Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käyttämässäsi selainversiossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Sillä välin varmistaaksemme jatkuvan tuen hahmonnamme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Mikrobiloisten evoluutioon liittyy vastavaikutus luonnollisen valinnan, joka saa loiset paranemaan, ja geneettisen driftin, joka saa loiset menettämään geenejä ja keräämään haitallisia mutaatioita, välillä.Ymmärtääksemme, kuinka tämä vastavaikutus tapahtuu yhden makromolekyylin mittakaavassa, kuvaamme Encephalitozoon cuniculin ribosomin kryo-EM-rakennetta, eukaryoottista organismia, jolla on yksi pienimmistä genomeista luonnossa.rRNA:n äärimmäiseen vähenemiseen E. cuniculin ribosomeissa liittyy ennennäkemättömiä rakenteellisia muutoksia, kuten aiemmin tuntemattomien fuusioituneiden rRNA-linkkereiden ja ilman pullistumia rRNA:n kehittyminen.Lisäksi E. cuniculi -ribosomi selviytyi rRNA-fragmenttien ja -proteiinien katoamisesta kehittämällä kyvyn käyttää pieniä molekyylejä hajoaneiden rRNA-fragmenttien ja -proteiinien rakenteellisina jäljittelijöinä.Kaiken kaikkiaan osoitamme, että molekyylirakenteilla, joita on pitkään pidetty pelkistyneinä, rappeutuneina ja heikentävien mutaatioiden alaisina, on useita kompensaatiomekanismeja, jotka pitävät ne aktiivisina äärimmäisistä molekyylisupistumista huolimatta.
Koska useimmilla mikrobiloisten ryhmillä on ainutlaatuiset molekyylityökalut isäntiensä hyväksikäyttöön, meidän on usein kehitettävä erilaisia ​​terapeuttisia aineita eri loisryhmille1,2.Uudet todisteet viittaavat kuitenkin siihen, että jotkin loisten evoluution näkökohdat ovat konvergensoituneita ja suurelta osin ennustettavissa, mikä osoittaa potentiaalisen perustan laajoille terapeuttisille interventioille mikrobiloisissa3,4,5,6,7,8,9.
Aiemmissa töissä on tunnistettu yleinen evoluutiosuuntaus mikrobiloisissa, nimeltään genomin väheneminen tai genomin hajoaminen10, 11, 12, 13.Nykyiset tutkimukset osoittavat, että kun mikro-organismit luopuvat vapaasti elävästä elämäntyylistään ja muuttuvat solunsisäisiksi loisiksi (tai endosymbionteiksi), niiden genomissa tapahtuu hidasta mutta hämmästyttävää metamorfoosia miljoonien vuosien aikana9,11.Prosessissa, joka tunnetaan nimellä genomin hajoaminen, mikrobiloiset keräävät haitallisia mutaatioita, jotka muuttavat monet aiemmin tärkeät geenit pseudogeeneiksi, mikä johtaa asteittaiseen geenien katoamiseen ja mutaatioiden romahtamiseen14,15.Tämä romahdus voi tuhota jopa 95 % vanhimpien solunsisäisten organismien geeneistä verrattuna läheisiin sukulaisiin vapaasti eläviin lajeihin.Siten solunsisäisten loisten evoluutio on kahden vastakkaisen voiman välinen köydenveto: darwinilainen luonnonvalinta, joka johtaa loisten paranemiseen, ja genomin romahtaminen, joka heittää loiset unohduksiin.On epäselvää, kuinka loinen onnistui selviytymään tästä köydenvedosta ja säilyttämään molekyylirakenteensa aktiivisuuden.
Vaikka genomin rappeutumisen mekanismia ei täysin ymmärretä, se näyttää tapahtuvan pääasiassa usein toistuvasta geneettisestä ajautumisesta.Koska loiset elävät pienissä, aseksuaalisissa ja geneettisesti rajoitetuissa populaatioissa, ne eivät voi tehokkaasti eliminoida haitallisia mutaatioita, joita joskus esiintyy DNA:n replikaation aikana.Tämä johtaa peruuttamattomaan haitallisten mutaatioiden kertymiseen ja loisen genomin vähenemiseen.Tämän seurauksena loinen ei vain menetä geenejä, jotka eivät enää ole välttämättömiä sen selviytymiselle solunsisäisessä ympäristössä.Loispopulaatioiden kyvyttömyys eliminoida tehokkaasti satunnaisia ​​haitallisia mutaatioita saa nämä mutaatiot kerääntymään koko genomiin, mukaan lukien niiden tärkeimmät geenit.
Suuri osa nykyisestä ymmärryksestämme genomin vähentämisestä perustuu yksinomaan genomisekvenssien vertailuun, ja vähemmän huomiota kiinnitetään muutoksiin todellisissa molekyyleissä, jotka suorittavat taloudenhoitotoimintoja ja toimivat mahdollisina lääkekohteena.Vertailevat tutkimukset ovat osoittaneet, että haitallisten solunsisäisten mikrobimutaatioiden aiheuttama taakka näyttää altistavan proteiinit ja nukleiinihapot laskostumaan väärin ja aggregoitumaan, mikä tekee niistä enemmän chaperone-riippuvaisia ​​ja yliherkkiä lämmölle19, 20, 21, 22, 23.Lisäksi useat loiset – itsenäinen evoluutio, joita välillä erottaa jopa 2,5 miljardia vuotta – kokivat samankaltaisen laadunvalvontakeskusten menetyksen proteiinisynteesissään5,6 ja DNA:n korjausmekanismeissa24.Kuitenkin vain vähän tiedetään solunsisäisen elämäntavan vaikutuksesta solun makromolekyylien kaikkiin muihin ominaisuuksiin, mukaan lukien molekyylien sopeutuminen haitallisten mutaatioiden lisääntyvään taakkaan.
Ymmärtääksemme paremmin solunsisäisten mikro-organismien proteiinien ja nukleiinihappojen kehitystä tässä työssä määritimme solunsisäisen loisen Encephalitozoon cuniculi ribosomien rakenteen.E. cuniculi on sienen kaltainen organismi, joka kuuluu loisten mikrosporidioiden ryhmään, jolla on epätavallisen pienet eukaryoottigenomit ja jota käytetään siksi malliorganismeina genomin hajoamisen tutkimiseen25,26,27,28,29,30.Äskettäin kryo-EM-ribosomirakenne määritettiin Microsporidia-, Paranosema locustae- ja Vairimorpha necatrix31,32- (~3,2 Mb genomi) kohtalaisen pelkistyneille genomeille.Nämä rakenteet viittaavat siihen, että jonkin verran rRNA:n monistumisen menetystä kompensoi uusien kontaktien kehittyminen viereisten ribosomaalisten proteiinien välillä tai uusien msL131,32 ribosomaalisten proteiinien hankkiminen.Laji Enkefalitozoon (genomi ~ 2,5 miljoonaa emäsparia) sekä niiden lähin sukulainen Ordospora osoittavat eukaryoottien genomin perimmäisen pienenemisen - niillä on alle 2000 proteiinia koodaavaa geeniä, ja on odotettavissa, että niiden ribosomeista puuttuvat vain rRNA:n laajennusfragmentit (rRNA-ribosomifragmentit, jotka erottavat myös ribosomien ribosomifragmentteja). mal-proteiineja, koska niiltä puuttuu homologeja E. cuniculin genomissa26,27,28.Siksi päätimme, että E. cuniculi -ribosomi voi paljastaa aiemmin tuntemattomia strategioita molekyylien sopeutumiseen genomin rappeutumiseen.
Kryo-EM-rakenteemme edustaa pienintä karakterisoitavaa eukaryoottista sytoplasmista ribosomia ja antaa käsityksen siitä, kuinka lopullinen genomin vähentymisen aste vaikuttaa soluun kiinteästi kuuluvan molekyylikoneiston rakenteeseen, kokoonpanoon ja evoluutioon.Havaitsimme, että E. cuniculi -ribosomi rikkoo monia laajalti säilyneitä RNA:n laskostumisen ja ribosomien kokoonpanon periaatteita, ja löysimme uuden, aiemmin tuntemattoman ribosomaalisen proteiinin.Aivan odottamatta osoitamme, että mikrosporidia-ribosomit ovat kehittäneet kyvyn sitoa pieniä molekyylejä, ja oletamme, että rRNA:n ja proteiinien katkaisut laukaisevat evoluutioinnovaatioita, jotka voivat viime kädessä antaa hyödyllisiä ominaisuuksia ribosomille.
Parantaaksemme ymmärrystämme proteiinien ja nukleiinihappojen evoluutiosta solunsisäisissä organismeissa, päätimme eristää E. cuniculi -itiöt infektoituneiden nisäkässolujen viljelmistä puhdistaaksemme niiden ribosomit ja määrittääksemme näiden ribosomien rakenteen.On vaikea saada suuria määriä loismikrosporidia, koska mikrosporidia ei voida viljellä ravintoalustassa.Sen sijaan ne kasvavat ja lisääntyvät vain isäntäsolun sisällä.Siksi E. cuniculi -biomassan saamiseksi ribosomien puhdistamista varten infektoimme nisäkkään munuaissolulinjan RK13 E. cuniculi -itiöillä ja viljelimme näitä infektoituneita soluja useita viikkoja, jotta E. cuniculi -solut voisivat kasvaa ja lisääntyä.Noin puolen neliömetrin infektoituneen solun yksikerroksisen kerroksen avulla pystyimme puhdistamaan noin 300 mg Microsporidia-itiöitä ja käyttämään niitä ribosomien eristämiseen.Sitten rikoimme puhdistetut itiöt lasihelmillä ja eristimme raakaribosomit käyttämällä lysaattien vaiheittaista polyetyleeniglykolifraktiointia.Tämä antoi meille mahdollisuuden saada noin 300 ug raakaa E. cuniculi -ribosomeja rakenneanalyysiä varten.
Sitten keräsimme kryo-EM-kuvia käyttämällä saatuja ribosominäytteitä ja käsittelimme nämä kuvat käyttämällä maskeja, jotka vastaavat suurta ribosomaalista alayksikköä, pientä alayksikköpäätä ja pientä alayksikköä.Tämän prosessin aikana keräsimme kuvia noin 108 000 ribosomaalisesta hiukkasesta ja laskettiin kryo-EM-kuvia 2,7 Å:n resoluutiolla (lisäkuvat 1-3).Sitten käytimme cryoEM-kuvia mallintaaksemme rRNA:ta, ribosomaalista proteiinia ja E. cuniculin ribosomeihin liittyvää lepotilatekijää Mdf1:tä (kuvio 1a, b).
a E. cuniculi ribosomin rakenne kompleksissa hibernaatiotekijän Mdf1 (pdb id 7QEP) kanssa.b Kartta lepotilatekijästä Mdf1, joka liittyy E. cuniculi ribosomiin.c Toissijainen rakennekartta, jossa verrataan talteen saatua rRNA:ta Microsporidian-lajeista tunnettuihin ribosomirakenteisiin.Paneeleissa näkyy monistettujen rRNA-fragmenttien (ES) ja ribosomin aktiivisten kohtien sijainti, mukaan lukien dekoodauskohta (DC), sarkinisiinisilmukka (SRL) ja peptidyylitransferaasikeskus (PTC).d Elektronitiheys, joka vastaa E. cuniculi -ribosomin peptidyylitransferaasikeskusta, viittaa siihen, että tällä katalyyttisellä paikalla on sama rakenne E. cuniculi -loisessa ja sen isännissä, mukaan lukien H. sapiens.e, f Dekoodauskeskuksen vastaava elektronitiheys (e) ja dekoodauskeskuksen kaavamainen rakenne (f) osoittavat, että E. cuniculissa on tähteitä U1491 A1491:n sijasta (E. coli -numerointi) monissa muissa eukaryooteissa.Tämä muutos viittaa siihen, että E. cuniculi saattaa olla herkkä antibiooteille, jotka kohdistuvat tähän aktiiviseen kohtaan.
Toisin kuin aiemmin vakiintuneet V. necatrix- ja P. locustae -ribosomien rakenteet (molemmat rakenteet edustavat samaa microsporidia-perhettä Nosematidae ja ovat hyvin samankaltaisia ​​toistensa kanssa), 31,32 E. cuniculi -ribosomissa käy läpi lukuisia rRNA- ja proteiinifragmentointiprosesseja.Lisädenaturointi (lisäkuvat 4-6).rRNA:ssa silmiinpistävimmät muutokset sisälsivät monistetun 25S-rRNA-fragmentin ES12L täydellisen häviämisen ja h39-, h41- ja H18-heliksien osittaisen rappeutumisen (kuvio 1c, täydentävä kuva 4).Ribosomaalisten proteiinien joukossa silmiinpistävimpiä muutoksia olivat eS30-proteiinin täydellinen häviäminen ja eL8-, eL13-, eL18-, eL22-, eL29-, eL40-, uS3-, uS9-, uS14-, uS17- ja eS7-proteiinien lyheneminen (Su4, uS17 ja eS7-proteiinit 5).
Siten Encephalotozoon/Ordospora-lajien genomien äärimmäinen väheneminen heijastuu niiden ribosomirakenteeseen: E. cuniculi ribosomit kokevat dramaattisinta proteiinipitoisuuden menetystä eukaryoottisissa sytoplasmisissa ribosomeissa, jotka ovat rakenteellisen karakterisoinnin kohteena, eikä niissä ole edes niitä rRNA- ja proteiinifragmentteja, jotka ovat vain kolmessa domeenissa, jotka ovat myös laajasti konservoituneita.E. cuniculin ribosomin rakenne tarjoaa ensimmäisen molekyylimallin näille muutoksille ja paljastaa evoluutiotapahtumia, jotka ovat jääneet huomiotta sekä vertailevassa genomiikassa että solunsisäisen biomolekyylirakenteen tutkimuksissa (täydentävä kuva 7).Alla kuvailemme jokaista näistä tapahtumista sekä niiden todennäköistä evoluution alkuperää ja niiden mahdollista vaikutusta ribosomin toimintaan.
Sitten havaitsimme, että suurten rRNA-typistysten lisäksi E. cuniculi -ribosomeilla on rRNA-muunnelmia yhdessä niiden aktiivisista kohdista.Vaikka E. cuniculi -ribosomin peptidyylitransferaasikeskuksella on sama rakenne kuin muilla eukaryoottisilla ribosomeilla (kuvio 1d), dekoodauskeskus eroaa sekvenssin vaihtelusta nukleotidissa 1491 (E. colin numerointi, kuvio 1e, f).Tämä havainto on tärkeä, koska eukaryoottisten ribosomien dekoodauskohta sisältää tyypillisesti tähteet G1408 ja A1491 verrattuna bakteerityyppisiin tähteisiin A1408 ja G1491.Tämä vaihtelu on taustalla bakteerien ja eukaryoottisten ribosomien erilaiselle herkkyydelle ribosomaalisten antibioottien aminoglykosidiperheelle ja muille pienille molekyyleille, jotka kohdistuvat dekoodauskohtaan.E. cuniculin ribosomin dekoodauskohdassa tähde A1491 korvattiin U1491:llä, mikä mahdollisesti loi ainutlaatuisen sitoutumisrajapinnan pienille molekyyleille, jotka kohdistuvat tähän aktiiviseen kohtaan.Sama A14901-variantti esiintyy myös muissa mikrosporidioissa, kuten P. locustaessa ja V. necatrixissa, mikä viittaa siihen, että se on laajalle levinnyt mikrosporidialajeissa (kuvio 1f).
Koska E. cuniculi -ribosominäytteemme eristettiin metabolisesti inaktiivisista itiöistä, testasimme E. cuniculin kryo-EM-kartan aiemmin kuvatun ribosomin sitoutumisen suhteen stressi- tai nälkäolosuhteissa.Hibernaatiokertoimet 31, 32, 36, 37, 38. Sovitimme lepotilan ribosomin aiemmin määritellyn rakenteen E. cuniculi ribosomin kryo-EM-kartan kanssa.Telakointiin käytettiin S. cerevisiaen ribosomeja kompleksina horrostekijä Stm138:n kanssa, heinäsirkkaribosomeja kompleksina Lso232-tekijän kanssa ja V. necatrix ribosomeja kompleksina Mdf1- ja Mdf231-tekijöiden kanssa.Samalla löysimme kryo-EM-tiheyden, joka vastasi lepotekijää Mdf1.Samalla tavalla kuin Mdf1 sitoutuu V. necatrix ribosomiin, Mdf1 sitoutuu myös E. cuniculi ribosomiin, jossa se estää ribosomin E-kohdan, mikä mahdollisesti auttaa saamaan ribosomeja saataville, kun loisen itiöt muuttuvat metabolisesti inaktiivisiksi kehon inaktivoituessa (kuva 2).).
Mdf1 estää ribosomin E-kohdan, joka näyttää auttavan inaktivoimaan ribosomia, kun loisitiöt muuttuvat metabolisesti inaktiivisiksi.E. cuniculi -ribosomin rakenteessa havaitsimme, että Mdf1 muodostaa aiemmin tuntemattoman kontaktin L1-ribosomin varren kanssa, ribosomin sen osan kanssa, joka helpottaa deasyloidun tRNA:n vapautumista ribosomista proteiinisynteesin aikana.Nämä kontaktit viittaavat siihen, että Mdf1 dissosioituu ribosomista käyttämällä samaa mekanismia kuin deasetyloitu tRNA, mikä tarjoaa mahdollisen selityksen sille, kuinka ribosomi poistaa Mdf1:n aktivoidakseen uudelleen proteiinisynteesin.
Rakenteemme paljasti kuitenkin tuntemattoman kontaktin Mdf1:n ja L1-ribosomin jalan (ribosomin osa, joka auttaa vapauttamaan deasyloitua tRNA:ta ribosomista proteiinisynteesin aikana) välillä.Erityisesti Mdf1 käyttää samoja kontakteja kuin deasyloidun tRNA-molekyylin kyynärpääsegmentti (kuvio 2).Tämä aiemmin tuntematon molekyylimallinnus osoitti, että Mdf1 dissosioituu ribosomista käyttämällä samaa mekanismia kuin deasetyloitu tRNA, mikä selittää kuinka ribosomi poistaa tämän horrostekijän aktivoidakseen uudelleen proteiinisynteesin.
Kun rakennamme rRNA-mallia, havaitsimme, että E. cuniculi ribosomissa on epänormaalisti laskostuneet rRNA-fragmentit, joita kutsuimme fuusioiduksi rRNA:ksi (kuvio 3).Ribosomeissa, jotka kattavat elämän kolme aluetta, rRNA taittuu rakenteiksi, joissa useimmat rRNA-emäkset joko muodostavat emäsparin ja laskostuvat keskenään tai ovat vuorovaikutuksessa ribosomaalisten proteiinien kanssa38, 39, 40.E. cuniculi -ribosomeissa rRNA:t näyttävät kuitenkin rikkovan tätä laskostumisperiaatetta muuntamalla osan helikseistään laskostumattomiksi rRNA-alueiksi.
H18 25S rRNA -kierteen rakenne S. cerevisiaessa, V. necatrixissa ja E. cuniculissa.Tyypillisesti ribosomeissa, jotka kattavat kolme elämänaluetta, tämä linkkeri kiertyy RNA-kierteeksi, joka sisältää 24-34 tähdettä.Sitä vastoin Microsporidiassa tämä rRNA-linkkeri pelkistyy vähitellen kahdeksi yksijuosteiseksi uridiinirikkaaksi linkkeriksi, jotka sisältävät vain 12 tähdettä.Suurin osa näistä jäämistä altistuu liuottimille.Kuva osoittaa, että loismikrosporidit näyttävät rikkovan rRNA:n laskostumisen yleisiä periaatteita, joissa rRNA-emäkset ovat yleensä kytkettynä muihin emäksiin tai osallistuvat rRNA-proteiini-vuorovaikutuksiin.Mikrosporidioissa jotkin rRNA-fragmentit ottavat epäsuotuisan laskoksen, jossa entisestä rRNA-kierteestä tulee yksijuosteinen fragmentti, joka on pidennetty lähes suoraviivaisesti.Näiden epätavallisten alueiden läsnäolo mahdollistaa mikrosporidian rRNA:n sitoutumisen kaukaisiin rRNA-fragmentteihin käyttämällä minimaalista määrää RNA-emäksiä.
Silmiinpistävin esimerkki tästä evoluutiomuutoksesta voidaan havaita H18 25S -rRNA-kierteessä (kuvio 3).Lajeissa E. colista ihmisiin tämän rRNA-kierteen emäkset sisältävät 24-32 nukleotidia, jotka muodostavat hieman epäsäännöllisen kierteen.Aiemmin tunnistetuissa ribosomirakenteissa V. necatrixista ja P. locustaesta31,32 H18-kierteen emäkset ovat osittain kiertyneet, mutta nukleotidiemäspariutuminen on säilynyt.Kuitenkin E. cuniculissa tästä rRNA-fragmentista tulee lyhyin linkkeri 228UUUGU232 ja 301UUUUUUUUUU307.Toisin kuin tyypilliset rRNA-fragmentit, nämä runsaasti uridiinia sisältävät linkkerit eivät kiertyi tai muodosta laajaa kosketusta ribosomaalisten proteiinien kanssa.Sen sijaan ne omaksuvat liuottimelle avoimia ja täysin laskostuneita rakenteita, joissa rRNA-juosteet ovat pidennetty melkein suoriksi.Tämä venytetty konformaatio selittää, kuinka E. cuniculi käyttää vain 12 RNA-emästä täyttääkseen 33 Å:n aukon H16- ja H18-rRNA-heliksien välillä, kun taas muut lajit vaativat vähintään kaksi kertaa enemmän rRNA-emäksiä täyttääkseen aukon.
Siten voimme osoittaa, että energeettisesti epäsuotuisan laskostumisen kautta loismikrosporidit ovat kehittäneet strategian supistaakseen jopa ne rRNA-segmentit, jotka pysyvät laajalti konservoituneina lajien välillä kolmella elämänalueella.Ilmeisesti keräämällä mutaatioita, jotka muuttavat rRNA-heliksit lyhyiksi poly-U-linkkereiksi, E. cuniculi voi muodostaa epätavallisia rRNA-fragmentteja, jotka sisältävät mahdollisimman vähän nukleotideja distaalisten rRNA-fragmenttien liittämistä varten.Tämä auttaa selittämään, kuinka mikrosporidia onnistui dramaattisesti vähentämään perusmolekyylirakennettaan menettämättä rakenteellista ja toiminnallista eheyttään.
Toinen E. cuniculin rRNA:n epätavallinen piirre on rRNA:n ilmaantuminen ilman paksuuntumista (kuvio 4).Pullot ovat nukleotidit ilman emäspareja, jotka kiertyvät ulos RNA-kierteestä piiloutumatta siihen.Useimmat rRNA-ulokkeet toimivat molekyyliliimoina, mikä auttaa sitomaan vierekkäisiä ribosomaalisia proteiineja tai muita rRNA-fragmentteja.Jotkut pullistumista toimivat saranoina, mikä mahdollistaa rRNA-kierteen taipumisen ja taittumisen optimaalisesti tuottavaan proteiinisynteesiin 41 .
a rRNA-uloke (S. cerevisiae -numerointi) puuttuu E. cuniculin ribosomirakenteesta, mutta se on läsnä useimmissa muissa eukaryooteissa b E. colin, S. cerevisiaen, H. sapiensin ja E. cuniculin sisäisissä ribosomeissa.loisista puuttuu monia muinaisia, erittäin konservoituneita rRNA-pulssia.Nämä paksunnukset stabiloivat ribosomirakennetta;siksi niiden puuttuminen mikrosporidioista osoittaa rRNA:n laskostumisen vähentyneen stabiilisuuden mikrosporidia-loisissa.Vertailu P-kantoihin (L7/L12-varret bakteereissa) osoittaa, että rRNA-kuhmujen häviäminen osuu joskus samaan aikaan uusien kuoppien ilmaantumisen kanssa kadonneiden kuoppien viereen.23S/28S-rRNA:n H42-kierteellä on muinainen pullistuma (U1206 Saccharomyces cerevisiaessa), jonka arvioidaan olevan vähintään 3,5 miljardia vuotta vanha, koska se suojaa kolmella elämänalueella.Mikrosporidioissa tämä pullistuma eliminoituu.Kadonneen pullistuman viereen ilmestyi kuitenkin uusi pullistuma (A1306 E. cuniculissa).
Hämmästyttävästi havaitsimme, että E. cuniculi ribosomeista puuttuu suurin osa muissa lajeissa löydetyistä rRNA- pullistumista, mukaan lukien yli 30 muissa eukaryooteissa säilyneitä pullistumia (kuvio 4a).Tämä menetys eliminoi monet kontaktit ribosomaalisten alayksiköiden ja vierekkäisten rRNA-heliksien välillä, jolloin syntyy joskus suuria onttoja ribosomiin, mikä tekee E. cuniculi -ribosomista huokoisemman verrattuna perinteisempiin ribosomeihin (kuvio 4b).Huomasimme erityisesti, että suurin osa näistä pullistumista hävisi myös aiemmin tunnistetuissa V. necatrix- ja P. locustae -ribosomirakenteissa, jotka jäivät huomiotta aikaisemmissa rakenneanalyyseissä31,32.
Joskus rRNA:n pullistumien katoamiseen liittyy uusien pullistumien kehittyminen kadonneen pullistuman viereen.Esimerkiksi ribosomaalisessa P-varressa on U1208- pullistuma (Saccharomyces cerevisiaessa), joka säilyi E. colista ihmisiin ja jonka ikä on siksi arvioitu 3,5 miljardia vuotta.Proteiinisynteesin aikana tämä pullistuma auttaa P-runkoa liikkumaan avoimen ja suljetun konformaatioiden välillä, jotta ribosomi voi värvätä translaatiotekijöitä ja toimittaa ne aktiiviseen kohtaan.E. cuniculi -ribosomeissa tämä paksuuntuminen puuttuu;kuitenkin uusi paksuus (G883), joka sijaitsee vain kolmessa emäsparissa, voi edistää P-varren optimaalisen joustavuuden palauttamista (kuva 4c).
Tietomme rRNA:sta ilman pullistumia viittaavat siihen, että rRNA:n minimointi ei rajoitu rRNA-elementtien katoamiseen ribosomin pinnalla, vaan se voi myös liittyä ribosomin ytimeen, jolloin syntyy loisspesifinen molekyylivirhe, jota ei ole kuvattu vapaasti elävissä soluissa.eläviä lajeja havaitaan.
Kanonisten ribosomaalisten proteiinien ja rRNA:n mallintamisen jälkeen havaitsimme, että tavanomaiset ribosomaaliset komponentit eivät voi selittää kryo-EM-kuvan kolmea osaa.Kaksi näistä fragmenteista on kooltaan pieniä molekyylejä (kuvio 5, täydentävä kuva 8).Ensimmäinen segmentti on kerrostettu ribosomaalisten proteiinien uL15 ja eL18 välissä asemassa, jossa tavallisesti on eL18:n C-pää, joka on lyhennetty E. cuniculissa.Vaikka emme voi määrittää tämän molekyylin identiteettiä, tämän tiheyssaaren koko ja muoto selittyvät hyvin spermidiinimolekyylien läsnäololla.Sen sitoutumista ribosomiin stabiloivat mikrosporidia-spesifiset mutaatiot uL15-proteiineissa (Asp51 ja Arg56), jotka näyttävät lisäävän ribosomin affiniteettia tähän pieneen molekyyliin, koska ne sallivat uL15:n kääriä pienen molekyylin ribosomaaliseen rakenteeseen.Täydentävä kuva 2).8, lisätiedot 1, 2).
Kryo-EM-kuvaus, joka osoittaa nukleotidien läsnäolon E. cuniculi ribosomiin sitoutuneen riboosin ulkopuolella.E. cuniculi -ribosomissa tämä nukleotidi on samassa paikassa kuin 25S rRNA A3186 -nukleotidi (Saccharomyces cerevisiae -numerointi) useimmissa muissa eukaryoottiribosomeissa.b E. cuniculin ribosomaalisessa rakenteessa tämä nukleotidi sijaitsee ribosomaalisten proteiinien uL9 ja eL20 välissä, mikä stabiloi näiden kahden proteiinin välistä kosketusta.cd eL20 -sekvenssin säilymisanalyysi mikrosporidialajien keskuudessa.Microsporidia-lajin (c) fylogeneettinen puu ja eL20-proteiinin (d) useiden sekvenssien rinnastus osoittavat, että nukleotidejä sitovat tähteet F170 ja K172 ovat konservoituneita tyypillisimmissä Microsporidia-lajeissa S. lophiita lukuun ottamatta, lukuun ottamatta varhain haarautunutta Microsporidiaa, joka säilytti rRNA:n ES39L-jatkeen.e Tämä kuva osoittaa, että nukleotideja sitovia tähteitä F170 ja K172 on vain erittäin pelkistyneen mikrosporidian genomin eL20:ssa, mutta ei muissa eukaryooteissa.Kaiken kaikkiaan nämä tiedot viittaavat siihen, että Microsporidian ribosomit ovat kehittäneet nukleotidisitoutumiskohdan, joka näyttää sitovan AMP-molekyylejä ja käyttävän niitä stabiloimaan proteiini-proteiini-vuorovaikutuksia ribosomaalisessa rakenteessa.Tämän sitoutumiskohdan korkea säilyvyys Microsporidiassa ja sen puuttuminen muissa eukaryooteissa viittaa siihen, että tämä kohta voi tarjota selektiivisen eloonjäämisedun Microsporidialle.Siten nukleotideja sitova tasku mikrosporidia ribosomissa ei näytä olevan degeneroitunut piirre tai rRNA:n hajoamisen loppumuoto, kuten aiemmin on kuvattu, vaan pikemminkin hyödyllinen evoluutioinnovaatio, joka sallii mikrosporidia ribosomin sitoa suoraan pieniä molekyylejä käyttämällä niitä molekyylin rakennuspalikoina.ribosomien rakennuspalikoita.Tämä löytö tekee mikrosporidia ribosomista ainoan ribosomin, jonka tiedetään käyttävän yhtä nukleotidia rakenteellisena rakennuspalikkana.f Nukleotidien sitoutumisesta johdettu hypoteettinen evoluutioreitti.
Toinen matalan molekyylipainon tiheys sijaitsee ribosomaalisten proteiinien uL9 ja eL30 välisessä rajapinnassa (kuvio 5a).Tämä rajapinta kuvattiin aiemmin Saccharomyces cerevisiae -ribosomin rakenteessa sitoutumiskohtana rRNA A3186:n 25S-nukleotidille (osa ES39L-rRNA-pidennystä)38.Osoitettiin, että degeneroituneissa P. locustae ES39L -ribosomeissa tämä rajapinta sitoo tuntemattoman yksittäisen nukleotidin 31, ja oletetaan, että tämä nukleotidi on rRNA:n pelkistetty lopullinen muoto, jossa rRNA:n pituus on ~130-230 emästä.ES39L pelkistyy yhdeksi nukleotidiksi 32.43.Kryo-EM-kuvamme tukevat ajatusta, että tiheys voidaan selittää nukleotideilla.Rakenteemme korkeampi resoluutio osoitti kuitenkin, että tämä nukleotidi on ekstraribosomaalinen molekyyli, mahdollisesti AMP (kuvio 5a, b).
Sitten kysyimme, esiintyikö nukleotidin sitoutumiskohta E. cuniculi -ribosomissa vai oliko se olemassa aiemmin.Koska nukleotidien sitoutumista välittävät pääasiassa eL30-ribosomaalisen proteiinin Phe170- ja Lys172-tähteet, arvioimme näiden tähteiden säilymisen 4396 edustavassa eukaryootissa.Kuten yllä olevan uL15:n tapauksessa, havaitsimme, että Phe170- ja Lys172-tähteet ovat erittäin konservoituneita vain tyypillisissä Microsporidioissa, mutta puuttuvat muissa eukaryooteissa, mukaan lukien epätyypilliset Microsporidia Mitosporidium ja Amphiamblys, joissa ES39L-rRNA-fragmentti ei ole pelkistynyt (4Fig,45c).-e).
Yhdessä nämä tiedot tukevat ajatusta, että E. cuniculi ja mahdollisesti muut kanoniset mikrosporidit ovat kehittäneet kyvyn siepata tehokkaasti suuria määriä pieniä metaboliitteja ribosomirakenteessa rRNA- ja proteiinitasojen laskun kompensoimiseksi.Näin tehdessään he ovat kehittäneet ainutlaatuisen kyvyn sitoa nukleotideja ribosomin ulkopuolella, mikä osoittaa, että loismolekyylirakenteet kompensoivat vangitsemalla runsaasti pieniä metaboliitteja ja käyttämällä niitä hajonneiden RNA- ja proteiinifragmenttien rakenteellisina jäljittelijöinä..
Kolmas simuloimaton osa kryo-EM-karttamme, joka löytyy suuresta ribosomaalisesta alayksiköstä.Karttamme suhteellisen korkea resoluutio (2,6 Å) viittaa siihen, että tämä tiheys kuuluu proteiineihin, joissa on ainutlaatuisia suurten sivuketjutähteiden yhdistelmiä, mikä antoi meille mahdollisuuden tunnistaa tämä tiheys aiemmin tuntemattomaksi ribosomaaliseksi proteiiniksi, jonka tunnistimme nimellä msL2 (Microsporidia-spesifinen proteiini L2) (menetelmät, kuva 6).Homologiahakumme osoitti, että msL2 on konservoitunut Encephaliter- ja Orosporidium-suvun Microsporidia-kladissa, mutta poissa muista lajeista, mukaan lukien muut Microsporidia-lajit.Ribosomaalisessa rakenteessa msL2:lla on aukko, joka muodostuu laajennetun ES31L-rRNA:n katoamisesta.Tässä tyhjiössä msL2 auttaa stabiloimaan rRNA:n laskostumista ja voi kompensoida ES31L:n häviämistä (kuva 6).
a E. cuniculin ribosomeista löydetyn Microsporidia-spesifisen ribosomaalisen proteiinin msL2 elektronitiheys ja malli.b Useimmissa eukaryoottisissa ribosomeissa, mukaan lukien Saccharomyces cerevisiaen 80S-ribosomi, ES19L-rRNA-monistus on kadonnut useimmissa Microsporidian-lajeissa.Aiemmin vakiintunut V. necatrix microsporidia -ribosomin rakenne viittaa siihen, että ES19L:n häviäminen näissä loisissa kompensoituu uuden msL1-ribosomaalisen proteiinin evoluutiolla.Tässä tutkimuksessa havaitsimme, että E. cuniculi -ribosomi kehitti myös ylimääräisen ribosomaalisen RNA:n jäljittelevän proteiinin näennäisenä kompensaationa ES19L:n häviämisestä.Kuitenkin msL2:lla (tällä hetkellä merkitty hypoteettiseksi ECU06_1135-proteiiniksi) ja msL1:llä on erilainen rakenteellinen ja evoluutioperäinen alkuperä.c Tämä löytö evoluutionaalisesti sukua olevien msL1- ja msL2-ribosomaalisten proteiinien synnystä viittaa siihen, että jos ribosomit kerääntyvät haitallisia mutaatioita rRNA:hansa, ne voivat saavuttaa ennennäkemättömän monimuotoisuuden koostumuksessa jopa pienessä lähisukulaisten lajien alajoukossa.Tämä löytö voisi auttaa selventämään mitokondrioribosomin alkuperää ja kehitystä. Mitokondrioribosomi tunnetaan erittäin vähentyneestä rRNA:sta ja proteiinikoostumuksen epänormaalista vaihtelusta lajien välillä.
Sitten vertasimme msL2-proteiinia aiemmin kuvattuun msL1-proteiiniin, ainoaan tunnettuun mikrosporidia-spesifiseen ribosomaaliseen proteiiniin, joka löytyy V. necatrixin ribosomista.Halusimme testata, ovatko msL1 ja msL2 evoluutionaarisesti sukua.Analyysimme osoitti, että msL1 ja msL2 ovat samassa ontelossa ribosomaalisessa rakenteessa, mutta niillä on erilaiset primaariset ja tertiaariset rakenteet, mikä osoittaa niiden itsenäisen evolutionaarisen alkuperän (kuva 6).Siten löytömme msL2:sta tarjoaa todisteita siitä, että kompaktien eukaryoottilajien ryhmät voivat itsenäisesti kehittää rakenteellisesti erilaisia ​​ribosomaalisia proteiineja kompensoidakseen rRNA-fragmenttien häviämistä.Tämä havainto on merkittävä siinä, että useimmat sytoplasmiset eukaryoottiset ribosomit sisältävät muuttumattoman proteiinin, mukaan lukien saman 81 ribosomaalisen proteiinin perheen.MsL1:n ja msL2:n esiintyminen mikrosporidien eri kladeissa vasteena laajennettujen rRNA-segmenttien katoamiseen viittaa siihen, että loisen molekyyliarkkitehtuurin hajoaminen saa loiset etsimään kompensoivia mutaatioita, jotka voivat lopulta johtaa niiden hankkimiseen erilaisiin loispopulaatioihin.rakenteet.
Lopuksi, kun mallimme oli valmis, vertasimme E. cuniculi ribosomin koostumusta genomisekvenssin perusteella ennustettuun.Useiden ribosomaalisten proteiinien, mukaan lukien eL14, eL38, eL41 ja eS30, uskottiin aiemmin puuttuvan E. cuniculi -genomista, koska niiden homologeja ei ilmeisesti ollut E. cuniculi -genomista.Monien ribosomaalisten proteiinien katoamista ennustetaan myös useimmissa muissa erittäin vähentyneissä solunsisäisissä loisissa ja endosymbionteissa.Esimerkiksi, vaikka useimmat vapaasti elävät bakteerit sisältävät saman 54 ribosomaalisen proteiinin perheen, vain 11:llä näistä proteiiniperheistä on havaittavissa olevia homologeja kussakin analysoidussa isäntärajoitteisten bakteerien genomissa.Tämän käsityksen tueksi ribosomaalisten proteiinien häviämistä on kokeellisesti havaittu V. necatrix- ja P. locustae microsporidia -bakteerissa, joista puuttuvat eL38- ja eL4131,32-proteiinit.
Rakenteemme osoittavat kuitenkin, että vain eL38, eL41 ja eS30 katoavat E. cuniculi -ribosomissa.eL14-proteiini konservoitui ja rakenteemme osoitti, miksi tätä proteiinia ei voitu löytää homologiahaussa (kuvio 7).E. cuniculi -ribosomeissa suurin osa eL14:n sitoutumiskohdasta menetetään rRNA:lla monistetun ES39L:n hajoamisen vuoksi.ES39L:n puuttuessa eL14 menetti suurimman osan sekundaarirakenteestaan, ja vain 18 % eL14-sekvenssistä oli identtinen E. cuniculi- ja S. cerevisiae -lajeissa.Tämä huono sekvenssin säilyminen on huomattavaa, koska jopa Saccharomyces cerevisiae ja Homo sapiens - eliöt, jotka kehittyivät 1,5 miljardin vuoden välein - jakavat yli 51 % samoista tähteistä eL14:ssä.Tämä poikkeava säilymisen menetys selittää, miksi E. cuniculi eL14 on tällä hetkellä merkitty oletetuksi M970_061160-proteiiniksi eikä eL1427-ribosomaaliseksi proteiiniksi.
ja Microsporidia-ribosomi menetti ES39L-rRNA-pidennyksen, mikä eliminoi osittain eL14-ribosomaalisen proteiinin sitoutumiskohdan.ES39L:n puuttuessa eL14-mikroitiöproteiini menettää sekundaarisen rakenteen, jolloin entinen rRNA:ta sitova a-heliksi rappeutuu minimipituiseksi silmukaksi.b Useiden sekvenssien rinnastaminen osoittaa, että eL14-proteiini on erittäin konservoitunut eukaryoottilajeissa (57 % sekvenssi-identtisyys hiivan ja ihmisen homologien välillä), mutta huonosti konservoitunut ja eroava mikrosporidioissa (joissa enintään 24 % tähteistä on identtisiä eL14-homologin kanssa).S. cerevisiaesta tai H. sapiensista).Tämä huono sekvenssin säilyminen ja toissijaisen rakenteen vaihtelevuus selittää, miksi eL14-homologia ei ole koskaan löydetty E. cuniculista ja miksi tämän proteiinin uskotaan kadonneen E. cuniculissa.Sitä vastoin E. cuniculi eL14 merkittiin aiemmin oletettuna M970_061160-proteiinina.Tämä havainto viittaa siihen, että mikrosporidian genomin monimuotoisuus on tällä hetkellä yliarvioitu: jotkin geenit, joiden uskotaan tällä hetkellä kadonneen mikrosporidioissa, ovat itse asiassa säilyneet, vaikkakin hyvin erilaistuneissa muodoissa;sen sijaan joidenkin uskotaan koodaavan mikrosporidia-geenejä matospesifisille proteiineille (esim. hypoteettinen proteiini M970_061160) itse asiassa koodaa hyvin erilaisia ​​proteiineja, joita löytyy muista eukaryooteista.
Tämä havainto viittaa siihen, että rRNA:n denaturaatio voi johtaa dramaattiseen sekvenssin säilymisen menetykseen viereisissä ribosomaalisissa proteiineissa, mikä tekee näistä proteiineista havaitsemattomia homologiatutkimuksissa.Näin ollen voimme yliarvioida todellisen molekyylien hajoamisen asteen pienissä genomiorganismeissa, koska jotkut proteiinit, joiden uskotaan olevan kadonneet, todella säilyvät, vaikkakin erittäin muuttuneissa muodoissa.
Kuinka loiset voivat säilyttää molekyylikoneittensa toiminnan äärimmäisen genomin vähentymisen olosuhteissa?Tutkimuksemme vastaa tähän kysymykseen kuvaamalla E. cuniculi -organismin, jolla on yksi pienimmistä eukaryoottigenomeista, monimutkaista molekyylirakennetta (ribosomia).
Lähes kahden vuosikymmenen ajan on tiedetty, että mikrobiloisten proteiini- ja RNA-molekyylit eroavat usein homologisista molekyyleistään vapaana elävissä lajeissa, koska niiltä puuttuu laadunvalvontakeskuksia, ne ovat pienentyneet 50 prosenttiin koostaan ​​vapaasti elävissä mikrobeissa jne.monia heikentäviä mutaatioita, jotka heikentävät laskostumista ja toimintaa.Esimerkiksi pienten genomiorganismien, mukaan lukien monet solunsisäiset loiset ja endosymbiontit, ribosomeista odotetaan puuttuvan useita ribosomaalisia proteiineja ja jopa kolmasosa rRNA-nukleotideista verrattuna vapaasti eläviin lajeihin 27, 29, 30, 49. Kuitenkin tapa, jolla nämä molekyylit toimivat pääosin geeniparasiittien kautta, säilyy edelleen suurelta osin mystery-parasiiteissa.
Tutkimuksemme osoittaa, että makromolekyylien rakenne voi paljastaa monia evoluution näkökohtia, joita on vaikea erottaa perinteisistä vertailevista solunsisäisten loisten ja muiden isäntärajoitteisten organismien genomitutkimuksista (täydentävä kuva 7).Esimerkiksi eL14-proteiinin esimerkki osoittaa, että voimme yliarvioida molekyylilaitteiston todellisen hajoamisasteen loislajeissa.Enkefaliittisilla loisilla uskotaan nyt olevan satoja mikrosporidia-spesifisiä geenejä.Tuloksemme osoittavat kuitenkin, että jotkin näistä näennäisesti spesifisistä geeneistä ovat itse asiassa vain hyvin erilaisia ​​muunnelmia geeneistä, jotka ovat yleisiä muissa eukaryooteissa.Lisäksi esimerkki msL2-proteiinista osoittaa, kuinka jätämme huomiotta uudet ribosomaaliset proteiinit ja aliarvioimme loisten molekyylikoneiden sisältöä.Esimerkki pienistä molekyyleistä osoittaa, kuinka voimme sivuuttaa loismolekyylirakenteiden nerokkaimmat innovaatiot, jotka voivat antaa niille uutta biologista aktiivisuutta.
Yhdessä nämä tulokset parantavat ymmärrystämme isäntärajoitteisten organismien ja vapaasti elävien organismien vastaavien molekyylirakenteiden välisistä eroista.Osoitamme, että molekyylikoneilla, joita pitkään ajateltiin pelkistyneiksi, rappeutuneiksi ja erilaisille heikentäville mutaatioille altistuneiksi, on sen sijaan joukko systemaattisesti huomiotta jätettyjä epätavallisia rakenteellisia piirteitä.
Toisaalta ei-kokoiset rRNA-fragmentit ja fuusioidut fragmentit, jotka löysimme E. cuniculin ribosomeista, viittaavat siihen, että genomin pelkistys voi muuttaa jopa niitä perusmolekyylikoneiston osia, jotka säilyvät kolmella elämän alueella – lähes 3,5 miljardin vuoden jälkeen.lajien riippumaton evoluutio.
E. cuniculi -ribosomien pullistumattomat ja fuusioituneet rRNA-fragmentit ovat erityisen kiinnostavia aiempien endosymbioottisten bakteerien RNA-molekyylejä koskevien tutkimusten valossa.Esimerkiksi kirvan endosymbiontissa Buchnera aphidicola rRNA- ja tRNA-molekyyleillä on osoitettu olevan lämpötilaherkkiä rakenteita A+T-koostumuksen poikkeaman ja ei-kanonisten emäsparien suuren osuuden vuoksi20,50.Näiden RNA:n muutosten sekä proteiinimolekyylien muutosten uskotaan nyt olevan vastuussa endosymbionttien liiallisesta riippuvuudesta kumppaneista ja endosymbionttien kyvyttömyydestä siirtää lämpöä 21, 23 .Vaikka loisten mikrosporidia-rRNA:ssa on rakenteellisesti erilaisia ​​muutoksia, näiden muutosten luonne viittaa siihen, että heikentynyt lämpöstabiilisuus ja suurempi riippuvuus chaperoniproteiineista voivat olla RNA-molekyylien yhteisiä piirteitä organismeissa, joiden genomit ovat vähentyneet.
Toisaalta rakenteemme osoittavat, että loisten mikrosporidia on kehittänyt ainutlaatuisen kyvyn vastustaa laajalti konservoituneita rRNA- ja proteiinifragmentteja, kehittäen kyvyn käyttää runsaasti ja helposti saatavilla olevia pieniä metaboliitteja degeneroituneiden rRNA- ja proteiinifragmenttien rakenteellisina jäljittelijöinä.Molekyylirakenteen hajoaminen..Tätä mielipidettä tukee se tosiasia, että pienet molekyylit, jotka kompensoivat proteiinifragmenttien häviämistä E. cuniculin rRNA:sta ja ribosomeista, sitoutuvat mikrosporidia-spesifisiin tähteisiin uL15- ja eL30-proteiineissa.Tämä viittaa siihen, että pienten molekyylien sitoutuminen ribosomeihin voi olla positiivisen valinnan tuote, jossa Microsporidia-spesifiset mutaatiot ribosomaalisissa proteiineissa on valittu niiden kyvyn perusteella lisätä ribosomien affiniteettia pieniin molekyyleihin, mikä voi johtaa tehokkaampiin ribosomaalisiin organismeihin.Löytö paljastaa älykkään innovaation mikrobiloisten molekyylirakenteessa ja antaa meille paremman käsityksen siitä, kuinka loisten molekyylirakenteet säilyttävät toimintansa pelkistävästä evoluutiosta huolimatta.
Tällä hetkellä näiden pienten molekyylien tunnistaminen on edelleen epäselvää.Ei ole selvää, miksi näiden pienten molekyylien esiintyminen ribosomaalisessa rakenteessa vaihtelee mikrosporidia-lajien välillä.Erityisesti ei ole selvää, miksi nukleotidisitoutumista havaitaan E. cuniculin ja P. locustaen ribosomeissa eikä V. necatrixin ribosomeissa, vaikka F170-tähde on läsnä V. necatrixin eL20- ja K172-proteiineissa.Tämän deleetion voi aiheuttaa tähte 43 uL6 (sijaitsee nukleotideja sitovan taskun vieressä), joka on tyrosiinia V. necatrixissa eikä treoniinia E. cuniculissa ja P. locustaessa.Tyr43:n iso aromaattinen sivuketju voi häiritä nukleotidien sitoutumista steerisen päällekkäisyyden vuoksi.Vaihtoehtoisesti näennäinen nukleotidideleetio voi johtua kryo-EM-kuvauksen alhaisesta resoluutiosta, mikä estää V. necatrixin ribosomaalisten fragmenttien mallintamisen.
Toisaalta työmme viittaa siihen, että genomin hajoamisprosessi voi olla kekseliäs voima.Erityisesti E. cuniculi -ribosomin rakenne viittaa siihen, että rRNA:n ja proteiinifragmenttien häviäminen mikrosporidia-ribosomissa luo evoluutiopainetta, joka edistää ribosomin rakenteen muutoksia.Nämä variantit esiintyvät kaukana ribosomin aktiivisesta kohdasta ja näyttävät auttavan ylläpitämään (tai palauttamaan) optimaalisen ribosomikokoonpanon, jonka vähentynyt rRNA muutoin häiritsisi.Tämä viittaa siihen, että mikrosporidia-ribosomin merkittävä innovaatio näyttää kehittyneen tarpeeksi puskuroida geenien ajautuminen.
Ehkä tätä kuvaa parhaiten nukleotidien sitoutuminen, jota ei ole koskaan havaittu muissa organismeissa toistaiseksi.Se tosiasia, että nukleotideja sitovia tähteitä on läsnä tyypillisissä mikrosporidioissa, mutta ei muissa eukaryooteissa, viittaa siihen, että nukleotideja sitovat kohdat eivät ole vain jäänteitä, jotka odottavat katoamista, tai lopullinen kohta rRNA:lle, joka palautetaan yksittäisten nukleotidien muotoon.Sen sijaan tämä sivusto näyttää hyödylliseltä ominaisuutelta, joka olisi voinut kehittyä useiden positiivisten valintojen aikana.Nukleotidien sitoutumiskohdat voivat olla luonnollisen valinnan sivutuote: kun ES39L on hajonnut, mikrosporidit pakotetaan etsimään kompensaatiota optimaalisen ribosomien biogeneesin palauttamiseksi ES39L:n puuttuessa.Koska tämä nukleotidi voi jäljitellä A3186-nukleotidin molekyylikontakteja ES39L:ssä, nukleotidimolekyylistä tulee ribosomin rakennuspalikka, jonka sitoutumista parantaa edelleen eL30-sekvenssin mutaatio.
Mitä tulee solunsisäisten loisten molekyylievoluutioon, tutkimuksemme osoittaa, että darwinilaisen luonnollisen valinnan voimat ja genomin rappeutumisen geneettinen ajautuminen eivät toimi rinnakkain, vaan värähtelevät.Ensinnäkin geneettinen ajautuminen eliminoi biomolekyylien tärkeät ominaisuudet, mikä tekee korvauksen kipeästi tarpeellisen.Vasta kun loiset tyydyttävät tämän tarpeen darwinilaisen luonnonvalinnan avulla, niiden makromolekyylit saavat mahdollisuuden kehittää vaikuttavimpia ja innovatiivisimpia ominaisuuksiaan.Tärkeää on, että nukleotidien sitoutumiskohtien kehittyminen E. cuniculin ribosomissa viittaa siihen, että tämä molekyylievoluution menetys-voittomalli ei ainoastaan ​​poista haitallisia mutaatioita, vaan antaa joskus täysin uusia toimintoja loismakromolekyyleille.
Tämä ajatus on yhdenmukainen Sewell Wrightin liikkuvan tasapainon teorian kanssa, jonka mukaan tiukka luonnollisen valinnan järjestelmä rajoittaa organismien kykyä uudistua51,52,53.Kuitenkin, jos geneettinen ajautuminen häiritsee luonnonvalintaa, nämä ajautumat voivat tuottaa muutoksia, jotka eivät sinänsä ole mukautuvia (tai jopa haitallisia), mutta johtavat lisämuutoksiin, jotka lisäävät kuntoa tai uutta biologista aktiivisuutta.Viitekehyksemme tukee tätä ajatusta havainnollistamalla, että samantyyppinen mutaatio, joka vähentää biomolekyylin laskostusta ja toimintaa, näyttää olevan sen parantamisen tärkein laukaisin.Kaikki hyödyttävän evoluutiomallin mukaisesti tutkimuksemme osoittaa, että genomin rappeutuminen, jota perinteisesti pidettiin rappeuttavana prosessina, on myös merkittävä innovoinnin liikkeellepaneva tekijä, mikä joskus ja ehkä jopa usein antaa makromolekyyleille mahdollisuuden hankkia uusia loisaktiviteetteja.voi käyttää niitä.