychwanegol 1, 2).
Delweddu Cryo-EM yn dangos presenoldeb niwcleotidau y tu allan i'r ribos wedi'i rwymo i ribosom E. cuniculi.Yn y ribosom E. cuniculi, mae'r niwcleotid hwn yn meddiannu'r un lle â'r niwcleotid 25S rRNA A3186 (rhif Saccharomyces cerevisiae) yn y rhan fwyaf o ribosomau ewcaryotig eraill.b Yn adeiledd ribosomaidd E. cuniculi, mae'r niwcleotid hwn wedi'i leoli rhwng y proteinau ribosomaidd uL9 ac eL20, a thrwy hynny sefydlogi'r cyswllt rhwng y ddau brotein.cd eL20 dilyniant dadansoddi cadwraeth ymhlith rhywogaethau microsporidia.Mae'r goeden ffylogenetig o rywogaethau Microsporidia (c) ac aliniad dilyniant lluosog o'r protein eL20 (d) yn dangos bod gweddillion rhwymo niwcleotid F170 a K172 yn cael eu cadw yn y rhan fwyaf o Microsporidia nodweddiadol, ac eithrio S. lophii, ac eithrio Microsporidia canghennog cynnar, a gadwodd yr estyniad RNA39L.d Mae'r ffigur hwn yn dangos bod gweddillion rhwymo niwcleotid F170 a K172 yn bresennol yn eL20 yn unig o'r genom microsporidia tra llai, ond nid mewn ewcaryotau eraill.Yn gyffredinol, mae'r data hyn yn awgrymu bod ribosomau Microsporidian wedi datblygu safle rhwymo niwcleotid sy'n ymddangos fel pe bai'n rhwymo moleciwlau AMP a'u defnyddio i sefydlogi rhyngweithiadau protein-protein yn y strwythur ribosomaidd.Mae cadwraeth uchel y safle rhwymo hwn ym Microsporidia a'i absenoldeb mewn ewcaryotau eraill yn awgrymu y gallai'r safle hwn ddarparu mantais goroesi ddetholus ar gyfer Microsporidia.Felly, nid yw'n ymddangos bod y boced rhwymo niwcleotid yn y ribosom microsporidia yn nodwedd ddirywiedig neu'n ffurf derfynol ar ddiraddiad rRNA fel y disgrifiwyd yn flaenorol, ond yn hytrach yn arloesi esblygiadol defnyddiol sy'n caniatáu i'r ribosom microsporidia rwymo moleciwlau bach yn uniongyrchol, gan eu defnyddio fel blociau adeiladu moleciwlaidd.blociau adeiladu ar gyfer ribosomau.Mae'r darganfyddiad hwn yn gwneud y ribosom microsporidia yr unig ribosom y gwyddys ei fod yn defnyddio un niwcleotid fel ei floc adeiladu strwythurol.f Llwybr esblygiadol damcaniaethol yn deillio o rwymo niwcleotid.
Mae'r ail ddwysedd pwysau moleciwlaidd isel wedi'i leoli ar y rhyngwyneb rhwng proteinau ribosomaidd uL9 ac eL30 (Ffig. 5a).Disgrifiwyd y rhyngwyneb hwn yn flaenorol yn strwythur y ribosom Saccharomyces cerevisiae fel safle rhwymo ar gyfer niwcleotid 25S rRNA A3186 (rhan o estyniad rRNA ES39L)38.Mewn ribosomau dirywiedig P. locustae ES39L, dangoswyd bod y rhyngwyneb hwn yn rhwymo niwcleotid sengl 31 anhysbys, a thybir bod y niwcleotid hwn yn ffurf derfynol lai o rRNA, lle mae hyd rRNA yn ~130-230 gwaelod.Mae ES39L yn cael ei ostwng i niwcleotid sengl 32.43.Mae ein delweddau cryo-EM yn cefnogi'r syniad y gall niwcleotidau esbonio dwysedd.Fodd bynnag, dangosodd cydraniad uwch ein strwythur fod y niwcleotid hwn yn foleciwl extraribosomal, o bosibl AMP (Ffig. 5a, b).
Yna gofynnwyd a oedd y safle rhwymo niwcleotid yn ymddangos yn y ribosom E. cuniculi neu a oedd yn bodoli o'r blaen.Gan fod rhwymo niwcleotid yn cael ei gyfryngu'n bennaf gan weddillion Phe170 a Lys172 yn y protein ribosomaidd eL30, fe wnaethom asesu cadwraeth y gweddillion hyn mewn 4396 o ewcaryotau cynrychioliadol.Fel yn achos uL15 uchod, canfuom fod gweddillion Phe170 a Lys172 yn cael eu cadw'n fawr mewn Microsporidia nodweddiadol yn unig, ond yn absennol mewn ewcaryotau eraill, gan gynnwys Microsporidia Mitosporidium ac Amphiamblys annodweddiadol, lle nad yw'r darn rRNA ES39L yn cael ei leihau 44, 45, 45.-e).
Gyda'i gilydd, mae'r data hyn yn cefnogi'r syniad bod E. cuniculi ac o bosibl microsporidia canonaidd eraill wedi datblygu'r gallu i ddal niferoedd mawr o fetabolion bach yn effeithlon yn y strwythur ribosom i wneud iawn am y dirywiad mewn lefelau rRNA a phrotein.Wrth wneud hynny, maent wedi datblygu gallu unigryw i glymu niwcleotidau y tu allan i'r ribosom, gan ddangos bod strwythurau moleciwlaidd parasitig yn gwneud iawn trwy ddal digonedd o fetabolion bach a'u defnyddio fel dynwarediadau strwythurol o ddarnau RNA a phrotein diraddiedig..
Trydydd rhan heb ei efelychu o'n map cryo-EM, a geir yn yr is-uned ribosomaidd fawr.Mae cydraniad cymharol uchel (2.6 Å) ein map yn awgrymu bod y dwysedd hwn yn perthyn i broteinau â chyfuniadau unigryw o weddillion cadwyn ochr mawr, a oedd yn caniatáu inni nodi'r dwysedd hwn fel protein ribosomaidd anhysbys o'r blaen a nodwyd gennym fel y'i henwyd msL2 (Microsporidia- protein penodol L2) (dulliau, ffigur 6).Dangosodd ein chwiliad homoleg fod msL2 yn cael ei gadw yng nghladdfa Microsporidia y genws Encephaliter ac Orosporidium, ond yn absennol mewn rhywogaethau eraill, gan gynnwys Microsporidia eraill.Yn y strwythur ribosomaidd, mae msL2 yn llenwi bwlch a ffurfiwyd gan golli'r rRNA ES31L estynedig.Yn y gwagle hwn, mae msL2 yn helpu i sefydlogi plygu rRNA a gall wneud iawn am golli ES31L (Ffigur 6).
a Dwysedd electronau a model o'r protein ribosomaidd Microsporidia-benodol msL2 a geir mewn ribosomau E. cuniculi.b Mae'r rhan fwyaf o ribosomau ewcaryotig, gan gynnwys ribosom 80S Saccharomyces cerevisiae, wedi colli ymhelaethiad rRNA ES19L yn y rhan fwyaf o rywogaethau Microsporidian.Mae strwythur a sefydlwyd yn flaenorol y ribosom V. necatrix microsporidia yn awgrymu bod colli ES19L yn y parasitiaid hyn yn cael ei ddigolledu gan esblygiad y protein ribosomaidd msL1 newydd.Yn yr astudiaeth hon, canfuom fod y ribosom E. cuniculi hefyd wedi datblygu protein dynwared RNA ribosomaidd ychwanegol fel iawndal ymddangosiadol am golli ES19L.Fodd bynnag, mae gan msL2 (sydd wedi'i anodi ar hyn o bryd fel y protein ECU06_1135 damcaniaethol) a msL1 wreiddiau strwythurol ac esblygiadol gwahanol.c Mae'r darganfyddiad hwn o gynhyrchu proteinau ribosomaidd msL1 a msL2 nad ydynt yn perthyn yn esblygiadol yn awgrymu, os bydd ribosomau'n cronni mwtaniadau niweidiol yn eu rRNA, y gallant gyflawni lefelau digynsail o amrywiaeth cyfansoddiadol mewn hyd yn oed is-set fach o rywogaethau sydd â chysylltiad agos.Gallai'r darganfyddiad hwn helpu i egluro tarddiad ac esblygiad y ribosom mitocondriaidd, sy'n adnabyddus am ei rRNA tra llai a'i amrywioldeb annormal yng nghyfansoddiad protein ar draws rhywogaethau.
Yna gwnaethom gymharu'r protein msL2 â'r protein msL1 a ddisgrifiwyd yn flaenorol, yr unig brotein ribosomaidd microsporidia-benodol hysbys a geir yn y ribosom V. necatrix.Roeddem am brofi a yw msL1 a msL2 yn gysylltiedig ag esblygiad.Dangosodd ein dadansoddiad fod msL1 a msL2 yn meddiannu'r un ceudod yn y strwythur ribosomaidd, ond bod ganddynt strwythurau cynradd a thrydyddol gwahanol, sy'n dangos eu tarddiad esblygiadol annibynnol (Ffig. 6).Felly, mae ein darganfyddiad o msL2 yn darparu tystiolaeth y gall grwpiau o rywogaethau ewcaryotig cryno esblygu'n annibynnol proteinau ribosomaidd sydd â strwythur gwahanol i wneud iawn am golli darnau rRNA.Mae'r canfyddiad hwn yn nodedig gan fod y rhan fwyaf o ribosomau ewcaryotig sytoplasmig yn cynnwys protein amrywiol, gan gynnwys yr un teulu o 81 o broteinau ribosomaidd.Mae ymddangosiad msL1 a msL2 mewn cladau amrywiol o ficrosporidia mewn ymateb i golli segmentau rRNA estynedig yn awgrymu bod diraddio pensaernïaeth moleciwlaidd y parasit yn achosi i barasitiaid geisio treigladau cydadferol, a allai arwain yn y pen draw at eu caffael mewn gwahanol boblogaethau parasitiaid.strwythurau.
Yn olaf, pan gwblhawyd ein model, gwnaethom gymharu cyfansoddiad y ribosom E. cuniculi â'r hyn a ragfynegwyd o'r dilyniant genom.Credwyd yn flaenorol bod nifer o broteinau ribosomaidd, gan gynnwys eL14, eL38, eL41, ac eS30, ar goll o'r genom E. cuniculi oherwydd absenoldeb ymddangosiadol eu homologau o'r genom E. cuniculi.Rhagwelir colli llawer o broteinau ribosomaidd hefyd yn y rhan fwyaf o barasitiaid mewngellol tra llai ac endosymbiontau eraill.Er enghraifft, er bod y rhan fwyaf o facteria sy'n byw'n rhydd yn cynnwys yr un teulu o 54 o broteinau ribosomaidd, dim ond 11 o'r teuluoedd protein hyn sydd â homologau canfyddadwy ym mhob genom a ddadansoddwyd o facteria cyfyngedig gwesteiwr.I gefnogi'r syniad hwn, mae colled o broteinau ribosomaidd wedi'i arsylwi'n arbrofol mewn microsporidia V. necatrix a P. locustae, sydd heb y proteinau eL38 ac eL4131,32.
Fodd bynnag, mae ein strwythurau'n dangos mai dim ond eL38, eL41, ac eS30 sy'n cael eu colli mewn gwirionedd yn ribosom E. cuniculi.Cadwyd y protein eL14 a dangosodd ein strwythur pam na ellid dod o hyd i'r protein hwn yn y chwiliad homoleg (Ffig. 7).Mewn ribosomau E. cuniculi, mae'r rhan fwyaf o'r safle rhwymo eL14 yn cael ei golli oherwydd diraddio'r ES39L wedi'i chwyddo gan rRNA.Yn absenoldeb ES39L, collodd eL14 y rhan fwyaf o'i strwythur uwchradd, a dim ond 18% o'r dilyniant eL14 oedd yn union yr un fath yn E. cuniculi a S. cerevisiae.Mae'r cadw dilyniant gwael hwn yn rhyfeddol oherwydd bod hyd yn oed Saccharomyces cerevisiae a Homo sapiens - organebau a ddatblygodd 1.5 biliwn o flynyddoedd ar wahân - yn rhannu mwy na 51% o'r un gweddillion yn eL14.Mae'r golled afreolaidd hon o gadwraeth yn esbonio pam mae E. cuniculi eL14 wedi'i anodi ar hyn o bryd fel y protein tybiedig M970_061160 ac nid fel y protein ribosomaidd eL1427.
a Collodd y ribosom Microsporidia yr estyniad rRNA ES39L, a ddileodd yn rhannol y safle rhwymo protein ribosomaidd eL14.Yn absenoldeb ES39L, mae'r protein microspore eL14 yn colli strwythur eilaidd, lle mae'r α-helix sy'n rhwymo rRNA blaenorol yn dirywio i ddolen hyd lleiaf.b Mae aliniad dilyniant lluosog yn dangos bod y protein eL14 wedi'i gadw'n fawr mewn rhywogaethau ewcaryotig (57% o hunaniaeth dilyniant rhwng burum a homologau dynol), ond wedi'i gadw'n wael ac yn dargyfeiriol mewn microsporidia (lle nad yw mwy na 24% o weddillion yn union yr un fath â'r homolog eL14).oddi wrth S. cerevisiae neu H. sapiens).Mae'r dilyniant gwael hwn o ran cadwraeth dilyniant ac amrywioldeb adeiledd eilaidd yn esbonio pam na ddarganfuwyd homolog eL14 erioed yn E. cuniculi a pham y credir bod y protein hwn wedi'i golli yn E. cuniculi.Mewn cyferbyniad, roedd E. cuniculi eL14 wedi'i anodi'n flaenorol fel protein tybiedig M970_061160.Mae'r arsylwad hwn yn awgrymu bod amrywiaeth genomau microsporidia yn cael ei oramcangyfrif ar hyn o bryd: mae rhai genynnau y credir eu bod yn cael eu colli mewn microsporidia mewn gwirionedd wedi'u cadw, er eu bod mewn ffurfiau hynod wahaniaethol;yn lle hynny, credir bod rhai yn codio genynnau microsporidia ar gyfer proteinau llyngyr-benodol (ee, y protein damcaniaethol M970_061160) mewn gwirionedd yn codau ar gyfer y proteinau amrywiol iawn a geir mewn ewcaryotau eraill.
Mae'r canfyddiad hwn yn awgrymu y gall dadnatureiddio rRNA arwain at golled dramatig o gadwraeth dilyniant mewn proteinau ribosomaidd cyfagos, gan wneud y proteinau hyn yn anghanfyddadwy ar gyfer chwiliadau homoleg.Felly, efallai y byddwn yn goramcangyfrif y graddau gwirioneddol o ddiraddiad moleciwlaidd mewn organebau genom bach, gan fod rhai proteinau y credir eu bod yn cael eu colli yn parhau mewn gwirionedd, er eu bod mewn ffurfiau hynod newidiol.
Sut gall parasitiaid gadw swyddogaeth eu peiriannau moleciwlaidd o dan amodau lleihau genomau eithafol?Mae ein hastudiaeth yn ateb y cwestiwn hwn trwy ddisgrifio adeiledd moleciwlaidd cymhleth (ribosom) E. cuniculi, organeb ag un o'r genomau ewcaryotig lleiaf.
Mae wedi bod yn hysbys ers bron i ddau ddegawd bod moleciwlau protein a RNA mewn parasitiaid microbaidd yn aml yn wahanol i'w moleciwlau homologaidd mewn rhywogaethau sy'n byw'n rhydd oherwydd nad oes ganddynt ganolfannau rheoli ansawdd, yn cael eu lleihau i 50% o'u maint mewn microbau sy'n byw yn rhydd, ac ati.llawer o fwtaniadau gwanychol sy'n amharu ar blygu a gweithrediad.Er enghraifft, disgwylir i ribosomau organebau genom bach, gan gynnwys llawer o barasitiaid mewngellol ac endosymbiontau, ddiffyg nifer o broteinau ribosomaidd a hyd at draean o niwcleotidau rRNA o'u cymharu â rhywogaethau sy'n byw'n rhydd 27, 29, 30, 49. Fodd bynnag, mae'r ffordd y mae'r moleciwlau hyn yn gweithredu mewn parasitiaid yn parhau i fod yn ddirgelwch i raddau helaeth, a astudiwyd yn bennaf trwy genomau cymharol.
Mae ein hastudiaeth yn dangos y gall strwythur macromoleciwlau ddatgelu llawer o agweddau ar esblygiad sy'n anodd eu tynnu o astudiaethau genomig cymharol traddodiadol o barasitiaid mewngellol ac organebau lletyol cyfyngedig eraill (Ffig Atodol 7).Er enghraifft, mae enghraifft y protein eL14 yn dangos y gallwn oramcangyfrif graddau gwirioneddol diraddio'r cyfarpar moleciwlaidd mewn rhywogaethau parasitig.Credir bellach fod gan barasitiaid enseffalitig gannoedd o enynnau microsporidia-benodol.Fodd bynnag, mae ein canlyniadau'n dangos mai amrywiadau gwahanol iawn o enynnau sy'n gyffredin mewn ewcaryotau eraill yw rhai o'r genynnau hyn sy'n ymddangos yn benodol.At hynny, mae enghraifft y protein msL2 yn dangos sut yr ydym yn anwybyddu proteinau ribosomaidd newydd ac yn tanamcangyfrif cynnwys peiriannau moleciwlaidd parasitig.Mae'r enghraifft o foleciwlau bach yn dangos sut y gallwn anwybyddu'r datblygiadau arloesol mwyaf dyfeisgar mewn strwythurau moleciwlaidd parasitig a all roi gweithgaredd biolegol newydd iddynt.
Gyda'i gilydd, mae'r canlyniadau hyn yn gwella ein dealltwriaeth o'r gwahaniaethau rhwng strwythurau moleciwlaidd organebau a gyfyngir gan letywyr a'u cymheiriaid mewn organebau sy'n byw'n rhydd.Rydym yn dangos bod peiriannau moleciwlaidd, y credir yn hir eu bod yn cael eu lleihau, yn dirywio, ac yn destun amrywiol dreigladau gwanychol, yn lle hynny â set o nodweddion adeileddol anarferol sy'n cael eu hanwybyddu'n systematig.
Ar y llaw arall, mae'r darnau rRNA nad ydynt yn swmpus a'r darnau ymdoddedig a welsom yn ribosomau E. cuniculi yn awgrymu y gall lleihau genomau newid hyd yn oed y rhannau hynny o'r peirianwaith moleciwlaidd sylfaenol sy'n cael eu cadw yn nhri maes bywyd - ar ôl bron i 3.5 biliwn o flynyddoedd .esblygiad annibynnol rhywogaethau.
Mae'r darnau rRNA rhydd o chwydd ac ymdoddedig mewn ribosomau E. cuniculi o ddiddordeb arbennig yng ngoleuni astudiaethau blaenorol o foleciwlau RNA mewn bacteria endosymbiotig.Er enghraifft, yn yr endosymbiont pryfed gleision Buchnera aphidicola, dangoswyd bod gan foleciwlau rRNA a tRNA strwythurau sy'n sensitif i dymheredd oherwydd tuedd cyfansoddiad A+T a chyfran uchel o barau sylfaen anganonaidd20,50.Credir bellach mai'r newidiadau hyn mewn RNA, yn ogystal â newidiadau mewn moleciwlau protein, sy'n gyfrifol am orddibyniaeth endosymbiontau ar bartneriaid ac anallu endosymbiontau i drosglwyddo gwres 21, 23 .Er bod gan microsporidia rRNA parasitig newidiadau strwythurol gwahanol, mae natur y newidiadau hyn yn awgrymu y gall sefydlogrwydd thermol is a dibyniaeth uwch ar broteinau hebryngwyr fod yn nodweddion cyffredin o foleciwlau RNA mewn organebau â genomau llai.
Ar y llaw arall, mae ein strwythurau'n dangos bod microsporidia parasit wedi datblygu gallu unigryw i wrthsefyll rRNA sydd wedi'i gadw'n fras a darnau o brotein, gan ddatblygu'r gallu i ddefnyddio metabolion bach toreithiog sydd ar gael yn rhwydd fel dynwarediadau strwythurol o rRNA dirywiedig a darnau o brotein.Diraddio strwythur moleciwlaidd..Cefnogir y farn hon gan y ffaith bod moleciwlau bach sy'n gwneud iawn am golli darnau o brotein yn yr rRNA a ribosomau E. cuniculi yn rhwymo i weddillion microsporidia-benodol yn y proteinau uL15 ac eL30.Mae hyn yn awgrymu y gall rhwymo moleciwlau bach i ribosomau fod yn gynnyrch detholiad cadarnhaol, lle mae mwtaniadau Microsporidia-benodol mewn proteinau ribosomaidd wedi'u dewis oherwydd eu gallu i gynyddu affinedd ribosomau ar gyfer moleciwlau bach, a allai arwain at organebau ribosomaidd mwy effeithlon.Mae'r darganfyddiad yn datgelu arloesedd smart yn strwythur moleciwlaidd parasitiaid microbaidd ac yn rhoi gwell dealltwriaeth i ni o sut mae strwythurau moleciwlaidd parasitiaid yn cynnal eu swyddogaeth er gwaethaf esblygiad gostyngol.
Ar hyn o bryd, mae adnabyddiaeth y moleciwlau bach hyn yn parhau i fod yn aneglur.Nid yw'n glir pam mae ymddangosiad y moleciwlau bach hyn yn y strwythur ribosomaidd yn wahanol rhwng rhywogaethau microsporidia.Yn benodol, nid yw'n glir pam mae rhwymo niwcleotid yn cael ei arsylwi yn ribosomau E. cuniculi a P. locustae, ac nid yn ribosomau V. necatrix, er gwaethaf presenoldeb y gweddillion F170 yn y proteinau eL20 a K172 o V. necatrix.Gall y dileu hwn gael ei achosi gan weddillion 43 uL6 (wedi'i leoli gerllaw'r boced rhwymo niwcleotid), sef tyrosin yn V. necatrix ac nid threonine yn E. cuniculi a P. locustae.Gall cadwyn ochr aromatig swmpus Tyr43 ymyrryd â rhwymiad niwcleotid oherwydd gorgyffwrdd sterig.Fel arall, gall y dileu niwcleotid ymddangosiadol fod oherwydd datrysiad isel delweddu cryo-EM, sy'n rhwystro modelu darnau ribosomaidd V. necatrix.
Ar y llaw arall, mae ein gwaith yn awgrymu y gall y broses o bydredd genom fod yn rym dyfeisgar.Yn benodol, mae strwythur y ribosom E. cuniculi yn awgrymu bod colli rRNA a darnau protein yn y ribosom microsporidia yn creu pwysau esblygiadol sy'n hyrwyddo newidiadau mewn strwythur ribosom.Mae'r amrywiadau hyn yn digwydd ymhell o safle gweithredol y ribosom ac mae'n ymddangos eu bod yn helpu i gynnal (neu adfer) y cynulliad ribosom gorau posibl a fyddai fel arall yn cael ei amharu gan lai o rRNA.Mae hyn yn awgrymu ei bod yn ymddangos bod arloesi mawr o'r ribosom microsporidia wedi datblygu'n angen i glustogi drifft genynnau.
Efallai mai rhwymiad niwcleotid sydd orau i ddangos hyn, na welwyd erioed mewn organebau eraill hyd yn hyn.Mae'r ffaith bod gweddillion rhwymo niwcleotid yn bresennol mewn microsporidia nodweddiadol, ond nid mewn ewcaryotau eraill, yn awgrymu nad creiriau yn aros i ddiflannu yn unig yw safleoedd rhwymo niwcleotid, na'r safle terfynol i rRNA gael ei adfer i ffurf niwcleotidau unigol.Yn lle hynny, mae'r wefan hon yn ymddangos fel nodwedd ddefnyddiol a allai fod wedi esblygu dros sawl rownd o ddethol cadarnhaol.Gall safleoedd rhwymo niwcleotid fod yn sgil-gynnyrch detholiad naturiol: unwaith y bydd ES39L wedi'i ddiraddio, caiff microsporidia eu gorfodi i geisio iawndal i adfer y biogenesis ribosom gorau posibl yn absenoldeb ES39L.Gan y gall y niwcleotid hwn ddynwared cysylltiadau moleciwlaidd niwcleotid A3186 yn ES39L, mae'r moleciwl niwcleotid yn dod yn floc adeiladu o'r ribosom, y mae ei rwymo'n cael ei wella ymhellach trwy dreiglad y dilyniant eL30.
O ran esblygiad moleciwlaidd parasitiaid mewngellol, mae ein hastudiaeth yn dangos nad yw grymoedd detholiad naturiol Darwinaidd a drifft genetig pydredd genom yn gweithredu ochr yn ochr, ond yn hytrach yn osgiladu.Yn gyntaf, mae drifft genetig yn dileu nodweddion pwysig biomoleciwlau, gan olygu bod dirfawr angen iawndal.Dim ond pan fydd parasitiaid yn bodloni'r angen hwn trwy ddetholiad naturiol Darwinaidd y bydd eu macromoleciwlau yn cael cyfle i ddatblygu eu nodweddion mwyaf trawiadol ac arloesol.Yn bwysig, mae esblygiad safleoedd rhwymo niwcleotid yn y ribosom E. cuniculi yn awgrymu bod y patrwm colled-i-ennill hwn o esblygiad moleciwlaidd nid yn unig yn amorteiddio treigladau niweidiol, ond weithiau'n rhoi swyddogaethau cwbl newydd i macromoleciwlau parasitig.
Mae’r syniad hwn yn gyson â damcaniaeth ecwilibriwm symudol Sewell Wright, sy’n datgan bod system gaeth o ddethol naturiol yn cyfyngu ar allu organebau i arloesi51,52,53.Fodd bynnag, os yw drifft genetig yn amharu ar ddetholiad naturiol, gall y drifftiau hyn gynhyrchu newidiadau nad ydynt ynddynt eu hunain yn addasol (neu hyd yn oed yn niweidiol) ond sy'n arwain at newidiadau pellach sy'n darparu ffitrwydd uwch neu weithgaredd biolegol newydd.Mae ein fframwaith yn cefnogi'r syniad hwn trwy ddangos ei bod yn ymddangos mai'r un math o fwtaniad sy'n lleihau plygiad a swyddogaeth biomoleciwl yw'r prif sbardun ar gyfer ei wella.Yn unol â’r model esblygiadol lle mae pawb ar eu hennill, mae ein hastudiaeth yn dangos bod pydredd genom, sy’n cael ei ystyried yn draddodiadol fel proses ddirywiol, hefyd yn brif yrrwr arloesi, weithiau ac efallai hyd yn oed yn aml yn caniatáu i macromoleciwlau gaffael gweithgareddau parasitig newydd.yn gallu eu defnyddio.