გმადლობთ Nature.com-ის მონახულებისთვის.ბრაუზერის ვერსიას, რომელსაც იყენებთ, აქვს შეზღუდული CSS მხარდაჭერა.საუკეთესო გამოცდილებისთვის, გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში).იმავდროულად, მუდმივი მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად, ჩვენ გამოვიყვანთ საიტს სტილის და JavaScript-ის გარეშე.
მიკრობული პარაზიტების ევოლუცია მოიცავს ბუნებრივ გადარჩევას, რომელიც იწვევს პარაზიტების გაუმჯობესებას და გენეტიკურ დრეიფს, რაც იწვევს პარაზიტების გენების დაკარგვას და მავნე მუტაციების დაგროვებას შორის.აქ, იმისათვის, რომ გავიგოთ, თუ როგორ ხდება ეს კონტრაქცია ერთი მაკრომოლეკულის მასშტაბზე, ჩვენ აღვწერთ Encephalitozoon cuniculi-ის რიბოსომის კრიო-EM სტრუქტურას, ევკარიოტული ორგანიზმის ბუნებაში ერთ-ერთი ყველაზე პატარა გენომით.რნმ-ის უკიდურეს შემცირებას E. cuniculi რიბოსომებში თან ახლავს უპრეცედენტო სტრუქტურული ცვლილებები, როგორიცაა აქამდე უცნობი შერწყმული rRNA ლინკერების და rRNA-ის ევოლუცია ამობურცულობის გარეშე.გარდა ამისა, E. cuniculi რიბოსომა გადაურჩა rRNA ფრაგმენტების და ცილების დაკარგვას მცირე მოლეკულების გამოყენების უნარის გამო, როგორც დეგრადირებული rRNA ფრაგმენტებისა და ცილების სტრუქტურული მიმიკებით.საერთო ჯამში, ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ მოლეკულურ სტრუქტურებს, რომლებიც დიდი ხანია მიჩნეული იყო, რომ შემცირებული, გადაგვარებული და დამღუპველი მუტაციების ქვეშ იყო, აქვთ კომპენსატორული მექანიზმები, რომლებიც ინარჩუნებენ მათ აქტიურობას, მიუხედავად უკიდურესი მოლეკულური შეკუმშვისა.
ვინაიდან მიკრობული პარაზიტების უმეტეს ჯგუფს აქვს უნიკალური მოლეკულური ხელსაწყოები მათი მასპინძლების გამოსაყენებლად, ჩვენ ხშირად გვიწევს სხვადასხვა თერაპიული საშუალებების შემუშავება პარაზიტების სხვადასხვა ჯგუფისთვის1,2.თუმცა, ახალი მტკიცებულებები ვარაუდობენ, რომ პარაზიტების ევოლუციის ზოგიერთი ასპექტი კონვერგენციულია და დიდწილად პროგნოზირებადია, რაც მიუთითებს პოტენციურ საფუძველზე ფართო თერაპიული ჩარევებისთვის მიკრობულ პარაზიტებში3,4,5,6,7,8,9.
წინა ნაშრომმა გამოავლინა მიკრობული პარაზიტების საერთო ევოლუციური ტენდენცია, რომელსაც ეწოდება გენომის შემცირება ან გენომის დაშლა10,11,12,13.ამჟამინდელი კვლევა აჩვენებს, რომ როდესაც მიკროორგანიზმები წყვეტენ თავისუფალ ცხოვრების წესს და ხდებიან უჯრედშიდა პარაზიტები (ან ენდოსიმბიონტები), მათი გენომები მილიონობით წლის განმავლობაში განიცდის ნელ, მაგრამ გასაოცარ მეტამორფოზებს9,11.გენომის დაშლის სახელით ცნობილ პროცესში, მიკრობული პარაზიტები აგროვებენ მავნე მუტაციებს, რომლებიც აქცევს ბევრ მანამდე მნიშვნელოვან გენს ფსევდოგენად, რაც იწვევს გენების თანდათანობით დაკარგვას და მუტაციურ კოლაფსს14,15.ამ კოლაფსს შეუძლია გაანადგუროს გენების 95%-მდე უძველესი უჯრედშორისი ორგანიზმები მჭიდროდ დაკავშირებულ თავისუფალ სახეობებთან შედარებით.ამრიგად, უჯრედშიდა პარაზიტების ევოლუცია არის ბრძოლა ორ დაპირისპირებულ ძალას შორის: დარვინის ბუნებრივ გადარჩევას შორის, რაც იწვევს პარაზიტების გაუმჯობესებას და გენომის კოლაფსს, პარაზიტების დავიწყებას.როგორ მოახერხა პარაზიტმა გამოსვლა და მისი მოლეკულური სტრუქტურის აქტივობის შენარჩუნება, გაურკვეველი რჩება.
მიუხედავად იმისა, რომ გენომის დაშლის მექანიზმი ბოლომდე არ არის გასაგები, როგორც ჩანს, ის ძირითადად ხშირი გენეტიკური დრიფტის გამო ხდება.იმის გამო, რომ პარაზიტები ცხოვრობენ მცირე, ასექსუალურ და გენეტიკურად შეზღუდულ პოპულაციებში, მათ არ შეუძლიათ ეფექტურად აღმოფხვრას მავნე მუტაციები, რომლებიც ზოგჯერ ხდება დნმ-ის რეპლიკაციის დროს.ეს იწვევს მავნე მუტაციების შეუქცევად დაგროვებას და პარაზიტის გენომის შემცირებას.შედეგად, პარაზიტი არა მხოლოდ კარგავს გენებს, რომლებიც აღარ არის საჭირო უჯრედშიდა გარემოში მისი გადარჩენისთვის.ეს არის პარაზიტების პოპულაციების უუნარობა ეფექტურად აღმოფხვრას სპორადული მავნე მუტაციები, რაც იწვევს ამ მუტაციების დაგროვებას გენომში, მათ შორის ყველაზე მნიშვნელოვანი გენების ჩათვლით.
გენომის შემცირების ჩვენი ამჟამინდელი გაგების დიდი ნაწილი ეფუძნება მხოლოდ გენომის თანმიმდევრობის შედარებებს, ნაკლები ყურადღება მიაქციეთ რეალურ მოლეკულებში ცვლილებებს, რომლებიც ასრულებენ საყოფაცხოვრებო ფუნქციებს და ემსახურებიან როგორც წამლის პოტენციურ სამიზნეებს.შედარებითმა კვლევებმა აჩვენა, რომ მავნე უჯრედშიდა მიკრობული მუტაციების ტვირთი, როგორც ჩანს, იწვევს ცილებისა და ნუკლეინის მჟავების არასწორად დაგროვებასა და აგრეგაციას, რაც მათ უფრო მაკავშირებელზე დამოკიდებულს და სიცხეზე ჰიპერმგრძნობელობას ხდის19,20,21,22,23.გარდა ამისა, სხვადასხვა პარაზიტებს - დამოუკიდებელ ევოლუციას ხანდახან 2,5 მილიარდი წლით შორდება - განიცადეს ხარისხის კონტროლის ცენტრების მსგავსი დაკარგვა ცილების სინთეზში5,6 და დნმ-ის აღდგენის მექანიზმებში24.თუმცა, ცოტა რამ არის ცნობილი უჯრედშიდა ცხოვრების წესის გავლენის შესახებ უჯრედული მაკრომოლეკულების ყველა სხვა თვისებაზე, მათ შორის მავნე მუტაციების მზარდ ტვირთთან მოლეკულური ადაპტაციის შესახებ.
ამ ნაშრომში, უჯრედშიდა მიკროორგანიზმების ცილების და ნუკლეინის მჟავების ევოლუციის უკეთ გასაგებად, ჩვენ განვსაზღვრეთ უჯრედშიდა პარაზიტის Encephalitozoon cuniculi რიბოზომების სტრუქტურა.E. cuniculi არის სოკოსმაგვარი ორგანიზმი, რომელიც მიეკუთვნება პარაზიტული მიკროსპორიდიების ჯგუფს, რომლებსაც აქვთ უჩვეულოდ მცირე ევკარიოტული გენომები და ამიტომ გამოიყენება როგორც მოდელი ორგანიზმები გენომის დაშლის შესასწავლად25,26,27,28,29,30.ცოტა ხნის წინ, კრიო-EM რიბოსომის სტრუქტურა განისაზღვრა Microsporidia, Paranosema locustae და Vairimorpha necatrix31,32 (~3.2 Mb გენომის) ზომიერად შემცირებული გენომებისთვის.ეს სტრუქტურები ვარაუდობენ, რომ rRNA გაძლიერების გარკვეული დაკარგვა კომპენსირდება მეზობელ რიბოსომურ პროტეინებს შორის ახალი კონტაქტების განვითარებით ან ახალი msL131,32 რიბოსომური ცილების შეძენით.სახეობები Encephalitozoon (გენომი ~2,5 მილიონი bp), მათ უახლოეს ნათესავ Ordospora-სთან ერთად, აჩვენებენ ევკარიოტებში გენომის შემცირების საბოლოო ხარისხს - მათ აქვთ 2000-ზე ნაკლები ცილის კოდირების გენი, და მოსალოდნელია, რომ მათ რიბოზომებს არ აქვთ მხოლოდ rRNA გაფართოების ფრაგმენტები (rRNA-ის ბაქტერიების გაფართოების ოთხი ფრაგმენტი), რომლებიც განასხვავებენ რიბობოკარიო ბაქტერიებს. s E. cuniculi-ის გენომში მათი ჰომოლოგების ნაკლებობის გამო26,27,28.აქედან გამომდინარე, ჩვენ დავასკვენით, რომ E. cuniculi რიბოსომას შეუძლია გამოავლინოს მანამდე უცნობი სტრატეგიები მოლეკულური ადაპტაციისთვის გენომის დაშლის მიმართ.
ჩვენი კრიო-EM სტრუქტურა წარმოადგენს ყველაზე პატარა ევკარიოტულ ციტოპლაზმურ რიბოსომას, რომელიც უნდა დახასიათდეს და გვაწვდის ინფორმაციას იმის შესახებ, თუ როგორ მოქმედებს გენომის შემცირების საბოლოო ხარისხი უჯრედის განუყოფელი მოლეკულური მექანიზმის სტრუქტურაზე, შეკრებაზე და ევოლუციაზე.ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ E. cuniculi რიბოსომა არღვევს რნმ-ის დაკეცვისა და რიბოსომის შეკრების ბევრ ფართოდ კონსერვაციას პრინციპს და აღმოვაჩინეთ ახალი, აქამდე უცნობი რიბოსომური ცილა.სრულიად მოულოდნელად, ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ მიკროსპორიდიის რიბოზომებს განუვითარდათ მცირე მოლეკულების შებოჭვის უნარი და ვარაუდობთ, რომ rRNA-სა და ცილების შეკვეცა იწვევს ევოლუციურ ინოვაციებს, რამაც შეიძლება საბოლოოდ სასარგებლო თვისებები მისცეს რიბოსომას.
უჯრედშიდა ორგანიზმებში ცილების და ნუკლეინის მჟავების ევოლუციის გაგების გასაუმჯობესებლად, გადავწყვიტეთ გამოვყოთ E. cuniculi სპორები ინფიცირებული ძუძუმწოვრების უჯრედების კულტურებიდან, რათა განგვეწმინდა მათი რიბოსომები და განვსაზღვროთ ამ რიბოზომების სტრუქტურა.ძნელია დიდი რაოდენობით პარაზიტული მიკროსპორიდიების მოპოვება, რადგან მიკროსპორიდია არ შეიძლება კულტივირებული იყოს საკვებ გარემოში.ამის ნაცვლად, ისინი იზრდებიან და მრავლდებიან მხოლოდ მასპინძელ უჯრედში.ამიტომ, E. cuniculi-ის ბიომასის მისაღებად რიბოსომის გასაწმენდად, ჩვენ დავაბინძურეთ ძუძუმწოვართა თირკმლის უჯრედული ხაზი RK13 E. cuniculi სპორებით და დავამუშავეთ ეს ინფიცირებული უჯრედები რამდენიმე კვირის განმავლობაში, რათა E. cuniculi-მ გაიზარდოს და გამრავლდეს.დაახლოებით ნახევარი კვადრატული მეტრის ინფიცირებული უჯრედის მონოფენის გამოყენებით, ჩვენ შევძელით დაახლოებით 300 მგ მიკროსპორიდიის სპორების გაწმენდა და მათი გამოყენება რიბოზომების იზოლირებისთვის.შემდეგ ჩვენ გავაფუჭეთ გასუფთავებული სპორები შუშის მარცვლებით და გამოვყავით ნედლი რიბოსომები ლიზატების პოლიეთილენ გლიკოლის ეტაპობრივი დანაწილების გამოყენებით.ამან მოგვცა საშუალება მივიღოთ დაახლოებით 300 მკგ ნედლი E. cuniculi რიბოზომები სტრუქტურული ანალიზისთვის.
შემდეგ ჩვენ შევაგროვეთ კრიო-EM გამოსახულებები მიღებული რიბოსომის ნიმუშების გამოყენებით და დავამუშავეთ ეს სურათები დიდი რიბოსომური ქვედანაყოფის, მცირე ქვედანაყოფის თავისა და მცირე ქვედანაყოფის შესაბამისი ნიღბების გამოყენებით.ამ პროცესის დროს ჩვენ შევაგროვეთ დაახლოებით 108000 რიბოსომური ნაწილაკების სურათები და გამოვთვალეთ კრიო-EM გამოსახულებები 2,7 Å გარჩევადობით (დამატებითი ნახატები 1-3).ჩვენ შემდეგ გამოვიყენეთ cryoEM გამოსახულებები rRNA-ს, რიბოსომური ცილის და ჰიბერნაციის ფაქტორის Mdf1 მოდელირებისთვის, რომელიც დაკავშირებულია E. cuniculi რიბოზომებთან (ნახ. 1a, b).
E. cuniculi რიბოსომის სტრუქტურა კომპლექსში ჰიბერნაციის ფაქტორთან Mdf1 (pdb id 7QEP).b ჰიბერნაციის ფაქტორის Mdf1 რუკა, რომელიც დაკავშირებულია E. cuniculi რიბოსომასთან.c მეორადი სტრუქტურის რუკა, რომელიც ადარებს აღდგენილ rRNA-ს მიკროსპორიდიანულ სახეობებში ცნობილ რიბოსომურ სტრუქტურებთან.პანელებზე ნაჩვენებია გაძლიერებული rRNA ფრაგმენტების (ES) და რიბოსომის აქტიური ადგილების მდებარეობა, მათ შორის დეკოდირების ადგილი (DC), სარცინიცინის მარყუჟი (SRL) და პეპტიდილ ტრანსფერაზას ცენტრი (PTC).d E. cuniculi რიბოსომის პეპტიდილ ტრანსფერაზას ცენტრის შესაბამისი ელექტრონის სიმკვრივე ვარაუდობს, რომ ამ კატალიზურ ადგილს აქვს იგივე სტრუქტურა E. cuniculi პარაზიტში და მის მასპინძლებში, მათ შორის H. sapiens.e, f დეკოდირების ცენტრის (e) შესაბამისი ელექტრონული სიმკვრივე და დეკოდირების ცენტრის სქემატური სტრუქტურა (f) მიუთითებს იმაზე, რომ E. cuniculi-ს აქვს ნარჩენები U1491 ნაცვლად A1491-ისა (E. coli ნუმერაცია) ბევრ სხვა ევკარიოტში.ეს ცვლილება ვარაუდობს, რომ E. cuniculi შეიძლება იყოს მგრძნობიარე ანტიბიოტიკების მიმართ, რომლებიც მიზნად ისახავს ამ აქტიურ ადგილს.
V. necatrix და P. locustae რიბოზომების ადრე ჩამოყალიბებული სტრუქტურებისგან განსხვავებით (ორივე სტრუქტურა წარმოადგენს Nosematidae-ის იგივე მიკროსპორიდიების ოჯახს და ძალიან ჰგავს ერთმანეთს), 31,32 E. cuniculi რიბოსომები განიცდიან rRNA და ცილების ფრაგმენტაციის მრავალ პროცესს.შემდგომი დენატურაცია (დამატებითი ნახატები 4-6).rRNA-ში ყველაზე გასაოცარი ცვლილებები მოიცავდა 25S rRNA ფრაგმენტის ES12L-ის სრულ დაკარგვას და h39, h41 და H18 სპირალის ნაწილობრივ გადაგვარებას (ნახ. 1c, დამატებითი ნახ. 4).რიბოსომურ პროტეინებს შორის ყველაზე ნათელი ცვლილებები მოიცავდა eS30 ცილის სრულ დაკარგვას და eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 და eS7 ცილების შემცირებას (დამატებითი ნახატები 4, 5).
ამრიგად, Encephalotozoon/Ordospora-ს სახეობების გენომის უკიდურესი შემცირება აისახება მათ რიბოზომურ სტრუქტურაში: E. cuniculi რიბოსომები განიცდიან ცილის შემცველობის ყველაზე მკვეთრ დაკარგვას ევკარიოტურ ციტოპლაზმურ რიბოზომებში, რომლებიც ექვემდებარება სტრუქტურულ დახასიათებას, და მათ არ აქვთ ის rRNA და ცილის ფრაგმენტები, რომლებიც განლაგებულია არა მხოლოდ სიცოცხლის ფრაგმენტებში.E. cuniculi რიბოსომის სტრუქტურა უზრუნველყოფს პირველ მოლეკულურ მოდელს ამ ცვლილებებისთვის და ავლენს ევოლუციური მოვლენებს, რომლებიც შეუმჩნეველი იყო როგორც შედარებითი გენომიკის, ასევე უჯრედშიდა ბიომოლეკულური სტრუქტურის კვლევების მიერ (დამატებითი სურ. 7).ქვემოთ ჩვენ აღვწერთ თითოეულ ამ მოვლენას მათ სავარაუდო ევოლუციური წარმოშობისა და მათი პოტენციური ზემოქმედების შესახებ რიბოსომის ფუნქციაზე.
შემდეგ ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ დიდი rRNA შეკვეცების გარდა, E. cuniculi რიბოზომებს აქვთ rRNA ვარიაციები ერთ-ერთ აქტიურ უბანზე.მიუხედავად იმისა, რომ E. cuniculi რიბოსომის პეპტიდილ ტრანსფერაზას ცენტრს აქვს იგივე სტრუქტურა, როგორც სხვა ევკარიოტული რიბოზომები (ნახ. 1d), დეკოდირების ცენტრი განსხვავდება თანმიმდევრობის ცვალებადობის გამო ნუკლეოტიდზე 1491 (E. coli ნუმერაცია, სურ. 1e, f).ეს დაკვირვება მნიშვნელოვანია, რადგან ევკარიოტული რიბოზომების დეკოდირების ადგილი, როგორც წესი, შეიცავს ნარჩენებს G1408 და A1491 ბაქტერიული ტიპის ნარჩენებთან შედარებით A1408 და G1491.ეს ცვალებადობა საფუძვლად უდევს ბაქტერიული და ევკარიოტული რიბოზომების განსხვავებულ მგრძნობელობას რიბოსომური ანტიბიოტიკების ამინოგლიკოზიდური ოჯახის და სხვა მცირე მოლეკულების მიმართ, რომლებიც მიზნად ისახავს დეკოდირების ადგილს.E. cuniculi რიბოსომის დეკოდირების ადგილზე, ნარჩენი A1491 შეიცვალა U1491-ით, რაც პოტენციურად შექმნის უნიკალურ დამაკავშირებელ ინტერფეისს მცირე მოლეკულებისთვის, რომლებიც მიზნად ისახავს ამ აქტიურ ადგილს.იგივე A14901 ვარიანტი ასევე გვხვდება სხვა მიკროსპორიდიებში, როგორიცაა P. locustae და V. necatrix, რაც ვარაუდობს, რომ ის ფართოდ არის გავრცელებული მიკროსპორიდიების სახეობებში (ნახ. 1f).
იმის გამო, რომ ჩვენი E. cuniculi რიბოსომის ნიმუშები იზოლირებული იყო მეტაბოლურად არააქტიური სპორებიდან, ჩვენ გამოვცადეთ E. cuniculi-ის კრიო-EM რუკა ადრე აღწერილი რიბოსომის შეკავშირებისთვის სტრესის ან შიმშილის პირობებში.ჰიბერნაციის ფაქტორები 31,32,36,37, 38. ჩვენ დავამთხვიეთ ჰიბერნაციის რიბოსომის ადრე ჩამოყალიბებული სტრუქტურა E. cuniculi რიბოსომის კრიო-EM რუკას.დასამაგრებლად გამოყენებული იყო S. cerevisiae რიბოზომები კომპლექსში ჰიბერნაციის ფაქტორით Stm138, კალიის რიბოზომები კომპლექსში Lso232 ფაქტორით და V. necatrix რიბოზომები კომპლექსში Mdf1 და Mdf231 ფაქტორებით.ამავდროულად, ჩვენ აღმოვაჩინეთ კრიო-EM სიმკვრივე, რომელიც შეესაბამება დანარჩენი ფაქტორს Mdf1.Mdf1-ის V. necatrix რიბოსომასთან დაკავშირების მსგავსად, Mdf1 ასევე უკავშირდება E. cuniculi რიბოსომას, სადაც ბლოკავს რიბოსომის E ადგილს, რაც ხელს უწყობს რიბოზომების ხელმისაწვდომობას, როდესაც პარაზიტის სპორები მეტაბოლურად არააქტიური ხდება სხეულის ინაქტივაციისას (სურათი 2).).
Mdf1 ბლოკავს რიბოსომის E ადგილს, რომელიც, როგორც ჩანს, ხელს უწყობს რიბოსომის ინაქტივაციას, როდესაც პარაზიტის სპორები მეტაბოლურად არააქტიური ხდება.E. cuniculi რიბოსომის სტრუქტურაში აღმოვაჩინეთ, რომ Mdf1 აყალიბებს მანამდე უცნობ კონტაქტს L1 რიბოზომის ღეროსთან, რიბოზომის იმ ნაწილთან, რომელიც ხელს უწყობს დეაცილირებული tRNA-ს გამოყოფას რიბოსომიდან ცილის სინთეზის დროს.ეს კონტაქტები ვარაუდობენ, რომ Mdf1 იშლება რიბოსომიდან იმავე მექანიზმის გამოყენებით, როგორც დეაცეტილირებული tRNA, რაც იძლევა შესაძლო ახსნას, თუ როგორ აშორებს რიბოსომა Mdf1-ს ცილის სინთეზის რეაქტივაციისთვის.
თუმცა, ჩვენმა სტრუქტურამ გამოავლინა უცნობი კონტაქტი Mdf1-სა და L1 რიბოსომის ფეხს შორის (რიბოსომის ნაწილი, რომელიც ეხმარება რიბოსომიდან დეაცილირებული რნმ-ის განთავისუფლებას ცილის სინთეზის დროს).კერძოდ, Mdf1 იყენებს იგივე კონტაქტებს, რასაც დეაცილირებული tRNA მოლეკულის იდაყვის სეგმენტი (ნახ. 2).მანამდე უცნობმა მოლეკულურმა მოდელირებამ აჩვენა, რომ Mdf1 იშლება რიბოსომიდან იმავე მექანიზმის გამოყენებით, როგორც დეაცეტილირებული tRNA, რაც განმარტავს, თუ როგორ აშორებს რიბოსომა ამ ჰიბერნაციის ფაქტორს ცილის სინთეზის ხელახლა გასააქტიურებლად.
rRNA მოდელის აგებისას აღმოვაჩინეთ, რომ E. cuniculi რიბოსომას აქვს არანორმალურად დაკეცილი rRNA ფრაგმენტები, რომლებსაც ჩვენ ვუწოდეთ შერწყმული rRNA (ნახ. 3).რიბოსომებში, რომლებიც მოიცავს სიცოცხლის სამ დომენს, rRNA იკეცება სტრუქტურებად, რომლებშიც rRNA ბაზების უმეტესობა ან წყვილდება და იკეცება ერთმანეთთან, ან ურთიერთქმედებს რიბოსომურ პროტეინებთან38,39,40.თუმცა, E. cuniculi რიბოზომებში, rRNA-ები, როგორც ჩანს, არღვევენ ამ დაკეცვის პრინციპს მათი ზოგიერთი სპირალის გარდაქმნით გაშლილ rRNA უბნებად.
H18 25S rRNA სპირალის სტრუქტურა S. cerevisiae, V. necatrix და E. cuniculi.როგორც წესი, რიბოსომებში, რომლებიც მოიცავს სიცოცხლის სამ დომენს, ეს დამაკავშირებელი ხვდება რნმ-ის სპირალში, რომელიც შეიცავს 24-დან 34-მდე ნარჩენს.მიკროსპორიდიაში, ამის საპირისპიროდ, ეს rRNA დამაკავშირებელი თანდათან მცირდება ორ ერთჯაჭვიან ურიდინით მდიდარ ლინკერამდე, რომლებიც შეიცავს მხოლოდ 12 ნარჩენს.ამ ნარჩენების უმეტესობა ექვემდებარება გამხსნელებს.სურათი გვიჩვენებს, რომ პარაზიტული მიკროსპორიდია, როგორც ჩანს, არღვევს rRNA-ს დაკეცვის ზოგად პრინციპებს, სადაც rRNA ფუძეები, როგორც წესი, წყვილდება სხვა ბაზებთან ან მონაწილეობს rRNA-პროტეინის ურთიერთქმედებაში.მიკროსპორიდიაში, rRNA-ს ზოგიერთი ფრაგმენტი იღებს არახელსაყრელ ნაკეცს, რომელშიც ყოფილი rRNA სპირალი ხდება ერთჯაჭვიანი ფრაგმენტი, წაგრძელებული თითქმის სწორი ხაზით.ამ უჩვეულო რეგიონების არსებობა მიკროსპორიდიას rRNA საშუალებას აძლევს დააკავშიროს შორეული rRNA ფრაგმენტები რნმ-ის მინიმალური რაოდენობის გამოყენებით.
ამ ევოლუციური გადასვლის ყველაზე ნათელი მაგალითი შეიძლება დაფიქსირდეს H18 25S rRNA სპირალში (ნახ. 3).E. coli-დან ადამიანებამდე სახეობებში, ამ rRNA სპირალის ფუძეები შეიცავს 24-32 ნუკლეოტიდს, რომლებიც ქმნიან ოდნავ არარეგულარულ სპირალს.ადრე იდენტიფიცირებულ რიბოსომურ სტრუქტურებში V. necatrix და P. locustae,31,32 H18 სპირალის ფუძეები ნაწილობრივ არ არის დახვეული, მაგრამ შენარჩუნებულია ნუკლეოტიდური ბაზის წყვილი.თუმცა, E. cuniculi-ში ეს rRNA ფრაგმენტი ხდება უმოკლესი დამაკავშირებელი 228UUUGU232 და 301UUUUUUUUUU307.ტიპიური rRNA ფრაგმენტებისგან განსხვავებით, ეს ურიდინით მდიდარი ლინკერები არ ხვდებიან და არ ამყარებენ ვრცელ კონტაქტს რიბოსომურ ცილებთან.ამის ნაცვლად, ისინი იღებენ გამხსნელად ღია და სრულად გაშლილ სტრუქტურებს, რომლებშიც rRNA ძაფები თითქმის სწორია გაშლილი.ეს დაჭიმული კონფორმაცია განმარტავს, თუ როგორ იყენებს E. cuniculi მხოლოდ 12 რნმ ფუძეს H16 და H18 rRNA სპირალებს შორის 33 Å უფსკრულის შესავსებად, მაშინ როცა სხვა სახეობებს ესაჭიროებათ მინიმუმ ორჯერ მეტი rRNA ფუძე ამ უფსკრულის შესავსებად.
ამრიგად, ჩვენ შეგვიძლია ვაჩვენოთ, რომ ენერგიულად არახელსაყრელი დაკეცვის გზით, პარაზიტულმა მიკროსპორიდიებმა შეიმუშავეს სტრატეგია იმ rRNA სეგმენტების შეკუმშვისთვისაც კი, რომლებიც რჩება ფართოდ კონსერვირებული სახეობებში სიცოცხლის სამ დომენში.როგორც ჩანს, მუტაციების დაგროვებით, რომლებიც გარდაქმნის rRNA სპირალებს მოკლე პოლი-U ლინკერებად, E. cuniculi-ს შეუძლია შექმნას უჩვეულო rRNA ფრაგმენტები, რომლებიც შეიცავს რაც შეიძლება ნაკლებ ნუკლეოტიდს დისტალური rRNA ფრაგმენტების ლიგირებისთვის.ეს გვეხმარება იმის ახსნაში, თუ როგორ მიაღწიეს მიკროსპორიდიას ძირითადი მოლეკულური სტრუქტურის მკვეთრ შემცირებას სტრუქტურული და ფუნქციური მთლიანობის დაკარგვის გარეშე.
E. cuniculi rRNA-ს კიდევ ერთი უჩვეულო თვისებაა rRNA-ს გამოჩენა გასქელების გარეშე (ნახ. 4).გამობურცვები არის ნუკლეოტიდები ფუძის წყვილების გარეშე, რომლებიც ირნმ-ის სპირალიდან ტრიალებენ მასში დამალვის ნაცვლად.rRNA პროტრუზიების უმეტესობა მოქმედებს როგორც მოლეკულური ადჰეზივები, რაც ხელს უწყობს მიმდებარე რიბოსომული ცილების ან სხვა rRNA ფრაგმენტების შეკავშირებას.ზოგიერთი ამობურცულობა მოქმედებს როგორც საკინძები, რაც საშუალებას აძლევს rRNA სპირალს მოქნილი და ოპტიმალურად დაიკეცოს პროდუქტიული ცილის სინთეზისთვის 41 .
a rRNA პროტრუზია (S. cerevisiae ნუმერაცია) არ არის E. cuniculi რიბოზომის სტრუქტურაში, მაგრამ გვხვდება სხვა ევკარიოტებში b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens და E. cuniculi შიდა რიბოზომებში.პარაზიტებს არ გააჩნიათ მრავალი უძველესი, უაღრესად კონსერვირებული rRNA ამობურცულობა.ეს გასქელება ასტაბილურებს რიბოზომის სტრუქტურას;შესაბამისად, მათი არარსებობა მიკროსპორიდიაში მიუთითებს რნმ-ის დაკეცვის შემცირებულ სტაბილურობაზე მიკროსპორიდიის პარაზიტებში.P ღეროებთან შედარება (L7/L12 ღეროები ბაქტერიებში) აჩვენებს, რომ rRNA მუწუკების დაკარგვა ზოგჯერ ემთხვევა დაკარგული მუწუკების გვერდით ახალი მუწუკების გამოჩენას.H42 სპირალს 23S/28S rRNA-ში აქვს უძველესი ამობურცულობა (U1206 Saccharomyces cerevisiae-ში), რომელიც შეფასებულია მინიმუმ 3,5 მილიარდი წლის ასაკის სიცოცხლის სამ დომენში დაცვის გამო.მიკროსპორიდიაში ეს ამობურცულობა აღმოიფხვრება.თუმცა დაკარგული ამობურცვის გვერდით ახალი ამობურცულობა გამოჩნდა (A1306 E. cuniculi-ში).
გასაოცარია, რომ ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ E. cuniculi რიბოზომებს აკლია სხვა სახეობებში ნაპოვნი rRNA გამონაყარის უმეტესი ნაწილი, მათ შორის 30-ზე მეტი გამონაყარი, რომლებიც შენარჩუნებულია სხვა ევკარიოტებში (ნახ. 4a).ეს დანაკარგი გამორიცხავს ბევრ კონტაქტს რიბოსომურ ქვედანაყოფებსა და მიმდებარე rRNA ხვეულებს შორის, ზოგჯერ ქმნის დიდ ღრუ სიცარიელეს რიბოსომაში, რაც E. cuniculi რიბოსომას უფრო ფოროვანს ხდის უფრო ტრადიციულ რიბოზომებთან შედარებით (ნახ. 4b).აღსანიშნავია, რომ ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ ამ გამონაყარების უმეტესობა ასევე დაკარგული იყო ადრე იდენტიფიცირებულ V. necatrix და P. locustae რიბოზომის სტრუქტურებში, რომლებიც შეუმჩნეველი იყო წინა სტრუქტურული ანალიზებით31,32.
ზოგჯერ rRNA გამონაყარის დაკარგვას თან ახლავს ახალი გამონაყარის წარმოქმნა დაკარგული ამობურცვის გვერდით.მაგალითად, რიბოსომური P-ღერო შეიცავს U1208 გამონაყარს (Saccharomyces cerevisiae-ში), რომელიც გადარჩა E. coli-დან ადამიანებამდე და, შესაბამისად, შეფასებულია, რომ ის 3,5 მილიარდი წლისაა.ცილის სინთეზის დროს ეს ამობურცულობა ეხმარება P ღეროს გადაადგილდეს ღია და დახურულ კონფორმაციებს შორის, რათა რიბოსომამ შეძლოს მთარგმნელობითი ფაქტორების დაგროვება და მათ აქტიურ ადგილზე მიტანა.E. cuniculi რიბოზომებში ეს გასქელება არ არის;თუმცა, ახალმა გასქელებამ (G883), რომელიც განლაგებულია მხოლოდ სამ ბაზის წყვილში, შეუძლია ხელი შეუწყოს P ღეროს ოპტიმალური მოქნილობის აღდგენას (ნახ. 4c).
ჩვენი მონაცემები rRNA-ზე ამობურცულობის გარეშე ვარაუდობს, რომ rRNA-ს მინიმიზაცია არ შემოიფარგლება რიბოზომის ზედაპირზე rRNA ელემენტების დაკარგვით, არამედ შეიძლება მოიცავდეს რიბოსომის ბირთვს, რაც ქმნის პარაზიტის სპეციფიკურ მოლეკულურ დეფექტს, რომელიც არ არის აღწერილი თავისუფლად ცოცხალ უჯრედებში.შეინიშნება ცოცხალი სახეობები.
კანონიკური რიბოსომური ცილების და rRNA მოდელირების შემდეგ, ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ ჩვეულებრივი რიბოსომური კომპონენტები ვერ ხსნიან კრიო-EM გამოსახულების სამ ნაწილს.ამ ფრაგმენტებიდან ორი მცირე ზომის მოლეკულაა (სურ. 5, დამატებითი სურ. 8).პირველი სეგმენტი მოთავსებულია რიბოსომურ პროტეინებს შორის uL15 და eL18 პოზიციაზე, როგორც წესი, იკავებს eL18-ის C-ბოლოტს, რომელიც შემცირებულია E. cuniculi-ში.მიუხედავად იმისა, რომ ჩვენ არ შეგვიძლია განვსაზღვროთ ამ მოლეკულის ვინაობა, ამ სიმკვრივის კუნძულის ზომა და ფორმა კარგად აიხსნება სპერმიდინის მოლეკულების არსებობით.მისი კავშირი რიბოსომასთან სტაბილიზირებულია მიკროსპორიდიის სპეციფიკური მუტაციებით uL15 პროტეინებში (Asp51 და Arg56), რომლებიც, როგორც ჩანს, ზრდის რიბოსომის აფინურობას ამ მცირე მოლეკულასთან, რადგან ისინი საშუალებას აძლევენ uL15-ს შეფუთოს პატარა მოლეკულა რიბოსომურ სტრუქტურაში.დამატებითი სურათი 2).8, დამატებითი მონაცემები 1, 2).
Cryo-EM გამოსახულება, რომელიც გვიჩვენებს ნუკლეოტიდების არსებობას რიბოზის გარეთ, შეკრული E. cuniculi რიბოსომასთან.E. cuniculi რიბოსომაში ამ ნუკლეოტიდს იგივე ადგილი უჭირავს 25S rRNA A3186 ნუკლეოტიდს (Saccharomyces cerevisiae ნუმერაცია) სხვა ევკარიოტული რიბოსომების უმეტესობაში.b E. cuniculi-ის რიბოსომურ სტრუქტურაში ეს ნუკლეოტიდი განლაგებულია რიბოსომურ პროტეინებს შორის uL9 და eL20, რითაც სტაბილიზდება კონტაქტი ორ ცილას შორის.cd eL20 თანმიმდევრობის კონსერვაციის ანალიზი მიკროსპორიდიის სახეობებს შორის.მიკროსპორიდიის სახეობების ფილოგენეტიკური ხე (c) და eL20 პროტეინის (d) მრავალჯერადი თანმიმდევრობით განლაგება აჩვენებს, რომ ნუკლეოტიდთან დამაკავშირებელი ნარჩენები F170 და K172 კონსერვირებულია უმეტეს ტიპურ მიკროსპორიდიაში, გარდა S. lophii, გარდა ადრეული განშტოებადი რნმ-ის გაფართოებისა, რომელიც ES3.e ეს ფიგურა გვიჩვენებს, რომ ნუკლეოტიდთან დამაკავშირებელი ნარჩენები F170 და K172 გვხვდება მხოლოდ ძლიერ შემცირებული მიკროსპორიდიის გენომის eL20-ში, მაგრამ არა სხვა ევკარიოტებში.საერთო ჯამში, ეს მონაცემები ვარაუდობს, რომ მიკროსპორიდიანის რიბოსომებმა განავითარეს ნუკლეოტიდის დამაკავშირებელი ადგილი, რომელიც, როგორც ჩანს, აკავშირებს AMP მოლეკულებს და იყენებს მათ რიბოსომურ სტრუქტურაში ცილა-ცილის ურთიერთქმედების სტაბილიზაციისთვის.მიკროსპორიდიაში ამ დამაკავშირებელი ადგილის მაღალი კონსერვაცია და მისი არარსებობა სხვა ევკარიოტებში მიუთითებს იმაზე, რომ ეს ადგილი შეიძლება უზრუნველყოს მიკროსპორიდიის შერჩევითი გადარჩენის უპირატესობა.ამრიგად, მიკროსპორიდიის რიბოსომაში ნუკლეოტიდის დამაკავშირებელი ჯიბე არ ჩანს როგორც ადრე აღწერილი rRNA-ს დეგრადაციის დეგენერირებული თვისება ან საბოლოო ფორმა, არამედ სასარგებლო ევოლუციური ინოვაცია, რომელიც საშუალებას აძლევს მიკროსპორიდიის რიბოსომას პირდაპირ შეაერთოს მცირე მოლეკულები და გამოიყენოს ისინი მოლეკულურ სამშენებლო ბლოკად.რიბოზომების სამშენებლო ბლოკები.ეს აღმოჩენა აქცევს მიკროსპორიდიის რიბოსომას ერთადერთ რიბოსომას, რომელიც იყენებს ერთ ნუკლეოტიდს, როგორც მის სტრუქტურულ სამშენებლო ბლოკს.ვ ჰიპოთეტური ევოლუციური გზა, რომელიც მიღებულია ნუკლეოტიდის შეკავშირებიდან.
მეორე დაბალი მოლეკულური სიმკვრივე განლაგებულია რიბოსომული ცილების uL9 და eL30 ინტერფეისზე (ნახ. 5a).ეს ინტერფეისი ადრე იყო აღწერილი Saccharomyces cerevisiae რიბოსომის სტრუქტურაში, როგორც rRNA A3186-ის 25S ნუკლეოტიდის (ES39L rRNA გაფართოების ნაწილი) შემაკავშირებელი ადგილი38.ნაჩვენებია, რომ გადაგვარებულ P. locustae ES39L რიბოზომებში, ეს ინტერფეისი აკავშირებს უცნობ ერთ ნუკლეოტიდს 31 და ვარაუდობენ, რომ ეს ნუკლეოტიდი არის rRNA-ს შემცირებული საბოლოო ფორმა, რომელშიც rRNA-ს სიგრძე ~130-230 ფუძეა.ES39L მცირდება ერთ ნუკლეოტიდამდე 32.43.ჩვენი კრიო-EM გამოსახულებები მხარს უჭერს იმ აზრს, რომ სიმკვრივე შეიძლება აიხსნას ნუკლეოტიდებით.თუმცა, ჩვენი სტრუქტურის უფრო მაღალმა გარჩევადობამ აჩვენა, რომ ეს ნუკლეოტიდი არის ექსტრარიბოსომური მოლეკულა, შესაძლოა AMP (ნახ. 5a, b).
შემდეგ ჩვენ ვიკითხეთ, გამოჩნდა თუ არა ნუკლეოტიდის დამაკავშირებელი ადგილი E. cuniculi რიბოსომაში ან არსებობდა თუ არა იგი ადრე.ვინაიდან ნუკლეოტიდის შეკავშირება ძირითადად შუამავლობს Phe170 და Lys172 ნარჩენებით eL30 რიბოსომურ ცილაში, ჩვენ შევაფასეთ ამ ნარჩენების კონსერვაცია 4396 წარმომადგენლობით ევკარიოტში.როგორც ზემოთ uL15-ის შემთხვევაში, ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ Phe170 და Lys172 ნარჩენები ძლიერად არის დაცული მხოლოდ ტიპურ მიკროსპორიდიებში, მაგრამ არ არსებობს სხვა ევკარიოტებში, მათ შორის ატიპიურ Microsporidia Mitosporidium-სა და Amphiamblys-ში, რომლებშიც ES39L rRNA ფრაგმენტი არ არის შემცირებული (45,44,6).-ე).
ერთად აღებული, ეს მონაცემები მხარს უჭერს აზრს, რომ E. cuniculi-მ და, შესაძლოა, სხვა კანონიკურმა მიკროსპორიდიებმა განავითარეს უნარი ეფექტურად დაიჭირონ დიდი რაოდენობით მცირე მეტაბოლიტები რიბოზომის სტრუქტურაში, რათა კომპენსირებდეს rRNA და ცილების დონის დაქვეითებას.ამით მათ განავითარეს რიბოსომის გარეთ ნუკლეოტიდების შეერთების უნიკალური უნარი, რაც აჩვენებს, რომ პარაზიტული მოლეკულური სტრუქტურები კომპენსირებენ უხვი მცირე მეტაბოლიტების დაჭერით და მათი დეგრადირებული რნმ-ისა და ცილის ფრაგმენტების სტრუქტურულ მიმიკებად გამოყენებით..
ჩვენი კრიო-EM რუკის მესამე არასიმულირებული ნაწილი, რომელიც ნაპოვნია დიდ რიბოსომურ ქვედანაყოფში.ჩვენი რუქის შედარებით მაღალი გარჩევადობა (2,6 Å) ვარაუდობს, რომ ეს სიმკვრივე ეკუთვნის პროტეინებს დიდი გვერდითი ჯაჭვის ნარჩენების უნიკალური კომბინაციით, რაც საშუალებას გვაძლევს განვსაზღვროთ ეს სიმკვრივე, როგორც ადრე უცნობი რიბოსომური ცილა, რომელსაც ჩვენ დავასახელეთ msL2 (მიკროსპორიდიას სპეციფიკური პროტეინი L2) (მეთოდები, სურათი 6).ჩვენმა ჰომოლოგიურმა ძიებამ აჩვენა, რომ msL2 კონსერვირებულია ენცეფალიტერისა და ოროსპორიდიუმის გვარის Microsporidia კლადში, მაგრამ არ არსებობს სხვა სახეობებში, მათ შორის სხვა მიკროსპორიდიებში.რიბოსომურ სტრუქტურაში msL2 იკავებს უფსკრული, რომელიც წარმოიქმნება გაფართოებული ES31L rRNA-ს დაკარგვით.ამ სიცარიელეში, msL2 ხელს უწყობს rRNA დაკეცვის სტაბილიზაციას და შეუძლია ES31L-ის დაკარგვის კომპენსირება (სურათი 6).
E. cuniculi რიბოსომებში ნაპოვნი მიკროსპორიდიას სპეციფიკური რიბოსომური ცილის msL2 ელექტრონული სიმკვრივე და მოდელი.b ევკარიოტული რიბოზომების უმეტესობას, მათ შორის Saccharomyces cerevisiae-ს 80S რიბოსომას, აქვს დაკარგული ES19L rRNA გაძლიერება მიკროსპორიდიანების უმეტეს სახეობებში.V. necatrix microsporidia რიბოზომის ადრე ჩამოყალიბებული სტრუქტურა ვარაუდობს, რომ ES19L-ის დაკარგვა ამ პარაზიტებში კომპენსირდება ახალი msL1 რიბოსომული ცილის ევოლუციით.ამ კვლევაში ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ E. cuniculi რიბოსომა ასევე შეიმუშავა დამატებითი რიბოსომური რნმ-ის მიმიკური ცილა, როგორც აშკარა კომპენსაცია ES19L-ის დაკარგვისთვის.თუმცა, msL2-ს (ამჟამად ანოტირდება როგორც ჰიპოთეტური ECU06_1135 პროტეინი) და msL1-ს განსხვავებული სტრუქტურული და ევოლუციური წარმოშობა აქვთ.c ევოლუციურად შეუსაბამო msL1 და msL2 რიბოსომური ცილების წარმოქმნის აღმოჩენა ვარაუდობს, რომ თუ რიბოსომები აგროვებენ მავნე მუტაციებს rRNA-ში, მათ შეუძლიათ მიაღწიონ კომპოზიციური მრავალფეროვნების უპრეცედენტო დონეს მჭიდროდ დაკავშირებული სახეობების მცირე ქვეჯგუფშიც კი.ამ აღმოჩენამ შეიძლება დაეხმაროს მიტოქონდრიული რიბოსომის წარმოშობისა და ევოლუციის გარკვევას, რომელიც ცნობილია თავისი ძალიან შემცირებული rRNA და ცილის შემადგენლობის არანორმალური ცვალებადობით სახეობებში.
შემდეგ ჩვენ შევადარეთ msL2 ცილა ადრე აღწერილ msL1 პროტეინს, ერთადერთ ცნობილ მიკროსპორიდიას სპეციფიკურ რიბოსომურ ცილას, რომელიც ნაპოვნია V. necatrix რიბოსომაში.ჩვენ გვინდოდა გაგვემოწმებინა, არის თუ არა msL1 და msL2 ევოლუციურად დაკავშირებული.ჩვენმა ანალიზმა აჩვენა, რომ msL1 და msL2 იკავებენ ერთსა და იმავე ღრუს რიბოსომურ სტრუქტურაში, მაგრამ აქვთ განსხვავებული პირველადი და მესამეული სტრუქტურა, რაც მიუთითებს მათ დამოუკიდებელ ევოლუციურ წარმოშობაზე (ნახ. 6).ამრიგად, msL2-ის ჩვენი აღმოჩენა გვაძლევს მტკიცებულებას, რომ კომპაქტური ევკარიოტული სახეობების ჯგუფებს შეუძლიათ დამოუკიდებლად განავითარონ სტრუქტურულად განსხვავებული რიბოსომული ცილები, რათა კომპენსაცია გაუწიონ rRNA ფრაგმენტების დაკარგვას.ეს აღმოჩენა შესამჩნევია იმით, რომ ციტოპლაზმური ევკარიოტული რიბოსომების უმეტესობა შეიცავს უცვლელ პროტეინს, მათ შორის 81 რიბოსომური ცილის იმავე ოჯახს.msL1 და msL2 მიკროსპორიდიების სხვადასხვა კლადებში გამოჩენა გაფართოებული rRNA სეგმენტების დაკარგვის საპასუხოდ, ვარაუდობს, რომ პარაზიტის მოლეკულური არქიტექტურის დეგრადაცია იწვევს პარაზიტების კომპენსატორული მუტაციების ძიებას, რამაც შეიძლება საბოლოოდ გამოიწვიოს მათი შეძენა სხვადასხვა პარაზიტების პოპულაციაში.სტრუქტურები.
ბოლოს, როდესაც ჩვენი მოდელი დასრულდა, ჩვენ შევადარეთ E. cuniculi რიბოსომის შემადგენლობა გენომის თანმიმდევრობით ნაწინასწარმეტყველებს.რამდენიმე რიბოსომური ცილა, მათ შორის eL14, eL38, eL41 და eS30, ადრე ითვლებოდა, რომ აკლია E. cuniculi გენომში მათი ჰომოლოგების აშკარა არარსებობის გამო E. cuniculi გენომიდან.მრავალი რიბოსომული ცილის დაკარგვა ასევე პროგნოზირებულია სხვა ძალზე შემცირებული უჯრედშიდა პარაზიტებისა და ენდოსიმბიონტების უმეტესობაში.მაგალითად, მიუხედავად იმისა, რომ თავისუფლად მცხოვრები ბაქტერიების უმეტესობა შეიცავს 54 რიბოსომური პროტეინის ერთსა და იმავე ოჯახს, ამ ცილების ოჯახებიდან მხოლოდ 11-ს აქვს აღმოჩენილი ჰომოლოგები მასპინძლის მიერ შეზღუდული ბაქტერიების თითოეულ გაანალიზებულ გენომში.ამ მოსაზრების მხარდასაჭერად, რიბოსომული ცილების დაკარგვა ექსპერიმენტულად დაფიქსირდა V. necatrix და P. locustae microsporidia-ში, რომლებსაც არ აქვთ eL38 და eL4131,32 პროტეინები.
თუმცა, ჩვენი სტრუქტურები აჩვენებს, რომ მხოლოდ eL38, eL41 და eS30 რეალურად იკარგება E. cuniculi რიბოსომაში.eL14 ცილა იყო კონსერვირებული და ჩვენმა სტრუქტურამ აჩვენა, რატომ ვერ მოიძებნა ეს ცილა ჰომოლოგიურ ძიებაში (ნახ. 7).E. cuniculi რიბოზომებში, eL14 შემაკავშირებელი ადგილის უმეტესი ნაწილი იკარგება rRNA-თ გაძლიერებული ES39L-ის დეგრადაციის გამო.ES39L-ის არარსებობის შემთხვევაში, eL14-მა დაკარგა მეორადი სტრუქტურის უმეტესი ნაწილი და eL14 თანმიმდევრობის მხოლოდ 18% იყო იდენტური E. cuniculi-სა და S. cerevisiae-ში.ეს ცუდი თანმიმდევრობის შენარჩუნება გასაოცარია, რადგან Saccharomyces cerevisiae და Homo sapiens - ორგანიზმები, რომლებიც განვითარდნენ ერთმანეთისგან 1,5 მილიარდი წლის მანძილზე - იზიარებენ იგივე ნარჩენების 51%-ზე მეტს eL14-ში.კონსერვაციის ეს ანომალიური დაკარგვა განმარტავს, თუ რატომ არის E. cuniculi eL14 ამჟამად ანოტირებული, როგორც სავარაუდო M970_061160 პროტეინი და არა როგორც eL1427 რიბოსომული ცილა.
და Microsporidia-ს რიბოსომმა დაკარგა ES39L rRNA გაფართოება, რამაც ნაწილობრივ გაანადგურა eL14 რიბოსომური პროტეინის დამაკავშირებელი ადგილი.ES39L-ის არარსებობის შემთხვევაში, eL14 მიკროსპორის ცილა განიცდის მეორადი სტრუქტურის დაკარგვას, რომლის დროსაც ყოფილი rRNA შემაკავშირებელი α-სპირალი გადაგვარდება მინიმალური სიგრძის მარყუჟში.b მრავალი თანმიმდევრობის გასწორება გვიჩვენებს, რომ eL14 ცილა ძალზედ კონსერვირებულია ევკარიოტულ სახეობებში (57% თანმიმდევრობის იდენტურობა საფუარისა და ადამიანის ჰომოლოგებს შორის), მაგრამ ცუდად არის კონსერვირებული და განსხვავებული მიკროსპორიდიებში (რომლებშიც ნარჩენების არაუმეტეს 24% იდენტურია eL14 ჰომოლოგისა).S. cerevisiae-დან ან H. sapiens-დან).ეს ცუდი თანმიმდევრობის კონსერვაცია და მეორადი სტრუქტურის ცვალებადობა ხსნის, თუ რატომ არ იქნა ნაპოვნი eL14 ჰომოლოგი E. cuniculi-ში და რატომ ითვლება ეს ცილა დაკარგული E. cuniculi-ში.ამის საპირისპიროდ, E. cuniculi eL14 ადრე იყო ანოტირებული, როგორც სავარაუდო M970_061160 ცილა.ეს დაკვირვება ვარაუდობს, რომ მიკროსპორიდიის გენომის მრავალფეროვნება ამჟამად გადაჭარბებულია: ზოგიერთი გენი, რომელიც ამჟამად დაკარგულია მიკროსპორიდიაში, ფაქტობრივად შენარჩუნებულია, თუმცა უაღრესად დიფერენცირებული ფორმებით;ამის ნაცვლად, ზოგიერთი ფიქრობს, რომ კოდირებს მიკროსპორიდიის გენებს ჭიის სპეციფიკური პროტეინებისთვის (მაგ., ჰიპოთეტური ცილა M970_061160) რეალურად კოდირებს სხვა ევკარიოტებში ნაპოვნი ძალიან მრავალფეროვან პროტეინებს.
ეს აღმოჩენა ვარაუდობს, რომ rRNA დენატურაციამ შეიძლება გამოიწვიოს მიმდევრობის კონსერვაციის მკვეთრი დაკარგვა მიმდებარე რიბოსომურ პროტეინებში, რაც ამ ცილებს გამოუცნობს ხდის ჰომოლოგიური ძიებისთვის.ამრიგად, ჩვენ შეიძლება გადავაფასოთ მოლეკულური დეგრადაციის რეალური ხარისხი მცირე გენომის ორგანიზმებში, რადგან ზოგიერთი ცილა, რომელიც, სავარაუდოდ, დაკარგულია, რეალურად რჩება, თუმცა ძლიერ შეცვლილ ფორმებში.
როგორ შეუძლიათ პარაზიტებმა შეინარჩუნონ თავიანთი მოლეკულური მანქანების ფუნქცია გენომის უკიდურესი შემცირების პირობებში?ჩვენი კვლევა ამ კითხვას პასუხობს E. cuniculi-ის რთული მოლეკულური სტრუქტურის (რიბოსომა) აღწერით, ორგანიზმის ერთ-ერთი ყველაზე პატარა ევკარიოტული გენომით.
თითქმის ორი ათეული წელია ცნობილია, რომ ცილის და რნმ-ის მოლეკულები მიკრობულ პარაზიტებში ხშირად განსხვავდება მათი ჰომოლოგიური მოლეკულებისგან თავისუფალ ცოცხალ სახეობებში, რადგან მათ არ გააჩნიათ ხარისხის კონტროლის ცენტრები, მცირდება მათი ზომის 50%-მდე თავისუფალ მიკრობებში და ა.შ.ბევრი დამღლელი მუტაცია, რომელიც აფერხებს დაკეცვას და ფუნქციას.მაგალითად, მცირე გენომის ორგანიზმების რიბოსომები, მათ შორის მრავალი უჯრედშიდა პარაზიტი და ენდოსიმბიონტი, მოსალოდნელია, რომ აკლია რამდენიმე რიბოსომური ცილა და rRNA ნუკლეოტიდების მესამედი თავისუფალ ცოცხალ სახეობებთან შედარებით 27, 29, 30, 49. თუმცა, ამ მოლეკულების ფუნქციონირება ძირითადად შენარჩუნებულია გენური პარაზიტების შესწავლაში.
ჩვენი კვლევა აჩვენებს, რომ მაკრომოლეკულების სტრუქტურას შეუძლია გამოავლინოს ევოლუციის მრავალი ასპექტი, რომელთა ამოღება რთულია უჯრედშიდა პარაზიტების და სხვა მასპინძლის მიერ შეზღუდული ორგანიზმების ტრადიციული შედარებითი გენომიური კვლევებიდან (დამატებითი სურ. 7).მაგალითად, eL14 ცილის მაგალითი გვიჩვენებს, რომ ჩვენ შეგვიძლია გადავაფასოთ მოლეკულური აპარატის დეგრადაციის რეალური ხარისხი პარაზიტულ სახეობებში.ითვლება, რომ ენცეფალიტურ პარაზიტებს აქვთ ასობით მიკროსპორიდიის სპეციფიკური გენი.თუმცა, ჩვენი შედეგები აჩვენებს, რომ ზოგიერთი ამ ერთი შეხედვით სპეციფიკური გენი რეალურად არის გენების ძალიან განსხვავებული ვარიანტები, რომლებიც გავრცელებულია სხვა ევკარიოტებში.უფრო მეტიც, msL2 ცილის მაგალითი გვიჩვენებს, თუ როგორ ვუყურებთ ახალ რიბოსომურ ცილებს და არ ვაფასებთ პარაზიტული მოლეკულური მანქანების შემცველობას.მცირე მოლეკულების მაგალითი გვიჩვენებს, თუ როგორ შეგვიძლია უგულებელვყოთ ყველაზე გენიალური ინოვაციები პარაზიტულ მოლეკულურ სტრუქტურებში, რომლებსაც შეუძლიათ ახალი ბიოლოგიური აქტივობის მიცემა.
ერთად აღებული, ეს შედეგები აუმჯობესებს ჩვენს გაგებას მასპინძლის მიერ შეზღუდული ორგანიზმების მოლეკულურ სტრუქტურებსა და თავისუფლად ცოცხალ ორგანიზმებში მათ კოლეგებს შორის განსხვავებების შესახებ.ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ მოლეკულურ მანქანებს, რომლებიც დიდი ხანია ითვლებოდა, რომ შემცირებული, გადაგვარებული და ექვემდებარება სხვადასხვა დამამშვიდებელ მუტაციებს, აქვთ სისტემატურად შეუმჩნეველი უჩვეულო სტრუქტურული მახასიათებლების ნაკრები.
მეორეს მხრივ, არანაყარი rRNA ფრაგმენტები და შერწყმული ფრაგმენტები, რომლებიც აღმოვაჩინეთ E. cuniculi-ის რიბოსომებში, ვარაუდობს, რომ გენომის შემცირებას შეუძლია შეცვალოს ძირითადი მოლეკულური მექანიზმის ის ნაწილებიც კი, რომლებიც შენარჩუნებულია სიცოცხლის სამ დომენში - თითქმის 3,5 მილიარდი წლის შემდეგ.სახეობების დამოუკიდებელი ევოლუცია.
E. cuniculi რიბოზომებში გამობურცული და შერწყმული rRNA ფრაგმენტები განსაკუთრებულ ინტერესს იწვევს ენდოსიმბიოტურ ბაქტერიებში რნმ-ის მოლეკულების წინა კვლევების ფონზე.მაგალითად, ბუგრების ენდოსიმბიონტში Buchnera aphidicola, rRNA და tRNA მოლეკულებს აქვთ ტემპერატურისადმი მგრძნობიარე სტრუქტურები A+T შემადგენლობის მიკერძოების და არაკანონიკური ბაზის წყვილების მაღალი პროპორციის გამო20,50.რნმ-ის ეს ცვლილებები, ისევე როგორც ცილის მოლეკულების ცვლილებები, ახლა მიჩნეულია, რომ პასუხისმგებელია ენდოსიმბიონტების ზედმეტ დამოკიდებულებაზე პარტნიორებზე და ენდოსიმბიონტების სითბოს გადაცემის უუნარობაზე 21, 23 .მიუხედავად იმისა, რომ პარაზიტულ მიკროსპორიდიას rRNA-ს აქვს სტრუქტურულად მკაფიო ცვლილებები, ამ ცვლილებების ბუნება ვარაუდობს, რომ შემცირებული თერმული სტაბილურობა და უფრო მაღალი დამოკიდებულება ჩაპერონის ცილებზე შეიძლება იყოს რნმ-ის მოლეკულების საერთო მახასიათებელი შემცირებული გენომის მქონე ორგანიზმებში.
მეორეს მხრივ, ჩვენი სტრუქტურები აჩვენებს, რომ პარაზიტ მიკროსპორიდიას განუვითარდა უნიკალური უნარი, წინააღმდეგობა გაუწიოს ფართოდ კონსერვარებულ rRNA და ცილის ფრაგმენტებს, განავითაროს უნარი გამოიყენოს უხვი და ადვილად ხელმისაწვდომი მცირე მეტაბოლიტები, როგორც დეგენერირებული rRNA და ცილის ფრაგმენტების სტრუქტურული იმიტები.მოლეკულური სტრუქტურის დეგრადაცია..ამ მოსაზრებას ამყარებს ის ფაქტი, რომ მცირე მოლეკულები, რომლებიც კომპენსირებენ ცილის ფრაგმენტების დაკარგვას rRNA-ში და E. cuniculi-ის რიბოზომებში, უკავშირდებიან მიკროსპორიდიის სპეციფიკურ ნარჩენებს uL15 და eL30 პროტეინებში.ეს ვარაუდობს, რომ მცირე მოლეკულების რიბოსომებთან შეკავშირება შეიძლება იყოს დადებითი შერჩევის პროდუქტი, რომელშიც შერჩეულია მიკროსპორიდიის სპეციფიკური მუტაციები რიბოსომების პროტეინებში მათი უნარის გამო, გაზარდონ რიბოსომების აფინურობა მცირე მოლეკულებთან, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს უფრო ეფექტური რიბოსომური ორგანიზმები.აღმოჩენა ავლენს ჭკვიან ინოვაციას მიკრობული პარაზიტების მოლეკულურ სტრუქტურაში და გვაძლევს უკეთ გავიგოთ, როგორ ინარჩუნებენ პარაზიტების მოლეკულური სტრუქტურები თავიანთ ფუნქციას რედუქციული ევოლუციის მიუხედავად.
ამჟამად, ამ მცირე მოლეკულების იდენტიფიკაცია გაურკვეველი რჩება.გაუგებარია, რატომ განსხვავდება ამ მცირე მოლეკულების გამოჩენა რიბოსომურ სტრუქტურაში მიკროსპორიდიის სახეობებს შორის.კერძოდ, გაუგებარია, რატომ შეინიშნება ნუკლეოტიდის შეკავშირება E. cuniculi და P. locustae-ს რიბოსომებში და არა V. necatrix-ის რიბოსომებში, მიუხედავად იმისა, რომ F170 ნარჩენებია V. necatrix-ის eL20 და K172 პროტეინებში.ეს წაშლა შეიძლება გამოწვეული იყოს ნარჩენით 43 uL6 (მდებარეობს ნუკლეოტიდის დამაკავშირებელ ჯიბესთან), რომელიც არის ტიროზინი V. necatrix-ში და არა თრეონინი E. cuniculi-სა და P. locustae-ში.Tyr43-ის მოცულობითი არომატული გვერდითი ჯაჭვი შეიძლება ხელი შეუშალოს ნუკლეოტიდის შეკავშირებას სტერული გადახურვის გამო.ალტერნატიულად, ნუკლეოტიდის აშკარა წაშლა შეიძლება გამოწვეული იყოს კრიო-EM გამოსახულების დაბალი გარჩევადობით, რაც აფერხებს V. necatrix რიბოსომული ფრაგმენტების მოდელირებას.
მეორეს მხრივ, ჩვენი ნაშრომი ვარაუდობს, რომ გენომის დაშლის პროცესი შეიძლება იყოს გამომგონებელი ძალა.კერძოდ, E. cuniculi რიბოსომის სტრუქტურა ვარაუდობს, რომ rRNA და ცილის ფრაგმენტების დაკარგვა მიკროსპორიდიის რიბოსომაში ქმნის ევოლუციურ წნევას, რომელიც ხელს უწყობს რიბოსომის სტრუქტურის ცვლილებებს.ეს ვარიანტები ჩნდება რიბოსომის აქტიური ადგილისგან შორს და, როგორც ჩანს, ხელს უწყობს რიბოსომის ოპტიმალური შეკრების შენარჩუნებას (ან აღდგენას), რომელიც სხვაგვარად დაირღვა შემცირებული rRNA-ს გამო.ეს მიგვითითებს იმაზე, რომ მიკროსპორიდიის რიბოსომის ძირითადი ინოვაცია, როგორც ჩანს, განვითარდა გენის დრიფტის ბუფერულობის აუცილებლობაში.
შესაძლოა, ეს ყველაზე კარგად ილუსტრირებულია ნუკლეოტიდის შეკავშირებით, რაც აქამდე არასოდეს ყოფილა შემჩნეული სხვა ორგანიზმებში.ის ფაქტი, რომ ნუკლეოტიდის დამაკავშირებელი ნარჩენები არის ტიპიურ მიკროსპორიდიებში, მაგრამ არა სხვა ევკარიოტებში, ვარაუდობს, რომ ნუკლეოტიდ-დაკავშირების ადგილები არ არის მხოლოდ გაქრობის მოლოდინში რელიქვიები, ან საბოლოო ადგილი rRNA-სთვის, რომელიც უნდა აღდგეს ცალკეული ნუკლეოტიდების სახით.ამის ნაცვლად, ეს საიტი, როგორც ჩანს, სასარგებლო ფუნქციაა, რომელიც შეიძლება განვითარებულიყო პოზიტიური შერჩევის რამდენიმე რაუნდის განმავლობაში.ნუკლეოტიდის დამაკავშირებელი ადგილები შეიძლება იყოს ბუნებრივი გადარჩევის გვერდითი პროდუქტი: როგორც კი ES39L დეგრადირებულია, მიკროსპორიდიები იძულებულნი არიან მოიძიონ კომპენსაცია ოპტიმალური რიბოსომის ბიოგენეზის აღსადგენად ES39L-ის არარსებობის შემთხვევაში.ვინაიდან ამ ნუკლეოტიდს შეუძლია მიბაძოს A3186 ნუკლეოტიდის მოლეკულურ კონტაქტებს ES39L-ში, ნუკლეოტიდის მოლეკულა ხდება რიბოსომის სამშენებლო ბლოკი, რომლის შეკავშირება კიდევ უფრო უმჯობესდება eL30 მიმდევრობის მუტაციით.
რაც შეეხება უჯრედშიდა პარაზიტების მოლეკულურ ევოლუციას, ჩვენი კვლევა აჩვენებს, რომ დარვინის ბუნებრივი გადარჩევის ძალები და გენომის დაშლის გენეტიკური დრიფტი პარალელურად კი არ მოქმედებს, არამედ რხევა.პირველი, გენეტიკური დრეიფი გამორიცხავს ბიომოლეკულების მნიშვნელოვან მახასიათებლებს, რაც აუცილებლობას ხდის კომპენსაციას.მხოლოდ მაშინ, როდესაც პარაზიტები დააკმაყოფილებენ ამ საჭიროებას დარვინის ბუნებრივი გადარჩევის საშუალებით, მათ მაკრომოლეკულებს ექნებათ შანსი განავითარონ ყველაზე შთამბეჭდავი და ინოვაციური თვისებები.მნიშვნელოვანია, რომ E. cuniculi რიბოსომაში ნუკლეოტიდის დამაკავშირებელი ადგილების ევოლუცია ვარაუდობს, რომ მოლეკულური ევოლუციის ეს ნიმუში არა მხოლოდ აორთქლებს მავნე მუტაციებს, არამედ ზოგჯერ სრულიად ახალ ფუნქციებს ანიჭებს პარაზიტულ მაკრომოლეკულებს.
ეს იდეა შეესაბამება სიუელ რაიტის მოძრავი წონასწორობის თეორიას, რომელიც აცხადებს, რომ ბუნებრივი გადარჩევის მკაცრი სისტემა ზღუდავს ორგანიზმების ინოვაციის უნარს51,52,53.თუმცა, თუ გენეტიკური დრეიფი არღვევს ბუნებრივ გადარჩევას, ამ დრეიფებმა შეიძლება გამოიწვიოს ცვლილებები, რომლებიც თავისთავად არ არის ადაპტური (ან თუნდაც საზიანო), მაგრამ გამოიწვიოს შემდგომი ცვლილებები, რაც უზრუნველყოფს უფრო მაღალ ფიტნესს ან ახალ ბიოლოგიურ აქტივობას.ჩვენი ჩარჩო მხარს უჭერს ამ იდეას იმის ილუსტრირებით, რომ იგივე ტიპის მუტაცია, რომელიც ამცირებს ბიომოლეკულის ნაკეცს და ფუნქციას, როგორც ჩანს, მისი გაუმჯობესების მთავარი გამომწვევია.მომგებიანი ევოლუციური მოდელის შესაბამისად, ჩვენი კვლევა აჩვენებს, რომ გენომის დაშლა, რომელიც ტრადიციულად განიხილება როგორც დეგენერაციული პროცესი, ასევე არის ინოვაციის მთავარი მამოძრავებელი ძალა, რომელიც ზოგჯერ და შესაძლოა ხშირად მაკრომოლეკულებს ახალი პარაზიტული აქტივობების შეძენის საშუალებას აძლევს.შეუძლია მათი გამოყენება.