Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद.तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझर आवृत्तीमध्ये मर्यादित CSS सपोर्ट आहे.सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही अद्ययावत ब्राउझर वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये सुसंगतता मोड अक्षम करा).दरम्यान, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही साइटला शैली आणि JavaScript शिवाय रेंडर करू.
सूक्ष्मजीव परजीवींच्या उत्क्रांतीमध्ये नैसर्गिक निवड, ज्यामुळे परजीवी सुधारतात, आणि अनुवांशिक प्रवाह, ज्यामुळे परजीवी जीन्स गमावतात आणि हानिकारक उत्परिवर्तन जमा करतात यामधील प्रतिकाराचा समावेश आहे.येथे, एका मॅक्रोमोलेक्युलच्या प्रमाणात हा प्रतिकार कसा होतो हे समजून घेण्यासाठी, आम्ही एन्सेफॅलिटोझून क्युनिक्युलीच्या राइबोसोमच्या क्रायो-ईएम रचनेचे वर्णन करतो, जो निसर्गातील सर्वात लहान जीनोमपैकी एक असलेला युकेरियोटिक जीव आहे.E. cuniculi ribosomes मध्ये rRNA ची कमालीची घट अभूतपूर्व संरचनात्मक बदलांसह आहे, जसे की पूर्वी अज्ञात फ्यूज्ड rRNA लिंकर्स आणि bulges शिवाय rRNA ची उत्क्रांती.याव्यतिरिक्त, E. cuniculi ribosome rRNA तुकड्या आणि प्रथिने नष्ट होण्यापासून वाचले आणि लहान रेणूंचा वापर खराब झालेल्या rRNA तुकड्यांची आणि प्रथिनांची संरचनात्मक नक्कल म्हणून करण्याची क्षमता विकसित केली.एकंदरीत, आम्ही दर्शवितो की आण्विक संरचना ज्या दीर्घकाळापर्यंत कमी, क्षीण आणि कमकुवत उत्परिवर्तनांच्या अधीन असल्याचे मानले जाते त्यामध्ये अनेक भरपाई देणारी यंत्रणा आहेत जी अत्यंत आण्विक आकुंचन असूनही त्यांना सक्रिय ठेवतात.
सूक्ष्मजीव परजीवींच्या बहुतेक गटांकडे त्यांच्या यजमानांचे शोषण करण्यासाठी अनन्य आण्विक साधने असल्यामुळे, आम्हाला अनेकदा परजीवींच्या वेगवेगळ्या गटांसाठी वेगवेगळे उपचार विकसित करावे लागतात 1,2.तथापि, नवीन पुरावे सूचित करतात की परजीवी उत्क्रांतीचे काही पैलू अभिसरण आणि मोठ्या प्रमाणावर अंदाज लावता येण्याजोगे आहेत, जे सूक्ष्मजीव परजीवी 3,4,5,6,7,8,9 मध्ये व्यापक उपचारात्मक हस्तक्षेपांसाठी संभाव्य आधार दर्शवितात.
मागील कार्याने सूक्ष्मजीव परजीवींमध्ये जीनोम घट किंवा जीनोम क्षय 10,11,12,13 नावाची सामान्य उत्क्रांती प्रवृत्ती ओळखली आहे.सध्याच्या संशोधनातून असे दिसून आले आहे की जेव्हा सूक्ष्मजीव त्यांची मुक्त जीवनशैली सोडून देतात आणि इंट्रासेल्युलर परजीवी (किंवा एंडोसिम्बियंट्स) बनतात तेव्हा त्यांचे जीनोम लाखो वर्षांमध्ये 9,11 वर्षांमध्ये हळू पण आश्चर्यकारक रूपांतरित होतात.जीनोम क्षय म्हणून ओळखल्या जाणार्‍या प्रक्रियेत, सूक्ष्मजीव परजीवी हानिकारक उत्परिवर्तन जमा करतात जे अनेक पूर्वीच्या महत्त्वाच्या जीन्सचे स्यूडोजीनमध्ये रूपांतर करतात, ज्यामुळे हळूहळू जनुकांचे नुकसान होते आणि उत्परिवर्तनीय संकुचित होते 14,15.या संकुचिततेमुळे जवळच्या संबंधित मुक्त-जीवित प्रजातींच्या तुलनेत सर्वात जुन्या इंट्रासेल्युलर जीवांमधील 95% जीन्स नष्ट होऊ शकतात.अशाप्रकारे, इंट्रासेल्युलर परजीवींची उत्क्रांती ही दोन विरोधी शक्तींमधील टग-ऑफ-युद्ध आहे: डार्विनियन नैसर्गिक निवड, ज्यामुळे परजीवी सुधारणे आणि जीनोमचे संकुचित होणे, परजीवी विस्मृतीत फेकणे.या टग-ऑफ-युद्धातून परजीवी कसा बाहेर पडला आणि त्याच्या आण्विक संरचनेची क्रिया कशी टिकवून ठेवली हे अद्याप अस्पष्ट आहे.
जरी जीनोमच्या क्षयची यंत्रणा पूर्णपणे समजली नसली तरी, हे प्रामुख्याने वारंवार अनुवांशिक प्रवाहामुळे होते असे दिसते.परजीवी लहान, अलैंगिक आणि अनुवांशिकदृष्ट्या मर्यादित लोकसंख्येमध्ये राहत असल्यामुळे, ते कधीकधी डीएनए प्रतिकृती दरम्यान उद्भवणारे हानिकारक उत्परिवर्तन प्रभावीपणे काढून टाकू शकत नाहीत.यामुळे हानिकारक उत्परिवर्तनांचे अपरिवर्तनीय संचय आणि परजीवी जीनोम कमी होते.परिणामी, परजीवी केवळ जीन्सच गमावत नाही जे इंट्रासेल्युलर वातावरणात त्याच्या अस्तित्वासाठी आवश्यक नाहीत.परजीवी लोकसंख्येची तुरळक हानिकारक उत्परिवर्तन प्रभावीपणे काढून टाकण्याची असमर्थता आहे ज्यामुळे ही उत्परिवर्तन त्यांच्या सर्वात महत्वाच्या जनुकांसह संपूर्ण जीनोममध्ये जमा होते.
जीनोम कपातीची आमची सध्याची बरीचशी समज केवळ जीनोम अनुक्रमांच्या तुलनेवर आधारित आहे, वास्तविक रेणूंमधील बदलांकडे कमी लक्ष दिले जाते जे गृहनिर्माण कार्य करतात आणि संभाव्य औषध लक्ष्य म्हणून काम करतात.तुलनात्मक अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की हानिकारक इंट्रासेल्युलर मायक्रोबियल उत्परिवर्तनांचे ओझे प्रथिने आणि न्यूक्लिक अॅसिड्स चुकीच्या पटीत आणि एकत्रित होण्यास प्रवृत्त करतात, ज्यामुळे ते अधिक संरक्षक आश्रित आणि उष्णतेसाठी अतिसंवेदनशील बनतात19,20,21,22,23.याव्यतिरिक्त, विविध परजीवी-स्वतंत्र उत्क्रांती काहीवेळा 2.5 अब्ज वर्षांनी विभक्त होते-त्यांच्या प्रथिने संश्लेषण 5,6 आणि DNA दुरुस्ती यंत्रणा24 मध्ये गुणवत्ता नियंत्रण केंद्रांचे समान नुकसान झाले.तथापि, सेल्युलर मॅक्रोमोलेक्यूल्सच्या इतर सर्व गुणधर्मांवर इंट्रासेल्युलर जीवनशैलीच्या प्रभावाबद्दल फारसे माहिती नाही, ज्यामध्ये हानिकारक उत्परिवर्तनांच्या वाढत्या ओझ्याशी आण्विक अनुकूलन समाविष्ट आहे.
या कामात, इंट्रासेल्युलर सूक्ष्मजीवांच्या प्रथिने आणि न्यूक्लिक अॅसिडची उत्क्रांती अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी, आम्ही इंट्रासेल्युलर परजीवी एन्सेफॅलिटोझून क्युनिक्युलीच्या राइबोसोमची रचना निश्चित केली.E. cuniculi हा बुरशीसारखा जीव आहे जो परजीवी मायक्रोस्पोरिडियाच्या गटाशी संबंधित आहे ज्यामध्ये असामान्यपणे लहान युकेरियोटिक जीनोम आहेत आणि म्हणून ते जीनोम क्षय 25,26,27,28,29,30 चा अभ्यास करण्यासाठी मॉडेल जीव म्हणून वापरले जातात.अलीकडे, क्रायो-ईएम राइबोसोम रचना मायक्रोस्पोरिडिया, पॅरानोसेमा टोळ आणि वैरिमोर्फा नेकॅट्रिक्स ३१,३२ (~३.२ एमबी जीनोम) च्या माफक प्रमाणात कमी झालेल्या जीनोमसाठी निर्धारित करण्यात आली.या रचना सूचित करतात की rRNA प्रवर्धनाचे काही नुकसान शेजारच्या राइबोसोमल प्रथिनांमधील नवीन संपर्कांच्या विकासाद्वारे किंवा नवीन msL131,32 राइबोसोमल प्रथिनांच्या संपादनाद्वारे भरपाई केली जाते.प्रजाती एन्सेफॅलिटोझून (जीनोम ~2.5 दशलक्ष बीपी), त्यांच्या जवळच्या नातेवाईक ऑर्डोस्पोरासह, युकेरियोट्समध्ये जीनोम कमी होण्याचे अंतिम प्रमाण दर्शवितात - त्यांच्याकडे 2000 पेक्षा कमी प्रथिने-कोडिंग जीन्स आहेत आणि हे अपेक्षित आहे की त्यांचे राइबोसोम केवळ आरआरएनए विस्तारापासून मुक्त नसतात. जिवाणू राइबोसोम्स) मध्ये देखील चार राइबोसोमल प्रथिने असतात कारण ई. क्युनिक्युली जीनोम 26,27,28 मध्ये समरूपता नसतात.म्हणून, आम्ही असा निष्कर्ष काढला की ई. क्युनिक्युली राइबोसोम जीनोमच्या क्षयसाठी आण्विक अनुकूलनासाठी पूर्वी अज्ञात धोरणे प्रकट करू शकतात.
आमची क्रायो-ईएम रचना वैशिष्ट्यीकृत होण्यासाठी सर्वात लहान युकेरियोटिक सायटोप्लाज्मिक राइबोसोमचे प्रतिनिधित्व करते आणि जीनोम घटण्याची अंतिम डिग्री सेलचा अविभाज्य असलेल्या आण्विक यंत्राच्या रचना, असेंबली आणि उत्क्रांतीवर कसा परिणाम करते याबद्दल अंतर्दृष्टी प्रदान करते.आम्हाला आढळले की E. cuniculi ribosome RNA फोल्डिंग आणि राइबोसोम असेंब्लीच्या बर्‍याच प्रमाणात संरक्षित तत्त्वांचे उल्लंघन करते आणि एक नवीन, पूर्वी अज्ञात राइबोसोमल प्रोटीन शोधला.अगदी अनपेक्षितपणे, आम्ही दाखवतो की मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोम्सने लहान रेणूंना बांधण्याची क्षमता विकसित केली आहे आणि असे गृहीत धरले आहे की rRNA आणि प्रथिनेंमधील काटछाट उत्क्रांतीवादी नवकल्पनांना चालना देतात ज्यामुळे शेवटी राइबोसोमला उपयुक्त गुण मिळू शकतात.
इंट्रासेल्युलर जीवांमध्ये प्रथिने आणि न्यूक्लिक अॅसिडच्या उत्क्रांतीबद्दलची आमची समज सुधारण्यासाठी, आम्ही संक्रमित सस्तन प्राण्यांच्या पेशींच्या संस्कृतींमधून ई. क्युनिक्युली बीजाणू वेगळे करण्याचा निर्णय घेतला आणि त्यांचे राइबोसोम्स शुद्ध करण्यासाठी आणि या राइबोसोमची रचना निश्चित केली.मोठ्या प्रमाणात परजीवी मायक्रोस्पोरिडिया मिळवणे कठीण आहे कारण मायक्रोस्पोरिडिया पोषक माध्यमात संवर्धन करता येत नाही.त्याऐवजी, ते केवळ यजमान सेलमध्ये वाढतात आणि पुनरुत्पादित करतात.म्हणून, राइबोसोम शुद्धीकरणासाठी E. क्युनिक्युली बायोमास मिळविण्यासाठी, आम्ही सस्तन प्राण्यांच्या किडनी सेल लाईन RK13 ला E. cuniculi spores ने संक्रमित केले आणि E. cuniculi ची वाढ आणि गुणाकार करण्यासाठी या संक्रमित पेशींचे संवर्धन केले.सुमारे अर्धा चौरस मीटरच्या संक्रमित सेल मोनोलेयरचा वापर करून, आम्ही सुमारे 300 मिलीग्राम मायक्रोस्पोरिडिया बीजाणू शुद्ध करू शकलो आणि त्यांचा वापर राइबोसोम्स वेगळे करण्यासाठी करू शकलो.त्यानंतर आम्ही काचेच्या मण्यांनी शुद्ध केलेले बीजाणू विस्कळीत केले आणि लाइसेट्सचे स्टेपवाइज पॉलीथिलीन ग्लायकोल फ्रॅक्शनेशन वापरून क्रूड राइबोसोम वेगळे केले.यामुळे आम्हाला संरचनात्मक विश्लेषणासाठी अंदाजे 300 µg कच्चे E. क्युनिक्युली राइबोसोम मिळू शकले.
त्यानंतर आम्ही परिणामी राइबोसोम नमुने वापरून क्रायो-ईएम प्रतिमा गोळा केल्या आणि मोठ्या राइबोसोमल सब्यूनिट, लहान सब्यूनिट हेड आणि लहान सब्यूनिटशी संबंधित मुखवटे वापरून या प्रतिमांवर प्रक्रिया केली.या प्रक्रियेदरम्यान, आम्ही सुमारे 108,000 राइबोसोमल कणांच्या प्रतिमा आणि 2.7 Å (पूरक आकृती 1-3) च्या रिझोल्यूशनसह क्रायो-EM प्रतिमा एकत्रित केल्या.त्यानंतर आम्ही rRNA, राइबोसोमल प्रोटीन, आणि E. cuniculi ribosomes शी संबंधित हायबरनेशन फॅक्टर Mdf1 मॉडेल करण्यासाठी cryoEM प्रतिमा वापरल्या (Fig. 1a, b).
हायबरनेशन फॅक्टर Mdf1 (pdb id 7QEP) सह कॉम्प्लेक्समध्ये E. क्युनिक्युली राइबोसोमची रचना.b E. cuniculi ribosome शी संबंधित हायबरनेशन फॅक्टर Mdf1 चा नकाशा.c दुय्यम संरचना नकाशा मायक्रोस्पोरिडियन प्रजातींमधील पुनर्प्राप्त आरआरएनए ज्ञात राइबोसोमल संरचनांशी तुलना करतो.पटल प्रवर्धित rRNA तुकड्यांचे (ES) आणि राइबोसोम सक्रिय साइट्सचे स्थान दर्शवितात, ज्यामध्ये डीकोडिंग साइट (DC), सारसिनिसिन लूप (SRL), आणि पेप्टिडिल ट्रान्सफरेज सेंटर (PTC) समाविष्ट आहे.d E. cuniculi ribosome च्या पेप्टिडिल ट्रान्सफरेज केंद्राशी संबंधित इलेक्ट्रॉन घनता सूचित करते की या उत्प्रेरक साइटची रचना E. cuniculi परजीवी आणि H. sapiens सह त्याच्या यजमानांमध्ये समान आहे.e, f डिकोडिंग सेंटरची संबंधित इलेक्ट्रॉन घनता (e) आणि डीकोडिंग सेंटरची योजनाबद्ध रचना (f) दर्शवते की E. cuniculi मध्ये A1491 (E. coli क्रमांकन) ऐवजी U1491 अवशेष आहेत.हा बदल सूचित करतो की E. cuniculi या सक्रिय साइटला लक्ष्य करणार्‍या प्रतिजैविकांना संवेदनशील असू शकते.
V. necatrix आणि P. locustae ribosomes (दोन्ही संरचना समान microsporidia कुटुंब Nosematidae चे प्रतिनिधित्व करतात आणि एकमेकांशी खूप साम्य आहेत) च्या विरुद्ध 31,32 E. cuniculi ribosomes rRNA आणि प्रथिने विखंडन च्या असंख्य प्रक्रियेतून जातात.पुढील विकृतीकरण (पूरक आकडे ४-६).rRNA मध्ये, सर्वात उल्लेखनीय बदलांमध्ये प्रवर्धित 25S rRNA फ्रॅगमेंट ES12L चे संपूर्ण नुकसान आणि h39, h41, आणि H18 हेलिकेसचे आंशिक ऱ्हास (चित्र 1c, पूरक अंजीर 4) यांचा समावेश होतो.राइबोसोमल प्रथिनांमध्ये, सर्वात उल्लेखनीय बदलांमध्ये eS30 प्रथिनांचे संपूर्ण नुकसान आणि eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 आणि eS7 प्रथिने (पूरक आकृती 4,5) कमी होणे समाविष्ट होते.
अशाप्रकारे, एन्सेफॅलोटोझून/ऑर्डोस्पोरा प्रजातींच्या जीनोमची कमालीची घट त्यांच्या राइबोसोम रचनेत दिसून येते: ई. क्युनिक्युली राइबोसोम्स संरचनात्मक वैशिष्ट्यांच्या अधीन असलेल्या युकेरियोटिक सायटोप्लाज्मिक राइबोसोममधील प्रथिने सामग्रीचे सर्वात नाट्यमय नुकसान अनुभवतात, आणि त्यांच्याकडे ती देखील नसते, परंतु केवळ तीन rRNA मध्ये प्रथिने नसतात, परंतु केवळ तीन प्रथिने नसतात. जीवनाचे क्षेत्र.E. cuniculi ribosome ची रचना या बदलांसाठी पहिले आण्विक मॉडेल प्रदान करते आणि उत्क्रांतीविषयक घटना प्रकट करते ज्यांना तुलनात्मक जीनोमिक्स आणि इंट्रासेल्युलर बायोमोलेक्युलर स्ट्रक्चरच्या अभ्यासाद्वारे दुर्लक्षित केले गेले आहे (पूरक चित्र 7).खाली, आम्ही या प्रत्येक घटनेचे त्यांच्या संभाव्य उत्क्रांतीच्या उत्पत्तीसह आणि राइबोसोमच्या कार्यावर त्यांच्या संभाव्य प्रभावासह वर्णन करतो.
नंतर आम्हाला आढळले की, मोठ्या आरआरएनए ट्रंकेशन्स व्यतिरिक्त, ई. क्युनिक्युली राइबोसोम्समध्ये त्यांच्या सक्रिय साइट्सपैकी एकावर आरआरएनए भिन्नता असते.E. cuniculi ribosome च्या पेप्टिडिल ट्रान्सफरेज सेंटरची रचना इतर युकेरियोटिक राइबोसोम (Fig. 1d) सारखीच असली तरी, न्यूक्लियोटाइड 1491 (E. coli numbering, Fig. 1e, f) येथे अनुक्रम भिन्नतेमुळे डीकोडिंग केंद्र वेगळे आहे.हे निरीक्षण महत्त्वाचे आहे कारण युकेरियोटिक राइबोसोम्सच्या डीकोडिंग साइटमध्ये सामान्यत: बॅक्टेरिया-प्रकारचे अवशेष A1408 आणि G1491 च्या तुलनेत G1408 आणि A1491 अवशेष असतात.हा फरक अधोरेखित करतो जिवाणू आणि युकेरियोटिक राइबोसोम्सच्या अमिनोग्लायकोसाइड कुटुंबातील राइबोसोमल अँटीबायोटिक्स आणि इतर लहान रेणू जे डीकोडिंग साइटला लक्ष्य करतात.E. cuniculi ribosome च्या डीकोडिंग साइटवर, अवशेष A1491 ला U1491 ने बदलले गेले, संभाव्यत: या सक्रिय साइटला लक्ष्य करणार्‍या लहान रेणूंसाठी एक अद्वितीय बंधनकारक इंटरफेस तयार केला.हेच A14901 प्रकार इतर मायक्रोस्पोरिडिया जसे की P. locustae आणि V. necatrix मध्ये देखील आहे, हे सूचित करते की ते मायक्रोस्पोरिडिया प्रजातींमध्ये (Fig. 1f) व्यापक आहे.
आमचे ई. क्युनिक्युली राइबोसोमचे नमुने चयापचयदृष्ट्या निष्क्रिय बीजाणूंपासून वेगळे केल्यामुळे, आम्ही तणाव किंवा उपासमारीच्या परिस्थितीत पूर्वी वर्णन केलेल्या राइबोसोम बंधनासाठी ई. क्युनिक्युलीच्या क्रायो-ईएम नकाशाची चाचणी केली.हायबरनेशन घटक 31,32,36,37, 38. आम्ही हायबरनेटिंग राइबोसोमची पूर्वी स्थापित रचना ई. क्युनिक्युली राइबोसोमच्या क्रायो-ईएम नकाशाशी जुळवली.डॉकिंगसाठी, हायबरनेशन फॅक्टर Stm138 असलेल्या कॉम्प्लेक्समध्ये S. cerevisiae ribosomes, Lso232 फॅक्टर असलेल्या कॉम्प्लेक्समध्ये टोळ राइबोसोम्स आणि Mdf1 आणि Mdf231 फॅक्टर असलेल्या कॉम्प्लेक्समध्ये V. नेकॅट्रिक्स राइबोसोम्स वापरण्यात आले.त्याच वेळी, आम्हाला बाकी घटक Mdf1 शी संबंधित क्रायो-ईएम घनता आढळली.V. necatrix ribosome ला Mdf1 बंधनकारक असल्याप्रमाणे, Mdf1 देखील E. cuniculi ribosome ला बांधते, जिथे ते ribosome च्या E साइटला ब्लॉक करते, शक्यतो परजीवी बीजाणू शरीरावर चयापचयदृष्ट्या निष्क्रिय होतात तेव्हा राइबोसोम्स उपलब्ध करून देण्यास मदत करते (2).).
Mdf1 राइबोसोमची E साइट ब्लॉक करते, जे परजीवी बीजाणू चयापचयदृष्ट्या निष्क्रिय झाल्यावर राइबोसोम निष्क्रिय करण्यास मदत करते असे दिसते.E. cuniculi ribosome च्या संरचनेत, आम्हाला आढळले की Mdf1 हा L1 राइबोसोम स्टेमशी पूर्वीचा अज्ञात संपर्क तयार करतो, जो राइबोसोमचा भाग आहे जो प्रथिने संश्लेषणादरम्यान राइबोसोममधून deacylated tRNA सोडण्यास सुलभ करतो.हे संपर्क सूचित करतात की Mdf1 हे डिसिटिलेटेड tRNA सारखीच यंत्रणा वापरून राइबोसोमपासून वेगळे होते, प्रथिने संश्लेषण पुन्हा सक्रिय करण्यासाठी राइबोसोम Mdf1 कसे काढून टाकते याचे संभाव्य स्पष्टीकरण प्रदान करते.
तथापि, आमच्या संरचनेने Mdf1 आणि L1 राइबोसोम लेग (राइबोसोमचा भाग जो प्रथिने संश्लेषणादरम्यान राइबोसोममधून डीसीलेटेड टीआरएनए सोडण्यास मदत करतो) दरम्यान अज्ञात संपर्क प्रकट केला.विशेषतः, Mdf1 deacylated tRNA रेणू (Fig. 2) च्या कोपर विभागासारखे समान संपर्क वापरते.या पूर्वीच्या अज्ञात आण्विक मॉडेलिंगमध्ये असे दिसून आले आहे की Mdf1 हे डिसिटिलेटेड टीआरएनए सारखीच यंत्रणा वापरून राइबोसोमपासून वेगळे होते, जे प्रथिने संश्लेषण पुन्हा सक्रिय करण्यासाठी राइबोसोम हा हायबरनेशन घटक कसा काढून टाकते हे स्पष्ट करते.
rRNA मॉडेल तयार करताना, आम्हाला आढळले की E. cuniculi ribosome मध्ये rRNA तुकडे असामान्यपणे दुमडलेले आहेत, ज्याला आम्ही फ्यूज्ड rRNA (चित्र 3) म्हणतो.जीवनाच्या तीन क्षेत्रांमध्ये व्यापलेल्या राइबोसोम्समध्ये, rRNA संरचनेत दुमडतात ज्यामध्ये बहुतेक rRNA बेस एकतर बेस जोडतात आणि एकमेकांशी दुमडतात किंवा 38,39,40 राइबोसोमल प्रोटीनशी संवाद साधतात.तथापि, E. cuniculi ribosomes मध्ये, rRNAs त्यांच्या काही हेलिकेस उलगडलेल्या rRNA क्षेत्रांमध्ये रूपांतरित करून या फोल्डिंग तत्त्वाचे उल्लंघन करतात असे दिसते.
S. cerevisiae, V. necatrix, आणि E. cuniculi मधील H18 25S rRNA हेलिक्सची रचना.सामान्यतः, तीन लाइफ डोमेनमध्ये पसरलेल्या राइबोसोममध्ये, हे लिंकर एका RNA हेलिक्समध्ये गुंडाळतात ज्यामध्ये 24 ते 34 अवशेष असतात.मायक्रोस्पोरिडियामध्ये, याउलट, हा rRNA लिंकर हळूहळू फक्त 12 अवशेष असलेल्या दोन सिंगल-स्ट्रँडेड युरिडिन-युक्त लिंकरपर्यंत कमी केला जातो.यातील बहुतेक अवशेष सॉल्व्हेंट्सच्या संपर्कात असतात.आकृती दर्शविते की परजीवी मायक्रोस्पोरिडिया rRNA फोल्डिंगच्या सामान्य तत्त्वांचे उल्लंघन करत असल्याचे दिसून येते, जेथे rRNA बेस सहसा इतर तळाशी जोडलेले असतात किंवा rRNA-प्रोटीन परस्परसंवादात गुंतलेले असतात.मायक्रोस्पोरिडियामध्ये, काही rRNA तुकडे प्रतिकूल घडी धारण करतात, ज्यामध्ये पूर्वीचे rRNA हेलिक्स जवळजवळ सरळ रेषेत वाढवलेला एकल-अडकलेला तुकडा बनतो.या असामान्य प्रदेशांची उपस्थिती मायक्रोस्पोरिडिया rRNA ला कमीतकमी RNA बेस वापरून दूरच्या rRNA तुकड्यांना बांधू देते.
या उत्क्रांतीच्या संक्रमणाचे सर्वात उल्लेखनीय उदाहरण H18 25S rRNA हेलिक्स (चित्र 3) मध्ये पाहिले जाऊ शकते.E. coli पासून मानवापर्यंतच्या प्रजातींमध्ये, या rRNA हेलिक्सच्या तळांमध्ये 24-32 न्यूक्लियोटाइड्स असतात, जे किंचित अनियमित हेलिक्स बनवतात.V. necatrix आणि P. locustae मधील पूर्वी ओळखल्या गेलेल्या राइबोसोमल स्ट्रक्चर्समध्ये, H18 हेलिक्सचे 31,32 तळ अंशतः अनकोइल केलेले आहेत, परंतु न्यूक्लियोटाइड बेस जोडणी जतन केली गेली आहे.तथापि, E. cuniculi मध्ये हा rRNA तुकडा सर्वात लहान लिंकर 228UUUGU232 आणि 301UUUUUUUU307 बनतो.ठराविक rRNA तुकड्यांप्रमाणे, हे युरिडिन-युक्त लिंकर्स राइबोसोमल प्रथिनांशी गुंडाळत नाहीत किंवा विस्तृत संपर्क साधत नाहीत.त्याऐवजी, ते सॉल्व्हेंट-ओपन आणि पूर्णपणे उलगडलेल्या रचनांचा अवलंब करतात ज्यामध्ये rRNA स्ट्रँड जवळजवळ सरळ वाढवले ​​जातात.ही विस्तारित रचना स्पष्ट करते की ई. क्युनिक्युली H16 आणि H18 rRNA हेलिकेसमधील 33 Å अंतर भरण्यासाठी फक्त 12 RNA बेस कसे वापरते, तर इतर प्रजातींना हे अंतर भरण्यासाठी किमान दुप्पट rRNA बेसची आवश्यकता असते.
अशाप्रकारे, आम्ही हे दाखवून देऊ शकतो की, उत्साहीपणे प्रतिकूल फोल्डिंगद्वारे, परजीवी मायक्रोस्पोरिडियाने जीवनाच्या तीन क्षेत्रांमध्ये प्रजातींमध्ये व्यापकपणे संरक्षित राहिलेल्या आरआरएनए विभागांना देखील संकुचित करण्याचे धोरण विकसित केले आहे.वरवर पाहता, आरआरएनए हेलिसेसचे शॉर्ट पॉली-यू लिंकर्समध्ये रूपांतर करणारे उत्परिवर्तन जमा करून, ई. क्युनिक्युली हे असामान्य आरआरएनए तुकडे तयार करू शकतात ज्यात दूरच्या आरआरएनए तुकड्यांच्या बंधनासाठी शक्य तितक्या कमी न्यूक्लियोटाइड्स असतात.हे मायक्रोस्पोरिडियाने त्यांची संरचनात्मक आणि कार्यात्मक अखंडता न गमावता त्यांच्या मूलभूत आण्विक संरचनेत नाट्यमय घट कशी साधली हे स्पष्ट करण्यात मदत करते.
E. cuniculi rRNA चे आणखी एक असामान्य वैशिष्ट्य म्हणजे rRNA जाड न होता दिसणे (चित्र 4).फुगवटा हे बेस जोड्या नसलेले न्यूक्लियोटाइड असतात जे आरएनए हेलिक्समध्ये लपण्याऐवजी बाहेर फिरतात.बहुतेक rRNA प्रोट्र्यूशन्स आण्विक चिकटवता म्हणून कार्य करतात, जवळच्या राइबोसोमल प्रथिने किंवा इतर rRNA तुकड्यांना बांधण्यास मदत करतात.काही फुगवटा बिजागर म्हणून काम करतात, ज्यामुळे rRNA हेलिक्स उत्पादक प्रथिने संश्लेषणासाठी अनुकूलपणे वाकणे आणि दुमडणे शक्य होते 41.
एक आरआरएनए प्रोट्रुजन (एस. सेरेव्हिसिए नंबरिंग) ई. क्युनिक्युली राइबोसोम रचनेतून अनुपस्थित आहे, परंतु ई. कोलाई, एस. सेरेव्हिसिए, एच. सेपियन्स आणि ई. क्युनिक्युली अंतर्गत राइबोसोममध्ये बहुतेक इतर युकेरियोट्समध्ये उपस्थित आहे.परजीवींमध्ये अनेक प्राचीन, उच्च संरक्षित rRNA फुगे नसतात.या जाडपणामुळे राइबोसोमची रचना स्थिर होते;म्हणून, मायक्रोस्पोरिडियामध्ये त्यांची अनुपस्थिती मायक्रोस्पोरिडिया परजीवींमध्ये आरआरएनए फोल्डिंगची कमी स्थिरता दर्शवते.पी स्टेम्स (बॅक्टेरियामध्ये L7/L12 स्टेम्स) शी तुलना केल्यास असे दिसून येते की rRNA अडथळे नष्ट होणे कधीकधी हरवलेल्या अडथळ्यांच्या शेजारी नवीन अडथळे दिसण्याशी जुळते.23S/28S rRNA मधील H42 हेलिक्समध्ये एक प्राचीन फुगवटा (Saccharomyces cerevisiae मधील U1206) जीवनाच्या तीन क्षेत्रांमध्ये संरक्षणामुळे किमान 3.5 अब्ज वर्षे जुना असल्याचा अंदाज आहे.मायक्रोस्पोरिडियामध्ये हा फुगवटा नाहीसा होतो.तथापि, हरवलेल्या फुग्याच्या पुढे एक नवीन फुगवटा दिसला (E. cuniculi मध्ये A1306).
आश्चर्यकारकपणे, आम्हाला आढळले की ई. क्युनिक्युली राइबोसोममध्ये इतर प्रजातींमध्ये आढळणारे बहुतेक आरआरएनए बल्जेस नसतात, ज्यामध्ये इतर युकेरियोट्समध्ये संरक्षित केलेल्या 30 पेक्षा जास्त फुग्यांचा समावेश होतो (चित्र 4a).हे नुकसान राइबोसोमल सबयुनिट्स आणि लगतच्या rRNA हेलिसेसमधील बरेच संपर्क काढून टाकते, काहीवेळा राइबोसोममध्ये मोठ्या पोकळ व्हॉईड्स तयार करतात, ज्यामुळे E. cuniculi ribosome अधिक पारंपारिक राइबोसोमच्या तुलनेत अधिक सच्छिद्र बनतात (चित्र 4b).विशेष म्हणजे, आम्हाला आढळले की यापैकी बहुतेक फुगवटा पूर्वी ओळखल्या गेलेल्या व्ही. नेकॅट्रिक्स आणि पी. लोकस्टे राइबोसोम स्ट्रक्चर्समध्ये देखील गमावले गेले होते, ज्यांना मागील संरचनात्मक विश्लेषण 31,32 द्वारे दुर्लक्षित केले गेले होते.
काहीवेळा rRNA फुगवटा नष्ट होण्याबरोबरच हरवलेल्या फुग्याच्या पुढे नवीन फुगवटा तयार होतो.उदाहरणार्थ, राइबोसोमल पी-स्टेममध्ये U1208 फुगवटा असतो (सॅचॅरोमायसेस सेरेव्हिसीमध्ये) जो ई. कोलायपासून मानवापर्यंत टिकून राहतो आणि त्यामुळे ते 3.5 अब्ज वर्षे जुने असल्याचा अंदाज आहे.प्रथिने संश्लेषणादरम्यान, हा फुगवटा P स्टेमला खुल्या आणि बंद स्वरूपाच्या दरम्यान हलविण्यास मदत करतो जेणेकरून राइबोसोम भाषांतर घटकांची भरती करू शकेल आणि त्यांना सक्रिय साइटवर वितरीत करू शकेल.E. cuniculi ribosomes मध्ये, हे घट्ट होणे अनुपस्थित आहे;तथापि, फक्त तीन बेस जोड्यांमध्ये स्थित नवीन जाड होणे (G883) P स्टेम (चित्र 4c) च्या इष्टतम लवचिकतेच्या पुनर्संचयित करण्यासाठी योगदान देऊ शकते.
आमचा rRNA वरील फुगवटा नसलेला डेटा सूचित करतो की rRNA कमी करणे हे रायबोसोमच्या पृष्ठभागावरील rRNA घटकांच्या नुकसानापुरते मर्यादित नाही, तर त्यात राइबोसोम न्यूक्लियसचाही समावेश असू शकतो, ज्यामुळे परजीवी-विशिष्ट आण्विक दोष निर्माण होतो ज्याचे मुक्त-जिवंत पेशींमध्ये वर्णन केले गेले नाही.जिवंत प्रजातींचे निरीक्षण केले जाते.
कॅनोनिकल राइबोसोमल प्रथिने आणि आरआरएनए मॉडेलिंग केल्यानंतर, आम्हाला आढळले की पारंपारिक राइबोसोमल घटक क्रायो-ईएम प्रतिमेचे तीन भाग स्पष्ट करू शकत नाहीत.यापैकी दोन तुकडे आकाराने लहान रेणू आहेत (Fig. 5, पूरक Fig. 8).पहिला खंड राइबोसोमल प्रथिने uL15 आणि eL18 दरम्यान सँडविच केलेला असतो जो सामान्यतः eL18 च्या C-टर्मिनसने व्यापलेला असतो, जो E. cuniculi मध्ये लहान केला जातो.जरी आपण या रेणूची ओळख निश्चित करू शकत नसलो तरी, या घनतेच्या बेटाचा आकार आणि आकार शुक्राणूंच्या रेणूंच्या उपस्थितीने स्पष्ट केले आहे.राइबोसोमशी त्याचे बंधन uL15 प्रथिने (Asp51 आणि Arg56) मधील मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट उत्परिवर्तनांद्वारे स्थिर होते, जे या लहान रेणूसाठी राइबोसोमची आत्मीयता वाढवतात, कारण ते uL15 ला लहान रेणूला राइबोसोमल रचनेत गुंडाळण्याची परवानगी देतात.पूरक आकृती 2).8, अतिरिक्त डेटा 1, 2).
क्रायो-ईएम इमेजिंग ई. क्युनिक्युली राइबोसोमला बांधलेल्या राइबोजच्या बाहेर न्यूक्लियोटाइड्सची उपस्थिती दर्शवते.E. cuniculi ribosome मध्ये, हा न्यूक्लियोटाइड 25S rRNA A3186 न्यूक्लियोटाइड (सॅकॅरोमाइसेस सेरेव्हिसी क्रमांकन) प्रमाणेच इतर बहुतेक युकेरियोटिक राइबोसोममध्ये व्यापतो.b E. cuniculi च्या राइबोसोमल रचनेत, हे न्यूक्लियोटाइड राइबोसोमल प्रथिने uL9 आणि eL20 दरम्यान स्थित आहे, ज्यामुळे दोन प्रथिनांमधील संपर्क स्थिर होतो.मायक्रोस्पोरिडिया प्रजातींमध्ये cd eL20 अनुक्रम संवर्धन विश्लेषण.मायक्रोस्पोरिडिया प्रजातींचे फायलोजेनेटिक वृक्ष (c) आणि eL20 प्रथिने (d) चे एकाधिक अनुक्रम संरेखन दर्शविते की न्यूक्लियोटाइड-बाइंडिंग अवशेष F170 आणि K172 बहुतेक वैशिष्ट्यपूर्ण मायक्रोस्पोरिडियामध्ये संरक्षित केले जातात, S. lophii अपवाद वगळता, प्रारंभिक शाखा, ज्यात Microsporidia एक्सपोरिडिया एक्सपोरिडिया 3.9.3.e ही आकृती दर्शवते की न्यूक्लियोटाइड-बाइंडिंग अवशेष F170 आणि K172 केवळ अत्यंत कमी झालेल्या मायक्रोस्पोरिडिया जीनोमच्या eL20 मध्ये आहेत, परंतु इतर युकेरियोट्समध्ये नाहीत.एकूणच, हे डेटा सूचित करतात की मायक्रोस्पोरिडियन राइबोसोम्सने एक न्यूक्लियोटाइड बंधनकारक साइट विकसित केली आहे जी एएमपी रेणूंना बांधून ठेवते आणि राइबोसोमल संरचनेत प्रथिने-प्रोटीन परस्परसंवाद स्थिर करण्यासाठी त्यांचा वापर करते.मायक्रोस्पोरिडियामधील या बंधनकारक साइटचे उच्च संवर्धन आणि इतर युकेरियोट्समध्ये त्याची अनुपस्थिती सूचित करते की ही साइट मायक्रोस्पोरिडियासाठी निवडक जगण्याचा फायदा देऊ शकते.अशाप्रकारे, मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोममधील न्यूक्लियोटाइड-बाइंडिंग पॉकेट हे आधी वर्णन केल्याप्रमाणे आरआरएनए डिग्रेडेशनचे अधोगती वैशिष्ट्य किंवा शेवटचे स्वरूप असल्याचे दिसत नाही, परंतु एक उपयुक्त उत्क्रांती नवकल्पना आहे जी मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमला थेट लहान रेणूंना बांधून ठेवू देते, आण्विक बिल्डिंग ब्लॉक म्हणून वापरते.राइबोसोमसाठी बिल्डिंग ब्लॉक्स.या शोधामुळे मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोम हा एकमेव राइबोसोम आहे जो त्याच्या संरचनात्मक बिल्डिंग ब्लॉक म्हणून एकल न्यूक्लियोटाइड वापरण्यासाठी ओळखला जातो.f काल्पनिक उत्क्रांती मार्ग न्यूक्लियोटाइड बाइंडिंग पासून साधित केलेली.
दुसरी कमी आण्विक वजन घनता ribosomal प्रथिने uL9 आणि eL30 (Fig. 5a) मधील इंटरफेसवर स्थित आहे.या इंटरफेसचे पूर्वी Saccharomyces cerevisiae ribosome च्या संरचनेत rRNA A3186 (ES39L rRNA विस्ताराचा भाग) 38 च्या 25S न्यूक्लियोटाइडसाठी बंधनकारक साइट म्हणून वर्णन केले होते.असे दर्शविले गेले होते की क्षीण झालेल्या P. locustae ES39L ribosomes मध्ये, हा इंटरफेस अज्ञात सिंगल न्यूक्लियोटाइड 31 ला बांधतो आणि असे मानले जाते की हे न्यूक्लियोटाइड rRNA चे कमी झालेले अंतिम स्वरूप आहे, ज्यामध्ये rRNA ची लांबी ~130-230 बेस आहे.ES39L एकल न्यूक्लियोटाइड 32.43 पर्यंत कमी केले आहे.आमच्या क्रायो-ईएम प्रतिमा या कल्पनेला समर्थन देतात की घनता न्यूक्लियोटाइड्सद्वारे स्पष्ट केली जाऊ शकते.तथापि, आमच्या संरचनेच्या उच्च रिझोल्यूशनवरून हे दिसून आले की हे न्यूक्लियोटाइड एक एक्स्ट्रारिबोसोमल रेणू आहे, शक्यतो AMP (चित्र 5a, b).
मग आम्ही विचारले की न्यूक्लियोटाइड बंधनकारक साइट ई. क्युनिक्युली राइबोसोममध्ये दिसली किंवा ती पूर्वी अस्तित्वात होती का.न्यूक्लियोटाइड बंधन प्रामुख्याने eL30 राइबोसोमल प्रोटीनमधील Phe170 आणि Lys172 अवशेषांद्वारे मध्यस्थी करत असल्याने, आम्ही 4396 प्रतिनिधी युकेरियोट्समध्ये या अवशेषांच्या संवर्धनाचे मूल्यांकन केले.वरील यूएल 15 च्या बाबतीत, आम्हाला आढळले की पीएचई 170 आणि एलवायएस 172 अवशेष केवळ ठराविक मायक्रोस्पोरिडियामध्येच संरक्षित आहेत, परंतु इतर युकेरियोट्समध्ये अनुपस्थित आहेत, ज्यात एटिपिकल मायक्रोस्पोरिडिया मिटोस्पोरिडियम आणि अ‍ॅम्फिअम्ब्लिस आहेत, ज्यात ईएस 39 एल आरआरएनए तुकडा 44, 46, 46, 46, 46, 44, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46, 46 46 कमी झाले नाहीत.-e).
एकत्रितपणे, हे डेटा या कल्पनेला समर्थन देतात की ई. क्युनिक्युली आणि शक्यतो इतर कॅनोनिकल मायक्रोस्पोरिडियाने rRNA आणि प्रथिनांच्या पातळीतील घटची भरपाई करण्यासाठी राइबोसोम रचनेत मोठ्या संख्येने लहान चयापचय कार्यक्षमतेने कॅप्चर करण्याची क्षमता विकसित केली आहे.असे केल्याने, त्यांनी राइबोसोमच्या बाहेर न्यूक्लियोटाइड्स बांधण्याची एक अद्वितीय क्षमता विकसित केली आहे, हे दर्शविते की परजीवी आण्विक संरचना मुबलक लहान चयापचय कॅप्चर करून आणि खराब झालेल्या RNA आणि प्रथिने तुकड्यांचे संरचनात्मक नक्कल म्हणून वापरून भरपाई करतात..
आमच्या क्रायो-ईएम नकाशाचा तिसरा अनुकरण न केलेला भाग, मोठ्या राइबोसोमल सब्यूनिटमध्ये आढळतो.आमच्या नकाशाचे तुलनेने उच्च रिझोल्यूशन (2.6 Å) सूचित करते की ही घनता मोठ्या बाजूच्या साखळी अवशेषांच्या अद्वितीय संयोजनांसह प्रथिनांची आहे, ज्यामुळे आम्हाला ही घनता पूर्वी अज्ञात राइबोसोमल प्रोटीन म्हणून ओळखता आली ज्याला आम्ही msL2 (मायक्रोस्पोरिडिया- विशिष्ट प्रोटीन L2) (पद्धती, आकृती 6) असे नाव दिले.आमच्या होमोलॉजी शोधात असे दिसून आले की msL2 एन्सेफॅलिटर आणि ओरोस्पोरिडियम वंशाच्या मायक्रोस्पोरिडिया क्लेडमध्ये संरक्षित आहे, परंतु इतर मायक्रोस्पोरिडियासह इतर प्रजातींमध्ये अनुपस्थित आहे.राइबोसोमल रचनेत, msL2 विस्तारित ES31L rRNA नष्ट झाल्यामुळे निर्माण झालेले अंतर व्यापते.या शून्यामध्ये, msL2 rRNA फोल्डिंग स्थिर करण्यास मदत करते आणि ES31L (आकृती 6) च्या नुकसानाची भरपाई करू शकते.
इलेक्ट्रॉन घनता आणि मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट राइबोसोमल प्रोटीन msL2 चे मॉडेल E. cuniculi ribosomes मध्ये आढळते.b बहुतेक युकेरियोटिक राइबोसोम्स, ज्यामध्ये सॅकॅरोमायसेस सेरेव्हिसियाच्या 80S राइबोसोमचा समावेश आहे, बहुतेक मायक्रोस्पोरिडियन प्रजातींमध्ये ES19L rRNA प्रवर्धन गमावले आहे.V. necatrix microsporidia ribosome ची पूर्वी स्थापित रचना सुचवते की या परजीवींमध्ये ES19L चे नुकसान नवीन msL1 ribosomal प्रोटीनच्या उत्क्रांतीद्वारे भरून काढले जाते.या अभ्यासात, आम्हाला आढळले की E. cuniculi ribosome ने ES19L च्या नुकसानाची स्पष्ट भरपाई म्हणून अतिरिक्त ribosomal RNA नक्कल प्रोटीन देखील विकसित केले आहे.तथापि, msL2 (सध्या काल्पनिक ECU06_1135 प्रोटीन म्हणून भाष्य केले जाते) आणि msL1 ची संरचनात्मक आणि उत्क्रांती उत्पत्ती भिन्न आहे.c उत्क्रांतीदृष्ट्या असंबंधित msL1 आणि msL2 राइबोसोमल प्रथिनांच्या निर्मितीचा हा शोध सूचित करतो की जर राइबोसोम्स त्यांच्या rRNA मध्ये हानिकारक उत्परिवर्तन जमा करतात, तर ते अगदी जवळून संबंधित प्रजातींच्या अगदी लहान उपसमूहातही रचनात्मक विविधतेची अभूतपूर्व पातळी प्राप्त करू शकतात.या शोधामुळे माइटोकॉन्ड्रियल राइबोसोमची उत्पत्ती आणि उत्क्रांती स्पष्ट होण्यास मदत होऊ शकते, जी त्याच्या अत्यंत कमी झालेल्या आरआरएनए आणि प्रजातींमधील प्रथिनांच्या रचनेतील असामान्य परिवर्तनासाठी ओळखली जाते.
त्यानंतर आम्ही msL2 प्रोटीनची तुलना पूर्वी वर्णन केलेल्या msL1 प्रोटीनशी केली, V. necatrix ribosome मध्ये आढळणारे एकमेव ज्ञात मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट राइबोसोमल प्रोटीन.आम्हाला msL1 आणि msL2 उत्क्रांतीशी संबंधित आहेत की नाही हे तपासायचे होते.आमच्या विश्लेषणात असे दिसून आले आहे की msL1 आणि msL2 रिबोसोमल संरचनेत समान पोकळी व्यापतात, परंतु त्यांची प्राथमिक आणि तृतीयक संरचना भिन्न आहे, जी त्यांची स्वतंत्र उत्क्रांती उत्पत्ती दर्शवते (चित्र 6).अशा प्रकारे, msL2 चा आमचा शोध पुरावा देतो की कॉम्पॅक्ट युकेरियोटिक प्रजातींचे गट आरआरएनए तुकड्यांचे नुकसान भरून काढण्यासाठी स्वतंत्रपणे संरचनात्मकदृष्ट्या भिन्न राइबोसोमल प्रथिने विकसित करू शकतात.हा शोध लक्षणीय आहे की बहुतेक सायटोप्लाज्मिक युकेरियोटिक राइबोसोममध्ये 81 राइबोसोमल प्रथिनांच्या समान कुटुंबासह एक अपरिवर्तनीय प्रथिने असतात.विस्तारित rRNA विभागांच्या नुकसानास प्रतिसाद म्हणून मायक्रोस्पोरिडियाच्या विविध क्लेड्समध्ये msL1 आणि msL2 चे स्वरूप सूचित करते की परजीवीच्या आण्विक आर्किटेक्चरच्या ऱ्हासामुळे परजीवी भरपाई देणारे उत्परिवर्तन शोधण्यास कारणीभूत ठरतात, ज्यामुळे परजीवी वेगवेगळ्या लोकसंख्येमध्ये त्यांचे संपादन होऊ शकते.संरचना
शेवटी, जेव्हा आमचे मॉडेल पूर्ण झाले, तेव्हा आम्ही ई. क्युनिक्युली राइबोसोमच्या रचनेची जीनोम अनुक्रमावरून अंदाज केलेल्या रचनेशी तुलना केली.eL14, eL38, eL41 आणि eS30 यासह अनेक राइबोसोमल प्रथिने, पूर्वी E. क्युनिक्युली जीनोममधून गहाळ असल्याचे मानले जात होते कारण ई. क्युनिक्युली जीनोममधील त्यांच्या समरूपतेच्या स्पष्ट अनुपस्थितीमुळे.इतर अत्यंत कमी झालेल्या इंट्रासेल्युलर परजीवी आणि एंडोसिम्बियंट्समध्येही अनेक राइबोसोमल प्रथिने नष्ट होण्याचा अंदाज आहे.उदाहरणार्थ, बहुतेक मुक्त-जिवंत जीवाणूंमध्ये 54 राइबोसोमल प्रथिनेंचे समान कुटुंब असले तरी, यजमान-प्रतिबंधित जीवाणूंच्या प्रत्येक विश्लेषित जीनोममध्ये यापैकी केवळ 11 प्रथिने कुटुंबांमध्ये शोधण्यायोग्य समरूप असतात.या कल्पनेच्या समर्थनार्थ, V. necatrix आणि P. locustae microsporidia मध्ये ribosomal प्रथिनांचे नुकसान प्रायोगिकरित्या आढळून आले आहे, ज्यात eL38 आणि eL4131,32 प्रथिने नाहीत.
तथापि, आमच्या रचना दाखवतात की केवळ eL38, eL41, आणि eS30 प्रत्यक्षात E. cuniculi ribosome मध्ये नष्ट होतात.eL14 प्रथिने संरक्षित करण्यात आली आणि आमच्या संरचनेने हे प्रथिन समरूपता शोधात का सापडले नाही हे दाखवले (चित्र 7).E. cuniculi ribosomes मध्ये, rRNA-एम्प्लीफाइड ES39L च्या ऱ्हासामुळे बहुतेक eL14 बंधनकारक जागा नष्ट होते.ES39L च्या अनुपस्थितीत, eL14 ने त्याची बहुतेक दुय्यम रचना गमावली आणि E. cuniculi आणि S. cerevisiae मध्ये eL14 अनुक्रमांपैकी फक्त 18% समान होते.हे खराब अनुक्रम संरक्षण उल्लेखनीय आहे कारण सॅकॅरोमायसेस सेरेव्हिसिए आणि होमो सेपियन्स - 1.5 अब्ज वर्षांच्या अंतराने विकसित झालेले जीव - eL14 मध्ये समान अवशेषांपैकी 51% पेक्षा जास्त सामायिक करतात.संवर्धनाचे हे विसंगत नुकसान E. cuniculi eL14 सध्या पुटेटिव्ह M970_061160 प्रोटीन म्हणून का भाष्य केले जाते आणि eL1427 राइबोसोमल प्रोटीन म्हणून का वर्णन केले जाते हे स्पष्ट करते.
आणि मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमने ES39L rRNA विस्तार गमावला, ज्याने eL14 राइबोसोमल प्रोटीन बंधनकारक साइट अंशतः काढून टाकली.ES39L च्या अनुपस्थितीत, eL14 मायक्रोस्पोर प्रोटीनची दुय्यम रचना नष्ट होते, ज्यामध्ये पूर्वीचे rRNA-बाइंडिंग α-हेलिक्स कमीतकमी लांबीच्या लूपमध्ये क्षीण होते.b एकाधिक अनुक्रम संरेखन दर्शविते की eL14 प्रथिने युकेरियोटिक प्रजातींमध्ये अत्यंत संरक्षित आहे (यीस्ट आणि मानवी समरूपांमध्ये 57% अनुक्रम ओळख), परंतु मायक्रोस्पोरिडियामध्ये खराब संरक्षित आणि भिन्न आहे (ज्यामध्ये 24% पेक्षा जास्त अवशेष eL14 homologue सारखे नसतात).S. cerevisiae किंवा H. sapiens कडून).हे खराब अनुक्रम संवर्धन आणि दुय्यम संरचना परिवर्तनशीलता स्पष्ट करते की ई. क्युनिक्युलीमध्ये eL14 समरूपता का आढळली नाही आणि हे प्रथिन ई. क्युनिक्युलीमध्ये का गमावले आहे असे मानले जाते.याउलट, E. cuniculi eL14 पूर्वी पुटेटिव्ह M970_061160 प्रोटीन म्हणून भाष्य केले होते.हे निरीक्षण असे सुचविते की मायक्रोस्पोरिडिया जीनोम विविधता सध्या जास्त प्रमाणात मोजली जात आहे: सध्या मायक्रोस्पोरिडियामध्ये गमावलेली काही जीन्स वस्तुतः जतन केलेली आहेत, जरी अत्यंत भिन्न स्वरुपात आहेत;त्याऐवजी, काहींना वर्म-विशिष्ट प्रथिने (उदा. काल्पनिक प्रथिने M970_061160) साठी मायक्रोस्पोरिडिया जनुकांचे कोड असे मानले जाते, जे इतर युकेरियोट्समध्ये आढळणाऱ्या अतिशय वैविध्यपूर्ण प्रथिनांचे कोड असतात.
हा शोध सूचित करतो की rRNA विकृतीकरणामुळे समीप राइबोसोमल प्रथिनांमध्ये अनुक्रम संवर्धनाचे नाट्यमय नुकसान होऊ शकते, ज्यामुळे ही प्रथिने समरूपता शोधांसाठी शोधता येत नाहीत.अशा प्रकारे, आम्ही लहान जीनोम जीवांमध्ये आण्विक ऱ्हासाची वास्तविक डिग्री जास्त मानू शकतो, कारण काही प्रथिने गमावल्याचा विचार केला गेला आहे, जरी अत्यंत बदललेल्या स्वरूपात.
परजीवी अत्यंत जीनोम कमी करण्याच्या परिस्थितीत त्यांच्या आण्विक मशीनचे कार्य कसे टिकवून ठेवू शकतात?आमचा अभ्यास या प्रश्नाचे उत्तर E. cuniculi च्या जटिल आण्विक रचनेचे (राइबोसोम) वर्णन करून देतो, जो सर्वात लहान युकेरियोटिक जीनोम असलेल्या जीवांपैकी एक आहे.
हे जवळजवळ दोन दशकांपासून ज्ञात आहे की सूक्ष्मजीव परजीवींमधील प्रथिने आणि आरएनए रेणू बहुतेक वेळा मुक्त-जीवित प्रजातींमधील त्यांच्या समरूप रेणूंपेक्षा भिन्न असतात कारण त्यांच्यात गुणवत्ता नियंत्रण केंद्र नसतात, मुक्त-जीवित सूक्ष्मजंतूंमध्ये त्यांच्या आकाराच्या 50% पर्यंत कमी होतात.अनेक दुर्बल उत्परिवर्तन जे फोल्डिंग आणि कार्य बिघडवतात.उदाहरणार्थ, अनेक इंट्रासेल्युलर परजीवी आणि एंडोसिम्बियंट्ससह लहान जीनोम जीवांच्या राइबोसोममध्ये अनेक राइबोसोमल प्रथिने आणि मुक्त-जीवित प्रजाती 27, 29, 30, 49 च्या तुलनेत एक तृतीयांश आरआरएनए न्यूक्लियोटाइड्सची कमतरता असणे अपेक्षित आहे. तथापि, मोठ्या प्रमाणात पॅरासायटिस हे मुख्यतः संकलितपणे कार्य करतात. जीनोमिक्स
आमचा अभ्यास दर्शवितो की मॅक्रोमोलेक्यूल्सची रचना उत्क्रांतीचे अनेक पैलू प्रकट करू शकते जे इंट्रासेल्युलर परजीवी आणि इतर यजमान-प्रतिबंधित जीवांच्या पारंपारिक तुलनात्मक जीनोमिक अभ्यासातून काढणे कठीण आहे (पूरक अंजीर. 7).उदाहरणार्थ, eL14 प्रथिनांचे उदाहरण दर्शविते की परजीवी प्रजातींमध्ये आण्विक उपकरणाच्या ऱ्हासाची वास्तविक डिग्री आपण जास्त मोजू शकतो.एन्सेफॅलिटिक परजीवींमध्ये आता शेकडो मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट जीन्स असल्याचे मानले जाते.तथापि, आमचे परिणाम असे दर्शवितात की यापैकी काही विशिष्ट दिसणारी जीन्स प्रत्यक्षात जीन्सची अगदी भिन्न रूपे आहेत जी इतर युकेरियोट्समध्ये सामान्य आहेत.शिवाय, msL2 प्रोटीनचे उदाहरण दाखवते की आपण नवीन राइबोसोमल प्रथिनांकडे कसे दुर्लक्ष करतो आणि परजीवी आण्विक मशीनच्या सामग्रीला कमी लेखतो.लहान रेणूंचे उदाहरण दर्शविते की आपण परजीवी आण्विक संरचनांमधील सर्वात कल्पक नवकल्पनांकडे कसे दुर्लक्ष करू शकतो ज्यामुळे त्यांना नवीन जैविक क्रियाकलाप मिळू शकतात.
एकत्र घेतल्यास, हे परिणाम यजमान-प्रतिबंधित जीवांच्या आण्विक संरचना आणि मुक्त-जिवंत जीवांमधील त्यांच्या समकक्षांमधील फरकांबद्दलची आमची समज सुधारतात.आम्ही दर्शवितो की आण्विक यंत्रे, ज्यांना दीर्घकाळ विचार केला जात आहे, कमी होत आहे, क्षीण होत आहे आणि विविध दुर्बल उत्परिवर्तनांच्या अधीन आहे, त्याऐवजी पद्धतशीरपणे दुर्लक्षित केलेल्या असामान्य संरचनात्मक वैशिष्ट्यांचा संच आहे.
दुसरीकडे, ई. क्युनिक्युलीच्या राइबोसोममध्ये आढळलेले बिगर-भारी आरआरएनए तुकडे आणि फ्यूज केलेले तुकडे असे सूचित करतात की जीनोम कमी झाल्यामुळे मूलभूत आण्विक यंत्रसामग्रीचे ते भाग देखील बदलू शकतात जे जीवनाच्या तीन डोमेनमध्ये संरक्षित आहेत - जवळजवळ 3.5 अब्ज वर्षांनंतर.प्रजातींची स्वतंत्र उत्क्रांती.
E. cuniculi ribosomes मधील फुगवटा-मुक्त आणि फ्यूज केलेले rRNA तुकडे एंडोसिम्बायोटिक बॅक्टेरियामधील RNA रेणूंच्या मागील अभ्यासाच्या प्रकाशात विशेष स्वारस्य आहेत.उदाहरणार्थ, aphid endosymbiont Buchnera aphidicola मध्ये, rRNA आणि tRNA रेणूंमध्ये A+T रचना पूर्वाग्रह आणि नॉन-कॅनोनिकल बेस जोड्यांचे उच्च प्रमाण 20,50 मुळे तापमान-संवेदनशील संरचना असल्याचे दिसून आले आहे.RNA मधील हे बदल, तसेच प्रथिनांच्या रेणूंमधील बदल, आता भागीदारांवरील एंडोसिम्बियंट्सच्या अत्याधिक अवलंबित्वासाठी आणि उष्णता 21, 23 हस्तांतरित करण्यात एंडोसिम्बियंट्सच्या अक्षमतेसाठी जबाबदार असल्याचे मानले जाते.परजीवी मायक्रोस्पोरिडिया आरआरएनएमध्ये संरचनात्मकदृष्ट्या वेगळे बदल असले तरी, या बदलांचे स्वरूप सूचित करते की कमी झालेली थर्मल स्थिरता आणि चेपेरोन प्रथिनांवर जास्त अवलंबित्व ही कमी जीनोम असलेल्या जीवांमध्ये आरएनए रेणूंची सामान्य वैशिष्ट्ये असू शकतात.
दुसरीकडे, आमची रचना दर्शविते की परजीवी मायक्रोस्पोरिडियाने व्यापकपणे संरक्षित आरआरएनए आणि प्रथिने तुकड्यांचा प्रतिकार करण्याची एक अद्वितीय क्षमता विकसित केली आहे, ज्यामुळे विपुल प्रमाणात आणि सहज उपलब्ध असलेल्या लहान चयापचयांचा वापर करण्याची क्षमता विकसित झाली आहे, ज्यामुळे झीज झालेल्या rRNA आणि प्रथिनांच्या तुकड्यांची संरचनात्मक नक्कल होते.आण्विक संरचना ऱ्हास..या मताला rRNA आणि E. cuniculi च्या ribosomes मधील प्रथिनांच्या तुकड्यांच्या नुकसानाची भरपाई करणारे लहान रेणू uL15 आणि eL30 प्रथिनांमधील मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट अवशेषांशी जोडतात या वस्तुस्थितीद्वारे समर्थित आहे.हे सूचित करते की राइबोसोम्समध्ये लहान रेणूंचे बंधन सकारात्मक निवडीचे उत्पादन असू शकते, ज्यामध्ये राइबोसोमल प्रोटीनमधील मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट उत्परिवर्तन लहान रेणूंसाठी राइबोसोमची आत्मीयता वाढवण्याच्या क्षमतेसाठी निवडले गेले आहेत, ज्यामुळे अधिक कार्यक्षम राइबोसोमल जीव होऊ शकतात.शोध सूक्ष्मजीव परजीवींच्या आण्विक संरचनेत एक स्मार्ट नवकल्पना प्रकट करतो आणि आम्हाला परजीवी आण्विक संरचना कमी उत्क्रांती असूनही त्यांचे कार्य कसे टिकवून ठेवतात याची चांगली समज देते.
सध्या, या लहान रेणूंची ओळख अस्पष्ट आहे.मायक्रोस्पोरिडिया प्रजातींमध्ये रायबोसोमल रचनेतील या लहान रेणूंचे स्वरूप वेगळे का आहे हे स्पष्ट नाही.विशेषतः, V. necatrix च्या eL20 आणि K172 प्रथिनांमध्ये F170 अवशेष असूनही, E. cuniculi आणि P. locustae च्या राइबोसोममध्ये न्यूक्लियोटाइड बंधन का दिसून येते आणि V. necatrix च्या राइबोसोममध्ये का दिसून येत नाही हे स्पष्ट नाही.हे विलोपन अवशेष 43 uL6 (न्यूक्लियोटाइड बाइंडिंग पॉकेटच्या शेजारी स्थित) मुळे होऊ शकते, जे V. necatrix मध्ये टायरोसिन आहे आणि E. cuniculi आणि P. locustae मध्ये थ्रोनिन नाही.Tyr43 ची अवजड सुगंधी बाजूची साखळी स्टेरिक ओव्हरलॅपमुळे न्यूक्लियोटाइड बंधनात व्यत्यय आणू शकते.वैकल्पिकरित्या, स्पष्ट न्यूक्लियोटाइड हटवणे क्रायो-ईएम इमेजिंगच्या कमी रिझोल्यूशनमुळे असू शकते, जे व्ही. नेकॅट्रिक्स राइबोसोमल तुकड्यांच्या मॉडेलिंगमध्ये अडथळा आणते.
दुसरीकडे, आमचे कार्य सूचित करते की जीनोम क्षय होण्याची प्रक्रिया एक कल्पक शक्ती असू शकते.विशेषतः, E. cuniculi ribosome ची रचना सूचित करते की मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोममधील rRNA आणि प्रथिने तुकड्यांचे नुकसान झाल्यामुळे उत्क्रांतीचा दबाव निर्माण होतो जो राइबोसोमच्या संरचनेत बदल घडवून आणतो.हे रूपे राइबोसोमच्या सक्रिय जागेपासून दूर आढळतात आणि इष्टतम राइबोसोम असेंब्ली राखण्यात (किंवा पुनर्संचयित) करण्यात मदत करतात जे अन्यथा कमी झालेल्या आरआरएनएमुळे व्यत्यय आणू शकतात.हे सूचित करते की मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमचा एक प्रमुख नवकल्पना जीन ड्रिफ्ट बफर करण्याची गरज म्हणून विकसित झालेला दिसतो.
कदाचित हे न्यूक्लियोटाइड बंधनाद्वारे उत्तम प्रकारे स्पष्ट केले गेले आहे, जे आतापर्यंत इतर जीवांमध्ये कधीही पाहिले गेले नाही.न्युक्लियोटाइड-बाइंडिंग अवशेष ठराविक मायक्रोस्पोरिडियामध्ये असतात, परंतु इतर युकेरियोट्समध्ये नसतात, हे सूचित करते की न्यूक्लियोटाइड-बाइंडिंग साइट्स केवळ अदृश्य होण्याची वाट पाहत असलेले अवशेष नाहीत किंवा वैयक्तिक न्यूक्लियोटाइड्सच्या रूपात आरआरएनएची अंतिम जागा पुनर्संचयित करण्यासाठी नाहीत.त्याऐवजी, ही साइट एक उपयुक्त वैशिष्ट्यासारखी दिसते जी सकारात्मक निवडीच्या अनेक फेऱ्यांमध्ये विकसित होऊ शकते.न्यूक्लियोटाइड बंधनकारक साइट्स नैसर्गिक निवडीचे उप-उत्पादन असू शकतात: एकदा ES39L कमी झाल्यानंतर, ES39L च्या अनुपस्थितीत इष्टतम राइबोसोम बायोजेनेसिस पुनर्संचयित करण्यासाठी मायक्रोस्पोरिडियाला नुकसानभरपाई मिळविण्यास भाग पाडले जाते.हे न्यूक्लियोटाइड ES39L मधील A3186 न्यूक्लियोटाइडच्या आण्विक संपर्कांची नक्कल करू शकत असल्याने, न्यूक्लियोटाइड रेणू हा राइबोसोमचा एक बिल्डिंग ब्लॉक बनतो, ज्याचे बंधन eL30 क्रमाच्या उत्परिवर्तनाने आणखी सुधारले जाते.
इंट्रासेल्युलर परजीवींच्या आण्विक उत्क्रांतीच्या संदर्भात, आमचा अभ्यास असे दर्शवितो की डार्विनच्या नैसर्गिक निवडीची शक्ती आणि जीनोमच्या क्षयचे अनुवांशिक प्रवाह समांतर चालत नाहीत, परंतु दोलायमान असतात.प्रथम, अनुवांशिक प्रवाह जैव-रेणूंची महत्त्वाची वैशिष्ट्ये काढून टाकते, ज्यामुळे नुकसान भरपाईची अत्यंत गरज भासते.जेव्हा परजीवी डार्विनच्या नैसर्गिक निवडीद्वारे ही गरज पूर्ण करतात तेव्हाच त्यांच्या मॅक्रोमोलिक्युल्सना त्यांची सर्वात प्रभावी आणि नाविन्यपूर्ण वैशिष्ट्ये विकसित करण्याची संधी मिळेल.महत्त्वाचे म्हणजे, E. cuniculi ribosome मधील न्यूक्लियोटाइड बंधनकारक साइट्सची उत्क्रांती सूचित करते की आण्विक उत्क्रांतीचा हा तोटा-टू-लाभ नमुना केवळ हानिकारक उत्परिवर्तनच रद्द करत नाही, परंतु काहीवेळा परजीवी मॅक्रोमोलेक्यूल्सवर पूर्णपणे नवीन कार्ये प्रदान करतो.
ही कल्पना सेवेल राइटच्या मूव्हिंग समतोल सिद्धांताशी सुसंगत आहे, ज्यामध्ये असे म्हटले आहे की नैसर्गिक निवडीची कठोर प्रणाली 51,52,53 नवनिर्मितीची जीवांची क्षमता मर्यादित करते.तथापि, जर अनुवांशिक प्रवाह नैसर्गिक निवडीमध्ये व्यत्यय आणत असेल, तर हे प्रवाह बदल घडवू शकतात जे स्वतःमध्ये अनुकूल (किंवा अगदी हानिकारक) नसतात परंतु उच्च फिटनेस किंवा नवीन जैविक क्रियाकलाप प्रदान करणारे पुढील बदल घडवून आणतात.आमची चौकट या कल्पनेचे समर्थन करते की बायोमोलेक्युलचा पट आणि कार्य कमी करणारे समान प्रकारचे उत्परिवर्तन हे त्याच्या सुधारणेसाठी मुख्य ट्रिगर असल्याचे दिसून येते.विन-विन उत्क्रांतीवादी मॉडेलच्या अनुषंगाने, आमचा अभ्यास असे दर्शवितो की जीनोमचा क्षय, पारंपारिकपणे एक अधोगती प्रक्रिया म्हणून पाहिले जाते, हे देखील नवनिर्मितीचे एक प्रमुख चालक आहे, काहीवेळा आणि कदाचित बहुधा मॅक्रोमोलेक्यूल्सला नवीन परजीवी क्रियाकलाप प्राप्त करण्यास परवानगी देते.त्यांचा वापर करू शकता.