Շնորհակալություն Nature.com այցելելու համար:Ձեր օգտագործած բրաուզերի տարբերակը ունի սահմանափակ CSS աջակցություն:Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել Համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում):Միևնույն ժամանակ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար մենք կայքը կներկայացնենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Մանրէաբանական մակաբույծների էվոլյուցիան ներառում է բնական ընտրության հակազդեցություն, որն առաջացնում է մակաբույծների բարելավում, և գենետիկ շեղում, որը ստիպում է մակաբույծներին կորցնել գեները և կուտակել վնասակար մուտացիաներ:Այստեղ, որպեսզի հասկանանք, թե ինչպես է այս հակազդեցությունը տեղի ունենում մեկ մակրոմոլեկուլի մասշտաբով, մենք նկարագրում ենք Encephalitozoon cuniculi-ի ռիբոսոմի կրիո-EM կառուցվածքը՝ էուկարիոտիկ օրգանիզմ, որն ունի բնության ամենափոքր գենոմներից մեկը:RRNA-ի ծայրահեղ կրճատումը E. cuniculi ռիբոսոմներում ուղեկցվում է աննախադեպ կառուցվածքային փոփոխություններով, ինչպիսիք են նախկինում անհայտ միաձուլված rRNA կապողների և rRNA առանց ուռուցիկության էվոլյուցիան:Բացի այդ, E. cuniculi ռիբոսոմը վերապրեց rRNA բեկորների և սպիտակուցների կորուստը՝ զարգացնելով փոքր մոլեկուլները որպես քայքայված rRNA բեկորների և սպիտակուցների կառուցվածքային նմանակներ օգտագործելու ունակություն:Ընդհանուր առմամբ, մենք ցույց ենք տալիս, որ մոլեկուլային կառույցները, որոնք երկար ժամանակ համարվում էին կրճատված, այլասերված և թուլացնող մուտացիաների ենթարկված, ունեն մի շարք փոխհատուցման մեխանիզմներ, որոնք դրանք ակտիվ են պահում՝ չնայած ծայրահեղ մոլեկուլային կծկումներին:
Քանի որ մանրէաբանական մակաբույծների խմբերի մեծ մասն ունի եզակի մոլեկուլային գործիքներ՝ իրենց հյուրընկալողներին շահագործելու համար, մենք հաճախ ստիպված ենք լինում մշակել տարբեր թերապևտիկ միջոցներ մակաբույծների տարբեր խմբերի համար1,2:Այնուամենայնիվ, նոր ապացույցները ցույց են տալիս, որ մակաբույծների էվոլյուցիայի որոշ ասպեկտներ կոնվերգենտ են և հիմնականում կանխատեսելի, ինչը ցույց է տալիս մանրէաբանական մակաբույծների լայն թերապևտիկ միջամտությունների հնարավոր հիմքը3,4,5,6,7,8,9:
Նախորդ աշխատանքը հայտնաբերել է մանրէաբանական մակաբույծների ընդհանուր էվոլյուցիոն միտում, որը կոչվում է գենոմի կրճատում կամ գենոմի քայքայում10,11,12,13:Ընթացիկ հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ երբ միկրոօրգանիզմները հրաժարվում են իրենց ազատ ապրելակերպից և դառնում են ներբջջային մակաբույծներ (կամ էնդոսիմբիոններ), նրանց գենոմները միլիոնավոր տարիների ընթացքում ենթարկվում են դանդաղ, բայց զարմանալի մետամորֆոզների9,11:Մի գործընթացում, որը հայտնի է որպես գենոմի քայքայում, մանրէաբանական մակաբույծները կուտակում են վնասակար մուտացիաներ, որոնք նախկինում կարևոր շատ գեներ են վերածում կեղծոգենների՝ հանգեցնելով գեների աստիճանական կորստի և մուտացիոն կոլապսի14,15:Այս փլուզումը կարող է ոչնչացնել ամենահին ներբջջային օրգանիզմների գեների մինչև 95%-ը՝ համեմատած սերտորեն կապված ազատ ապրող տեսակների հետ:Այսպիսով, ներբջջային մակաբույծների էվոլյուցիան լարում է երկու հակադիր ուժերի միջև՝ դարվինյան բնական ընտրություն, որը հանգեցնում է մակաբույծների բարելավմանը, և գենոմի փլուզումը՝ մակաբույծներին մոռացության մատնելով:Թե ինչպես է պարազիտին հաջողվել դուրս գալ այս քաշքշուկից և պահպանել իր մոլեկուլային կառուցվածքի ակտիվությունը, մնում է անհասկանալի:
Թեև գենոմի քայքայման մեխանիզմը լիովին պարզ չէ, այն, ըստ երևույթին, տեղի է ունենում հիմնականում հաճախակի գենետիկ շեղումների պատճառով:Քանի որ մակաբույծները ապրում են փոքր, անսեռ և գենետիկորեն սահմանափակ պոպուլյացիաներում, նրանք չեն կարող արդյունավետ կերպով վերացնել վնասակար մուտացիաները, որոնք երբեմն տեղի են ունենում ԴՆԹ-ի վերարտադրության ժամանակ:Սա հանգեցնում է վնասակար մուտացիաների անդառնալի կուտակման և մակաբույծի գենոմի կրճատման։Արդյունքում մակաբույծը ոչ միայն կորցնում է գեները, որոնք այլևս անհրաժեշտ չեն ներբջջային միջավայրում նրա գոյատևման համար։Հենց մակաբույծների պոպուլյացիաների անկարողությունն է արդյունավետորեն վերացնելու սպորադիկ վնասակար մուտացիաները, ինչը հանգեցնում է այդ մուտացիաների կուտակմանը գենոմում, ներառյալ նրանց ամենակարևոր գեները:
Գենոմի կրճատման մեր ներկայիս ըմբռնումների մեծ մասը հիմնված է բացառապես գենոմի հաջորդականությունների համեմատության վրա՝ ավելի քիչ ուշադրություն դարձնելով իրական մոլեկուլների փոփոխություններին, որոնք կատարում են տնային տնտեսության գործառույթներ և ծառայում են որպես դեղամիջոցի հնարավոր թիրախներ:Համեմատական ​​ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ վնասակար ներբջջային մանրէաբանական մուտացիաների ծանրաբեռնվածությունը, ըստ երևույթին, նախատրամադրում է սպիտակուցների և նուկլեինաթթուների սխալ ծալման և ագրեգացմանը՝ դրանք դարձնելով ավելի շապերոնային կախվածություն և գերզգայուն ջերմության նկատմամբ19,20,21,22,23:Բացի այդ, տարբեր մակաբույծներ՝ անկախ էվոլյուցիան, որը երբեմն բաժանվում է մինչև 2,5 միլիարդ տարով, որակի վերահսկման կենտրոնների նմանատիպ կորուստ են ունեցել իրենց սպիտակուցների սինթեզում5,6 և ԴՆԹ-ի վերականգնման մեխանիզմներում24:Այնուամենայնիվ, քիչ բան է հայտնի ներբջջային ապրելակերպի ազդեցության մասին բջջային մակրոմոլեկուլների բոլոր մյուս հատկությունների վրա, ներառյալ մոլեկուլային հարմարվողականությունը վնասակար մուտացիաների աճող բեռին:
Այս աշխատանքում ներբջջային միկրոօրգանիզմների սպիտակուցների և նուկլեինաթթուների էվոլյուցիան ավելի լավ հասկանալու համար մենք որոշեցինք Encephalitozoon cuniculi ներբջջային մակաբույծի ռիբոսոմների կառուցվածքը:E. cuniculi-ը սնկի նման օրգանիզմ է, որը պատկանում է մակաբույծ միկրոսպորիդիաների խմբին, որոնք ունեն անսովոր փոքր էուկարիոտ գենոմներ և, հետևաբար, օգտագործվում են որպես մոդելային օրգանիզմներ՝ գենոմի քայքայումն ուսումնասիրելու համար25,26,27,28,29,30:Վերջերս կրիո-EM ռիբոսոմի կառուցվածքը որոշվեց Microsporidia-ի, Paranosema locustae-ի և Vairimorpha necatrix31,32-ի (~3,2 Մբ գենոմի) չափավոր կրճատված գենոմների համար:Այս կառուցվածքները ենթադրում են, որ rRNA ուժեղացման որոշակի կորուստը փոխհատուցվում է հարևան ռիբոսոմային սպիտակուցների միջև նոր շփումների ձևավորմամբ կամ նոր msL131,32 ռիբոսոմային սպիտակուցների ձեռքբերմամբ:Էնցեֆալիտոզոն տեսակները (գենոմը ~2,5 միլիոն bp), իրենց ամենամոտ ազգական Օրդոսպորայի հետ միասին ցույց են տալիս էուկարիոտների գենոմի նվազման վերջնական աստիճանը. նրանք ունեն 2000-ից պակաս սպիտակուցներ կոդավորող գեներ, և ակնկալվում է, որ նրանց ռիբոսոմները ոչ միայն զուրկ են rRNA ընդլայնման բեկորներից (rRNA-ի ընդլայնման չորս բակտերիաներից (rRNA e-boukaryo բակտերիաներ) s E. cuniculi գենոմում հոմոլոգների բացակայության պատճառով26,27,28:Հետևաբար, մենք եզրակացրինք, որ E. cuniculi ռիբոսոմը կարող է բացահայտել նախկինում անհայտ ռազմավարություններ գենոմի քայքայմանը մոլեկուլային հարմարվելու համար:
Մեր կրիո-EM կառուցվածքը ներկայացնում է ամենափոքր էուկարիոտիկ ցիտոպլազմային ռիբոսոմը, որը պետք է բնութագրվի և պատկերացում է տալիս այն մասին, թե ինչպես է գենոմի կրճատման վերջնական աստիճանը ազդում բջջի անբաժանելի մոլեկուլային մեխանիզմի կառուցվածքի, հավաքման և էվոլյուցիայի վրա:Մենք պարզեցինք, որ E. cuniculi ռիբոսոմը խախտում է ՌՆԹ-ի ծալման և ռիբոսոմի հավաքման լայնորեն պահպանված սկզբունքները, և հայտնաբերեցինք նոր, նախկինում անհայտ ռիբոսոմային սպիտակուց:Միանգամայն անսպասելիորեն մենք ցույց ենք տալիս, որ միկրոսպորիդիայի ռիբոսոմները զարգացրել են փոքր մոլեկուլները կապելու ունակությունը և ենթադրում ենք, որ rRNA-ի և սպիտակուցների կրճատումները առաջացնում են էվոլյուցիոն նորարարություններ, որոնք, ի վերջո, կարող են օգտակար հատկություններ հաղորդել ռիբոսոմին:
Ներբջջային օրգանիզմներում սպիտակուցների և նուկլեինաթթուների էվոլյուցիայի վերաբերյալ մեր պատկերացումները բարելավելու համար մենք որոշեցինք վարակված կաթնասունների բջիջների կուլտուրաներից առանձնացնել E. cuniculi սպորները՝ նրանց ռիբոսոմները մաքրելու և այդ ռիբոսոմների կառուցվածքը որոշելու համար:Դժվար է ձեռք բերել մեծ քանակությամբ մակաբույծ միկրոսպորիդիաներ, քանի որ միկրոսպորիդիան չի կարող մշակվել սննդարար միջավայրում:Փոխարենը, նրանք աճում և բազմանում են միայն ընդունող բջջի ներսում:Հետևաբար, E. cuniculi կենսազանգված ձեռք բերելու համար ռիբոսոմների մաքրման համար, մենք վարակեցինք կաթնասունների երիկամների RK13 բջջային գիծը E. cuniculi սպորներով և մի քանի շաբաթ աճեցրեցինք այս վարակված բջիջները, որպեսզի E. cuniculi-ն աճի և բազմապատկվի:Օգտագործելով մոտ կես քառակուսի մետր մակերեսով վարակված բջիջների միաշերտ, մենք կարողացանք մաքրել մոտ 300 մգ Microsporidia սպորներ և օգտագործել դրանք ռիբոսոմները մեկուսացնելու համար:Այնուհետև մենք խախտեցինք մաքրված սպորները ապակե ուլունքներով և մեկուսացրեցինք չմշակված ռիբոսոմները՝ օգտագործելով լիզատների փուլային պոլիէթիլեն գլիկոլի ֆրակցիոնացումը:Սա թույլ տվեց մեզ ստանալ մոտավորապես 300 մկգ հում E. cuniculi ռիբոսոմներ կառուցվածքային վերլուծության համար:
Այնուհետև մենք հավաքեցինք կրիո-EM պատկերներ՝ օգտագործելով ստացված ռիբոսոմի նմուշները և մշակեցինք այդ պատկերները՝ օգտագործելով դիմակներ, որոնք համապատասխանում են մեծ ռիբոսոմային ենթամիավորին, փոքր ենթամիավորի գլխին և փոքր ենթամիավորին:Այս գործընթացի ընթացքում մենք հավաքեցինք մոտ 108,000 ռիբոսոմային մասնիկների պատկերներ և հաշվարկեցինք կրիո-EM պատկերներ 2,7 Ա թույլատրությամբ (Լրացուցիչ նկարներ 1-3):Այնուհետև մենք օգտագործեցինք cryoEM պատկերները rRNA-ի, ռիբոսոմային սպիտակուցի և ձմեռման գործոնի Mdf1-ի մոդելավորման համար՝ կապված E. cuniculi ռիբոսոմների հետ (նկ. 1ա, բ):
a E. cuniculi ռիբոսոմի կառուցվածքը կոմպլեքսում ձմեռման գործոնով Mdf1 (pdb id 7QEP):բ Ձմեռման գործոնի Mdf1 քարտեզ՝ կապված E. cuniculi ռիբոսոմի հետ:գ Երկրորդական կառուցվածքի քարտեզ, որը համեմատում է վերականգնված rRNA-ն Microsporidian տեսակների մեջ հայտնի ռիբոսոմային կառուցվածքների հետ:Վահանակները ցույց են տալիս ուժեղացված rRNA բեկորների (ES) և ռիբոսոմի ակտիվ վայրերի գտնվելու վայրը, ներառյալ վերծանման վայրը (DC), սարկինիցինի հանգույցը (SRL) և պեպտիդիլ տրանսֆերազայի կենտրոնը (PTC):դ Էլեկտրոնի խտությունը, որը համապատասխանում է E. cuniculi ռիբոսոմի պեպտիդիլ տրանսֆերազային կենտրոնին, ենթադրում է, որ այս կատալիտիկ տեղամասն ունի նույն կառուցվածքը E. cuniculi մակաբույծի և նրա հյուրընկալողների, այդ թվում՝ H. sapiens-ի մոտ:e, f Ապակոդավորման կենտրոնի (e) համապատասխան էլեկտրոնային խտությունը և ապակոդավորման կենտրոնի սխեմատիկ կառուցվածքը (f) ցույց են տալիս, որ E. cuniculi-ն ունի U1491 մնացորդներ A1491-ի փոխարեն (E. coli համարակալում) շատ այլ էուկարիոտներում:Այս փոփոխությունը ցույց է տալիս, որ E. cuniculi-ը կարող է զգայուն լինել հակաբիոտիկների նկատմամբ, որոնք ուղղված են այս ակտիվ կայքին:
Ի տարբերություն V. necatrix և P. locustae ռիբոսոմների նախկինում հաստատված կառուցվածքների (երկու կառույցներն էլ ներկայացնում են Nosematidae-ի նույն միկրոսպորիդիա ընտանիքը և շատ նման են միմյանց), 31,32 E. cuniculi ռիբոսոմները ենթարկվում են rRNA և սպիտակուցի մասնատման բազմաթիվ գործընթացների:Հետագա դենատուրացիա (Լրացուցիչ նկարներ 4-6):rRNA-ում առավել ցայտուն փոփոխությունները ներառում էին ուժեղացված 25S rRNA հատվածի ES12L-ի ամբողջական կորուստը և h39, h41 և H18 պարույրների մասնակի դեգեներացիան (նկ. 1c, լրացուցիչ նկար 4):Ռիբոսոմային սպիտակուցներից առավել ցայտուն փոփոխությունները ներառում էին eS30 սպիտակուցի ամբողջական կորուստը և eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 և eS7 սպիտակուցների կրճատումը (Լրացուցիչ նկարներ 4, 5):
Այսպիսով, Encephalotozoon/Ordospora տեսակների գենոմների ծայրահեղ կրճատումն արտացոլվում է նրանց ռիբոսոմային կառուցվածքում. E. cuniculi ռիբոսոմները զգում են սպիտակուցի պարունակության ամենավճռական կորուստը էուկարիոտիկ ցիտոպլազմիկ ռիբոսոմներում, որոնք ենթակա են կառուցվածքային բնութագրման, և նրանք չունեն նույնիսկ այդ rRNA և սպիտակուցային բեկորներ, որոնք լայնորեն պարունակում են կյանքի դոմենների երեք բեկորներ, այլ նաև e.E. cuniculi ռիբոսոմի կառուցվածքը ապահովում է այս փոփոխությունների առաջին մոլեկուլային մոդելը և բացահայտում է էվոլյուցիոն իրադարձությունները, որոնք անտեսվել են ինչպես համեմատական ​​գենոմիկայի, այնպես էլ ներբջջային կենսամոլեկուլային կառուցվածքի ուսումնասիրությունների կողմից (Լրացուցիչ նկար 7):Ստորև մենք նկարագրում ենք այս իրադարձություններից յուրաքանչյուրը դրանց հավանական էվոլյուցիոն ծագման և ռիբոսոմների ֆունկցիայի վրա դրանց հնարավոր ազդեցության հետ միասին:
Այնուհետև մենք պարզեցինք, որ ի լրումն մեծածավալ rRNA կրճատումների, E. cuniculi ռիբոսոմները ունեն rRNA տատանումներ իրենց ակտիվ տեղամասերից մեկում:Չնայած E. cuniculi ռիբոսոմի պեպտիդիլ տրանսֆերազային կենտրոնն ունի նույն կառուցվածքը, ինչ մյուս էուկարիոտիկ ռիբոսոմները (նկ. 1d), ապակոդավորման կենտրոնը տարբերվում է նուկլեոտիդ 1491-ի հաջորդականության փոփոխության պատճառով (E. coli համարակալում, նկ. 1e, f):Այս դիտարկումը կարևոր է, քանի որ էուկարիոտիկ ռիբոսոմների վերծանման վայրը սովորաբար պարունակում է G1408 և A1491 մնացորդներ՝ համեմատած բակտերիալ տիպի A1408 և G1491 մնացորդների հետ:Այս փոփոխությունը ընկած է բակտերիալ և էուկարիոտիկ ռիբոսոմների տարբեր զգայունության հիմքում ռիբոսոմային հակաբիոտիկների ամինոգլիկոզիդների ընտանիքի և այլ փոքր մոլեկուլների նկատմամբ, որոնք ուղղված են վերծանման տեղամասին:E. cuniculi ռիբոսոմի վերծանման վայրում A1491 մնացորդը փոխարինվել է U1491-ով, ինչը հնարավոր է ստեղծել եզակի կապող միջերես փոքր մոլեկուլների համար, որոնք ուղղված են այս ակտիվ կայքին:Նույն A14901 տարբերակը առկա է նաև այլ միկրոսպորիդիաներում, ինչպիսիք են P. locustae-ը և V. necatrix-ը, ինչը թույլ է տալիս ենթադրել, որ այն տարածված է միկրոսպորիդիայի տեսակների մեջ (նկ. 1f):
Քանի որ մեր E. cuniculi ռիբոսոմի նմուշները մեկուսացված էին մետաբոլիկորեն ոչ ակտիվ սպորներից, մենք փորձարկեցինք E. cuniculi-ի կրիո-EM քարտեզը սթրեսի կամ սովի պայմաններում նախկինում նկարագրված ռիբոսոմի կապակցման համար:Ձմեռման գործոններ 31,32,36,37, 38. Մենք համադրեցինք ձմեռող ռիբոսոմի նախկինում հաստատված կառուցվածքը E. cuniculi ռիբոսոմի կրիո-EM քարտեզի հետ:Դոկավորման համար օգտագործվել են S. cerevisiae ռիբոսոմները համալիրում՝ ձմեռման գործոնով Stm138, մորեխի ռիբոսոմները՝ կոմպլեքսում՝ Lso232 գործոնով, և V. necatrix ռիբոսոմները՝ կոմպլեքսում՝ Mdf1 և Mdf231 գործոններով:Միևնույն ժամանակ, մենք գտանք կրիո-EM խտությունը, որը համապատասխանում է հանգստի գործոնին Mdf1:Ինչպես Mdf1-ը, որը կապվում է V. necatrix ռիբոսոմին, Mdf1-ը նույնպես կապվում է E. cuniculi ռիբոսոմի հետ, որտեղ արգելափակում է ռիբոսոմի E տեղանքը՝ հնարավոր է օգնելով հասանելի դարձնել ռիբոսոմները, երբ մակաբույծների սպորները դառնում են մետաբոլիկորեն անգործուն մարմնի անակտիվացման ժամանակ (Նկար 2):)
Mdf1-ն արգելափակում է ռիբոսոմի E տեղանքը, որը, ըստ երևույթին, օգնում է ապաակտիվացնել ռիբոսոմը, երբ մակաբույծների սպորները դառնում են նյութափոխանակության առումով ոչ ակտիվ:E. cuniculi ռիբոսոմի կառուցվածքում մենք պարզեցինք, որ Mdf1-ը նախկինում անհայտ կապ է ստեղծում L1 ռիբոսոմի ցողունի հետ՝ ռիբոսոմի այն մասի հետ, որը հեշտացնում է դեացիլացված tRNA-ի ազատումը ռիբոսոմից սպիտակուցի սինթեզի ընթացքում:Այս շփումները ենթադրում են, որ Mdf1-ն անջատվում է ռիբոսոմից՝ օգտագործելով նույն մեխանիզմը, ինչ դեացետիլացված tRNA-ն՝ տալով հնարավոր բացատրություն, թե ինչպես է ռիբոսոմը հեռացնում Mdf1-ը՝ սպիտակուցի սինթեզը վերաակտիվացնելու համար:
Այնուամենայնիվ, մեր կառուցվածքը բացահայտեց անհայտ շփում Mdf1-ի և L1 ռիբոսոմի ոտքի միջև (ռիբոսոմի այն հատվածը, որն օգնում է սպիտակուցի սինթեզի ընթացքում ռիբոսոմից դեացիլացված tRNA-ն ազատել):Մասնավորապես, Mdf1-ն օգտագործում է նույն կոնտակտները, ինչ դեացիլացված tRNA մոլեկուլի անկյունային հատվածը (նկ. 2):Նախկինում անհայտ այս մոլեկուլային մոդելավորումը ցույց տվեց, որ Mdf1-ը անջատվում է ռիբոսոմից՝ օգտագործելով նույն մեխանիզմը, ինչ դեացետիլացված tRNA-ն, ինչը բացատրում է, թե ինչպես է ռիբոսոմը հեռացնում ձմեռման այս գործոնը՝ սպիտակուցի սինթեզը նորից ակտիվացնելու համար:
rRNA մոդելը կառուցելիս մենք պարզեցինք, որ E. cuniculi ռիբոսոմն ունի աննորմալ ծալված rRNA բեկորներ, որոնք մենք անվանեցինք միաձուլված rRNA (նկ. 3):Ռիբոսոմներում, որոնք ընդգրկում են կյանքի երեք տիրույթները, rRNA-ն ծալվում է կառուցվածքների մեջ, որոնցում rRNA հիմքերի մեծ մասը կա՛մ բազային զույգ է և ծալվում է միմյանց հետ, կա՛մ փոխազդում է ռիբոսոմային սպիտակուցների հետ38,39,40:Այնուամենայնիվ, E. cuniculi ռիբոսոմներում rRNA-ները, կարծես, խախտում են ծալովի այս սկզբունքը՝ փոխակերպելով իրենց խխունջների մի մասը բացված rRNA շրջանների:
H18 25S rRNA պարույրի կառուցվածքը S. cerevisiae, V. necatrix և E. cuniculi:Սովորաբար, կյանքի երեք տիրույթներն ընդգրկող ռիբոսոմներում այս կապող օղակը պտտվում է ՌՆԹ-ի պարույրի մեջ, որը պարունակում է 24-ից 34 մնացորդ:Microsporidia-ում, ի հակադրություն, այս rRNA կապակցիչը աստիճանաբար կրճատվում է երկու միաշղթա ուրիդինով հարուստ կապողներ, որոնք պարունակում են ընդամենը 12 մնացորդ:Այս մնացորդների մեծ մասը ենթարկվում է լուծիչների:Նկարը ցույց է տալիս, որ մակաբուծական միկրոսպորիդիան, ըստ երևույթին, խախտում է rRNA-ի ծալման ընդհանուր սկզբունքները, որտեղ rRNA հիմքերը սովորաբար զուգակցվում են այլ հիմքերի հետ կամ ներգրավված են rRNA-սպիտակուցի փոխազդեցությունների մեջ:Միկրսպորիդիայում որոշ rRNA բեկորներ ստանում են անբարենպաստ ծալք, որի դեպքում նախկին rRNA պարույրը դառնում է միաշղթա բեկոր, որը ձգվում է գրեթե ուղիղ գծով։Այս անսովոր շրջանների առկայությունը թույլ է տալիս microsporidia rRNA-ին կապել հեռավոր rRNA բեկորները՝ օգտագործելով նվազագույն թվով ՌՆԹ հիմքեր:
Այս էվոլյուցիոն անցման ամենավառ օրինակը կարելի է տեսնել H18 25S rRNA պարույրում (նկ. 3):E. coli-ից մինչև մարդ տեսակների մեջ այս rRNA պարույրի հիմքերը պարունակում են 24-32 նուկլեոտիդներ՝ ձևավորելով մի փոքր անկանոն պարույր:Նախկինում հայտնաբերված ռիբոսոմային կառուցվածքներում V. necatrix-ից և P. locustae-ից31,32 H18 պարույրի հիմքերը մասամբ չոլորված են, սակայն պահպանվել է նուկլեոտիդային հիմքերի զուգավորումը:Այնուամենայնիվ, E. cuniculi-ում այս rRNA բեկորը դառնում է ամենակարճ կապող 228UUUGU232 և 301UUUUUUUUUU307:Ի տարբերություն տիպիկ rRNA բեկորների, ուրիդինով հարուստ այս կապակցիչները չեն ոլորվում կամ լայն շփում չեն ունենում ռիբոսոմային սպիտակուցների հետ:Փոխարենը, նրանք ընդունում են լուծիչով բաց և ամբողջությամբ բացված կառուցվածքներ, որոնցում rRNA շղթաները ձգվում են գրեթե ուղիղ:Այս ձգված կոնֆորմացիան բացատրում է, թե ինչպես է E. cuniculi-ն օգտագործում է ընդամենը 12 ՌՆԹ հիմք՝ H16 և H18 rRNA պարույրների միջև 33 Å բացը լրացնելու համար, մինչդեռ մյուս տեսակների համար պահանջվում է առնվազն երկու անգամ ավելի շատ rRNA հիմք՝ բացը լրացնելու համար:
Այսպիսով, մենք կարող ենք ցույց տալ, որ էներգետիկորեն անբարենպաստ ծալման միջոցով մակաբույծ միկրոսպորիդիան մշակել է ռազմավարություն՝ կրճատելու նույնիսկ այն rRNA հատվածները, որոնք լայնորեն պահպանված են կյանքի երեք տիրույթներում գտնվող տեսակների մեջ:Ըստ երևույթին, կուտակելով մուտացիաներ, որոնք փոխակերպում են rRNA պարույրները կարճ poly-U կապողների, E. cuniculi-ն կարող է ձևավորել արտասովոր rRNA բեկորներ, որոնք պարունակում են հնարավորինս քիչ նուկլեոտիդներ՝ հեռավոր rRNA բեկորների միացման համար:Սա օգնում է բացատրել, թե ինչպես է միկրոսպորիդիան հասել իրենց հիմնական մոլեկուլային կառուցվածքի կտրուկ կրճատման՝ չկորցնելով իրենց կառուցվածքային և ֆունկցիոնալ ամբողջականությունը:
E. cuniculi rRNA-ի մեկ այլ անսովոր հատկանիշ է rRNA-ի տեսքն առանց խտացումների (նկ. 4):Բուլղարները նուկլեոտիդներ են առանց հիմքերի զույգերի, որոնք դուրս են գալիս ՌՆԹ-ի պարույրից՝ դրա մեջ թաքնվելու փոխարեն:rRNA ելուստների մեծ մասը գործում է որպես մոլեկուլային սոսինձներ՝ օգնելով կապել հարակից ռիբոսոմային սպիտակուցները կամ rRNA-ի այլ բեկորներ։Որոշ ուռուցիկներ հանդես են գալիս որպես ծխնիներ՝ թույլ տալով rRNA պարույրին ճկվել և օպտիմալ կերպով ծալվել՝ արտադրողական սպիտակուցի սինթեզի համար 41:
a RRNA ելուստը (S. cerevisiae համարակալում) բացակայում է E. cuniculi ռիբոսոմի կառուցվածքում, բայց առկա է այլ էուկարիոտների մեծ մասում b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens և E. cuniculi ներքին ռիբոսոմներում:մակաբույծները չունեն հնագույն, խիստ պահպանված rRNA ուռուցիկներից շատերը:Այս խտացումները կայունացնում են ռիբոսոմի կառուցվածքը.հետևաբար, դրանց բացակայությունը միկրոսպորիդիայում ցույց է տալիս միկրոսպորիդիական մակաբույծներում rRNA-ի ծալման նվազեցված կայունությունը:Համեմատությունը P ցողունների հետ (L7/L12 ցողուններ բակտերիաներում) ցույց է տալիս, որ rRNA բշտիկների կորուստը երբեմն համընկնում է կորած բշտիկների կողքին նոր բշտիկների առաջացման հետ:H42 պարույրը 23S/28S rRNA-ում ունի հնագույն ուռուցիկ (U1206 Saccharomyces cerevisiae-ում), որը գնահատվում է առնվազն 3,5 միլիարդ տարեկան՝ կյանքի երեք տիրույթներում պաշտպանված լինելու պատճառով:Միկրոսպորիդիայում այս ուռուցիկությունը վերացվում է:Սակայն կորած ուռուցիկության կողքին հայտնվել է նոր ուռուցիկ (A1306 E. cuniculi-ում):
Զարմանալի է, որ մենք պարզեցինք, որ E. cuniculi ռիբոսոմներում բացակայում են այլ տեսակների մոտ հայտնաբերված rRNA ուռուցքների մեծ մասը, ներառյալ ավելի քան 30 ուռուցիկ, որոնք պահպանված են այլ էուկարիոտներում (նկ. 4ա):Այս կորուստը վերացնում է բազմաթիվ շփումները ռիբոսոմային ենթամիավորների և հարակից rRNA խխունջների միջև՝ երբեմն ստեղծելով մեծ խոռոչներ ռիբոսոմի ներսում՝ E. cuniculi ռիբոսոմը դարձնելով ավելի ծակոտկեն՝ համեմատած ավելի ավանդական ռիբոսոմների (նկ. 4b):Հատկանշական է, որ մենք պարզեցինք, որ այս ուռուցիկության մեծ մասը կորել է նաև նախկինում հայտնաբերված V. necatrix և P. locustae ռիբոսոմային կառուցվածքներում, որոնք անտեսվել են նախորդ կառուցվածքային վերլուծությունների կողմից31,32:
Երբեմն rRNA ուռուցիկության կորուստը ուղեկցվում է կորցրած ուռուցիկության կողքին նոր ուռուցիկության առաջացմամբ։Օրինակ, ռիբոսոմային P-ցողունը պարունակում է U1208 ուռուցիկ (Saccharomyces cerevisiae-ում), որը գոյատևել է E. coli-ից մինչև մարդ և, հետևաբար, գնահատվում է, որ այն 3,5 միլիարդ տարեկան է:Սպիտակուցի սինթեզի ժամանակ այս ուռուցիկությունը օգնում է P ցողունին շարժվել բաց և փակ կոնֆորմացիաների միջև, որպեսզի ռիբոսոմը կարողանա հավաքագրել թարգմանիչ գործոնները և դրանք հասցնել ակտիվ տեղամաս:E. cuniculi ռիբոսոմներում այս խտացումը բացակայում է.Այնուամենայնիվ, նոր խտացումը (G883), որը տեղակայված է միայն երեք հիմքերի զույգերով, կարող է նպաստել P ցողունի օպտիմալ ճկունության վերականգնմանը (նկ. 4c):
Մեր տվյալները rRNA-ի վերաբերյալ առանց ուռուցիկության ցույց են տալիս, որ rRNA-ի նվազագույնի հասցնելը չի ​​սահմանափակվում ռիբոսոմի մակերեսի վրա rRNA տարրերի կորստով, այլ կարող է ներառել նաև ռիբոսոմի միջուկը՝ ստեղծելով մակաբույծ-հատուկ մոլեկուլային արատ, որը նկարագրված չէ ազատ կենդանի բջիջներում:նկատվում են կենդանի տեսակներ.
Կանոնական ռիբոսոմային սպիտակուցների և rRNA-ի մոդելավորումից հետո մենք պարզեցինք, որ սովորական ռիբոսոմային բաղադրիչները չեն կարող բացատրել կրիո-EM պատկերի երեք մասերը:Այս բեկորներից երկուսը չափերով փոքր մոլեկուլներ են (նկ. 5, լրացուցիչ նկար 8):Առաջին հատվածը սենդվիչվում է uL15 և eL18 ռիբոսոմային սպիտակուցների միջև մի դիրքում, որը սովորաբար զբաղեցնում է eL18-ի C-վերջը, որը կրճատվում է E. cuniculi-ում:Թեև մենք չենք կարող որոշել այս մոլեկուլի ինքնությունը, այս խտության կղզու չափն ու ձևը լավ բացատրվում է սպերմիդինի մոլեկուլների առկայությամբ:Դրա կապը ռիբոսոմի հետ կայունանում է միկրոսպորիդիային հատուկ մուտացիաներով uL15 սպիտակուցներում (Asp51 և Arg56), որոնք, կարծես, մեծացնում են ռիբոսոմի կապը այս փոքր մոլեկուլի նկատմամբ, քանի որ թույլ են տալիս uL15-ին փաթաթել փոքր մոլեկուլը ռիբոսոմային կառուցվածքի մեջ:Լրացուցիչ նկար 2):8, լրացուցիչ տվյալներ 1, 2):
Կրիո-EM պատկերացում, որը ցույց է տալիս նուկլեոտիդների առկայությունը ռիբոզից դուրս՝ կապված E. cuniculi ռիբոսոմի հետ:E. cuniculi ռիբոսոմում այս նուկլեոտիդը զբաղեցնում է նույն տեղը, ինչ 25S rRNA A3186 նուկլեոտիդը (Saccharomyces cerevisiae համարակալում) էուկարիոտիկ ռիբոսոմների մեծ մասում:բ E. cuniculi-ի ռիբոսոմային կառուցվածքում այս նուկլեոտիդը գտնվում է uL9 և eL20 ռիբոսոմային սպիտակուցների միջև՝ դրանով իսկ կայունացնելով շփումը երկու սպիտակուցների միջև:cd eL20 հաջորդականության պահպանման վերլուծություն միկրոսպորիդիայի տեսակների մեջ:Microsporidia տեսակների ֆիլոգենետիկ ծառը (c) և eL20 սպիտակուցի բազմակի հաջորդականությունը (d) ցույց են տալիս, որ նուկլեոտիդ կապող մնացորդները F170 և K172 պահպանված են տիպիկ Microsporidia-ում, բացառությամբ S. lophii-ի, բացառությամբ վաղ ճյուղավորվող RRNA-ի, որը ES3e Այս նկարը ցույց է տալիս, որ նուկլեոտիդ կապող մնացորդները F170 և K172 առկա են միայն բարձր կրճատված միկրոսպորիդիայի գենոմի eL20-ում, բայց ոչ այլ էուկարիոտներում:Ընդհանուր առմամբ, այս տվյալները ցույց են տալիս, որ Microsporidian ribosomes-ը ստեղծել է նուկլեոտիդային կապող տեղ, որը կարծես կապում է AMP մոլեկուլները և օգտագործում դրանք՝ կայունացնելու սպիտակուց-սպիտակուց փոխազդեցությունը ռիբոսոմային կառուցվածքում:Microsporidia-ում այս կապող տեղամասի բարձր պահպանումը և այլ էուկարիոտներում դրա բացակայությունը վկայում են այն մասին, որ այս տեղանքը կարող է ապահովել Microsporidia-ի համար ընտրովի գոյատևման առավելություն:Այսպիսով, միկրոսպորիդիայի ռիբոսոմում նուկլեոտիդը կապող գրպանը կարծես թե այլասերված հատկանիշ կամ rRNA-ի դեգրադացիայի վերջնական ձև չէ, ինչպես նախկինում նկարագրված էր, այլ ավելի շուտ օգտակար էվոլյուցիոն նորամուծություն, որը թույլ է տալիս միկրոսպորիդիայի ռիբոսոմին ուղղակիորեն կապել փոքր մոլեկուլները՝ դրանք օգտագործելով որպես մոլեկուլային կառուցողական նյութ:Ռիբոսոմների կառուցման բլոկներ.Այս հայտնագործությունը դարձնում է միկրոսպորիդիային ռիբոսոմը միակ ռիբոսոմը, որը հայտնի է, որ օգտագործում է մեկ նուկլեոտիդ՝ որպես իր կառուցվածքային շինանյութ:f Հիպոթետիկ էվոլյուցիոն ուղի, որը ստացվում է նուկլեոտիդների կապումից:
Երկրորդ ցածր մոլեկուլային քաշի խտությունը գտնվում է uL9 և eL30 ռիբոսոմային սպիտակուցների միջերեսում (նկ. 5ա):Այս ինտերֆեյսը նախկինում նկարագրված էր Saccharomyces cerevisiae ribosome-ի կառուցվածքում՝ որպես rRNA A3186-ի 25S նուկլեոտիդի (ES39L rRNA ընդլայնման մաս) կապող տեղամաս38:Ցույց է տրվել, որ այլասերված P. locustae ES39L ռիբոսոմներում այս միջերեսը կապում է անհայտ մեկ նուկլեոտիդ 31, և ենթադրվում է, որ այս նուկլեոտիդը rRNA-ի կրճատված վերջնական ձևն է, որի մեջ rRNA-ի երկարությունը ~130-230 հիմք է:ES39L-ը վերածվում է մեկ նուկլեոտիդի՝ 32.43:Մեր կրիո-EM պատկերները հաստատում են այն գաղափարը, որ խտությունը կարելի է բացատրել նուկլեոտիդներով:Այնուամենայնիվ, մեր կառուցվածքի ավելի բարձր լուծաչափը ցույց տվեց, որ այս նուկլեոտիդը արտառիբոսոմային մոլեկուլ է, հնարավոր է AMP (նկ. 5ա, բ):
Այնուհետև մենք հարցրեցինք, թե արդյոք նուկլեոտիդների կապակցման վայրը հայտնվել է E. cuniculi ռիբոսոմում, թե նախկինում գոյություն ուներ:Քանի որ նուկլեոտիդների կապը հիմնականում միջնորդվում է Phe170 և Lys172 մնացորդներով eL30 ռիբոսոմային սպիտակուցում, մենք գնահատեցինք այս մնացորդների պահպանումը 4396 ներկայացուցչական էուկարիոտներում:Ինչպես վերը նշված uL15-ի դեպքում, մենք գտանք, որ Phe170 և Lys172 մնացորդները խիստ պահպանված են միայն տիպիկ միկրոսպորիդիայում, բայց բացակայում են այլ էուկարիոտներում, ներառյալ ատիպիկ Microsporidia Mitosporidium-ը և Amphiamblys-ը, որոնցում ES39L rRNA հատվածը չի կրճատվում: Fig 454,-ե).
Այս տվյալները միասին վերցրած հաստատում են այն գաղափարը, որ E. cuniculi-ն և, հնարավոր է, այլ կանոնական միկրոսպորիդիաները զարգացրել են ռիբոսոմի կառուցվածքում մեծ քանակությամբ փոքր մետաբոլիտներ արդյունավետորեն գրավելու կարողությունը՝ փոխհատուցելու rRNA-ի և սպիտակուցի մակարդակների անկումը:Դրանով նրանք զարգացրել են ռիբոսոմից դուրս նուկլեոտիդները կապելու եզակի ունակություն՝ ցույց տալով, որ մակաբույծ մոլեկուլային կառուցվածքները փոխհատուցում են առատ փոքր մետաբոլիտներ բռնելով և դրանք որպես քայքայված ՌՆԹ-ի և սպիտակուցի բեկորների կառուցվածքային նմանակներ օգտագործելու միջոցով:.
Մեր կրիո-ԷՄ քարտեզի երրորդ չսիմուլյացված մասը, որը հայտնաբերվել է մեծ ռիբոսոմային ենթամասում:Մեր քարտեզի համեմատաբար բարձր լուծաչափը (2,6 Å) ցույց է տալիս, որ այս խտությունը պատկանում է մեծ կողային շղթայի մնացորդների եզակի համակցություններով սպիտակուցներին, ինչը թույլ տվեց մեզ ճանաչել այս խտությունը որպես նախկինում անհայտ ռիբոսոմային սպիտակուց, որը մենք նույնացրինք որպես msL2 (Microsporidia-specific protein L2) (մեթոդներ, նկար 6):Մեր հոմոլոգիայի որոնումը ցույց տվեց, որ msL2-ը պահպանված է Encephaliter և Orosporidium սեռի Microsporidia clade-ում, բայց բացակայում է այլ տեսակների, այդ թվում՝ այլ Microsporidia-ների մեջ:Ռիբոսոմային կառուցվածքում msL2-ը զբաղեցնում է բացը, որը ձևավորվել է ընդլայնված ES31L rRNA-ի կորստից:Այս դատարկության մեջ msL2-ն օգնում է կայունացնել rRNA-ի ծալումը և կարող է փոխհատուցել ES31L-ի կորուստը (Նկար 6):
E. cuniculi ռիբոսոմներում հայտնաբերված Microsporidia-ին հատուկ ռիբոսոմային սպիտակուցի msL2 էլեկտրոնի խտությունը և մոդելը:բ Էուկարիոտիկ ռիբոսոմների մեծ մասում, ներառյալ Saccharomyces cerevisiae-ի 80S ռիբոսոմը, ES19L rRNA ուժեղացումն անհետացել է միկրոսպորիդի տեսակների մեծ մասում:V. necatrix microsporidia ռիբոսոմի նախկինում հաստատված կառուցվածքը ենթադրում է, որ այս մակաբույծներում ES19L-ի կորուստը փոխհատուցվում է նոր msL1 ռիբոսոմային սպիտակուցի էվոլյուցիայի միջոցով:Այս ուսումնասիրության ընթացքում մենք պարզեցինք, որ E. cuniculi ռիբոսոմը նաև զարգացրել է լրացուցիչ ռիբոսոմային ՌՆԹ-ի նմանակող սպիտակուց՝ որպես ES19L-ի կորստի ակնհայտ փոխհատուցում:Այնուամենայնիվ, msL2-ը (ներկայումս նշվում է որպես հիպոթետիկ ECU06_1135 սպիտակուց) և msL1-ն ունեն տարբեր կառուցվածքային և էվոլյուցիոն ծագում:c Էվոլյուցիոն առումով անկապ msL1 և msL2 ռիբոսոմային սպիտակուցների առաջացման այս հայտնագործությունը ցույց է տալիս, որ եթե ռիբոսոմները կուտակեն վնասակար մուտացիաներ իրենց rRNA-ում, նրանք կարող են հասնել բաղադրամասային բազմազանության աննախադեպ մակարդակների նույնիսկ սերտ հարակից տեսակների փոքր ենթախմբում:Այս հայտնագործությունը կարող է օգնել պարզաբանել միտոքոնդրիալ ռիբոսոմի ծագումն ու էվոլյուցիան, որը հայտնի է իր խիստ կրճատված rRNA և տեսակների մեջ սպիտակուցի կազմի աննորմալ փոփոխականությամբ:
Այնուհետև մենք համեմատեցինք msL2 սպիտակուցը նախկինում նկարագրված msL1 սպիտակուցի՝ միակ հայտնի միկրոսպորիդիային հատուկ ռիբոսոմային սպիտակուցի հետ, որը հայտնաբերվել է V. necatrix ռիբոսոմում:Մենք ուզում էինք ստուգել, ​​թե արդյոք msL1-ը և msL2-ը կապված են էվոլյուցիոն առումով:Մեր վերլուծությունը ցույց տվեց, որ msL1-ը և msL2-ը զբաղեցնում են նույն խոռոչը ռիբոսոմային կառուցվածքում, սակայն ունեն տարբեր առաջնային և երրորդական կառուցվածքներ, ինչը ցույց է տալիս նրանց անկախ էվոլյուցիոն ծագումը (նկ. 6):Այսպիսով, msL2-ի մեր հայտնաբերումը վկայում է այն մասին, որ կոմպակտ էուկարիոտ տեսակների խմբերը կարող են ինքնուրույն զարգացնել կառուցվածքային հստակ ռիբոսոմային սպիտակուցներ՝ փոխհատուցելու rRNA բեկորների կորուստը:Այս բացահայտումը հատկանշական է նրանով, որ ցիտոպլազմային էուկարիոտիկ ռիբոսոմների մեծ մասը պարունակում է անփոփոխ սպիտակուց, ներառյալ 81 ռիբոսոմային սպիտակուցներից բաղկացած նույն ընտանիքը:msL1-ի և msL2-ի հայտնվելը միկրոսպորիդիայի տարբեր կլադներում՝ ի պատասխան ընդլայնված rRNA հատվածների կորստի, ենթադրում է, որ մակաբույծի մոլեկուլային ճարտարապետության դեգրադացիան ստիպում է մակաբույծներին փոխհատուցող մուտացիաներ փնտրել, ինչը կարող է ի վերջո հանգեցնել դրանց ձեռքբերման տարբեր մակաբույծների պոպուլյացիաներում:կառույցները։
Վերջապես, երբ մեր մոդելն ավարտվեց, մենք համեմատեցինք E. cuniculi ռիբոսոմի կազմը գենոմի հաջորդականությունից կանխատեսվածի հետ:Մի քանի ռիբոսոմային սպիտակուցներ, ներառյալ eL14, eL38, eL41 և eS30, նախկինում ենթադրվում էր, որ բացակայում են E. cuniculi գենոմից՝ E. cuniculi գենոմում դրանց հոմոլոգների ակնհայտ բացակայության պատճառով:Բազմաթիվ ռիբոսոմային սպիտակուցների կորուստ կանխատեսվում է նաև այլ բարձր կրճատված ներբջջային մակաբույծների և էնդոսիմբիոնների մեծ մասում:Օրինակ, չնայած ազատ ապրող բակտերիաների մեծամասնությունը պարունակում է 54 ռիբոսոմային սպիտակուցների միևնույն ընտանիքը, այս սպիտակուցային ընտանիքներից միայն 11-ն ունեն հայտնաբերելի հոմոլոգներ հյուրընկալող սահմանափակ բակտերիաների յուրաքանչյուր վերլուծված գենոմում:Ի պաշտպանություն այս հասկացության, փորձնականորեն նկատվել է ռիբոսոմային սպիտակուցների կորուստ V. necatrix և P. locustae microsporidia-ում, որոնք չունեն eL38 և eL4131,32 սպիտակուցներ:
Այնուամենայնիվ, մեր կառուցվածքները ցույց են տալիս, որ միայն eL38, eL41 և eS30 են իրականում կորչում E. cuniculi ռիբոսոմում:eL14 սպիտակուցը պահպանվել է, և մեր կառուցվածքը ցույց է տվել, թե ինչու այս սպիտակուցը չի կարող հայտնաբերվել հոմոլոգիայի որոնման մեջ (նկ. 7):E. cuniculi ռիբոսոմներում eL14 կապող տեղամասի մեծ մասը կորչում է rRNA-ով ուժեղացված ES39L-ի քայքայման պատճառով:ES39L-ի բացակայության դեպքում eL14-ը կորցրեց իր երկրորդական կառուցվածքի մեծ մասը, և eL14 հաջորդականության միայն 18%-ն էր նույնական E. cuniculi-ում և S. cerevisiae-ում:Այս վատ հաջորդականության պահպանումը ուշագրավ է, քանի որ նույնիսկ Saccharomyces cerevisiae-ն և Homo sapiens-ը՝ օրգանիզմները, որոնք զարգացել են միմյանցից 1,5 միլիարդ տարի տարբերությամբ, կիսում են eL14-ի նույն մնացորդների ավելի քան 51%-ը:Պահպանման այս անոմալ կորուստը բացատրում է, թե ինչու E. cuniculi eL14-ը ներկայումս նշվում է որպես ենթադրյալ M970_061160 սպիտակուց և ոչ թե որպես eL1427 ռիբոսոմային սպիտակուց:
և Microsporidia ռիբոսոմը կորցրեց ES39L rRNA ընդլայնումը, որը մասամբ վերացրեց eL14 ռիբոսոմային սպիտակուցի հետ կապող տեղը:ES39L-ի բացակայության դեպքում eL14 միկրոսպորային սպիտակուցը ենթարկվում է երկրորդական կառուցվածքի կորստի, որի դեպքում նախկին rRNA կապող α-խխունջը վերածվում է նվազագույն երկարության օղակի:b Բազմաթիվ հաջորդականության դասավորվածությունը ցույց է տալիս, որ eL14 սպիտակուցը խիստ պահպանված է էուկարիոտ տեսակների մեջ (57% հաջորդականության նույնականացում խմորիչի և մարդու հոմոլոգների միջև), բայց վատ պահպանված և տարբերվում է միկրոսպորիդիայում (որում մնացորդների 24%-ից ոչ ավելին նույնական են eL14 հոմոլոգին):S. cerevisiae-ից կամ H. sapiens-ից):Այս վատ հաջորդականության պահպանումը և երկրորդական կառուցվածքի փոփոխականությունը բացատրում են, թե ինչու eL14 հոմոլոգը երբեք չի հայտնաբերվել E. cuniculi-ում և ինչու է ենթադրվում, որ այս սպիտակուցը կորել է E. cuniculi-ում:Ի հակադրություն, E. cuniculi eL14-ը նախկինում նշվել է որպես ենթադրյալ M970_061160 սպիտակուց:Այս դիտարկումը ցույց է տալիս, որ միկրոսպորիդիայի գենոմի բազմազանությունը ներկայումս գերագնահատված է. որոշ գեներ, որոնք ներկայումս համարվում են միկրոսպորիդիայում կորած, իրականում պահպանվել են, թեև խիստ տարբերակված ձևերով.Փոխարենը, ենթադրվում է, որ որոշները կոդավորում են միկրոսպորիդիայի գեները որդին հատուկ սպիտակուցների համար (օրինակ՝ M970_061160 հիպոթետիկ սպիտակուցը) իրականում կոդավորում է այլ էուկարիոտներում հայտնաբերված շատ բազմազան սպիտակուցներ:
Այս բացահայտումը ցույց է տալիս, որ rRNA-ի դենատուրացիան կարող է հանգեցնել հարակից ռիբոսոմային սպիտակուցների հաջորդականության պահպանման կտրուկ կորստի՝ այդ սպիտակուցները դարձնելով աննկատելի հոմոլոգիայի որոնման համար:Այսպիսով, մենք կարող ենք գերագնահատել մոլեկուլային դեգրադացիայի իրական աստիճանը փոքր գենոմային օրգանիզմներում, քանի որ որոշ սպիտակուցներ, որոնք համարվում են կորած, իրականում պահպանվում են, թեև խիստ փոփոխված ձևերով:
Ինչպե՞ս կարող են մակաբույծները պահպանել իրենց մոլեկուլային մեքենաների գործառույթը գենոմի ծայրահեղ կրճատման պայմաններում:Մեր ուսումնասիրությունը պատասխանում է այս հարցին՝ նկարագրելով E. cuniculi-ի բարդ մոլեկուլային կառուցվածքը (ռիբոսոմը՝ էվկարիոտային ամենափոքր գենոմներից մեկով) օրգանիզմ:
Գրեթե երկու տասնամյակ հայտնի է, որ մանրէաբանական մակաբույծների սպիտակուցի և ՌՆԹ-ի մոլեկուլները հաճախ տարբերվում են ազատ կենդանի տեսակների իրենց հոմոլոգ մոլեկուլներից, քանի որ դրանք չունեն որակի վերահսկման կենտրոններ, կրճատվում են իրենց չափի 50%-ով ազատ ապրող մանրէներում և այլն:շատ թուլացնող մուտացիաներ, որոնք խաթարում են ծալումը և գործառույթը:Օրինակ, փոքր գենոմային օրգանիզմների ռիբոսոմները, ներառյալ բազմաթիվ ներբջջային մակաբույծներ և էնդոսիմբիոնտներ, ակնկալվում է, որ չունեն մի քանի ռիբոսոմային սպիտակուցներ և rRNA նուկլեոտիդների մինչև մեկ երրորդը` համեմատած ազատ ապրող տեսակների 27, 29, 30, 49-ի հետ:
Մեր ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ մակրոմոլեկուլների կառուցվածքը կարող է բացահայտել էվոլյուցիայի բազմաթիվ ասպեկտներ, որոնք դժվար է արդյունահանել ներբջջային մակաբույծների և հյուրընկալող սահմանափակված այլ օրգանիզմների ավանդական համեմատական ​​գենոմային ուսումնասիրություններից (Լրացուցիչ Նկ. 7):Օրինակ, eL14 սպիտակուցի օրինակը ցույց է տալիս, որ մենք կարող ենք գերագնահատել մակաբույծ տեսակների մոլեկուլային ապարատի դեգրադացիայի իրական աստիճանը:Այժմ ենթադրվում է, որ էնցեֆալիտիկ մակաբույծներն ունեն հարյուրավոր միկրոսպորիդիային հատուկ գեներ:Այնուամենայնիվ, մեր արդյունքները ցույց են տալիս, որ այս թվացյալ հատուկ գեներից մի քանիսը իրականում գեների շատ տարբեր տարբերակներ են, որոնք տարածված են այլ էուկարիոտներում:Ավելին, msL2 սպիտակուցի օրինակը ցույց է տալիս, թե ինչպես ենք մենք անտեսում նոր ռիբոսոմային սպիտակուցները և թերագնահատում մակաբուծական մոլեկուլային մեքենաների պարունակությունը:Փոքր մոլեկուլների օրինակը ցույց է տալիս, թե ինչպես մենք կարող ենք անտեսել մակաբուծական մոլեկուլային կառույցների ամենահնարամիտ նորարարությունները, որոնք կարող են նրանց նոր կենսաբանական ակտիվություն հաղորդել:
Միասին այս արդյունքները բարելավում են մեր ըմբռնումը հյուրընկալողի կողմից սահմանափակված օրգանիզմների մոլեկուլային կառուցվածքների և ազատ կենդանի օրգանիզմների նրանց նմանների միջև եղած տարբերությունների մասին:Մենք ցույց ենք տալիս, որ մոլեկուլային մեքենաները, որոնք երկար ժամանակ համարվում էին կրճատված, այլասերված և տարբեր թուլացնող մուտացիաների ենթարկված, փոխարենը ունեն համակարգված կերպով անտեսված անսովոր կառուցվածքային առանձնահատկություններ:
Մյուս կողմից, ոչ մեծածավալ rRNA բեկորները և միաձուլված բեկորները, որոնք մենք հայտնաբերեցինք E. cuniculi-ի ռիբոսոմներում, հուշում են, որ գենոմի կրճատումը կարող է փոխել հիմնական մոլեկուլային մեխանիզմի նույնիսկ այն մասերը, որոնք պահպանվում են կյանքի երեք տիրույթներում՝ գրեթե 3,5 միլիարդ տարի հետո:տեսակների անկախ էվոլյուցիան.
E. cuniculi ռիբոսոմներում ուռուցիկ և միաձուլված rRNA բեկորները առանձնահատուկ հետաքրքրություն են ներկայացնում էնդոսիմբիոտիկ բակտերիաներում ՌՆԹ մոլեկուլների նախորդ ուսումնասիրությունների լույսի ներքո:Օրինակ, աֆիդների էնդոսիմբիոնտում Buchnera aphidicola, rRNA և tRNA մոլեկուլները ցույց են տվել, որ ունեն ջերմաստիճանի նկատմամբ զգայուն կառուցվածքներ A+T կազմի շեղումների և ոչ կանոնական հիմքերի զույգերի մեծ մասնաբաժնի պատճառով20,50:ՌՆԹ-ի այս փոփոխությունները, ինչպես նաև սպիտակուցի մոլեկուլների փոփոխությունները, այժմ համարվում են, որ պատասխանատու են գործընկերներից էնդոսիմբիոնտների գերկախվածության և էնդոսիմբիոնտների ջերմությունը փոխանցելու անկարողության համար 21, 23:Չնայած մակաբույծ microsporidia rRNA-ն ունի կառուցվածքային հստակ փոփոխություններ, այդ փոփոխությունների բնույթը ցույց է տալիս, որ կրճատված ջերմային կայունությունը և շապերոնային սպիտակուցներից ավելի մեծ կախվածությունը կարող են լինել ՌՆԹ մոլեկուլների ընդհանուր հատկանիշները նվազեցված գենոմներով օրգանիզմներում:
Մյուս կողմից, մեր կառուցվածքները ցույց են տալիս, որ մակաբույծ միկրոսպորիդիան զարգացրել է լայնորեն պահպանված rRNA և սպիտակուցային բեկորներին դիմակայելու եզակի կարողություն՝ զարգացնելով առատ և մատչելի փոքր մետաբոլիտների օգտագործման ունակությունը՝ որպես այլասերված rRNA և սպիտակուցային բեկորների կառուցվածքային նմանակներ:Մոլեկուլային կառուցվածքի քայքայումը..Այս կարծիքը հաստատում է այն փաստը, որ փոքր մոլեկուլները, որոնք փոխհատուցում են սպիտակուցի բեկորների կորուստը rRNA-ում և E. cuniculi-ի ռիբոսոմներում, կապվում են uL15 և eL30 սպիտակուցների միկրոսպորիդիային հատուկ մնացորդներին:Սա ենթադրում է, որ փոքր մոլեկուլների միացումը ռիբոսոմներին կարող է լինել դրական ընտրության արդյունք, որի դեպքում ռիբոսոմային սպիտակուցների միկրոսպորիդիային հատուկ մուտացիաները ընտրվել են փոքր մոլեկուլների նկատմամբ ռիբոսոմների կապը մեծացնելու ունակության համար, ինչը կարող է հանգեցնել ավելի արդյունավետ ռիբոսոմային օրգանիզմների:Բացահայտումը բացահայտում է խելացի նորարարություն մանրէաբանական մակաբույծների մոլեկուլային կառուցվածքում և մեզ ավելի լավ պատկերացում է տալիս, թե ինչպես են մակաբույծների մոլեկուլային կառույցները պահպանում իրենց գործառույթը՝ չնայած ռեդուկտիվ էվոլյուցիային:
Ներկայումս այս փոքր մոլեկուլների նույնականացումը մնում է անհասկանալի:Անհասկանալի է, թե ինչու է այս փոքր մոլեկուլների տեսքը ռիբոսոմային կառուցվածքում տարբերվում միկրոսպորիդիայի տեսակների միջև:Մասնավորապես, պարզ չէ, թե ինչու է նուկլեոտիդային կապը նկատվում E. cuniculi-ի և P. locustae-ի ռիբոսոմներում, և ոչ V. necatrix-ի ռիբոսոմներում, չնայած V. necatrix-ի eL20 և K172 սպիտակուցներում F170 մնացորդի առկայությանը:Այս ջնջումը կարող է առաջանալ 43 uL6 մնացորդով (գտնվում է նուկլեոտիդային կապող գրպանի մոտ), որը թիրոզին է V. necatrix-ում և ոչ թրեոնինը E. cuniculi-ում և P. locustae-ում:Tyr43-ի մեծածավալ անուշաբույր կողային շղթան կարող է խանգարել նուկլեոտիդների միացմանը՝ ստերիկ համընկնման պատճառով:Որպես այլընտրանք, նուկլեոտիդների ակնհայտ ջնջումը կարող է պայմանավորված լինել կրիո-EM պատկերավորման ցածր լուծաչափով, որը խոչընդոտում է V. necatrix ռիբոսոմային բեկորների մոդելավորմանը:
Մյուս կողմից, մեր աշխատանքը հուշում է, որ գենոմի քայքայման գործընթացը կարող է լինել հնարամիտ ուժ:Մասնավորապես, E. cuniculi ռիբոսոմի կառուցվածքը հուշում է, որ միկրոսպորիդիայի ռիբոսոմում rRNA-ի և սպիտակուցի բեկորների կորուստը ստեղծում է էվոլյուցիոն ճնշում, որը նպաստում է ռիբոսոմի կառուցվածքի փոփոխություններին:Այս տարբերակները տեղի են ունենում ռիբոսոմի ակտիվ տեղամասից հեռու և օգնում են պահպանել (կամ վերականգնել) ռիբոսոմի օպտիմալ համախմբումը, որը հակառակ դեպքում կխախտվեր նվազեցված rRNA-ի պատճառով:Սա ենթադրում է, որ միկրոսպորիդիայի ռիբոսոմի հիմնական նորամուծությունը, ըստ երևույթին, վերածվել է գեների շեղումը բուֆերացնելու անհրաժեշտության:
Թերևս դա լավագույնս ցույց է տալիս նուկլեոտիդային կապը, որը մինչ այժմ երբեք չի նկատվել այլ օրգանիզմների մոտ:Այն փաստը, որ նուկլեոտիդ կապող մնացորդները առկա են տիպիկ միկրոսպորիդիայում, բայց ոչ այլ էուկարիոտներում, հուշում է, որ նուկլեոտիդ կապող վայրերը պարզապես մասունքներ չեն, որոնք սպասում են անհետացման, կամ վերջնական տեղ, որտեղ rRNA-ն պետք է վերականգնվի առանձին նուկլեոտիդների տեսքով:Փոխարենը, այս կայքը կարծես օգտակար հատկություն է, որը կարող էր զարգանալ դրական ընտրության մի քանի փուլերի ընթացքում:Նուկլեոտիդների կապակցման վայրերը կարող են լինել բնական ընտրության կողմնակի արդյունք. երբ ES39L-ը քայքայվում է, միկրոսպորիդիան ստիպված է լինում փոխհատուցում փնտրել՝ վերականգնելու ռիբոսոմների օպտիմալ կենսագենեզը ES39L-ի բացակայության դեպքում:Քանի որ այս նուկլեոտիդը կարող է ընդօրինակել A3186 նուկլեոտիդի մոլեկուլային շփումները ES39L-ում, նուկլեոտիդի մոլեկուլը դառնում է ռիբոսոմի շինանյութ, որի կապն էլ ավելի է բարելավվում eL30 հաջորդականության մուտացիայով:
Ինչ վերաբերում է ներբջջային մակաբույծների մոլեկուլային էվոլյուցիայի, մեր ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ դարվինյան բնական ընտրության ուժերը և գենոմի քայքայման գենետիկ դրեյֆը զուգահեռ չեն գործում, այլ տատանվում են:Նախ, գենետիկ շեղումը վերացնում է բիոմոլեկուլների կարևոր առանձնահատկությունները՝ փոխհատուցումը դարձնելով խիստ անհրաժեշտ:Միայն այն դեպքում, երբ մակրոմոլեկուլները բավարարեն այս կարիքը դարվինյան բնական ընտրության միջոցով, նրանց մակրոմոլեկուլները հնարավորություն կունենան զարգացնելու իրենց ամենատպավորիչ և նորարարական հատկությունները:Կարևորն այն է, որ E. cuniculi ռիբոսոմում նուկլեոտիդների կապակցման վայրերի էվոլյուցիան ենթադրում է, որ մոլեկուլային էվոլյուցիայի այս կորստի արդյունքը ոչ միայն ամորտիզացնում է վնասակար մուտացիաները, այլ երբեմն բոլորովին նոր գործառույթներ է հաղորդում մակաբուծական մակրոմոլեկուլներին:
Այս գաղափարը համահունչ է Սյուել Ռայթի շարժվող հավասարակշռության տեսությանը, որն ասում է, որ բնական ընտրության խիստ համակարգը սահմանափակում է օրգանիզմների նորարարության կարողությունը51,52,53:Այնուամենայնիվ, եթե գենետիկական դրեյֆը խախտում է բնական ընտրությունը, այդ շեղումները կարող են առաջացնել փոփոխություններ, որոնք ինքնին հարմարվողական չեն (կամ նույնիսկ վնասակար), բայց կհանգեցնեն հետագա փոփոխությունների, որոնք ապահովում են ավելի բարձր ֆիթնես կամ նոր կենսաբանական ակտիվություն:Մեր շրջանակն աջակցում է այս գաղափարին` ցույց տալով, որ նույն տեսակի մուտացիան, որը նվազեցնում է բիոմոլեկուլի ծալքը և գործառույթը, թվում է, որ դրա բարելավման հիմնական խթանն է:Հաղթող-հաղթող էվոլյուցիոն մոդելին համահունչ՝ մեր ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ գենոմի քայքայումը, որը ավանդաբար դիտվում է որպես դեգեներատիվ գործընթաց, նաև նորարարության հիմնական շարժիչ ուժն է, որը երբեմն և նույնիսկ հաճախ թույլ է տալիս մակրոմոլեկուլներին ձեռք բերել նոր մակաբուծական գործողություններ:կարող են օգտագործել դրանք: