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Bei der Evolution mikrobieller Parasiten kommt es zu einer Gegenwirkung zwischen natürlicher Selektion, die zu einer Verbesserung der Parasiten führt, und genetischer Drift, die dazu führt, dass Parasiten Gene verlieren und schädliche Mutationen anhäufen.Um zu verstehen, wie diese Gegenwirkung auf der Skala eines einzelnen Makromoleküls auftritt, beschreiben wir hier die Kryo-EM-Struktur des Ribosoms von Encephalitozoon cuniculi, einem eukaryotischen Organismus mit einem der kleinsten Genome in der Natur.Die extreme Reduzierung der rRNA in E. cuniculi-Ribosomen geht mit beispiellosen strukturellen Veränderungen einher, wie der Entwicklung bisher unbekannter fusionierter rRNA-Linker und rRNA ohne Ausbuchtungen.Darüber hinaus überlebte das E. cuniculi-Ribosom den Verlust von rRNA-Fragmenten und -Proteinen, indem es die Fähigkeit entwickelte, kleine Moleküle als strukturelle Nachahmer abgebauter rRNA-Fragmente und -Proteine ​​zu verwenden.Insgesamt zeigen wir, dass molekulare Strukturen, von denen lange angenommen wurde, dass sie reduziert, degeneriert und schwächenden Mutationen ausgesetzt sind, über eine Reihe von Kompensationsmechanismen verfügen, die sie trotz extremer molekularer Kontraktionen aktiv halten.
Da die meisten Gruppen mikrobieller Parasiten über einzigartige molekulare Werkzeuge zur Ausbeutung ihrer Wirte verfügen, müssen wir häufig unterschiedliche Therapeutika für verschiedene Parasitengruppen entwickeln1,2.Neue Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass einige Aspekte der Parasitenentwicklung konvergent und weitgehend vorhersehbar sind, was auf eine mögliche Grundlage für umfassende therapeutische Interventionen bei mikrobiellen Parasiten 3,4,5,6,7,8,9 hinweist.
Frühere Arbeiten haben einen gemeinsamen Evolutionstrend bei mikrobiellen Parasiten identifiziert, der als Genomreduktion oder Genomzerfall bezeichnet wird10,11,12,13.Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass, wenn Mikroorganismen ihren freilebenden Lebensstil aufgeben und zu intrazellulären Parasiten (oder Endosymbionten) werden, ihre Genome über Millionen von Jahren langsame, aber erstaunliche Metamorphosen durchlaufen9,11.In einem Prozess, der als Genomzerfall bekannt ist, häufen mikrobielle Parasiten schädliche Mutationen an, die viele zuvor wichtige Gene in Pseudogene verwandeln, was zu einem allmählichen Genverlust und einem Zusammenbruch der Mutation führt14,15.Dieser Zusammenbruch kann bei den ältesten intrazellulären Organismen im Vergleich zu eng verwandten frei lebenden Arten bis zu 95 % der Gene zerstören.Somit ist die Entwicklung intrazellulärer Parasiten ein Tauziehen zwischen zwei gegensätzlichen Kräften: der darwinistischen natürlichen Selektion, die zur Verbesserung der Parasiten führt, und dem Zusammenbruch des Genoms, der Parasiten in Vergessenheit gerät.Wie es dem Parasiten gelang, aus diesem Tauziehen herauszukommen und die Aktivität seiner molekularen Struktur beizubehalten, bleibt unklar.
Obwohl der Mechanismus des Genomzerfalls nicht vollständig geklärt ist, scheint er hauptsächlich auf häufige genetische Drift zurückzuführen zu sein.Da Parasiten in kleinen, asexuellen und genetisch begrenzten Populationen leben, können sie schädliche Mutationen, die manchmal während der DNA-Replikation auftreten, nicht wirksam beseitigen.Dies führt zu einer irreversiblen Anhäufung schädlicher Mutationen und einer Reduzierung des Parasitengenoms.Dadurch verliert der Parasit nicht nur Gene, die für sein Überleben in der intrazellulären Umgebung nicht mehr notwendig sind.Es ist die Unfähigkeit der Parasitenpopulationen, sporadische schädliche Mutationen wirksam zu beseitigen, die dazu führt, dass sich diese Mutationen im gesamten Genom, einschließlich ihrer wichtigsten Gene, ansammeln.
Ein Großteil unseres aktuellen Verständnisses der Genomreduktion basiert ausschließlich auf Vergleichen von Genomsequenzen, wobei Veränderungen in tatsächlichen Molekülen, die Haushaltsfunktionen erfüllen und als potenzielle Angriffspunkte für Medikamente dienen, weniger berücksichtigt werden.Vergleichsstudien haben gezeigt, dass die Belastung durch schädliche intrazelluläre mikrobielle Mutationen offenbar dazu führt, dass Proteine ​​und Nukleinsäuren sich falsch falten und aggregieren, wodurch sie stärker auf Begleitpersonen angewiesen und überempfindlicher gegenüber Hitze werden19,20,21,22,23.Darüber hinaus erlebten verschiedene Parasiten – deren unabhängige Evolution manchmal bis zu 2,5 Milliarden Jahre voneinander entfernt war – einen ähnlichen Verlust von Qualitätskontrollzentren in ihrer Proteinsynthese5,6 und DNA-Reparaturmechanismen24.Über die Auswirkungen des intrazellulären Lebensstils auf alle anderen Eigenschaften zellulärer Makromoleküle, einschließlich der molekularen Anpassung an eine zunehmende Belastung durch schädliche Mutationen, ist jedoch wenig bekannt.
Um die Evolution von Proteinen und Nukleinsäuren intrazellulärer Mikroorganismen besser zu verstehen, haben wir in dieser Arbeit die Struktur von Ribosomen des intrazellulären Parasiten Encephalitozoon cuniculi bestimmt.E. cuniculi ist ein pilzähnlicher Organismus, der zu einer Gruppe parasitärer Mikrosporidien gehört, die über ungewöhnlich kleine eukaryotische Genome verfügen und daher als Modellorganismen zur Untersuchung des Genomzerfalls verwendet werden25,26,27,28,29,30.Kürzlich wurde die Kryo-EM-Ribosomenstruktur für mäßig reduzierte Genome von Microsporidia, Paranosema locustae und Vairimorpha necatrix31,32 (~3,2 MB Genom) bestimmt.Diese Strukturen legen nahe, dass ein gewisser Verlust der rRNA-Amplifikation durch die Entwicklung neuer Kontakte zwischen benachbarten ribosomalen Proteinen oder den Erwerb neuer ribosomaler msL131,32-Proteine ​​ausgeglichen wird.Die Art Encephalitozoon (Genom ~2,5 Millionen bp) zeigt zusammen mit ihrem nächsten Verwandten Ordospora den höchsten Grad an Genomreduktion bei Eukaryoten – sie haben weniger als 2000 proteinkodierende Gene, und es wird erwartet, dass ihre Ribosomen nicht nur keine rRNA-Expansionsfragmente (rRNA-Fragmente, die eukaryotische Ribosomen von bakteriellen Ribosomen unterscheiden) enthalten, sondern aufgrund ihres Mangels auch vier ribosomale Proteine ​​aufweisen von Homologen im E. cuniculi-Genom26,27,28.Daher kamen wir zu dem Schluss, dass das E. cuniculi-Ribosom bisher unbekannte Strategien zur molekularen Anpassung an den Genomzerfall offenbaren kann.
Unsere Kryo-EM-Struktur stellt das kleinste eukaryotische zytoplasmatische Ribosom dar, das charakterisiert werden konnte, und bietet Einblicke in die Frage, wie sich der ultimative Grad der Genomreduktion auf die Struktur, den Aufbau und die Entwicklung der molekularen Maschinerie auswirkt, die integraler Bestandteil der Zelle ist.Wir fanden heraus, dass das E. cuniculi-Ribosom gegen viele der weithin konservierten Prinzipien der RNA-Faltung und des Ribosomenaufbaus verstößt, und entdeckten ein neues, bisher unbekanntes ribosomales Protein.Völlig unerwartet zeigen wir, dass Mikrosporidien-Ribosomen die Fähigkeit entwickelt haben, kleine Moleküle zu binden, und stellen die Hypothese auf, dass Kürzungen in rRNA und Proteinen evolutionäre Innovationen auslösen, die dem Ribosom letztendlich nützliche Eigenschaften verleihen könnten.
Um unser Verständnis der Evolution von Proteinen und Nukleinsäuren in intrazellulären Organismen zu verbessern, haben wir beschlossen, E. cuniculi-Sporen aus Kulturen infizierter Säugetierzellen zu isolieren, um deren Ribosomen zu reinigen und die Struktur dieser Ribosomen zu bestimmen.Es ist schwierig, eine große Anzahl parasitärer Mikrosporidien zu erhalten, da Mikrosporidien nicht in einem Nährmedium kultiviert werden können.Stattdessen wachsen und vermehren sie sich nur innerhalb der Wirtszelle.Um E. cuniculi-Biomasse für die Ribosomenreinigung zu erhalten, infizierten wir daher die Säugetiernierenzelllinie RK13 mit E. cuniculi-Sporen und kultivierten diese infizierten Zellen mehrere Wochen lang, damit E. cuniculi wachsen und sich vermehren konnte.Mit einer infizierten Zellmonoschicht von etwa einem halben Quadratmeter konnten wir etwa 300 mg Microsporidia-Sporen reinigen und daraus Ribosomen isolieren.Anschließend haben wir die gereinigten Sporen mit Glasperlen aufgeschlossen und die rohen Ribosomen durch schrittweise Polyethylenglykolfraktionierung der Lysate isoliert.Dadurch konnten wir etwa 300 µg rohe E. cuniculi-Ribosomen für die Strukturanalyse erhalten.
Anschließend sammelten wir Kryo-EM-Bilder mit den resultierenden Ribosomenproben und verarbeiteten diese Bilder mit Masken, die der großen ribosomalen Untereinheit, dem Kopf der kleinen Untereinheit und der kleinen Untereinheit entsprachen.Während dieses Prozesses haben wir Bilder von etwa 108.000 ribosomalen Partikeln gesammelt und Kryo-EM-Bilder mit einer Auflösung von 2,7 Å berechnet (Ergänzende Abbildungen 1–3).Anschließend verwendeten wir KryoEM-Bilder, um rRNA, ribosomales Protein und den Winterschlaffaktor Mdf1 zu modellieren, der mit E. cuniculi-Ribosomen assoziiert ist (Abb. 1a, b).
a Struktur des E. cuniculi-Ribosoms im Komplex mit dem Winterschlaffaktor Mdf1 (pdb id 7QEP).b Karte des Winterschlaffaktors Mdf1, der mit dem E. cuniculi-Ribosom assoziiert ist.c Sekundärstrukturkarte, die gewonnene rRNA in mikrosporidischen Arten mit bekannten ribosomalen Strukturen vergleicht.Die Tafeln zeigen die Position der amplifizierten rRNA-Fragmente (ES) und der aktiven Stellen des Ribosoms, einschließlich der Dekodierungsstelle (DC), der Sarcinicin-Schleife (SRL) und des Peptidyltransferase-Zentrums (PTC).d Die Elektronendichte, die dem Peptidyltransferasezentrum des E. cuniculi-Ribosoms entspricht, legt nahe, dass diese katalytische Stelle im E. cuniculi-Parasiten und seinen Wirten, einschließlich H. sapiens, die gleiche Struktur aufweist.e, f Die entsprechende Elektronendichte des Dekodierungszentrums (e) und die schematische Struktur des Dekodierungszentrums (f) weisen darauf hin, dass E. cuniculi in vielen anderen Eukaryoten die Reste U1491 anstelle von A1491 (E. coli-Nummerierung) aufweist.Diese Veränderung deutet darauf hin, dass E. cuniculi möglicherweise empfindlich auf Antibiotika reagiert, die auf dieses aktive Zentrum abzielen.
Im Gegensatz zu den zuvor etablierten Strukturen der Ribosomen von V. necatrix und P. locustae (beide Strukturen repräsentieren die gleiche Mikrosporidienfamilie Nosematidae und sind einander sehr ähnlich) durchlaufen 31,32 E. cuniculi-Ribosomen zahlreiche Prozesse der rRNA- und Proteinfragmentierung.Weitere Denaturierung (Ergänzende Abbildungen 4-6).Zu den auffälligsten Veränderungen in der rRNA gehörten der vollständige Verlust des amplifizierten 25S-rRNA-Fragments ES12L und die teilweise Degeneration der h39-, h41- und H18-Helices (Abb. 1c, ergänzende Abb. 4).Unter den ribosomalen Proteinen gehörten zu den auffälligsten Veränderungen der vollständige Verlust des eS30-Proteins und die Verkürzung der Proteine ​​eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 und eS7 (Ergänzende Abbildungen 4, 5).
Somit spiegelt sich die extreme Reduzierung der Genome von Encephalotozoon/Ordospora-Arten in ihrer Ribosomenstruktur wider: E. cuniculi-Ribosomen erleiden den dramatischsten Verlust des Proteingehalts in eukaryotischen zytoplasmatischen Ribosomen, die einer strukturellen Charakterisierung unterliegen, und sie verfügen nicht einmal über jene rRNA- und Proteinfragmente, die nicht nur in Eukaryoten, sondern auch in den drei Domänen des Lebens weitgehend konserviert sind.Die Struktur des E. cuniculi-Ribosoms liefert das erste molekulare Modell für diese Veränderungen und enthüllt evolutionäre Ereignisse, die sowohl in der vergleichenden Genomik als auch in Studien zur intrazellulären biomolekularen Struktur übersehen wurden (ergänzende Abbildung 7).Im Folgenden beschreiben wir jedes dieser Ereignisse zusammen mit seinen wahrscheinlichen evolutionären Ursprüngen und seinen möglichen Auswirkungen auf die Ribosomenfunktion.
Wir fanden dann heraus, dass E. cuniculi-Ribosomen zusätzlich zu großen rRNA-Verkürzungen rRNA-Variationen an einer ihrer aktiven Stellen aufweisen.Obwohl das Peptidyltransferasezentrum des E. cuniculi-Ribosoms die gleiche Struktur wie andere eukaryotische Ribosomen aufweist (Abb. 1d), unterscheidet sich das Dekodierungszentrum aufgrund der Sequenzvariation bei Nukleotid 1491 (E. coli-Nummerierung, Abb. 1e, f).Diese Beobachtung ist wichtig, da die Dekodierungsstelle eukaryotischer Ribosomen typischerweise die Reste G1408 und A1491 enthält, im Vergleich zu den bakteriellen Resten A1408 und G1491.Diese Variation liegt der unterschiedlichen Empfindlichkeit bakterieller und eukaryotischer Ribosomen gegenüber der Aminoglykosidfamilie ribosomaler Antibiotika und anderen kleinen Molekülen zugrunde, die auf die Dekodierungsstelle abzielen.An der Dekodierungsstelle des E. cuniculi-Ribosoms wurde der Rest A1491 durch U1491 ersetzt, wodurch möglicherweise eine einzigartige Bindungsschnittstelle für kleine Moleküle entsteht, die auf dieses aktive Zentrum abzielen.Die gleiche A14901-Variante kommt auch in anderen Mikrosporidien wie P. locustae und V. necatrix vor, was darauf hindeutet, dass sie unter Mikrosporidienarten weit verbreitet ist (Abb. 1f).
Da unsere E. cuniculi-Ribosomenproben aus metabolisch inaktiven Sporen isoliert wurden, haben wir die Kryo-EM-Karte von E. cuniculi auf zuvor beschriebene Ribosomenbindung unter Stress- oder Hungerbedingungen getestet.Winterschlaffaktoren 31,32,36,37, 38. Wir haben die zuvor ermittelte Struktur des Winterschlaf-Ribosoms mit der Kryo-EM-Karte des E. cuniculi-Ribosoms abgeglichen.Zum Andocken wurden S. cerevisiae-Ribosomen im Komplex mit dem Winterschlaffaktor Stm138, Heuschreckenribosomen im Komplex mit dem Lso232-Faktor und V. necatrix-Ribosomen im Komplex mit den Faktoren Mdf1 und Mdf231 verwendet.Gleichzeitig fanden wir die Kryo-EM-Dichte, die dem Ruhefaktor Mdf1 entspricht.Ähnlich wie Mdf1 an das Ribosom von V. necatrix bindet, bindet Mdf1 auch an das Ribosom von E. cuniculi, wo es die E-Stelle des Ribosoms blockiert und möglicherweise dabei hilft, Ribosomen verfügbar zu machen, wenn Parasitensporen bei der Inaktivierung des Körpers metabolisch inaktiv werden (Abbildung 2).).
Mdf1 blockiert die E-Stelle des Ribosoms, was offenbar dazu beiträgt, das Ribosom zu inaktivieren, wenn Parasitensporen metabolisch inaktiv werden.In der Struktur des E. cuniculi-Ribosoms haben wir herausgefunden, dass Mdf1 einen bisher unbekannten Kontakt mit dem L1-Ribosomenstamm eingeht, dem Teil des Ribosoms, der die Freisetzung von deacylierter tRNA aus dem Ribosom während der Proteinsynthese erleichtert.Diese Kontakte legen nahe, dass sich Mdf1 mithilfe des gleichen Mechanismus wie deacetylierte tRNA vom Ribosom dissoziiert, was eine mögliche Erklärung dafür liefert, wie das Ribosom Mdf1 entfernt, um die Proteinsynthese zu reaktivieren.
Unsere Struktur enthüllte jedoch einen unbekannten Kontakt zwischen Mdf1 und dem L1-Ribosomenschenkel (dem Teil des Ribosoms, der bei der Freisetzung deacylierter tRNA aus dem Ribosom während der Proteinsynthese hilft).Insbesondere nutzt Mdf1 die gleichen Kontakte wie das Ellbogensegment des deacylierten tRNA-Moleküls (Abb. 2).Diese bisher unbekannte molekulare Modellierung zeigte, dass Mdf1 nach dem gleichen Mechanismus wie deacetylierte tRNA vom Ribosom dissoziiert, was erklärt, wie das Ribosom diesen Ruhezustandsfaktor entfernt, um die Proteinsynthese zu reaktivieren.
Bei der Konstruktion des rRNA-Modells stellten wir fest, dass das E. cuniculi-Ribosom abnormal gefaltete rRNA-Fragmente aufweist, die wir fusionierte rRNA nannten (Abb. 3).In Ribosomen, die die drei Lebensbereiche umfassen, faltet sich rRNA zu Strukturen, in denen die meisten rRNA-Basen entweder Basenpaare bilden und miteinander falten oder mit ribosomalen Proteinen interagieren38,39,40.Allerdings scheinen rRNAs in E. cuniculi-Ribosomen dieses Faltungsprinzip zu verletzen, indem sie einige ihrer Helices in ungefaltete rRNA-Regionen umwandeln.
Struktur der H18 25S rRNA-Helix in S. cerevisiae, V. necatrix und E. cuniculi.Typischerweise windet sich dieser Linker in Ribosomen, die sich über die drei Lebensdomänen erstrecken, zu einer RNA-Helix, die 24 bis 34 Reste enthält.Im Gegensatz dazu wird dieser rRNA-Linker in Microsporidia nach und nach auf zwei einzelsträngige uridinreiche Linker reduziert, die nur 12 Reste enthalten.Die meisten dieser Rückstände sind Lösungsmitteln ausgesetzt.Die Abbildung zeigt, dass parasitäre Mikrosporidien offenbar gegen die allgemeinen Prinzipien der rRNA-Faltung verstoßen, bei der rRNA-Basen normalerweise an andere Basen gekoppelt oder an rRNA-Protein-Wechselwirkungen beteiligt sind.Bei Mikrosporidien nehmen einige rRNA-Fragmente eine ungünstige Faltung an, bei der die ehemalige rRNA-Helix zu einem nahezu geradlinig verlängerten einzelsträngigen Fragment wird.Das Vorhandensein dieser ungewöhnlichen Regionen ermöglicht es der rRNA von Mikrosporidien, entfernte rRNA-Fragmente mit einer minimalen Anzahl von RNA-Basen zu binden.
Das auffälligste Beispiel für diesen evolutionären Übergang kann in der H18 25S rRNA-Helix beobachtet werden (Abb. 3).Bei Spezies von E. coli bis zum Menschen enthalten die Basen dieser rRNA-Helix 24–32 Nukleotide und bilden eine leicht unregelmäßige Helix.In zuvor identifizierten ribosomalen Strukturen von V. necatrix und P. locustae31,32 sind die Basen der H18-Helix teilweise entwunden, die Nukleotidbasenpaarung bleibt jedoch erhalten.In E. cuniculi wird dieses rRNA-Fragment jedoch zu den kürzesten Linkern 228UUUGU232 und 301UUUUUUUUU307.Im Gegensatz zu typischen rRNA-Fragmenten wickeln sich diese uridinreichen Linker nicht und kommen nicht in großen Kontakt mit ribosomalen Proteinen.Stattdessen nehmen sie lösungsmitteloffene und vollständig entfaltete Strukturen an, in denen die rRNA-Stränge nahezu gerade verlaufen.Diese gestreckte Konformation erklärt, warum E. cuniculi nur 12 RNA-Basen verwendet, um die 33 Å große Lücke zwischen den H16- und H18-rRNA-Helices zu füllen, während andere Arten mindestens doppelt so viele rRNA-Basen benötigen, um die Lücke zu füllen.
Somit können wir zeigen, dass parasitäre Mikrosporidien durch energetisch ungünstige Faltung eine Strategie entwickelt haben, um sogar diejenigen rRNA-Segmente zu kontrahieren, die in den drei Lebensbereichen artenübergreifend weitgehend konserviert bleiben.Offenbar kann E. cuniculi durch die Anhäufung von Mutationen, die rRNA-Helices in kurze Poly-U-Linker umwandeln, ungewöhnliche rRNA-Fragmente bilden, die möglichst wenige Nukleotide für die Ligation distaler rRNA-Fragmente enthalten.Dies hilft zu erklären, wie Mikrosporidien eine dramatische Reduzierung ihrer grundlegenden molekularen Struktur erreichten, ohne ihre strukturelle und funktionelle Integrität zu verlieren.
Ein weiteres ungewöhnliches Merkmal der E. cuniculi-rRNA ist das Auftreten von rRNA ohne Verdickungen (Abb. 4).Ausbuchtungen sind Nukleotide ohne Basenpaare, die sich aus der RNA-Helix herausdrehen, anstatt sich darin zu verstecken.Die meisten rRNA-Vorsprünge fungieren als molekulare Klebstoffe und helfen dabei, benachbarte ribosomale Proteine ​​oder andere rRNA-Fragmente zu binden.Einige der Ausbuchtungen fungieren als Scharniere und ermöglichen es der rRNA-Helix, sich für eine produktive Proteinsynthese optimal zu biegen und zu falten 41 .
a Ein rRNA-Vorsprung (S. cerevisiae-Nummerierung) fehlt in der Ribosomenstruktur von E. cuniculi, ist aber in den meisten anderen Eukaryoten vorhanden. b Interne Ribosomen von E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens und E. cuniculi.Parasiten fehlen viele der alten, hochkonservierten rRNA-Ausbuchtungen.Diese Verdickungen stabilisieren die Ribosomenstruktur;Daher weist ihr Fehlen in Mikrosporidien auf eine verringerte Stabilität der rRNA-Faltung in Mikrosporidien-Parasiten hin.Ein Vergleich mit P-Stämmen (L7/L12-Stämme in Bakterien) zeigt, dass der Verlust von rRNA-Bumps manchmal mit dem Auftreten neuer Bumps neben den verlorenen Bumps zusammenfällt.Die H42-Helix in der 23S/28S-rRNA weist eine uralte Ausbuchtung (U1206 in Saccharomyces cerevisiae) auf, die aufgrund ihres Schutzes in drei Lebensbereichen schätzungsweise mindestens 3,5 Milliarden Jahre alt ist.Bei Mikrosporidien ist diese Ausbuchtung beseitigt.Allerdings erschien neben der verlorenen Ausbuchtung eine neue Ausbuchtung (A1306 in E. cuniculi).
Bemerkenswerterweise fanden wir heraus, dass den Ribosomen von E. cuniculi die meisten rRNA-Ausbuchtungen anderer Arten fehlen, darunter mehr als 30 Ausbuchtungen, die in anderen Eukaryoten konserviert sind (Abb. 4a).Dieser Verlust eliminiert viele Kontakte zwischen ribosomalen Untereinheiten und benachbarten rRNA-Helices, wodurch manchmal große Hohlräume innerhalb des Ribosoms entstehen, wodurch das E. cuniculi-Ribosom im Vergleich zu traditionelleren Ribosomen poröser wird (Abb. 4b).Bemerkenswerterweise stellten wir fest, dass die meisten dieser Ausbuchtungen auch in den zuvor identifizierten Ribosomenstrukturen von V. necatrix und P. locustae verloren gingen, die in früheren Strukturanalysen übersehen wurden .
Manchmal geht der Verlust von rRNA-Ausbuchtungen mit der Entwicklung neuer Ausbuchtungen neben der verlorenen Ausbuchtung einher.Beispielsweise enthält der ribosomale P-Stamm eine U1208-Ausbuchtung (bei Saccharomyces cerevisiae), die von E. coli bis zum Menschen überlebt hat und daher schätzungsweise 3,5 Milliarden Jahre alt ist.Während der Proteinsynthese hilft diese Ausbuchtung dem P-Stamm, sich zwischen offenen und geschlossenen Konformationen zu bewegen, sodass das Ribosom Translationsfaktoren rekrutieren und an das aktive Zentrum liefern kann.Bei E. cuniculi-Ribosomen fehlt diese Verdickung;Allerdings kann eine neue Verdickung (G883), die sich nur in drei Basenpaaren befindet, zur Wiederherstellung der optimalen Flexibilität des P-Stamms beitragen (Abb. 4c).
Unsere Daten zu rRNA ohne Ausbuchtungen legen nahe, dass die rRNA-Minimierung nicht auf den Verlust von rRNA-Elementen auf der Oberfläche des Ribosoms beschränkt ist, sondern auch den Ribosomenkern betreffen kann, wodurch ein parasitenspezifischer molekularer Defekt entsteht, der in frei lebenden Zellen nicht beschrieben wurde.lebende Arten werden beobachtet.
Nach der Modellierung kanonischer ribosomaler Proteine ​​und rRNA stellten wir fest, dass herkömmliche ribosomale Komponenten die drei Teile des Kryo-EM-Bildes nicht erklären können.Zwei dieser Fragmente sind kleine Moleküle (Abb. 5, ergänzende Abb. 8).Das erste Segment liegt zwischen den ribosomalen Proteinen uL15 und eL18 an einer Position, die normalerweise vom C-Terminus von eL18 eingenommen wird, der in E. cuniculi verkürzt ist.Obwohl wir die Identität dieses Moleküls nicht bestimmen können, lässt sich die Größe und Form dieser Dichteinsel gut durch das Vorhandensein von Spermidinmolekülen erklären.Seine Bindung an das Ribosom wird durch Mikrosporidien-spezifische Mutationen in den uL15-Proteinen (Asp51 und Arg56) stabilisiert, die offenbar die Affinität des Ribosoms für dieses kleine Molekül erhöhen, da sie es uL15 ermöglichen, das kleine Molekül in eine ribosomale Struktur einzuhüllen.Ergänzende Abbildung 2).8, Zusatzdaten 1, 2).
Kryo-EM-Bildgebung, die das Vorhandensein von Nukleotiden außerhalb der an das E. cuniculi-Ribosom gebundenen Ribose zeigt.Im E. cuniculi-Ribosom nimmt dieses Nukleotid den gleichen Platz ein wie das 25S-rRNA-A3186-Nukleotid (Saccharomyces cerevisiae-Nummerierung) in den meisten anderen eukaryotischen Ribosomen.b In der ribosomalen Struktur von E. cuniculi liegt dieses Nukleotid zwischen den ribosomalen Proteinen uL9 und eL20 und stabilisiert so den Kontakt zwischen den beiden Proteinen.cd eL20-Sequenzkonservierungsanalyse unter Mikrosporidienarten.Der phylogenetische Baum der Microsporidia-Arten (c) und das multiple Sequenz-Alignment des eL20-Proteins (d) zeigen, dass die nukleotidbindenden Reste F170 und K172 in den meisten typischen Microsporidia konserviert sind, mit Ausnahme von S. lophii, mit Ausnahme der früh verzweigten Microsporidia, die die ES39L-rRNA-Verlängerung beibehielten.e Diese Abbildung zeigt, dass die nukleotidbindenden Reste F170 und K172 nur in eL20 des stark reduzierten Mikrosporidien-Genoms vorhanden sind, nicht jedoch in anderen Eukaryoten.Insgesamt deuten diese Daten darauf hin, dass mikrosporidische Ribosomen eine Nukleotidbindungsstelle entwickelt haben, die offenbar AMP-Moleküle bindet und sie zur Stabilisierung von Protein-Protein-Wechselwirkungen in der Ribosomenstruktur nutzt.Die hohe Erhaltung dieser Bindungsstelle in Microsporidia und ihre Abwesenheit in anderen Eukaryoten legen nahe, dass diese Stelle einen selektiven Überlebensvorteil für Microsporidia bieten könnte.Somit scheint die Nukleotidbindungstasche im Mikrosporidien-Ribosom kein degeneriertes Merkmal oder eine Endform des rRNA-Abbaus zu sein, wie zuvor beschrieben, sondern vielmehr eine nützliche evolutionäre Innovation, die es dem Mikrosporidien-Ribosom ermöglicht, kleine Moleküle direkt zu binden und sie als molekulare Bausteine ​​zu verwenden.Bausteine ​​für Ribosomen.Diese Entdeckung macht das Mikrosporidia-Ribosom zum einzigen bekannten Ribosom, das ein einzelnes Nukleotid als Strukturbaustein verwendet.f Hypothetischer Evolutionsweg, der von der Nukleotidbindung abgeleitet ist.
Die zweite niedermolekulare Dichte befindet sich an der Grenzfläche zwischen den ribosomalen Proteinen uL9 und eL30 (Abb. 5a).Diese Schnittstelle wurde zuvor in der Struktur des Ribosoms von Saccharomyces cerevisiae als Bindungsstelle für das 25S-Nukleotid der rRNA A3186 (Teil der ES39L-rRNA-Erweiterung)38 beschrieben.Es wurde gezeigt, dass diese Schnittstelle in degenerierten ES39L-Ribosomen von P. locustae ein unbekanntes einzelnes Nukleotid 31 bindet, und es wird angenommen, dass es sich bei diesem Nukleotid um eine reduzierte Endform der rRNA handelt, bei der die Länge der rRNA etwa 130–230 Basen beträgt.ES39L wird auf ein einzelnes Nukleotid 32.43 reduziert.Unsere Kryo-EM-Bilder stützen die Idee, dass die Dichte durch Nukleotide erklärt werden kann.Die höhere Auflösung unserer Struktur zeigte jedoch, dass es sich bei diesem Nukleotid um ein extraribosomales Molekül, möglicherweise AMP, handelt (Abb. 5a, b).
Wir fragten dann, ob die Nukleotidbindungsstelle im E. cuniculi-Ribosom vorkam oder ob sie bereits zuvor existierte.Da die Nukleotidbindung hauptsächlich durch die Phe170- und Lys172-Reste im ribosomalen Protein eL30 vermittelt wird, haben wir die Konservierung dieser Reste in 4396 repräsentativen Eukaryoten untersucht.Wie im Fall von uL15 oben stellten wir fest, dass die Phe170- und Lys172-Reste nur in typischen Mikrosporidien hoch konserviert sind, in anderen Eukaryoten jedoch fehlen, einschließlich der atypischen Mikrosporidien Mitosporidium und Amphiamblys, in denen das ES39L-rRNA-Fragment nicht reduziert ist 44, 45, 46 (Abb. 5c).-e).
Zusammengenommen stützen diese Daten die Idee, dass E. cuniculi und möglicherweise andere kanonische Mikrosporidien die Fähigkeit entwickelt haben, eine große Anzahl kleiner Metaboliten in der Ribosomenstruktur effizient einzufangen, um den Rückgang der rRNA- und Proteinspiegel auszugleichen.Dabei haben sie eine einzigartige Fähigkeit entwickelt, Nukleotide außerhalb des Ribosoms zu binden, und zeigten, dass parasitäre molekulare Strukturen dies kompensieren, indem sie reichlich vorhandene kleine Metaboliten einfangen und sie als strukturelle Nachahmer abgebauter RNA- und Proteinfragmente verwenden..
Der dritte nicht simulierte Teil unserer Kryo-EM-Karte, gefunden in der großen ribosomalen Untereinheit.Die relativ hohe Auflösung (2,6 Å) unserer Karte legt nahe, dass diese Dichte zu Proteinen mit einzigartigen Kombinationen großer Seitenkettenreste gehört, was es uns ermöglichte, diese Dichte als bisher unbekanntes ribosomales Protein zu identifizieren, das wir als msL2 (Microsporidia-spezifisches Protein L2) bezeichneten (Methoden, Abbildung 6).Unsere Homologiesuche ergab, dass msL2 in der Microsporidia-Gruppe der Gattungen Encephaliter und Orosporidium konserviert ist, in anderen Arten, einschließlich anderen Microsporidia, jedoch fehlt.In der ribosomalen Struktur besetzt msL2 eine Lücke, die durch den Verlust der verlängerten ES31L-rRNA entsteht.In dieser Lücke trägt msL2 zur Stabilisierung der rRNA-Faltung bei und kann den Verlust von ES31L kompensieren (Abbildung 6).
a Elektronendichte und Modell des Mikrosporidien-spezifischen ribosomalen Proteins msL2, das in E. cuniculi-Ribosomen gefunden wird.b Bei den meisten eukaryotischen Ribosomen, einschließlich des 80S-Ribosoms von Saccharomyces cerevisiae, geht die ES19L-rRNA-Amplifikation bei den meisten mikrosporidischen Arten verloren.Die zuvor ermittelte Struktur des Ribosoms von V. necatrix microsporidia legt nahe, dass der Verlust von ES19L in diesen Parasiten durch die Entwicklung des neuen ribosomalen Proteins msL1 kompensiert wird.In dieser Studie fanden wir heraus, dass das E. cuniculi-Ribosom auch ein zusätzliches ribosomales RNA-Nachahmungsprotein als offensichtlichen Ausgleich für den Verlust von ES19L entwickelte.Allerdings haben msL2 (derzeit als hypothetisches Protein ECU06_1135 bezeichnet) und msL1 unterschiedliche strukturelle und evolutionäre Ursprünge.c Diese Entdeckung der Entstehung evolutionär nicht verwandter ribosomaler msL1- und msL2-Proteine ​​​​legt nahe, dass Ribosomen, wenn sie schädliche Mutationen in ihrer rRNA ansammeln, selbst in einer kleinen Untergruppe eng verwandter Arten ein beispielloses Maß an Zusammensetzungsvielfalt erreichen können.Diese Entdeckung könnte dazu beitragen, den Ursprung und die Entwicklung des mitochondrialen Ribosoms zu klären, das für seine stark reduzierte rRNA und abnormale Variabilität in der Proteinzusammensetzung zwischen den Arten bekannt ist.
Anschließend verglichen wir das msL2-Protein mit dem zuvor beschriebenen msL1-Protein, dem einzigen bekannten Mikrosporidien-spezifischen ribosomalen Protein, das im V. necatrix-Ribosom vorkommt.Wir wollten testen, ob msL1 und msL2 evolutionär verwandt sind.Unsere Analyse zeigte, dass msL1 und msL2 denselben Hohlraum in der ribosomalen Struktur besetzen, jedoch unterschiedliche Primär- und Tertiärstrukturen aufweisen, was auf ihren unabhängigen evolutionären Ursprung hinweist (Abb. 6).Somit liefert unsere Entdeckung von msL2 den Beweis, dass Gruppen kompakter eukaryontischer Arten unabhängig voneinander strukturell unterschiedliche ribosomale Proteine ​​entwickeln können, um den Verlust von rRNA-Fragmenten zu kompensieren.Dieser Befund ist insofern bemerkenswert, als die meisten zytoplasmatischen eukaryotischen Ribosomen ein invariantes Protein enthalten, einschließlich derselben Familie von 81 ribosomalen Proteinen.Das Auftreten von msL1 und msL2 in verschiedenen Gruppen von Mikrosporidien als Reaktion auf den Verlust erweiterter rRNA-Segmente legt nahe, dass der Abbau der molekularen Architektur des Parasiten dazu führt, dass Parasiten nach kompensatorischen Mutationen suchen, was schließlich zu deren Erwerb in verschiedenen Parasitenpopulationen führen kann.Strukturen.
Als unser Modell schließlich fertiggestellt war, verglichen wir die Zusammensetzung des E. cuniculi-Ribosoms mit der aus der Genomsequenz vorhergesagten.Es wurde früher angenommen, dass mehrere ribosomale Proteine, darunter eL14, eL38, eL41 und eS30, im E. cuniculi-Genom fehlen, da ihre Homologen im E. cuniculi-Genom offensichtlich fehlen.Der Verlust vieler ribosomaler Proteine ​​wird auch bei den meisten anderen stark reduzierten intrazellulären Parasiten und Endosymbionten vorhergesagt.Obwohl beispielsweise die meisten frei lebenden Bakterien dieselbe Familie von 54 ribosomalen Proteinen enthalten, weisen nur 11 dieser Proteinfamilien nachweisbare Homologe in jedem analysierten Genom von wirtsbeschränkten Bakterien auf.Zur Untermauerung dieser Annahme wurde experimentell ein Verlust ribosomaler Proteine ​​bei V. necatrix- und P. locustae-Mikrosporidien beobachtet, denen die Proteine ​​eL38 und eL4131,32 fehlen.
Unsere Strukturen zeigen jedoch, dass nur eL38, eL41 und eS30 tatsächlich im E. cuniculi-Ribosom verloren gehen.Das eL14-Protein war konserviert und unsere Struktur zeigte, warum dieses Protein bei der Homologiesuche nicht gefunden werden konnte (Abb. 7).In E. cuniculi-Ribosomen geht der größte Teil der eL14-Bindungsstelle durch den Abbau des rRNA-amplifizierten ES39L verloren.In Abwesenheit von ES39L verlor eL14 den größten Teil seiner Sekundärstruktur und nur 18 % der eL14-Sequenz waren in E. cuniculi und S. cerevisiae identisch.Diese schlechte Sequenzerhaltung ist bemerkenswert, da selbst Saccharomyces cerevisiae und Homo sapiens – Organismen, die sich im Abstand von 1,5 Milliarden Jahren entwickelt haben – mehr als 51 % der gleichen Reste in eL14 aufweisen.Dieser anomale Verlust der Konservierung erklärt, warum E. cuniculi eL14 derzeit als mutmaßliches M970_061160-Protein und nicht als ribosomales Protein eL1427 bezeichnet wird.
und Das Microsporidia-Ribosom verlor die ES39L-rRNA-Verlängerung, wodurch die ribosomale Proteinbindungsstelle eL14 teilweise eliminiert wurde.In Abwesenheit von ES39L erfährt das eL14-Mikrosporenprotein einen Verlust der Sekundärstruktur, bei dem die frühere rRNA-bindende α-Helix zu einer Schleife minimaler Länge degeneriert.b Die Ausrichtung mehrerer Sequenzen zeigt, dass das eL14-Protein in eukaryotischen Spezies hoch konserviert ist (57 % Sequenzidentität zwischen Hefe- und menschlichen Homologen), in Mikrosporidien jedoch schlecht konserviert und divergent ist (in denen nicht mehr als 24 % der Reste mit dem eL14-Homolog identisch sind).von S. cerevisiae oder H. sapiens).Diese schlechte Sequenzkonservierung und Variabilität der Sekundärstruktur erklärt, warum das eL14-Homolog in E. cuniculi nie gefunden wurde und warum man annimmt, dass dieses Protein in E. cuniculi verloren gegangen ist.Im Gegensatz dazu wurde E. cuniculi eL14 zuvor als mutmaßliches M970_061160-Protein bezeichnet.Diese Beobachtung legt nahe, dass die Genomvielfalt von Mikrosporidien derzeit überschätzt wird: Einige Gene, von denen derzeit angenommen wird, dass sie in Mikrosporidien verloren gehen, sind tatsächlich erhalten, wenn auch in hochdifferenzierten Formen;Stattdessen geht man davon aus, dass einige Mikrosporidien-Gene für wurmspezifische Proteine ​​kodieren (z. B. das hypothetische Protein M970_061160), das tatsächlich für die sehr unterschiedlichen Proteine ​​anderer Eukaryoten kodiert.
Dieser Befund legt nahe, dass die rRNA-Denaturierung zu einem dramatischen Verlust der Sequenzkonservierung in benachbarten ribosomalen Proteinen führen kann, wodurch diese Proteine ​​für Homologiesuchen nicht mehr nachweisbar sind.Daher überschätzen wir möglicherweise den tatsächlichen Grad des molekularen Abbaus in Organismen mit kleinem Genom, da einige Proteine, von denen angenommen wird, dass sie verloren gehen, tatsächlich bestehen bleiben, wenn auch in stark veränderter Form.
Wie können Parasiten unter Bedingungen extremer Genomreduktion die Funktion ihrer molekularen Maschinen beibehalten?Unsere Studie beantwortet diese Frage, indem sie die komplexe molekulare Struktur (Ribosom) von E. cuniculi beschreibt, einem Organismus mit einem der kleinsten eukaryontischen Genome.
Seit fast zwei Jahrzehnten ist bekannt, dass sich Protein- und RNA-Moleküle in mikrobiellen Parasiten oft von ihren homologen Molekülen in frei lebenden Arten unterscheiden, weil ihnen Qualitätskontrollzentren fehlen, sie in frei lebenden Mikroben auf 50 % ihrer Größe reduziert sind usw. .viele schwächende Mutationen, die die Faltung und Funktion beeinträchtigen.Beispielsweise wird erwartet, dass den Ribosomen kleiner Genomorganismen, darunter viele intrazelluläre Parasiten und Endosymbionten, im Vergleich zu frei lebenden Arten mehrere ribosomale Proteine ​​und bis zu einem Drittel der rRNA-Nukleotide fehlen 27, 29, 30, 49. Die Art und Weise, wie diese Moleküle in Parasiten funktionieren, bleibt jedoch weitgehend ein Rätsel und wird hauptsächlich durch vergleichende Genomik untersucht.
Unsere Studie zeigt, dass die Struktur von Makromolekülen viele Aspekte der Evolution aufdecken kann, die aus traditionellen vergleichenden Genomstudien von intrazellulären Parasiten und anderen wirtsbeschränkten Organismen nur schwer zu extrahieren sind (ergänzende Abbildung 7).Das Beispiel des eL14-Proteins zeigt beispielsweise, dass wir den tatsächlichen Grad des Abbaus des molekularen Apparats bei parasitären Arten überschätzen können.Man geht heute davon aus, dass enzephalitische Parasiten Hunderte von Mikrosporidien-spezifischen Genen besitzen.Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass einige dieser scheinbar spezifischen Gene tatsächlich nur sehr unterschiedliche Varianten von Genen sind, die in anderen Eukaryoten häufig vorkommen.Darüber hinaus zeigt das Beispiel des msL2-Proteins, wie wir neue ribosomale Proteine ​​übersehen und den Inhalt parasitärer molekularer Maschinen unterschätzen.Das Beispiel kleiner Moleküle zeigt, wie wir die genialsten Innovationen in parasitären Molekülstrukturen übersehen können, die ihnen neue biologische Aktivität verleihen können.
Zusammengenommen verbessern diese Ergebnisse unser Verständnis der Unterschiede zwischen den molekularen Strukturen von Wirts-beschränkten Organismen und ihren Gegenstücken in frei lebenden Organismen.Wir zeigen, dass molekulare Maschinen, von denen lange angenommen wurde, dass sie reduziert, degeneriert und verschiedenen schwächenden Mutationen ausgesetzt sind, stattdessen eine Reihe systematisch übersehener ungewöhnlicher Strukturmerkmale aufweisen.
Andererseits legen die nicht sperrigen rRNA-Fragmente und fusionierten Fragmente, die wir in den Ribosomen von E. cuniculi gefunden haben, nahe, dass die Genomreduktion sogar diejenigen Teile der grundlegenden molekularen Maschinerie verändern kann, die in den drei Domänen des Lebens erhalten bleiben – nach fast 3,5 Milliarden Jahren.unabhängige Evolution der Arten.
Die ausbuchtungsfreien und fusionierten rRNA-Fragmente in E. cuniculi-Ribosomen sind im Lichte früherer Studien zu RNA-Molekülen in endosymbiotischen Bakterien von besonderem Interesse.Beispielsweise wurde gezeigt, dass rRNA- und tRNA-Moleküle im Blattlaus-Endosymbionten Buchnera aphidicola aufgrund der A+T-Zusammensetzungsverzerrung und eines hohen Anteils nichtkanonischer Basenpaare temperaturempfindliche Strukturen aufweisen20,50.Man geht heute davon aus, dass diese Veränderungen in der RNA sowie Veränderungen in Proteinmolekülen für die übermäßige Abhängigkeit von Endosymbionten von Partnern und die Unfähigkeit von Endosymbionten, Wärme zu übertragen, verantwortlich sind 21, 23.Obwohl die rRNA parasitärer Mikrosporidien strukturell unterschiedliche Veränderungen aufweist, lässt die Art dieser Veränderungen darauf schließen, dass eine verringerte thermische Stabilität und eine höhere Abhängigkeit von Chaperonproteinen gemeinsame Merkmale von RNA-Molekülen in Organismen mit reduzierten Genomen sein könnten.
Andererseits zeigen unsere Strukturen, dass Parasiten-Mikrosporidien eine einzigartige Fähigkeit entwickelt haben, breit konservierten rRNA- und Proteinfragmenten zu widerstehen und die Fähigkeit zu entwickeln, reichlich vorhandene und leicht verfügbare kleine Metaboliten als strukturelle Nachahmer degenerierter rRNA- und Proteinfragmente zu verwenden.Abbau der Molekülstruktur..Diese Meinung wird durch die Tatsache gestützt, dass kleine Moleküle, die den Verlust von Proteinfragmenten in der rRNA und den Ribosomen von E. cuniculi kompensieren, an Mikrosporidien-spezifische Reste in den Proteinen uL15 und eL30 binden.Dies deutet darauf hin, dass die Bindung kleiner Moleküle an Ribosomen ein Produkt positiver Selektion sein könnte, bei der Mikrosporidien-spezifische Mutationen in ribosomalen Proteinen aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt wurden, die Affinität von Ribosomen für kleine Moleküle zu erhöhen, was zu effizienteren ribosomalen Organismen führen könnte.Die Entdeckung offenbart eine intelligente Innovation in der molekularen Struktur mikrobieller Parasiten und gibt uns ein besseres Verständnis dafür, wie molekulare Strukturen von Parasiten trotz reduktiver Evolution ihre Funktion aufrechterhalten.
Die Identifizierung dieser kleinen Moleküle ist derzeit noch unklar.Es ist nicht klar, warum das Erscheinungsbild dieser kleinen Moleküle in der Ribosomenstruktur zwischen den Mikrosporidienarten unterschiedlich ist.Insbesondere ist nicht klar, warum eine Nukleotidbindung in den Ribosomen von E. cuniculi und P. locustae und nicht in den Ribosomen von V. necatrix beobachtet wird, obwohl der F170-Rest in den eL20- und K172-Proteinen von V. necatrix vorhanden ist.Diese Deletion kann durch den Rest 43 uL6 (befindet sich neben der Nukleotidbindungstasche) verursacht werden, bei dem es sich bei V. necatrix um Tyrosin und bei E. cuniculi und P. locustae nicht um Threonin handelt.Die sperrige aromatische Seitenkette von Tyr43 kann aufgrund sterischer Überlappung die Nukleotidbindung beeinträchtigen.Alternativ kann die offensichtliche Nukleotid-Deletion auf die geringe Auflösung der Kryo-EM-Bildgebung zurückzuführen sein, die die Modellierung von V. necatrix-ribosomalen Fragmenten behindert.
Andererseits legen unsere Arbeiten nahe, dass der Prozess des Genomzerfalls eine erfinderische Kraft sein könnte.Insbesondere die Struktur des E. cuniculi-Ribosoms legt nahe, dass der Verlust von rRNA und Proteinfragmenten im Mikrosporidien-Ribosom einen evolutionären Druck erzeugt, der Veränderungen in der Ribosomenstruktur fördert.Diese Varianten kommen weit entfernt vom aktiven Zentrum des Ribosoms vor und scheinen dazu beizutragen, eine optimale Ribosomenanordnung aufrechtzuerhalten (oder wiederherzustellen), die andernfalls durch reduzierte rRNA gestört würde.Dies deutet darauf hin, dass sich eine wichtige Neuerung des Mikrosporidia-Ribosoms offenbar in der Notwendigkeit entwickelt hat, die Gendrift abzupuffern.
Vielleicht lässt sich dies am besten anhand der Nukleotidbindung veranschaulichen, die bisher in anderen Organismen noch nie beobachtet wurde.Die Tatsache, dass Nukleotid-bindende Reste in typischen Mikrosporidien, aber nicht in anderen Eukaryoten vorhanden sind, legt nahe, dass Nukleotid-Bindungsstellen nicht nur Relikte sind, die darauf warten, zu verschwinden, oder die letzte Stelle für die Wiederherstellung der Form einzelner Nukleotide durch rRNA.Stattdessen scheint diese Seite eine nützliche Funktion zu sein, die sich über mehrere Runden positiver Auswahl hätte entwickeln können.Nukleotidbindungsstellen können ein Nebenprodukt der natürlichen Selektion sein: Sobald ES39L abgebaut ist, sind Mikrosporidien gezwungen, einen Ausgleich zu suchen, um die optimale Ribosomenbiogenese in Abwesenheit von ES39L wiederherzustellen.Da dieses Nukleotid die molekularen Kontakte des A3186-Nukleotids in ES39L nachahmen kann, wird das Nukleotidmolekül zu einem Baustein des Ribosoms, dessen Bindung durch Mutation der eL30-Sequenz weiter verbessert wird.
Im Hinblick auf die molekulare Evolution intrazellulärer Parasiten zeigt unsere Studie, dass die Kräfte der darwinistischen natürlichen Selektion und der genetischen Drift des Genomzerfalls nicht parallel wirken, sondern oszillieren.Erstens werden durch die genetische Drift wichtige Merkmale von Biomolekülen zerstört, sodass eine Kompensation dringend erforderlich ist.Nur wenn Parasiten dieses Bedürfnis durch darwinistische natürliche Selektion befriedigen, haben ihre Makromoleküle die Chance, ihre beeindruckendsten und innovativsten Eigenschaften zu entwickeln.Wichtig ist, dass die Entwicklung der Nukleotidbindungsstellen im E. cuniculi-Ribosom darauf hindeutet, dass dieses Verlust-zu-Gewinn-Muster der molekularen Evolution nicht nur schädliche Mutationen amortisiert, sondern manchmal auch völlig neue Funktionen auf parasitäre Makromoleküle überträgt.
Diese Idee steht im Einklang mit der Theorie des beweglichen Gleichgewichts von Sewell Wright, die besagt, dass ein striktes System der natürlichen Selektion die Innovationsfähigkeit von Organismen einschränkt51,52,53.Wenn jedoch die genetische Drift die natürliche Selektion stört, können diese Drifts Veränderungen hervorrufen, die an sich nicht adaptiv (oder sogar schädlich) sind, aber zu weiteren Veränderungen führen, die für eine höhere Fitness oder neue biologische Aktivität sorgen.Unser Rahmenwerk unterstützt diese Idee, indem es zeigt, dass die gleiche Art von Mutation, die die Faltung und Funktion eines Biomoleküls verringert, der Hauptauslöser für seine Verbesserung zu sein scheint.Im Einklang mit dem Win-Win-Evolutionsmodell zeigt unsere Studie, dass der Zerfall des Genoms, der traditionell als degenerativer Prozess angesehen wird, auch ein wichtiger Treiber für Innovationen ist und es manchmal und vielleicht sogar oft ermöglicht, dass Makromoleküle neue parasitäre Aktivitäten erlangen.kann sie nutzen.