Շնորհակալություն Nature.com կայք այցելելու համար: Ձեր օգտագործած դիտարկիչի տարբերակն ունի սահմանափակ CSS աջակցություն: Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Մինչդեռ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար, մենք կայքը կցուցադրենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Միկրոբային մակաբույծների էվոլյուցիան ներառում է բնական ընտրության, որը հանգեցնում է մակաբույծների կատարելագործմանը, և գենետիկ դրիֆիտի միջև հակազդեցություն, որը հանգեցնում է մակաբույծների կողմից գեների կորստին և վնասակար մուտացիաների կուտակմանը: Այստեղ, որպեսզի հասկանանք, թե ինչպես է այս հակազդեցությունը տեղի ունենում մեկ մակրոմոլեկուլի մասշտաբով, մենք նկարագրում ենք Encephalitozoon cuniculi-ի ռիբոսոմի կրիո-ԷՄ կառուցվածքը, որը բնության մեջ ամենափոքր գենոմներից մեկն ունեցող էուկարիոտ օրգանիզմ է: E. cuniculi ռիբոսոմներում rRNA-ի ծայրահեղ կրճատումը ուղեկցվում է աննախադեպ կառուցվածքային փոփոխություններով, ինչպիսիք են նախկինում անհայտ միաձուլված rRNA կապիչների և առանց ուռուցիկների rRNA-ի էվոլյուցիան: Բացի այդ, E. cuniculi ռիբոսոմը գոյատևել է rRNA բեկորների և սպիտակուցների կորստից հետո՝ զարգացնելով փոքր մոլեկուլները որպես քայքայված rRNA բեկորների և սպիտակուցների կառուցվածքային նմանակողներ օգտագործելու ունակությունը: Ընդհանուր առմամբ, մենք ցույց ենք տալիս, որ մոլեկուլային կառուցվածքները, որոնք երկար ժամանակ համարվում էին կրճատված, այլասերված և թուլացնող մուտացիաների ենթակա, ունեն մի շարք փոխհատուցող մեխանիզմներ, որոնք դրանք ակտիվ են պահում ծայրահեղ մոլեկուլային կծկումներից անկախ:
Քանի որ մանրէային մակաբույծների խմբերի մեծ մասն ունի յուրահատուկ մոլեկուլային գործիքներ իրենց տերերին օգտագործելու համար, մենք հաճախ ստիպված ենք մշակել տարբեր թերապևտիկ միջոցներ մակաբույծների տարբեր խմբերի համար1,2: Այնուամենայնիվ, նոր ապացույցները ցույց են տալիս, որ մակաբույծի էվոլյուցիայի որոշ ասպեկտներ համընկնում են և մեծ մասամբ կանխատեսելի, ինչը վկայում է մանրէային մակաբույծների դեմ լայն թերապևտիկ միջամտությունների հնարավոր հիմքի մասին3,4,5,6,7,8,9:
Նախորդ աշխատանքները բացահայտել են մանրէային մակաբույծների մոտ տարածված էվոլյուցիոն միտում, որը կոչվում է գենոմի կրճատում կամ գենոմի քայքայում10,11,12,13: Ներկայիս հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ երբ միկրոօրգանիզմները հրաժարվում են իրենց ազատ ապրելակերպից և դառնում են ներբջջային մակաբույծներ (կամ էնդոսիմբիոնտներ), նրանց գենոմները միլիոնավոր տարիների ընթացքում ենթարկվում են դանդաղ, բայց զարմանալի մետամորֆոզների9,11: Գենոմի քայքայում կոչվող գործընթացում մանրէային մակաբույծները կուտակում են վնասակար մուտացիաներ, որոնք նախկինում կարևոր շատ գեներ վերածում են պսևդոգեների, ինչը հանգեցնում է գեների աստիճանական կորստի և մուտացիոն փլուզման14,15: Այս փլուզումը կարող է ոչնչացնել ամենահին ներբջջային օրգանիզմների գեների մինչև 95%-ը՝ համեմատած ազատ ապրող սերտորեն կապված տեսակների հետ: Այսպիսով, ներբջջային մակաբույծների էվոլյուցիան երկու հակադիր ուժերի միջև պայքար է. դարվինյան բնական ընտրությունը, որը հանգեցնում է մակաբույծների կատարելագործմանը, և գենոմի փլուզումը, որը մակաբույծներին նետում է մոռացության: Թե ինչպես է մակաբույծը կարողացել դուրս գալ այս պայքարից և պահպանել իր մոլեկուլային կառուցվածքի ակտիվությունը, մնում է անհասկանալի:
Չնայած գենոմի քայքայման մեխանիզմը լիովին հասկանալի չէ, այն, կարծես, հիմնականում տեղի է ունենում հաճախակի գենետիկ դրեյֆի պատճառով: Քանի որ մակաբույծները ապրում են փոքր, անսեռ և գենետիկորեն սահմանափակ պոպուլյացիաներով, նրանք չեն կարող արդյունավետորեն վերացնել վնասակար մուտացիաները, որոնք երբեմն տեղի են ունենում ԴՆԹ-ի կրկնապատկման ընթացքում: Սա հանգեցնում է վնասակար մուտացիաների անդառնալի կուտակման և մակաբույծի գենոմի կրճատման: Արդյունքում, մակաբույծը ոչ միայն կորցնում է այն գեները, որոնք այլևս անհրաժեշտ չեն բջջային միջավայրում իր գոյատևման համար: Հենց մակաբույծների պոպուլյացիաների անկարողությունն է արդյունավետորեն վերացնելու սպորադիկ վնասակար մուտացիաները, ինչը հանգեցնում է այդ մուտացիաների կուտակմանը ամբողջ գենոմում, ներառյալ դրանց ամենակարևոր գեները:
Գենոմի վերականգնման մեր ներկայիս պատկերացումների մեծ մասը հիմնված է բացառապես գենոմի հաջորդականությունների համեմատությունների վրա՝ ավելի քիչ ուշադրություն դարձնելով իրական մոլեկուլների փոփոխություններին, որոնք կատարում են տնային գործառույթներ և ծառայում են որպես դեղամիջոցների պոտենցիալ թիրախներ: Համեմատական ​​ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ վնասակար ներբջջային մանրէային մուտացիաների բեռը, կարծես, նախատրամադրում է սպիտակուցներին և նուկլեինաթթուներին սխալ ծալվելու և ագրեգացվելու, դրանք դարձնելով ավելի շապերոն-կախյալ և գերզգայուն ջերմության նկատմամբ19,20,21,22,23: Բացի այդ, տարբեր մակաբույծներ՝ անկախ էվոլյուցիայով, որոնք երբեմն բաժանվում են մինչև 2.5 միլիարդ տարի, նմանատիպ կորուստ են ունեցել իրենց սպիտակուցային սինթեզի5,6 և ԴՆԹ վերականգնման մեխանիզմներում24: Այնուամենայնիվ, քիչ բան է հայտնի ներբջջային կենսակերպի ազդեցության մասին բջջային մակրոմոլեկուլների մյուս բոլոր հատկությունների վրա, ներառյալ մոլեկուլային հարմարվողականությունը վնասակար մուտացիաների աճող բեռին:
Այս աշխատանքում, ներբջջային միկրոօրգանիզմների սպիտակուցների և նուկլեինաթթուների էվոլյուցիան ավելի լավ հասկանալու համար, մենք որոշեցինք ներբջջային մակաբույծ Encephalitozoon cuniculi-ի ռիբոսոմների կառուցվածքը: E. cuniculi-ն սնկանման 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-ԷՄ ռիբոսոմի կառուցվածքը որոշվել է Microsporidia, Paranosema locustae և Vairimorpha necatrix31,32 չափավոր կրճատված գենոմների համար (~3.2 Մբ գենոմ): Այս կառուցվածքները ենթադրում են, որ rRNA ամպլիֆիկացիայի որոշակի կորուստը փոխհատուցվում է հարևան ռիբոսոմային սպիտակուցների միջև նոր շփումների զարգացմամբ կամ նոր msL131,32 ռիբոսոմային սպիտակուցների ձեռքբերմամբ: Encephalitozoon տեսակը (գենոմ՝ ~2.5 միլիոն զույգ հիմք), ինչպես նաև իրենց ամենամոտ ազգական Ordospora-ն, ցուցաբերում են էուկարիոտների մոտ գենոմի կրճատման ամենաբարձր աստիճանը. նրանք ունեն 2000-ից պակաս սպիտակուց կոդավորող գեներ, և ենթադրվում է, որ նրանց ռիբոսոմները ոչ միայն զուրկ են rRNA ընդլայնման բեկորներից (rRNA բեկորներ, որոնք տարբերակում են էուկարիոտ ռիբոսոմները բակտերիալ ռիբոսոմներից), այլև ունեն չորս ռիբոսոմային սպիտակուց՝ E. cuniculi-ի գենոմում հոմոլոգների բացակայության պատճառով26,27,28: Հետևաբար, մենք եզրակացրեցինք, որ E. cuniculi ռիբոսոմը կարող է բացահայտել գենոմի քայքայմանը մոլեկուլային հարմարվողականության նախկինում անհայտ ռազմավարություններ:
Մեր կրիո-ԷՄ կառուցվածքը ներկայացնում է բնութագրվող ամենափոքր էուկարիոտ ցիտոպլազմային ռիբոսոմը և հնարավորություն է տալիս պատկերացում կազմել 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 սկզբունքներից շատերը և հայտնաբերեցինք նոր, նախկինում անհայտ ռիբոսոմային սպիտակուց: Անսպասելիորեն, մենք ցույց ենք տալիս, որ միկրոսպորիդիաների ռիբոսոմները զարգացրել են փոքր մոլեկուլներ կապելու ունակությունը, և ենթադրում ենք, որ rRNA-ի և սպիտակուցների կրճատումները առաջացնում են էվոլյուցիոն նորարարություններ, որոնք, ի վերջո, կարող են օգտակար հատկություններ հաղորդել ռիբոսոմին:
Բջջային օրգանիզմներում սպիտակուցների և նուկլեինաթթուների էվոլյուցիայի մեր պատկերացումները բարելավելու համար մենք որոշեցինք E. cuniculi սպորները մեկուսացնել վարակված կաթնասունների բջիջների կուլտուրաներից՝ դրանց ռիբոսոմները մաքրելու և այդ ռիբոսոմների կառուցվածքը որոշելու համար: Դժվար է մեծ քանակությամբ մակաբուծային միկրոսպորիդիաներ ստանալ, քանի որ միկրոսպորիդիաները չեն կարող կուլտուրացվել սննդարար միջավայրում: Դրա փոխարեն դրանք աճում և բազմանում են միայն հյուրընկալող բջջի ներսում: Հետևաբար, ռիբոսոմների մաքրման համար E. cuniculi-ի կենսազանգված ստանալու համար մենք վարակեցինք կաթնասունների երիկամային RK13 բջջային գիծը E. cuniculi սպորներով և մի քանի շաբաթ կուլտուրավորեցինք այդ վարակված բջիջները, որպեսզի E. cuniculi-ն կարողանա աճել և բազմանալ: Մոտ կես քառակուսի մետր մակերեսով վարակված բջջային մոնաշերտ օգտագործելով՝ մենք կարողացանք մաքրել մոտ 300 մգ Microsporidia սպորներ և օգտագործել դրանք ռիբոսոմները մեկուսացնելու համար: Այնուհետև մենք քայքայեցինք մաքրված սպորները ապակե գնդիկներով և մեկուսացրինք հում ռիբոսոմները՝ օգտագործելով լիզատների փուլային պոլիէթիլենգլիկոլի ֆրակցիա: Սա թույլ տվեց մեզ ստանալ մոտավորապես 300 մկգ հում E. cuniculi ռիբոսոմներ կառուցվածքային վերլուծության համար:
Այնուհետև մենք հավաքեցինք կրիո-ԷՄ պատկերներ՝ օգտագործելով ստացված ռիբոսոմների նմուշները և մշակեցինք այդ պատկերները՝ օգտագործելով մեծ ռիբոսոմային ենթամիավորին, փոքր ենթամիավորի գլխիկին և փոքր ենթամիավորին համապատասխանող դիմակներ: Այս գործընթացի ընթացքում մենք հավաքեցինք մոտ 108,000 ռիբոսոմային մասնիկների պատկերներ և հաշվարկեցինք կրիո-ԷՄ պատկերներ 2.7 Å լուծաչափով (Լրացուցիչ նկարներ 1-3): Այնուհետև մենք օգտագործեցինք կրիո-ԷՄ պատկերներ՝ E. cuniculi ռիբոսոմների հետ կապված rRNA-ն, ռիբոսոմային սպիտակուցը և ձմեռման գործոն Mdf1-ը մոդելավորելու համար (Նկար 1ա, բ):
ա. E. cuniculi ռիբոսոմի կառուցվածքը ձմեռման գործոն Mdf1-ի հետ կոմպլեքսում (pdb id 7QEP): բ. Ձմեռման գործոն Mdf1-ի քարտեզը, որը կապված է E. cuniculi ռիբոսոմի հետ: գ. Երկրորդային կառուցվածքի քարտեզ, որը համեմատում է միկրոսպորիդային տեսակների վերականգնված rRNA-ն հայտնի ռիբոսոմային կառուցվածքների հետ: Վահանակները ցույց են տալիս ուժեղացված rRNA բեկորների (ES) և ռիբոսոմի ակտիվ կենտրոնների տեղակայումը, ներառյալ դեկոդավորման կենտրոնը (DC), սարցինիցինի օղակը (SRL) և պեպտիդիլ տրանսֆերազի կենտրոնը (PTC): դ. E. cuniculi ռիբոսոմի պեպտիդիլ տրանսֆերազի կենտրոնին համապատասխանող էլեկտրոնային խտությունը ենթադրում է, որ այս կատալիտիկ կենտրոնն ունի նույն կառուցվածքը E. cuniculi մակաբույծի և դրա տերերի, այդ թվում՝ H. sapiens-ի մոտ: e, f Վերծանման կենտրոնի համապատասխան էլեկտրոնային խտությունը (e) և վերծանման կենտրոնի սխեմատիկ կառուցվածքը (f) ցույց են տալիս, որ E. cuniculi-ն շատ այլ էուկարիոտների մոտ ունի U1491 մնացորդներ A1491-ի փոխարեն (E. coli համարակալում): Այս փոփոխությունը ենթադրում է, որ E. cuniculi-ն կարող է զգայուն լինել այս ակտիվ կենտրոնը թիրախավորող հակաբիոտիկների նկատմամբ:
Ի տարբերություն V. necatrix և P. locustae ռիբոսոմների նախկինում հաստատված կառուցվածքների (երկու կառուցվածքներն էլ ներկայացնում են նույն միկրոսպորիդիաների Nosematidae ընտանիքը և շատ նման են միմյանց), E. cuniculi ռիբոսոմները ենթարկվում են rRNA-ի և սպիտակուցի մասնատման բազմաթիվ գործընթացների: Հետագա դենատուրացիա (Լրացուցիչ նկարներ 4-6): rRNA-ում ամենաակնառու փոփոխությունները ներառում էին ուժեղացված 25S rRNA հատվածի ES12L լրիվ կորուստը և h39, h41 և H18 պարույրների մասնակի դեգեներացիան (Նկար 1c, Լրացուցիչ նկար 4): Ռիբոսոմային սպիտակուցների շարքում ամենաակնառու փոփոխությունները ներառում էին eS30 սպիտակուցի լրիվ կորուստը և eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 և eS7 սպիտակուցների կարճացումը (Լրացուցիչ նկարներ 4, 5):
Այսպիսով, Encephalotozoon/Ordospora տեսակների գենոմների ծայրահեղ կրճատումը արտացոլվում է դրանց ռիբոսոմային կառուցվածքում. E. cuniculi ռիբոսոմները սպիտակուցի պարունակության ամենադրամատիկ կորուստն են ապրում էուկարիոտ ցիտոպլազմային ռիբոսոմներում՝ կառուցվածքային բնութագրման ենթարկվելով, և նրանք նույնիսկ չունեն այն rRNA-ն և սպիտակուցային բեկորները, որոնք լայնորեն պահպանված են ոչ միայն էուկարիոտներում, այլև կյանքի երեք տիրույթներում: E. cuniculi ռիբոսոմի կառուցվածքը ապահովում է այս փոփոխությունների առաջին մոլեկուլային մոդելը և բացահայտում է էվոլյուցիոն իրադարձություններ, որոնք անտեսվել են ինչպես համեմատական ​​գենոմիկայի, այնպես էլ բջջի ներսում կենսամոլեկուլային կառուցվածքի ուսումնասիրությունների կողմից (Լրացուցիչ նկ. 7): Ստորև մենք նկարագրում ենք այս իրադարձություններից յուրաքանչյուրը՝ դրանց հավանական էվոլյուցիոն ծագման և ռիբոսոմի ֆունկցիայի վրա դրանց հնարավոր ազդեցության հետ միասին:
Այնուհետև մենք պարզեցինք, որ բացի rRNA-ի մեծ կրճատումներից, E. cuniculi ռիբոսոմները ունեն rRNA տատանումներ իրենց ակտիվ կենտրոններից մեկում: Չնայած E. cuniculi ռիբոսոմի պեպտիդիլ տրանսֆերազային կենտրոնն ունի նույն կառուցվածքը, ինչ մյուս էուկարիոտ ռիբոսոմները (Նկար 1դ), վերծանման կենտրոնը տարբերվում է նուկլեոտիդ 1491-ում հաջորդականության տատանման պատճառով (E. coli համարակալում, Նկ. 1ե, զ): Այս դիտարկումը կարևոր է, քանի որ էուկարիոտ ռիբոսոմների վերծանման տեղը սովորաբար պարունակում է G1408 և A1491 մնացորդներ՝ համեմատած բակտերիալ տիպի A1408 և G1491 մնացորդների հետ: Այս տատանումը հիմք է հանդիսանում բակտերիալ և էուկարիոտ ռիբոսոմների տարբեր զգայունության համար ռիբոսոմային հակաբիոտիկների ամինոգլիկոզիդային ընտանիքի և վերծանման տեղը թիրախավորող այլ փոքր մոլեկուլների նկատմամբ: E. cuniculi ռիբոսոմի վերծանման տեղում A1491 մնացորդը փոխարինվել է U1491-ով՝ հնարավոր է՝ ստեղծելով եզակի կապող միջերես այս ակտիվ կենտրոնը թիրախավորող փոքր մոլեկուլների համար: Նույն A14901 տարբերակը առկա է նաև այլ միկրոսպորիդիաներում, ինչպիսիք են P. locustae-ն և V. necatrix-ը, ինչը ենթադրում է, որ այն լայնորեն տարածված է միկրոսպորիդիաների տեսակների շրջանում (Նկ. 1f):
Քանի որ մեր E. cuniculi ռիբոսոմների նմուշները մեկուսացվել են նյութափոխանակորեն ոչ ակտիվ սպորներից, մենք փորձարկեցինք E. cuniculi-ի կրիո-ԷՄ քարտեզը՝ նախկինում նկարագրված ռիբոսոմների կապման համար սթրեսի կամ սովի պայմաններում: Ձմեռման գործոններ 31,32,36,37, 38: Մենք համապատասխանեցրինք ձմեռող ռիբոսոմի նախկինում հաստատված կառուցվածքը E. cuniculi ռիբոսոմի կրիո-ԷՄ քարտեզի հետ: Միացման համար օգտագործվել են S. cerevisiae ռիբոսոմներ՝ ձմեռման գործոնի Stm138-ի հետ կոմպլեքսում, մորեխի ռիբոսոմներ՝ Lso232 գործոնի հետ կոմպլեքսում, և V. necatrix ռիբոսոմներ՝ Mdf1 և Mdf231 գործոնների հետ կոմպլեքսում: Միաժամանակ, մենք գտանք կրիո-ԷՄ խտությունը, որը համապատասխանում է Mdf1 հանգստի գործոնին: Նման է Mdf1-ի կապմանը V. necatrix ռիբոսոմի հետ, Mdf1-ը նույնպես կապվում է E. cuniculi ռիբոսոմի հետ, որտեղ այն արգելափակում է ռիբոսոմի E հատվածը, հնարավոր է՝ նպաստելով ռիբոսոմների հասանելիությանը, երբ մակաբույծի սպորները նյութափոխանակորեն ոչ ակտիվ են դառնում օրգանիզմի ապաակտիվացման արդյունքում (Նկար 2):
Mdf1-ը արգելափակում է ռիբոսոմի E հատվածը, որը, կարծես թե, օգնում է ինակտիվացնել ռիբոսոմը, երբ մակաբույծի սպորները դառնում են նյութափոխանակորեն ոչ ակտիվ: E. cuniculi ռիբոսոմի կառուցվածքում մենք պարզեցինք, որ Mdf1-ը նախկինում անհայտ կոնտակտ է ստեղծում L1 ռիբոսոմի ցողունի հետ, որը ռիբոսոմի այն մասն է, որը նպաստում է դեացիլացված tRNA-ի արտազատմանը ռիբոսոմից սպիտակուցի սինթեզի ընթացքում: Այս կոնտակտները ենթադրում են, որ Mdf1-ը անջատվում է ռիբոսոմից՝ օգտագործելով դեացետիլացված tRNA-ի նույն մեխանիզմը, ինչը հնարավոր բացատրություն է տալիս այն բանի համար, թե ինչպես է ռիբոսոմը հեռացնում Mdf1-ը՝ սպիտակուցի սինթեզը վերաակտիվացնելու համար:
Սակայն մեր կառուցվածքը բացահայտեց Mdf1-ի և L1 ռիբոսոմի ոտքի (ռիբոսոմի այն մասը, որը օգնում է դեացիլացված tRNA-ն արտազատել ռիբոսոմից սպիտակուցի սինթեզի ընթացքում) միջև անհայտ շփում։ Մասնավորապես, Mdf1-ը օգտագործում է նույն շփումները, ինչ դեացիլացված tRNA մոլեկուլի արմունկային հատվածը (Նկար 2): Այս նախկինում անհայտ մոլեկուլային մոդելավորումը ցույց տվեց, որ Mdf1-ը անջատվում է ռիբոսոմից՝ օգտագործելով դեացետիլացված tRNA-ի նույն մեխանիզմը, ինչը բացատրում է, թե ինչպես է ռիբոսոմը հեռացնում այս ձմեռային գործոնը՝ սպիտակուցի սինթեզը վերաակտիվացնելու համար։
rRNA մոդելը կառուցելիս մենք պարզեցինք, որ E. cuniculi ռիբոսոմն ունի աննորմալ ծալված rRNA բեկորներ, որոնք մենք անվանեցինք միաձուլված rRNA (Նկ. 3): Կյանքի երեք տիրույթները ընդգրկող ռիբոսոմներում rRNA-ն ծալվում է կառուցվածքների, որոնցում rRNA-ի մեծ մասը կամ զույգերով են ծալվում միմյանց հետ, կամ փոխազդում են ռիբոսոմային սպիտակուցների հետ38,39,40: Այնուամենայնիվ, E. cuniculi ռիբոսոմներում rRNA-ները, կարծես, խախտում են այս ծալման սկզբունքը՝ իրենց որոշ պարույրներ վերածելով բացված rRNA շրջանների:
H18 25S rRNA պարույրի կառուցվածքը S. cerevisiae, V. necatrix և E. cuniculi տեսակների մոտ։ Սովորաբար, երեք կենսական տիրույթները տարածող ռիբոսոմներում այս կապողը պարուրվում է ՌՆԹ պարույրի մեջ, որը պարունակում է 24-ից 34 մնացորդ։ Միկրոսպորիդիաներում, ի տարբերություն դրա, այս rRNA կապողը աստիճանաբար կրճատվում է մինչև երկու միաշղթա ուրիդինով հարուստ կապողներ, որոնք պարունակում են ընդամենը 12 մնացորդ։ Այս մնացորդների մեծ մասը ենթարկվում է լուծիչների ազդեցությանը։ Նկարը ցույց է տալիս, որ մակաբուծային միկրոսպորիդիաները, կարծես, խախտում են rRNA ծալման ընդհանուր սկզբունքները, որտեղ rRNA հիմքերը սովորաբար միացված են այլ հիմքերի կամ մասնակցում են rRNA-սպիտակուց փոխազդեցություններին։ Միկրոսպորիդիաներում որոշ rRNA բեկորներ ունենում 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 միկրոսպորիդիաների rRNA-ին կապվել հեռավոր rRNA բեկորների հետ՝ օգտագործելով ՌՆԹ հիմքերի նվազագույն քանակ։
Այս էվոլյուցիոն անցման ամենացայտուն օրինակը կարելի է դիտարկել H18 25S rRNA պարույրում (Նկար 3): E. coli-ից մինչև մարդիկ տեսակների մոտ այս rRNA պարույրի հիմքերը պարունակում են 24-32 նուկլեոտիդներ՝ կազմելով մի փոքր անկանոն պարույր: V. necatrix-ի և P. locustae-ի նախկինում նույնականացված ռիբոսոմային կառուցվածքներում31,32 H18 պարույրի հիմքերը մասամբ բացված են, բայց նուկլեոտիդային հիմքերի զույգավորումը պահպանվում է: Այնուամենայնիվ, E. cuniculi-ում այս rRNA բեկորը դառնում է ամենակարճ կապակցող նյութերը՝ 228UUUGU232 և 301UUUUUUUUU307: Ի տարբերություն տիպիկ rRNA բեկորների, այս ուրիդինով հարուստ կապակցող նյութերը չեն փաթաթվում կամ լայն շփում չեն ունենում ռիբոսոմային սպիտակուցների հետ: Դրա փոխարեն, դրանք ընդունում են լուծիչով բաց և լիովին բացված կառուցվածքներ, որոնցում rRNA շղթաները ձգվում են գրեթե ուղիղ: Այս ձգված կոնֆորմացիան բացատրում է, թե ինչպես է E. cuniculi-ն օգտագործում ընդամենը 12 ՌՆԹ հիմք՝ H16 և H18 rRNA պարույրների միջև 33 Å բացը լրացնելու համար, մինչդեռ մյուս տեսակներին անհրաժեշտ է առնվազն կրկնակի շատ rRNA հիմքեր այդ բացը լրացնելու համար։
Այսպիսով, մենք կարող ենք ցույց տալ, որ էներգետիկորեն անբարենպաստ ծալման միջոցով մակաբուծային միկրոսպորիդիաները մշակել են ռազմավարություն՝ կծկելու նույնիսկ այն rRNA հատվածները, որոնք լայնորեն պահպանված են մնում կյանքի երեք տիրույթներում գտնվող տեսակների միջև: Պարզվում է, որ rRNA պարույրները կարճ պոլի-U կապիչների վերածող մուտացիաները կուտակելով՝ E. cuniculi-ն կարող է ձևավորել անսովոր rRNA բեկորներ, որոնք պարունակում են որքան հնարավոր է քիչ նուկլեոտիդներ՝ դիստալ rRNA բեկորների կապման համար: Սա օգնում է բացատրել, թե ինչպես են միկրոսպորիդիաները հասել իրենց հիմնական մոլեկուլային կառուցվածքի կտրուկ կրճատման՝ առանց կորցնելու իրենց կառուցվածքային և ֆունկցիոնալ ամբողջականությունը:
E. cuniculi rRNA-ի մեկ այլ անսովոր առանձնահատկությունը rRNA-ի առանց խտացումների տեսքն է (Նկ. 4): Ուռուցիկները հիմքային զույգեր չունեցող նուկլեոտիդներ են, որոնք ոլորվում են ՌՆԹ պարույրից դուրս՝ դրա մեջ թաքնվելու փոխարեն: rRNA ելուստների մեծ մասը գործում է որպես մոլեկուլային կպչուն նյութեր՝ օգնելով կապվել հարակից ռիբոսոմային սպիտակուցների կամ այլ rRNA բեկորների հետ: Ուռուցիկներից մի քանիսը գործում են որպես ծխնիներ՝ թույլ տալով rRNA պարույրին օպտիմալ կերպով ծալվել և ծալվել՝ արդյունավետ սպիտակուցային սինթեզի համար 41:
ա) rRNA ելուստը (S. cerevisiae համարակալումը) բացակայում է E. cuniculi ռիբոսոմի կառուցվածքից, բայց առկա է մյուս էուկարիոտների մեծ մասում։ բ) E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens և E. cuniculi ներքին ռիբոսոմներում։ Պարազիտները չունեն հին, բարձր պահպանված rRNA ուռուցիկություններից շատերը։ Այս հաստացումները կայունացնում են ռիբոսոմի կառուցվածքը. հետևաբար, դրանց բացակայությունը միկրոսպորիդիաներում ցույց է տալիս միկրոսպորիդիա պարազիտներում rRNA ծալման կայունության նվազում։ P ցողունների հետ համեմատությունը (բակտերիաների L7/L12 ցողուններ) ցույց է տալիս, որ rRNA ուռուցիկների կորուստը երբեմն համընկնում է կորած ուռուցիկների կողքին նոր ուռուցիկների առաջացման հետ։ 23S/28S rRNA-ի H42 պարույրն ունի հին ուռուցիկ (U1206 Saccharomyces cerevisiae-ի մոտ), որը գնահատվում է առնվազն 3.5 միլիարդ տարեկան՝ կյանքի երեք տիրույթներում իր պաշտպանության շնորհիվ։ Միկրոսպորիդիաներում այս ուռուցիկը վերացված է։ Սակայն կորած ուռուցիկի կողքին նոր ուռուցիկություն հայտնվեց (A1306 E. cuniculi-ում):
Հատկանշական է, որ մենք պարզեցինք, որ E. cuniculi ռիբոսոմներում բացակայում են այլ տեսակներում հանդիպող rRNA ուռուցիկությունների մեծ մասը, այդ թվում՝ այլ էուկարիոտներում պահպանված ավելի քան 30 ուռուցիկություններ (Նկար 4ա): Այս կորուստը վերացնում է ռիբոսոմային ենթամիավորների և հարակից rRNA պարույրների միջև բազմաթիվ շփումներ, երբեմն ստեղծելով մեծ խոռոչ խոռոչներ ռիբոսոմի ներսում, ինչը E. cuniculi ռիբոսոմը դարձնում է ավելի ծակոտկեն՝ համեմատած ավելի ավանդական ռիբոսոմների հետ (Նկար 4բ): Հատկանշական է, որ մենք պարզեցինք, որ այս ուռուցիկությունների մեծ մասը կորել է նաև նախկինում նույնականացված V. necatrix և P. locustae ռիբոսոմային կառուցվածքներում, որոնք անտեսվել էին նախորդ կառուցվածքային վերլուծություններում31,32:
Երբեմն rRNA ուռուցիկների կորուստը ուղեկցվում է կորցրած ուռուցիկի կողքին նոր ուռուցիկների առաջացմամբ: Օրինակ, ռիբոսոմային P-ցողունը պարունակում է U1208 ուռուցիկ (Saccharomyces cerevisiae-ի մոտ), որը գոյատևել է E. coli-ից մինչև մարդիկ և, հետևաբար, գնահատվում է 3.5 միլիարդ տարեկան: Սպիտակուցի սինթեզի ընթացքում այս ուռուցիկը օգնում է P ցողունին տեղաշարժվել բաց և փակ կոնֆորմացիաների միջև, որպեսզի ռիբոսոմը կարողանա հավաքագրել թարգմանության գործոններ և հասցնել դրանք ակտիվ կենտրոն: E. cuniculi ռիբոսոմներում այս հաստացումը բացակայում է. սակայն, նոր հաստացումը (G883), որը տեղակայված է միայն երեք հիմքային զույգերում, կարող է նպաստել P ցողունի օպտիմալ ճկունության վերականգնմանը (Նկար 4գ):
Մեր տվյալները՝ առանց ուռուցիկների rRNA-ի վերաբերյալ, ենթադրում են, որ rRNA-ի նվազագույնի հասցնելը չի ​​սահմանափակվում միայն ռիբոսոմի մակերեսին rRNA տարրերի կորստով, այլ կարող է ներառել նաև ռիբոսոմի կորիզը՝ ստեղծելով մակաբույծին բնորոշ մոլեկուլային արատ, որը չի նկարագրվել ազատ ապրող բջիջներում: Դիտարկվում են կենդանի տեսակներ:
Կանոնիկ ռիբոսոմային սպիտակուցների և rRNA-ի մոդելավորումից հետո մենք պարզեցինք, որ ավանդական ռիբոսոմային բաղադրիչները չեն կարող բացատրել կրիո-EM պատկերի երեք մասերը: Այս բեկորներից երկուսը փոքր չափի մոլեկուլներ են (Նկար 5, Լրացուցիչ նկար 8): Առաջին հատվածը տեղադրված է uL15 և eL18 ռիբոսոմային սպիտակուցների միջև՝ այն դիրքում, որը սովորաբար զբաղեցնում է eL18-ի C-ծայրը, որը կրճատված է E. cuniculi-ում: Չնայած մենք չենք կարող որոշել այս մոլեկուլի ինքնությունը, այս խտության կղզու չափը և ձևը լավ բացատրվում են սպերմիդինի մոլեկուլների առկայությամբ: Դրա կապումը ռիբոսոմի հետ կայունացվում է uL15 սպիտակուցներում (Asp51 և Arg56) միկրոսպորիդիա-սպեցիֆիկ մուտացիաներով, որոնք, կարծես, մեծացնում են ռիբոսոմի կապը այս փոքր մոլեկուլի նկատմամբ, քանի որ դրանք թույլ են տալիս uL15-ին փաթաթել փոքր մոլեկուլը ռիբոսոմային կառուցվածքի մեջ: Լրացուցիչ նկար 2): 8, լրացուցիչ տվյալներ 1, 2):
Կրիո-ԷՄ պատկերումը ցույց է տալիս նուկլեոտիդների առկայությունը E. cuniculi ռիբոսոմին կապված ռիբոզից դուրս: E. cuniculi ռիբոսոմում այս նուկլեոտիդը զբաղեցնում է նույն տեղը, ինչ 25S rRNA A3186 նուկլեոտիդը (Saccharomyces cerevisiae համարակալում) մյուս էուկարիոտ ռիբոսոմների մեծ մասում: բ E. cuniculi-ի ռիբոսոմային կառուցվածքում այս նուկլեոտիդը գտնվում է uL9 և eL20 ռիբոսոմային սպիտակուցների միջև, այդպիսով կայունացնելով երկու սպիտակուցների միջև շփումը: գդ eL20 հաջորդականության պահպանման վերլուծություն միկրոսպորիդիաների տեսակների շրջանում: Microsporidia տեսակների ֆիլոգենետիկ ծառը (գ) և eL20 սպիտակուցի բազմակի հաջորդականության դասավորությունը (դ) ցույց են տալիս, որ նուկլեոտիդ կապող F170 և K172 մնացորդները պահպանված են տիպիկ միկրոսպորիդիաների մեծ մասում, բացառությամբ S. lophii-ի, բացառությամբ վաղ ճյուղավորվող միկրոսպորիդիաների, որոնք պահպանել են ES39L rRNA ընդլայնումը: Այս նկարը ցույց է տալիս, որ նուկլեոտիդային կապող F170 և K172 մնացորդները առկա են միայն բարձր վերականգնված միկրոսպորիդիաների գենոմի eL20-ում, բայց ոչ մյուս էուկարիոտներում: Ընդհանուր առմամբ, այս տվյալները ենթադրում են, որ միկրոսպորիդիայի ռիբոսոմները մշակել են նուկլեոտիդային կապող տեղամաս, որը, կարծես, կապվում է AMP մոլեկուլների հետ և օգտագործում դրանք ռիբոսոմային կառուցվածքում սպիտակուց-սպիտակուց փոխազդեցությունները կայունացնելու համար: Այս կապող տեղամասի բարձր պահպանվածությունը միկրոսպորիդիայում և դրա բացակայությունը այլ էուկարիոտներում ենթադրում են, որ այս տեղամասը կարող է ընտրողական գոյատևման առավելություն ապահովել միկրոսպորիդիաների համար: Այսպիսով, միկրոսպորիդիայի ռիբոսոմում նուկլեոտիդային կապող գրպանը, կարծես, չի հանդիսանում rRNA-ի քայքայման դեգեներատիվ հատկանիշ կամ վերջնական ձև, ինչպես նկարագրվել է նախկինում, այլ օգտակար էվոլյուցիոն նորարարություն, որը թույլ է տալիս միկրոսպորիդիայի ռիբոսոմին ուղղակիորեն կապվել փոքր մոլեկուլների հետ՝ օգտագործելով դրանք որպես մոլեկուլային շինանյութեր ռիբոսոմների համար: Այս հայտնագործությունը միկրոսպորիդիայի ռիբոսոմը դարձնում է միակ հայտնի ռիբոսոմը, որն օգտագործում է մեկ նուկլեոտիդ որպես իր կառուցվածքային շինանյութ: f Նուկլեոտիդային կապից ստացված հիպոթետիկ էվոլյուցիոն ուղի:
Երկրորդ ցածր մոլեկուլային քաշի խտությունը գտնվում է uL9 և eL30 ռիբոսոմային սպիտակուցների միջև ընկած միջերեսում (Նկար 5ա): Այս միջերեսը նախկինում նկարագրվել էր Saccharomyces cerevisiae ռիբոսոմի կառուցվածքում որպես rRNA A3186-ի 25S նուկլեոտիդի (ES39L rRNA ընդլայնման մաս)38 կապման տեղամաս: Ցույց է տրվել, որ դեգեներացված P. locustae ES39L ռիբոսոմներում այս միջերեսը կապվում է անհայտ մեկ նուկլեոտիդ 31-ի հետ, և ենթադրվում է, որ այս նուկլեոտիդը rRNA-ի վերականգնված վերջնական ձև է, որտեղ rRNA-ի երկարությունը մոտ 130-230 հիմք է: ES39L-ը վերականգնված է մեկ նուկլեոտիդ 32.43-ի: Մեր կրիո-ԷՄ պատկերները հաստատում են այն գաղափարը, որ խտությունը կարելի է բացատրել նուկլեոտիդներով: Այնուամենայնիվ, մեր կառուցվածքի ավելի բարձր լուծաչափը ցույց տվեց, որ այս նուկլեոտիդը էքստրառիբոսոմային մոլեկուլ է, հնարավոր է՝ AMP (Նկար 5ա, բ):
Այնուհետև մենք հարցրեցինք, թե արդյոք նուկլեոտիդային կապման տեղը հայտնվել է E. cuniculi ռիբոսոմում, թե այն գոյություն է ունեցել նախկինում։ Քանի որ նուկլեոտիդային կապումը հիմնականում միջնորդվում է eL30 ռիբոսոմային սպիտակուցի Phe170 և Lys172 մնացորդներով, մենք գնահատեցինք այս մնացորդների պահպանությունը 4396 ներկայացուցչական էուկարիոտներում։ Ինչպես վերևում նշված uL15-ի դեպքում, մենք պարզեցինք, որ Phe170 և Lys172 մնացորդները բարձր պահպանվածություն ունեն միայն տիպիկ միկրոսպորիդիաներում, բայց բացակայում են այլ էուկարիոտներում, ներառյալ ատիպիկ միկրոսպորիդիաները՝ Mitosporidium-ը և Amphiamblys-ը, որոնցում ES39L rRNA հատվածը չի վերականգնվել 44, 45, 46 (Նկար 5գ)։ -ե)։
Ամփոփելով՝ այս տվյալները հաստատում են այն գաղափարը, որ E. cuniculi-ն և, հնարավոր է, այլ կանոնիկ միկրոսպորիդիաները զարգացրել են ռիբոսոմի կառուցվածքում մեծ թվով փոքր մետաբոլիտներ արդյունավետորեն որսալու ունակություն՝ rRNA-ի և սպիտակուցի մակարդակի անկումը փոխհատուցելու համար: Դրանով նրանք զարգացրել են ռիբոսոմից դուրս նուկլեոտիդներ կապելու եզակի ունակություն, ինչը ցույց է տալիս, որ մակաբուծային մոլեկուլային կառուցվածքները փոխհատուցում են՝ որսալով առատ փոքր մետաբոլիտներ և դրանք օգտագործելով որպես քայքայված ՌՆԹ-ի և սպիտակուցի բեկորների կառուցվածքային նմանակներ:
Մեր կրիո-ԷՄ քարտեզի երրորդ չսիմուլյացված մասը, որը գտնվում է մեծ ռիբոսոմային ենթամիավորում: Մեր քարտեզի համեմատաբար բարձր լուծաչափը (2.6 Å) ենթադրում է, որ այս խտությունը պատկանում է խոշոր կողմնակի շղթայի մնացորդների եզակի համադրություններ ունեցող սպիտակուցներին, ինչը թույլ տվեց մեզ նույնականացնել այս խտությունը որպես նախկինում անհայտ ռիբոսոմային սպիտակուց, որը մենք նույնականացրել ենք որպես: Այն անվանվել է msL2 (Microsporidia-specific protein L2) (մեթոդներ, նկար 6): Մեր հոմոլոգիայի որոնումը ցույց տվեց, որ msL2-ը պահպանված է Encephaliter և Orosporidium ցեղերի Microsporidia կլադում, բայց բացակայում է այլ տեսակների մոտ, այդ թվում՝ այլ Microsporidia-ների մոտ: Ռիբոսոմային կառուցվածքում msL2-ը զբաղեցնում է ES31L rRNA-ի երկարացված կորստի հետևանքով առաջացած բացը: Այս դատարկության մեջ msL2-ը օգնում է կայունացնել rRNA-ի ծալումը և կարող է փոխհատուցել ES31L-ի կորուստը (Նկար 6):
ա. E. cuniculi ռիբոսոմներում հայտնաբերված Microsporidia-սպեցիֆիկ ռիբոսոմային սպիտակուցի msL2 էլեկտրոնային խտությունը և մոդելը։ բ. Էուկարիոտ ռիբոսոմների մեծ մասում, ներառյալ Saccharomyces cerevisiae-ի 80S ռիբոսոմը, ES19L rRNA-ի ուժեղացումը կորել է միկրոսպորիդային տեսակների մեծ մասում։ V. necatrix microsporidia ռիբոսոմի նախկինում հաստատված կառուցվածքը ենթադրում է, որ այս մակաբույծների մոտ ES19L-ի կորուստը փոխհատուցվում է նոր msL1 ռիբոսոմային սպիտակուցի էվոլյուցիայով։ Այս ուսումնասիրության մեջ 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 մեկնաբանվում է որպես հիպոթետիկ ECU06_1135 սպիտակուց) և msL1-ը ունեն տարբեր կառուցվածքային և էվոլյուցիոն ծագում։ գ Էվոլյուցիոնորեն անկապ msL1 և msL2 ռիբոսոմային սպիտակուցների առաջացման այս հայտնագործությունը ենթադրում է, որ եթե ռիբոսոմները կուտակեն վնասակար մուտացիաներ իրենց rRNA-ում, դրանք կարող են հասնել աննախադեպ մակարդակի կազմային բազմազանության նույնիսկ սերտորեն կապված տեսակների փոքր ենթաբազմության մեջ: Այս հայտնագործությունը կարող է օգնել պարզաբանել միտոքոնդրիալ ռիբոսոմի ծագումը և էվոլյուցիան, որը հայտնի է իր խիստ կրճատված rRNA-ով և սպիտակուցային կազմի աննորմալ փոփոխականությամբ տարբեր տեսակների միջև:
Այնուհետև մենք համեմատեցինք msL2 սպիտակուցը նախկինում նկարագրված msL1 սպիտակուցի հետ, որը V. necatrix ռիբոսոմում հայտնաբերված միակ հայտնի միկրոսպորիդիա-սպեցիֆիկ ռիբոսոմային սպիտակուցն է: Մենք ցանկանում էինք ստուգել, ​​թե արդյոք msL1-ը և msL2-ը էվոլյուցիոն առումով կապված են: Մեր վերլուծությունը ցույց տվեց, որ msL1-ը և msL2-ը զբաղեցնում են նույն խոռոչը ռիբոսոմային կառուցվածքում, բայց ունեն տարբեր առաջնային և երրորդային կառուցվածքներ, ինչը վկայում է դրանց անկախ էվոլյուցիոն ծագման մասին (Նկար 6): Այսպիսով, msL2-ի մեր հայտնագործությունը ապացույց է այն բանի, որ կոմպակտ էուկարիոտ տեսակների խմբերը կարող են անկախ զարգացնել կառուցվածքային առումով տարբեր ռիբոսոմային սպիտակուցներ՝ rRNA բեկորների կորուստը փոխհատուցելու համար: Այս հայտնագործությունը նշանակալի է նրանով, որ ցիտոպլազմային էուկարիոտիկ ռիբոսոմների մեծ մասը պարունակում է անփոփոխ սպիտակուց, ներառյալ 81 ռիբոսոմային սպիտակուցների նույն ընտանիքը: MSL1-ի և msL2-ի հայտնվելը միկրոսպորիդիաների տարբեր կլադներում՝ ի պատասխան երկարացված rRNA հատվածների կորստի, ենթադրում է, որ մակաբույծի մոլեկուլային ճարտարապետության քայքայումը ստիպում է մակաբույծներին փնտրել փոխհատուցող մուտացիաներ, որոնք, ի վերջո, կարող են հանգեցնել դրանց ձեռքբերմանը տարբեր մակաբույծային պոպուլյացիաներում:
Վերջապես, երբ մեր մոդելն ավարտվեց, մենք համեմատեցինք E. cuniculi ռիբոսոմի կազմը գենոմի հաջորդականությունից կանխատեսվածի հետ: Նախկինում համարվում էր, որ մի քանի ռիբոսոմային սպիտակուցներ, այդ թվում՝ eL14, eL38, eL41 և eS30, բացակայում են E. cuniculi գենոմից՝ E. cuniculi գենոմում դրանց հոմոլոգների ակնհայտ բացակայության պատճառով: Ռիբոսոմային սպիտակուցների մեծ մասի կորուստը կանխատեսվում է նաև այլ բարձր վերականգնված ներբջջային մակաբույծների և էնդոսիմբիոնտների մեծ մասում: Օրինակ, չնայած ազատ ապրող մանրէների մեծ մասը պարունակում է 54 ռիբոսոմային սպիտակուցների նույն ընտանիքը, այս սպիտակուցային ընտանիքներից միայն 11-ն ունեն հայտնաբերելի հոմոլոգներ տիրոջ սահմանափակված մանրէների յուրաքանչյուր վերլուծված գենոմում: Այս տեսակետը հաստատելու համար, ռիբոսոմային սպիտակուցների կորուստ փորձարարականորեն դիտվել է V. necatrix և P. locustae միկրոսպորիդիաներում, որոնք չունեն eL38 և eL4131,32 սպիտակուցներ:
Սակայն մեր կառուցվածքները ցույց են տալիս, որ E. cuniculi ռիբոսոմում իրականում կորած են միայն eL38-ը, eL41-ը և eS30-ը: eL14 սպիտակուցը պահպանվել էր, և մեր կառուցվածքը ցույց տվեց, թե ինչու այս սպիտակուցը չէր կարող գտնվել հոմոլոգիայի որոնման մեջ (Նկար 7): E. cuniculi ռիբոսոմներում eL14 կապող տեղամասի մեծ մասը կորած է rRNA-ով ուժեղացված ES39L-ի քայքայման պատճառով: ES39L-ի բացակայության դեպքում eL14-ը կորցրել է իր երկրորդային կառուցվածքի մեծ մասը, և eL14 հաջորդականության միայն 18%-ն էր նույնական E. cuniculi-ում և S. cerevisiae-ում: Հաջորդականության այս վատ պահպանումը ուշագրավ է, քանի որ նույնիսկ Saccharomyces cerevisiae-ն և Homo sapiens-ը՝ օրգանիզմներ, որոնք զարգացել են 1.5 միլիարդ տարվա տարբերությամբ, eL14-ում կիսում են նույն մնացորդների ավելի քան 51%-ը: Պահպանման այս աննորմալ կորուստը բացատրում է, թե ինչու E. cuniculi eL14-ը ներկայումս նշվում է որպես ենթադրյալ M970_061160 սպիտակուց, այլ ոչ թե որպես eL1427 ռիբոսոմային սպիտակուց։
և Microsporidia ռիբոսոմը կորցրել է ES39L rRNA ընդլայնումը, որը մասամբ վերացրել է eL14 ռիբոսոմային սպիտակուցի կապման տեղը: ES39L-ի բացակայության դեպքում eL14 միկրոսպորային սպիտակուցը կորցնում է երկրորդային կառուցվածքը, որի դեպքում նախկին rRNA-կապող α-պարույրը դեգեներացվում է նվազագույն երկարության օղակի: բ Բազմակի հաջորդականության դասավորությունը ցույց է տալիս, որ eL14 սպիտակուցը բարձր պահպանված է էուկարիոտ տեսակներում (57% հաջորդականության նույնականություն խմորիչի և մարդու հոմոլոգների միջև), բայց վատ պահպանված և տարամիտված է միկրոսպորիդիաներում (որոնցում մնացորդների ոչ ավելի, քան 24%-ը նույնական են eL14 հոմոլոգին): S. cerevisiae-ից կամ H. sapiens-ից): Այս վատ հաջորդականության պահպանումը և երկրորդային 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 էր որպես ենթադրյալ M970_061160 սպիտակուց։ Այս դիտարկումը ենթադրում է, որ միկրոսպորիդիաների գենոմի բազմազանությունը ներկայումս գերագնահատված է. որոշ գեներ, որոնք ներկայումս համարվում էին կորած միկրոսպորիդիաներում, իրականում պահպանվել են, թեև խիստ դիֆերենցված ձևերով. փոխարենը, ենթադրվում է, որ որոշները կոդավորում են որդ-սպեցիֆիկ սպիտակուցների միկրոսպորիդիաների գեները (օրինակ՝ ենթադրյալ M970_061160 սպիտակուցը), որն իրականում կոդավորում է այլ էուկարիոտներում հանդիպող շատ բազմազան սպիտակուցները։
Այս հայտնագործությունը ենթադրում է, որ rRNA դենատուրացիան կարող է հանգեցնել հարակից ռիբոսոմային սպիտակուցներում հաջորդականության պահպանման կտրուկ կորստի, ինչը այդ սպիտակուցները դարձնում է աննկատելի հոմոլոգիայի որոնումների համար: Այսպիսով, մենք կարող ենք գերագնահատել փոքր գենոմային օրգանիզմներում մոլեկուլային քայքայման իրական աստիճանը, քանի որ որոշ սպիտակուցներ, որոնք համարվում էին 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), որը օրգանիզմ է, որն ունի ամենափոքր էուկարիոտ գենոմներից մեկը:
Գրեթե երկու տասնամյակ է, ինչ հայտնի է, որ մանրէային մակաբույծների սպիտակուցային և ՌՆԹ մոլեկուլները հաճախ տարբերվում են ազատ ապրող տեսակների իրենց հոմոլոգ մոլեկուլներից, քանի որ դրանցում բացակայում են որակի վերահսկման կենտրոնները, ազատ ապրող մանրէների մոտ դրանց չափսը փոքրանում է մինչև 50% և այլն, կան բազմաթիվ թուլացնող մուտացիաներ, որոնք խաթարում են ծալումը և գործառույթը: Օրինակ, փոքր գենոմային օրգանիզմների ռիբոսոմներում, այդ թվում՝ բազմաթիվ ներբջջային մակաբույծների և էնդոսիմբիոնտների, ենթադրվում է, որ բացակայում են մի քանի ռիբոսոմային սպիտակուցներ և մինչև մեկ երրորդ rRNA նուկլեոտիդներ՝ համեմատած ազատ ապրող տեսակների հետ 27, 29, 30, 49: Այնուամենայնիվ, այս մոլեկուլների գործառույթը մակաբույծի մեջ մնում է մեծ մասամբ առեղծված, որը հիմնականում ուսումնասիրվում է համեմատական ​​գենոմիկայի միջոցով:
Մեր ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ մակրոմոլեկուլների կառուցվածքը կարող է բացահայտել էվոլյուցիայի բազմաթիվ ասպեկտներ, որոնք դժվար է առանձնացնել ներբջջային մակաբույծների և այլ տիրոջ կողմից սահմանափակված օրգանիզմների ավանդական համեմատական ​​գենոմիկ ուսումնասիրություններից (Լրացուցիչ նկ. 7): Օրինակ, eL14 սպիտակուցի օրինակը ցույց է տալիս, որ մենք կարող ենք գերագնահատել մակաբուծական տեսակների մոլեկուլային ապարատի քայքայման իրական աստիճանը: Այժմ ենթադրվում է, որ էնցեֆալիտային մակաբույծներն ունեն հարյուրավոր միկրոսպորիդիա-սպեցիֆիկ գեներ: Այնուամենայնիվ, մեր արդյունքները ցույց են տալիս, որ այս թվացյալ յուրահատուկ գեներից մի քանիսը իրականում պարզապես շատ տարբեր գեների 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 կարող ենք անտեսել մակաբուծական մոլեկուլային կառուցվածքների ամենահնարամիտ նորարարությունները, որոնք կարող են նրանց նոր կենսաբանական ակտիվություն հաղորդել:
Ամփոփելով՝ այս արդյունքները բարելավում են մեր պատկերացումները տիրոջ կողմից սահմանափակված օրգանիզմների և ազատ ապրող օրգանիզմների համապատասխան մոլեկուլային կառուցվածքների միջև եղած տարբերությունների մասին։ Մենք ցույց ենք տալիս, որ մոլեկուլային մեքենաները, որոնք երկար ժամանակ համարվում էին կրճատված, այլասերված և տարբեր թուլացնող մուտացիաների ենթակա, փոխարենը ունեն համակարգվածորեն անտեսված անսովոր կառուցվածքային առանձնահատկությունների մի ամբողջություն։
Մյուս կողմից, E. cuniculi-ի ռիբոսոմներում մեր կողմից հայտնաբերված ոչ ծավալուն rRNA բեկորները և միաձուլված բեկորները ենթադրում են, որ գենոմի կրճատումը կարող է փոխել նույնիսկ հիմնական մոլեկուլային մեխանիզմի այն մասերը, որոնք պահպանվել են կյանքի երեք տիրույթներում՝ տեսակների անկախ էվոլյուցիայի գրեթե 3.5 միլիարդ տարի անց։
E. cuniculi ռիբոսոմներում առկա ուռուցիկությունից զերծ և միաձուլված rRNA բեկորները հատկապես հետաքրքրություն են ներկայացնում էնդոսիմբիոտիկ բակտերիաների ՌՆԹ մոլեկուլների նախորդ ուսումնասիրությունների լույսի ներքո: Օրինակ՝ Buchnera aphidicola լվիճ-էնդոսիմբիոնտում rRNA և tRNA մոլեկուլները, ինչպես ցույց է տրվել, ունեն ջերմաստիճանի նկատմամբ զգայուն կառուցվածքներ՝ A+T կազմի կողմնակալության և ոչ կանոնիկ հիմքային զույգերի բարձր համամասնության պատճառով20,50: ՌՆԹ-ի այս փոփոխությունները, ինչպես նաև սպիտակուցային մոլեկուլների փոփոխությունները, այժմ համարվում են էնդոսիմբիոնտների զուգընկերներից գերկախվածության և էնդոսիմբիոնտների ջերմություն փոխանցելու անկարողության համար21, 23: Չնայած մակաբուծային միկրոսպորիդիաների rRNA-ն ունի կառուցվածքային առումով տարբեր փոփոխություններ, այդ փոփոխությունների բնույթը ենթադրում է, որ ջերմային կայունության նվազումը և շապերոն սպիտակուցներից ավելի բարձր կախվածությունը կարող են լինել ՌՆԹ մոլեկուլների ընդհանուր առանձնահատկությունները կրճատված գենոմներ ունեցող օրգանիզմներում:
Մյուս կողմից, մեր կառուցվածքները ցույց են տալիս, որ մակաբույծ միկրոսպորիդիաները զարգացրել են լայնորեն պահպանված rRNA-ի և սպիտակուցային բեկորների նկատմամբ դիմադրելու եզակի ունակություն՝ զարգացնելով առատ և հեշտությամբ հասանելի փոքր մետաբոլիտներ օգտագործելու ունակություն՝ որպես դեգեներացված rRNA-ի և սպիտակուցային բեկորների կառուցվածքային նմանակներ: Մոլեկուլային կառուցվածքի քայքայում: Այս կարծիքը հաստատվում է այն փաստով, որ E. cuniculi-ի rRNA-ում և ռիբոսոմներում սպիտակուցային բեկորների կորուստը փոխհատուցող փոքր մոլեկուլները կապվում են uL15 և eL30 սպիտակուցներում գտնվող միկրոսպորիդիա-սպեցիֆիկ մնացորդների հետ: Սա ենթադրում է, որ փոքր մոլեկուլների կապումը ռիբոսոմների հետ կարող է լինել դրական ընտրության արդյունք, որի դեպքում ռիբոսոմային սպիտակուցներում միկրոսպորիդիա-սպեցիֆիկ մուտացիաները ընտրվել են փոքր մոլեկուլների նկատմամբ ռիբոսոմների կապը մեծացնելու իրենց ունակության համար, ինչը կարող է հանգեցնել ավելի արդյունավետ ռիբոսոմային օրգանիզմների: Հայտնագործությունը բացահայտում է խելացի նորարարություն մանրէային մակաբույծների մոլեկուլային կառուցվածքում և մեզ ավելի լավ պատկերացում է տալիս այն մասին, թե ինչպես են մակաբույծի մոլեկուլային կառուցվածքները պահպանում իրենց գործառույթը՝ չնայած վերականգնողական էվոլյուցիային:
Ներկայումս այս փոքր մոլեկուլների նույնականացումը մնում է անհասկանալի: Հստակ չէ, թե ինչու է այս փոքր մոլեկուլների տեսքը ռիբոսոմային կառուցվածքում տարբերվում միկրոսպորիդիա տեսակների միջև: Մասնավորապես, պարզ չէ, թե ինչու է նուկլեոտիդային կապը դիտվում E. cuniculi և P. locustae ռիբոսոմներում, և ոչ թե V. necatrix-ի ռիբոսոմներում, չնայած V. necatrix-ի eL20 և K172 սպիտակուցներում F170 մնացորդի առկայությանը: Այս ջնջումը կարող է պայմանավորված լինել 43 uL6 մնացորդով (գտնվում է նուկլեոտիդային կապող գրպանին հարակից), որը V. necatrix-ում տիրոզին է, իսկ E. cuniculi-ում և P. locustae-ում թրեոնին չէ: Tyr43-ի ծավալուն արոմատիկ կողմնային շղթան կարող է խանգարել նուկլեոտիդային կապին՝ ստերիկ համընկնման պատճառով: Այլընտրանքորեն, նուկլեոտիդային ակնհայտ ջնջումը կարող է պայմանավորված լինել կրիո-ԷՄ պատկերման ցածր լուծաչափով, որը խոչընդոտում է V. necatrix ռիբոսոմային բեկորների մոդելավորումը:
Մյուս կողմից, մեր աշխատանքը ենթադրում է, որ գենոմի քայքայման գործընթացը կարող է լինել գյուտարար ուժ: Մասնավորապես, E. cuniculi ռիբոսոմի կառուցվածքը ենթադրում է, որ միկրոսպորիդիայի ռիբոսոմում rRNA-ի և սպիտակուցային բեկորների կորուստը ստեղծում է էվոլյուցիոն ճնշում, որը նպաստում է ռիբոսոմի կառուցվածքի փոփոխություններին: Այս տարբերակները տեղի են ունենում ռիբոսոմի ակտիվ կենտրոնից հեռու և, կարծես, օգնում են պահպանել (կամ վերականգնել) ռիբոսոմի օպտիմալ հավաքումը, որը այլապես կխաթարվեր վերականգնված rRNA-ի կողմից: Սա ենթադրում է, որ միկրոսպորիդիայի ռիբոսոմի խոշոր նորարարությունը, կարծես, վերածվել է գեների դրեյֆը բուֆերացնելու անհրաժեշտության:
Հնարավոր է՝ սա լավագույնս պատկերված է նուկլեոտիդային կապման միջոցով, որը մինչ այժմ երբեք չի նկատվել այլ օրգանիզմներում: Այն փաստը, որ նուկլեոտիդային կապող մնացորդները առկա են տիպիկ միկրոսպորիդիաներում, բայց ոչ այլ էուկարիոտներում, ենթադրում է, որ նուկլեոտիդային կապող տեղամասերը պարզապես անհետանալու սպասող մնացորդներ կամ առանձին նուկլեոտիդների տեսքով rRNA-ի վերականգնման վերջնական տեղամաս չեն: Փոխարենը, այս տեղամասը թվում է օգտակար հատկանիշ, որը կարող էր զարգացած լինել դրական ընտրության մի քանի փուլերի ընթացքում: Նուկլեոտիդային կապող տեղամասերը կարող են լինել բնական ընտրության ենթամթերք. երբ ES39L-ը քայքայվում է, միկրոսպորիդիաները ստիպված են լինում փոխհատուցում փնտրել՝ ES39L-ի բացակայության դեպքում ռիբոսոմի օպտիմալ կենսագենեզը վերականգնելու համար: Քանի որ այս նուկլեոտիդը կարող է ընդօրինակել ES39L-ում A3186 նուկլեոտիդի մոլեկուլային շփումները, նուկլեոտիդային մոլեկուլը դառնում է ռիբոսոմի շինանյութ, որի կապումը հետագայում բարելավվում է eL30 հաջորդականության մուտացիայի միջոցով:
Բջջային մակաբույծների մոլեկուլային էվոլյուցիայի վերաբերյալ մեր ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ Դարվինի բնական ընտրության և գենոմի քայքայման գենետիկ դրիֆի ուժերը զուգահեռ չեն գործում, այլ տատանվում են։ Նախ, գենետիկ դրիֆտը վերացնում է կենսամոլեկուլների կարևոր առանձնահատկությունները, ինչը փոխհատուցումը դարձնում է խիստ անհրաժեշտ։ Միայն այն դեպքում, երբ մակաբույծները բավարարեն այս կարիքը Դարվինի բնական ընտրության միջոցով, նրանց մակրոմոլեկուլները հնարավորություն կունենան զարգացնելու իրենց ամենատպավորիչ և նորարարական հատկանիշները։ Կարևոր է նշել, որ E. cuniculi ռիբոսոմում նուկլեոտիդային կապող տեղամասերի էվոլյուցիան ենթադրում է, որ մոլեկուլային էվոլյուցիայի այս կորստի փոխարեն ձեռքբերման օրինաչափությունը ոչ միայն մարսում է վնասակար մուտացիաները, այլև երբեմն մակաբույծ մակրոմոլեկուլներին հաղորդում է բոլորովին նոր գործառույթներ։
Այս գաղափարը համահունչ է Սյուել Ռայթի շարժական հավասարակշռության տեսությանը, որը նշում է, որ բնական ընտրության խիստ համակարգը սահմանափակում է օրգանիզմների նորարարելու ունակությունը51,52,53: Այնուամենայնիվ, եթե գենետիկական դրեյֆը խաթարում է բնական ընտրությունը, այդ դրեյֆները կարող են առաջացնել փոփոխություններ, որոնք ինքնին հարմարվողական չեն (կամ նույնիսկ վնասակար), այլ հանգեցնում են հետագա փոփոխությունների, որոնք ապահովում են ավելի բարձր ֆիթնես կամ նոր կենսաբանական ակտիվություն: Մեր շրջանակը հաստատում է այս գաղափարը՝ ցույց տալով, որ նույն տեսակի մուտացիան, որը նվազեցնում է կենսամոլեկուլի ծալքը և գործառույթը, կարծես թե, դրա բարելավման հիմնական խթանն է: Համաձայն փոխշահավետ էվոլյուցիոն մոդելի, մեր ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ գենոմի քայքայումը, որը ավանդաբար դիտվում է որպես դեգեներատիվ գործընթաց, նույնպես նորարարության հիմնական շարժիչ ուժ է, երբեմն և գուցե նույնիսկ հաճախ թույլ տալով մակրոմոլեկուլներին ձեռք բերել նոր մակաբուծային ակտիվություններ: