Grazzi talli żort Nature.com. Il-verżjoni tal-browser li qed tuża għandha appoġġ limitat għas-CSS. Għall-aħjar esperjenza, nirrakkomandaw li tuża browser aġġornat (jew tiddiżattiva l-Modalità ta' Kompatibilità fl-Internet Explorer). Sadanittant, biex niżguraw appoġġ kontinwu, se nirrendu s-sit mingħajr stili u JavaScript.
L-evoluzzjoni tal-parassiti mikrobjali tinvolvi kontraazzjoni bejn is-selezzjoni naturali, li tikkawża li l-parassiti jitjiebu, u d-drift ġenetiku, li tikkawża li l-parassiti jitilfu l-ġeni u jakkumulaw mutazzjonijiet detrimentali. Hawnhekk, sabiex nifhmu kif din il-kontraazzjoni sseħħ fuq l-iskala ta' makromolekula waħda, niddeskrivu l-istruttura cryo-EM tar-ribosoma ta' Encephalitozoon cuniculi, organiżmu ewkarjotiku b'wieħed mill-iżgħar ġenomi fin-natura. It-tnaqqis estrem tal-rRNA fir-ribosomi ta' E. cuniculi huwa akkumpanjat minn bidliet strutturali bla preċedent, bħall-evoluzzjoni ta' linkers tal-rRNA magħquda li qabel ma kinux magħrufa u rRNA mingħajr nefħiet. Barra minn hekk, ir-ribosoma ta' E. cuniculi baqgħet ħajja t-telf ta' frammenti u proteini tal-rRNA billi żviluppat il-ħila li tuża molekuli żgħar bħala imitazzjonijiet strutturali ta' frammenti u proteini tal-rRNA degradati. B'mod ġenerali, nuru li strutturi molekulari li ilhom maħsuba li huma mnaqqsa, deġenerati, u soġġetti għal mutazzjonijiet debilitanti għandhom numru ta' mekkaniżmi kompensatorji li jżommuhom attivi minkejja kontrazzjonijiet molekulari estremi.
Minħabba li ħafna gruppi ta' parassiti mikrobjali għandhom għodod molekulari uniċi biex jisfruttaw l-ospiti tagħhom, ħafna drabi jkollna niżviluppaw terapiji differenti għal gruppi differenti ta' parassiti1,2. Madankollu, evidenza ġdida tissuġġerixxi li xi aspetti tal-evoluzzjoni tal-parassiti huma konverġenti u fil-biċċa l-kbira prevedibbli, u dan jindika bażi potenzjali għal interventi terapewtiċi wesgħin fil-parassiti mikrobjali3,4,5,6,7,8,9.
Xogħol preċedenti identifika xejra evoluzzjonarja komuni fil-parassiti mikrobjali msejħa tnaqqis tal-ġenoma jew tħassir tal-ġenoma10,11,12,13. Ir-riċerka attwali turi li meta l-mikroorganiżmi jabbandunaw l-istil ta' ħajja liberu tagħhom u jsiru parassiti intraċellulari (jew endosimbjonti), il-ġenoma tagħhom tgħaddi minn metamorfożi bil-mod iżda tal-għaġeb fuq miljuni ta' snin9,11. Fi proċess magħruf bħala tħassir tal-ġenoma, il-parassiti mikrobjali jakkumulaw mutazzjonijiet detrimentali li jibdlu ħafna ġeni li qabel kienu importanti fi psewdoġeni, li jwasslu għal telf gradwali tal-ġeni u kollass mutazzjonali14,15. Dan il-kollass jista' jeqred sa 95% tal-ġeni fl-eqdem organiżmi intraċellulari meta mqabbla ma' speċi relatati mill-qrib li jgħixu liberi. Għalhekk, l-evoluzzjoni tal-parassiti intraċellulari hija ġlieda bejn żewġ forzi opposti: is-selezzjoni naturali Darwinjana, li twassal għat-titjib tal-parassiti, u l-kollass tal-ġenoma, li jitfa' l-parassiti fl-oblivjon. Kif il-parassita rnexxielu joħroġ minn din il-ġlieda u jżomm l-attività tal-istruttura molekulari tiegħu għadu mhux ċar.
Għalkemm il-mekkaniżmu tat-tħassir tal-ġenoma mhux mifhum għalkollox, jidher li jseħħ l-aktar minħabba d-drift ġenetiku frekwenti. Minħabba li l-parassiti jgħixu f'popolazzjonijiet żgħar, asesswali u ġenetikament limitati, ma jistgħux jeliminaw b'mod effettiv mutazzjonijiet detrimentali li xi kultant iseħħu waqt ir-replikazzjoni tad-DNA. Dan iwassal għal akkumulazzjoni irriversibbli ta' mutazzjonijiet ta' ħsara u tnaqqis tal-ġenoma tal-parassita. Bħala riżultat, il-parassita mhux biss jitlef ġeni li m'għadhomx meħtieġa għas-sopravivenza tiegħu fl-ambjent intraċellulari. Hija l-inkapaċità tal-popolazzjonijiet tal-parassiti li jeliminaw b'mod effettiv mutazzjonijiet detrimentali sporadiċi li tikkawża li dawn il-mutazzjonijiet jakkumulaw fil-ġenoma kollu, inklużi l-aktar ġeni importanti tagħhom.
Ħafna mill-fehim attwali tagħna dwar it-tnaqqis tal-ġenoma huwa bbażat biss fuq tqabbil tas-sekwenzi tal-ġenoma, b'inqas attenzjoni għall-bidliet fil-molekuli attwali li jwettqu funzjonijiet ta' manutenzjoni u jservu bħala miri potenzjali għad-drogi. Studji komparattivi wrew li l-piż ta' mutazzjonijiet mikrobjali intraċellulari detrimentali jidher li jippredisponi l-proteini u l-aċidi nuklejċi biex jintwew ħażin u jaggregaw, u b'hekk jagħmilhom aktar dipendenti fuq il-chaperone u ipersensittivi għas-sħana19,20,21,22,23. Barra minn hekk, diversi parassiti—evoluzzjoni indipendenti xi kultant separati b'sa 2.5 biljun sena—esperjenzaw telf simili ta' ċentri ta' kontroll tal-kwalità fis-sintesi tal-proteini tagħhom5,6 u l-mekkaniżmi tat-tiswija tad-DNA24. Madankollu, ftit li xejn huwa magħruf dwar l-impatt tal-istil ta' ħajja intraċellulari fuq il-proprjetajiet l-oħra kollha tal-makromolekuli ċellulari, inkluż l-adattament molekulari għal piż dejjem jiżdied ta' mutazzjonijiet detrimentali.
F'dan ix-xogħol, sabiex nifhmu aħjar l-evoluzzjoni tal-proteini u l-aċidi nuklejċi tal-mikroorganiżmi intraċellulari, iddeterminajna l-istruttura tar-ribosomi tal-parassita intraċellulari Encephalitozoon cuniculi. E. cuniculi huwa organiżmu simili għal fungus li jappartjeni għal grupp ta' mikrosporidija parassitika li għandhom ġenomi ewkarjotiċi żgħar mhux tas-soltu u għalhekk jintużaw bħala organiżmi mudell biex jistudjaw it-tħassir tal-ġenoma25,26,27,28,29,30. Riċentement, l-istruttura tar-ribosomi cryo-EM ġiet determinata għal ġenomi moderatament imnaqqsa ta' Microsporidia, Paranosema locustae, u Vairimorpha necatrix31,32 (ġenoma ta' ~3.2 Mb). Dawn l-istrutturi jissuġġerixxu li xi telf ta' amplifikazzjoni tal-rRNA huwa kkumpensat mill-iżvilupp ta' kuntatti ġodda bejn proteini ribosomali ġirien jew l-akkwist ta' proteini ribosomali msL131,32 ġodda. L-ispeċi Encephalitozoon (ġenoma ~2.5 miljun bp), flimkien mal-eqreb qarib tagħhom Ordospora, juru l-grad aħħari ta’ tnaqqis tal-ġenoma fl-ewkarjoti – għandhom inqas minn 2000 ġene li jikkodifikaw il-proteini, u huwa mistenni li r-ribosomi tagħhom mhux biss huma nieqsa minn frammenti ta’ espansjoni tal-rRNA (frammenti ta’ rRNA li jiddistingwu r-ribosomi ewkarjotiċi mir-ribosomi batteriċi) iżda għandhom ukoll erba’ proteini ribosomali minħabba n-nuqqas ta’ omologi fil-ġenoma tal-E. cuniculi26,27,28. Għalhekk, ikkonkludejna li r-ribosoma tal-E. cuniculi tista’ tiżvela strateġiji li qabel ma kinux magħrufa għall-adattament molekulari għat-tħassir tal-ġenoma.
L-istruttura cryo-EM tagħna tirrappreżenta l-iżgħar ribosoma ċitoplasmika ewkarjotika li ġiet ikkaratterizzata u tipprovdi għarfien dwar kif il-grad aħħari ta' tnaqqis tal-ġenoma jaffettwa l-istruttura, l-assemblaġġ, u l-evoluzzjoni tal-makkinarju molekulari li huwa integrali għaċ-ċellula. Sibna li r-ribosoma E. cuniculi tikser ħafna mill-prinċipji konservati b'mod wiesa' tat-tiwi tal-RNA u l-assemblaġġ tar-ribosoma, u skoprejna proteina ribosomali ġdida, li qabel ma kinitx magħrufa. B'mod pjuttost mhux mistenni, nuru li r-ribosomi tal-mikrosporidija evolvew il-kapaċità li jorbtu molekuli żgħar, u nissoponu li t-truncations fl-rRNA u l-proteini jqanqlu innovazzjonijiet evoluzzjonarji li fl-aħħar mill-aħħar jistgħu jagħtu kwalitajiet utli lir-ribosoma.
Biex intejbu l-fehim tagħna dwar l-evoluzzjoni tal-proteini u l-aċidi nuklejċi f'organiżmi intraċellulari, iddeċidejna li niżolaw l-ispori ta' E. cuniculi minn kulturi ta' ċelloli tal-mammiferi infettati sabiex nippurifikaw ir-ribosomi tagħhom u niddeterminaw l-istruttura ta' dawn ir-ribosomi. Huwa diffiċli li jinkiseb numru kbir ta' mikrosporidija parassitika għaliex il-mikrosporidija ma tistax tiġi kkultivata f'mezz nutrittiv. Minflok, tikber u tirriproduċi biss ġewwa ċ-ċellula ospitanti. Għalhekk, biex niksbu l-bijomassa ta' E. cuniculi għall-purifikazzjoni tar-ribosomi, infettajna l-linja taċ-ċelloli tal-kliewi tal-mammiferi RK13 bl-ispori ta' E. cuniculi u kkultivajna dawn iċ-ċelloli infettati għal diversi ġimgħat biex inħallu lil E. cuniculi tikber u timmultiplika. Bl-użu ta' saff wieħed ta' ċelloli infettati ta' madwar nofs metru kwadru, stajna nippurifikaw madwar 300 mg ta' spori ta' Microsporidia u nużawhom biex niżolaw ir-ribosomi. Imbagħad kissirt l-ispori purifikati b'żibeġ tal-ħġieġ u iżolajna r-ribosomi mhux raffinati bl-użu ta' frazzjonament gradwali tal-polietilen glikol tal-lisati. Dan ippermettielna niksbu madwar 300 µg ta' ribosomi mhux ipproċessati ta' E. cuniculi għall-analiżi strutturali.
Imbagħad ġbarna immaġini cryo-EM bl-użu tal-kampjuni tar-ribosomi li rriżultaw u pproċessajna dawn l-immaġini bl-użu ta' maskri li jikkorrispondu għas-sottounità ribosomali l-kbira, ir-ras tas-sottounità żgħira, u s-sottounità żgħira. Matul dan il-proċess, ġbarna immaġini ta' madwar 108,000 partiċella ribosomali u kkalkulajna immaġini cryo-EM b'riżoluzzjoni ta' 2.7 Å (Figuri Supplimentari 1-3). Imbagħad użajna immaġini cryoEM biex nimmudellaw rRNA, proteina ribosomali, u fattur ta' ibernazzjoni Mdf1 assoċjat mar-ribosomi ta' E. cuniculi (Fig. 1a, b).
a Struttura tar-ribosoma ta' E. cuniculi f'kumpless mal-fattur ta' ibernazzjoni Mdf1 (pdb id 7QEP). b Mappa tal-fattur ta' ibernazzjoni Mdf1 assoċjat mar-ribosoma ta' E. cuniculi. ċ Mappa tal-istruttura sekondarja li tqabbel l-rRNA rkuprat fi speċi Mikrosporidjani ma' strutturi ribosomali magħrufa. Il-pannelli juru l-post tal-frammenti tal-rRNA amplifikati (ES) u s-siti attivi tar-ribosoma, inkluż is-sit ta' dekodifikazzjoni (DC), il-linja tas-sarċiniċina (SRL), u ċ-ċentru tal-peptidil transferase (PTC). d Id-densità tal-elettroni li tikkorrispondi għaċ-ċentru tal-peptidil transferase tar-ribosoma ta' E. cuniculi tissuġġerixxi li dan is-sit katalitiku għandu l-istess struttura fil-parassita E. cuniculi u l-ospiti tiegħu, inkluż H. sapiens. e, f Id-densità tal-elettroni korrispondenti taċ-ċentru ta' dekodifikazzjoni (e) u l-istruttura skematika taċ-ċentru ta' dekodifikazzjoni (f) jindikaw li E. cuniculi għandu residwi U1491 minflok A1491 (numerazzjoni ta' E. coli) f'ħafna ewkarjoti oħra. Din il-bidla tissuġġerixxi li E. cuniculi jista' jkun sensittiv għall-antibijotiċi li jimmiraw lejn dan is-sit attiv.
B'kuntrast mal-istrutturi stabbiliti qabel tar-ribosomi ta' V. necatrix u P. locustae (iż-żewġ strutturi jirrappreżentaw l-istess familja ta' mikrosporidija Nosematidae u huma simili ħafna għal xulxin), 31,32 ir-ribosomi ta' E. cuniculi jgħaddu minn bosta proċessi ta' frammentazzjoni tal-rRNA u tal-proteini. Denaturazzjoni ulterjuri (Figuri Supplimentari 4-6). Fl-rRNA, l-aktar bidliet impressjonanti inkludew telf komplet tal-framment amplifikat ta' 25S rRNA ES12L u deġenerazzjoni parzjali tal-eliċi h39, h41, u H18 (Fig. 1c, Fig. Supplimentari 4). Fost il-proteini ribosomali, l-aktar bidliet impressjonanti inkludew telf komplet tal-proteina eS30 u tqassir tal-proteini eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17, u eS7 (Figuri Supplimentari 4, 5).
Għalhekk, it-tnaqqis estrem tal-ġenomi tal-ispeċi Encephalotozoon/Ordospora huwa rifless fl-istruttura tar-ribosomi tagħhom: Ir-ribosomi ta' E. cuniculi jesperjenzaw l-aktar telf drammatiku ta' kontenut ta' proteina fir-ribosomi ċitoplasmiċi ewkarjotiċi soġġetti għal karatterizzazzjoni strutturali, u lanqas biss għandhom dawk l-rRNA u l-frammenti ta' proteini li huma kkonservati b'mod wiesa' mhux biss fl-ewkarjoti, iżda wkoll fit-tliet oqsma tal-ħajja. L-istruttura tar-ribosomi ta' E. cuniculi tipprovdi l-ewwel mudell molekulari għal dawn il-bidliet u tiżvela avvenimenti evoluzzjonarji li ġew injorati kemm mill-ġenomika komparattiva kif ukoll minn studji tal-istruttura bijomolekulari intraċellulari (Fig. Supplimentari 7). Hawn taħt, niddeskrivu kull wieħed minn dawn l-avvenimenti flimkien mal-oriġini evoluzzjonarji probabbli tagħhom u l-impatt potenzjali tagħhom fuq il-funzjoni tar-ribosomi.
Imbagħad sibna li, minbarra t-trunkamenti kbar tal-rRNA, ir-ribosomi ta' E. cuniculi għandhom varjazzjonijiet fl-rRNA f'wieħed mis-siti attivi tagħhom. Għalkemm iċ-ċentru tal-peptidyl transferase tar-ribosoma ta' E. cuniculi għandu l-istess struttura bħal ribosomi ewkarjotiċi oħra (Fig. 1d), iċ-ċentru tad-dekodifikazzjoni huwa differenti minħabba l-varjazzjoni fis-sekwenza fin-nukleotide 1491 (numerazzjoni ta' E. coli, Fig. 1e, f). Din l-osservazzjoni hija importanti għaliex is-sit tad-dekodifikazzjoni tar-ribosomi ewkarjotiċi tipikament fih residwi G1408 u A1491 meta mqabbla mar-residwi tat-tip batterjali A1408 u G1491. Din il-varjazzjoni hija l-bażi tas-sensittività differenti tar-ribosomi batterjali u ewkarjotiċi għall-familja aminoglycoside tal-antibijotiċi ribosomali u molekuli żgħar oħra li jimmiraw lejn is-sit tad-dekodifikazzjoni. Fis-sit tad-dekodifikazzjoni tar-ribosoma ta' E. cuniculi, ir-residwu A1491 ġie sostitwit b'U1491, u potenzjalment ħoloq interfaċċja unika ta' rbit għal molekuli żgħar li jimmiraw lejn dan is-sit attiv. L-istess varjant A14901 huwa preżenti wkoll f'mikrosporidija oħra bħal P. locustae u V. necatrix, li jissuġġerixxi li huwa mifrux fost l-ispeċi ta' mikrosporidija (Fig. 1f).
Minħabba li l-kampjuni tar-ribosomi ta' E. cuniculi tagħna ġew iżolati minn spori metabolikament inattivi, ittestjajna l-mappa cryo-EM ta' E. cuniculi għal rbit ta' ribosomi deskritt qabel taħt kundizzjonijiet ta' stress jew nuqqas ta' ikel. Fatturi ta' ibernazzjoni 31,32,36,37, 38. Qabbilna l-istruttura stabbilita qabel tar-ribosomi ta' ibernazzjoni mal-mappa cryo-EM tar-ribosomi ta' E. cuniculi. Għall-akkoppjar, intużaw ribosomi ta' S. cerevisiae f'kumpless mal-fattur ta' ibernazzjoni Stm138, ribosomi ta' locust f'kumpless mal-fattur Lso232, u ribosomi ta' V. necatrix f'kumpless mal-fatturi Mdf1 u Mdf231. Fl-istess ħin, sibna d-densità cryo-EM li tikkorrispondi mal-fattur ta' mistrieħ Mdf1. Simili għal Mdf1 li jorbot mar-ribosoma V. necatrix, Mdf1 jorbot ukoll mar-ribosoma E. cuniculi, fejn jimblokka s-sit E tar-ribosoma, u possibbilment jgħin biex ir-ribosomi jkunu disponibbli meta l-ispori tal-parassiti jsiru metabolikament inattivi malli l-ġisem jiġi inattivat (Figura 2).
Mdf1 jimblokka s-sit E tar-ribosoma, li jidher li jgħin biex jinattiva r-ribosoma meta l-ispori tal-parassita jsiru metabolikament inattivi. Fl-istruttura tar-ribosoma ta' E. cuniculi, sibna li Mdf1 jifforma kuntatt li qabel ma kienx magħruf maz-zokk tar-ribosoma L1, il-parti tar-ribosoma li tiffaċilita r-rilaxx ta' tRNA deaċilat mir-ribosoma waqt is-sintesi tal-proteini. Dawn il-kuntatti jissuġġerixxu li Mdf1 jiddisassoċja mir-ribosoma bl-użu tal-istess mekkaniżmu bħat-tRNA deaċetilat, u dan jipprovdi spjegazzjoni possibbli għal kif ir-ribosoma tneħħi Mdf1 biex terġa' tattiva s-sintesi tal-proteini.
Madankollu, l-istruttura tagħna żvelat kuntatt mhux magħruf bejn Mdf1 u r-riġel tar-ribosoma L1 (il-parti tar-ribosoma li tgħin biex tirrilaxxa tRNA deaċilat mir-ribosoma waqt is-sintesi tal-proteini). B'mod partikolari, Mdf1 juża l-istess kuntatti bħas-segment tal-minkeb tal-molekula tat-tRNA deaċilat (Fig. 2). Dan il-mudellar molekulari li qabel ma kienx magħruf wera li Mdf1 jiddisassoċja mir-ribosoma bl-użu tal-istess mekkaniżmu bħat-tRNA deaċetilat, li jispjega kif ir-ribosoma tneħħi dan il-fattur ta' ibernazzjoni biex terġa' tattiva s-sintesi tal-proteini.
Meta konna qed nibnu l-mudell tal-rRNA, sibna li r-ribosoma ta' E. cuniculi għandha frammenti ta' rRNA mitwija b'mod anormali, li sejjaħna rRNA magħqud (Fig. 3). Fir-ribosomi li jkopru t-tliet dominji tal-ħajja, l-rRNA jintewa fi strutturi fejn il-biċċa l-kbira tal-bażijiet tal-rRNA jew jingħaqdu f'pari u jintwew ma' xulxin jew jinteraġixxu ma' proteini ribosomali38,39,40. Madankollu, fir-ribosomi ta' E. cuniculi, l-rRNAs jidhru li jiksru dan il-prinċipju tat-tiwi billi jikkonvertu xi wħud mill-eliċi tagħhom f'reġjuni ta' rRNA mhux mitwija.
Struttura tal-eliċi H18 25S rRNA f'S. cerevisiae, V. necatrix, u E. cuniculi. Tipikament, fir-ribosomi li jkopru t-tliet dominji tal-ħajja, dan il-linker jitkebbeb f'eliċi RNA li fiha 24 sa 34 residwu. Fil-Microsporidia, għall-kuntrarju, dan il-linker rRNA jitnaqqas gradwalment għal żewġ linkers rikki fl-uridina b'fergħa waħda li fihom biss 12-il residwu. Il-biċċa l-kbira ta' dawn ir-residwi huma esposti għal solventi. Il-figura turi li l-mikrosporidija parassitika tidher li tikser il-prinċipji ġenerali tat-tiwi tal-rRNA, fejn il-bażijiet tal-rRNA ġeneralment ikunu akkoppjati ma' bażijiet oħra jew involuti f'interazzjonijiet rRNA-proteina. Fil-mikrosporidija, xi frammenti tal-rRNA jieħdu tinja sfavorevoli, fejn l-eliċi rRNA ta' qabel issir framment b'fergħa waħda mtawwal kważi f'linja dritta. Il-preżenza ta' dawn ir-reġjuni mhux tas-soltu tippermetti lill-mikrosporidija rRNA torbot frammenti ta' rRNA 'l bogħod bl-użu ta' numru minimu ta' bażijiet RNA.
L-aktar eżempju impressjonanti ta’ din it-tranżizzjoni evoluzzjonarja jista’ jiġi osservat fl-elika H18 25S rRNA (Fig. 3). Fi speċi minn E. coli sal-bnedmin, il-bażijiet ta’ din l-elika rRNA fihom 24-32 nukleotidi, li jiffurmaw elika kemxejn irregolari. Fi strutturi ribosomali identifikati qabel minn V. necatrix u P. locustae,31,32 il-bażijiet tal-elika H18 huma parzjalment mhux imkebba, iżda t-tqabbil tal-bażijiet tan-nukleotidi huwa ppreservat. Madankollu, f’E. cuniculi dan il-framment ta’ rRNA jsir l-iqsar linkers 228UUUGU232 u 301UUUUUUUUUU307. B’differenza mill-frammenti tipiċi ta’ rRNA, dawn il-linkers rikki fl-uridina ma jitkebbsux jew jagħmlu kuntatt estensiv mal-proteini ribosomali. Minflok, jadottaw strutturi miftuħa għas-solvent u kompletament mhux mitwija fejn il-linji tal-rRNA huma estiżi kważi dritti. Din il-konformazzjoni mġebbda tispjega kif E. cuniculi tuża biss 12-il bażi tal-RNA biex timla l-vojt ta' 33 Å bejn l-eliċi tal-rRNA H16 u H18, filwaqt li speċi oħra jeħtieġu mill-inqas id-doppju tal-bażijiet tal-rRNA biex jimlew il-vojt.
Għalhekk, nistgħu nuru li, permezz ta' tiwi enerġetikament sfavorevoli, il-mikrosporidija parassitika żviluppaw strateġija biex jikkuntrattaw anke dawk is-segmenti tal-rRNA li jibqgħu kkonservati b'mod wiesa' bejn l-ispeċi fit-tliet oqsma tal-ħajja. Milli jidher, billi jakkumulaw mutazzjonijiet li jittrasformaw l-eliċi tal-rRNA f'linkers qosra ta' poly-U, E. cuniculi jistgħu jiffurmaw frammenti mhux tas-soltu tal-rRNA li fihom kemm jista' jkun ftit nukleotidi għal-ligazzjoni ta' frammenti distali tal-rRNA. Dan jgħin biex jispjega kif il-mikrosporidija kisbu tnaqqis drammatiku fl-istruttura molekulari bażika tagħhom mingħajr ma tilfu l-integrità strutturali u funzjonali tagħhom.
Karatteristika oħra mhux tas-soltu tal-E. cuniculi rRNA hija d-dehra tal-rRNA mingħajr ħxuna (Fig. 4). Il-bulges huma nukleotidi mingħajr pari ta' bażijiet li jitgħawġu 'l barra mill-elika tal-RNA minflok ma jinħbew fiha. Il-biċċa l-kbira tal-protrużjonijiet tal-rRNA jaġixxu bħala adeżivi molekulari, u jgħinu biex jorbtu proteini ribosomali biswit xulxin jew frammenti oħra tal-rRNA. Xi wħud mill-bulges jaġixxu bħala ċappetti, u jippermettu lill-elika tal-rRNA titgħawweġ u tintewa b'mod ottimali għal sinteżi produttiva tal-proteini 41.
a Protrużjoni ta' rRNA (numerazzjoni ta' S. cerevisiae) hija assenti mill-istruttura tar-ribosomi ta' E. cuniculi, iżda preżenti fil-biċċa l-kbira tal-ewkarjoti l-oħra b Il-parassiti ta' E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens, u E. cuniculi m'għandhomx ħafna mill-boċċi tal-rRNA antiki u kkonservati ħafna. Dawn it-tħaxxin jistabbilizzaw l-istruttura tar-ribosomi; għalhekk, l-assenza tagħhom fil-mikrosporidja tindika stabbiltà mnaqqsa tat-tiwi tal-rRNA fil-parassiti tal-mikrosporidja. It-tqabbil maz-zkuk P (zkuk L7/L12 fil-batterji) juri li t-telf tal-boċċi tal-rRNA xi kultant jikkoinċidi mad-dehra ta' boċċi ġodda ħdejn il-boċċi mitlufa. L-elika H42 fl-rRNA 23S/28S għandha boċċa antika (U1206 f'Saccharomyces cerevisiae) stmata li għandha mill-inqas 3.5 biljun sena minħabba l-protezzjoni tagħha fi tliet oqsma tal-ħajja. Fil-mikrosporidja, din il-boċċa tiġi eliminata. Madankollu, dehret nefħa ġdida ħdejn in-nefħa mitlufa (A1306 f'E. cuniculi).
Ta' min jinnota li sibna li r-ribosomi ta' E. cuniculi m'għandhomx il-biċċa l-kbira tal-bulges tal-rRNA misjuba fi speċi oħra, inklużi aktar minn 30 bulge kkonservati f'ewkarjoti oħra (Fig. 4a). Dan it-telf jelimina ħafna kuntatti bejn is-subunitajiet ribosomali u l-eliċi tal-rRNA biswit xulxin, xi kultant joħloq vojt kbar fir-ribosoma, u b'hekk ir-ribosoma ta' E. cuniculi tkun aktar poruża meta mqabbla ma' ribosomi aktar tradizzjonali (Fig. 4b). Ta' min jinnota li sibna li l-biċċa l-kbira ta' dawn il-bulges intilfu wkoll fl-istrutturi tar-ribosomi ta' V. necatrix u P. locustae identifikati qabel, li ġew injorati minn analiżi strutturali preċedenti31,32.
Xi kultant it-telf ta' nefħiet tal-rRNA jkun akkumpanjat mill-iżvilupp ta' nefħiet ġodda ħdejn in-nefħija mitlufa. Pereżempju, iz-zokk P ribosomali fih nefħija U1208 (f'Saccharomyces cerevisiae) li baqgħet ħajja minn E. coli għall-bnedmin u għalhekk hija stmata li għandha 3.5 biljun sena. Matul is-sintesi tal-proteini, din in-nefħija tgħin liz-zokk P jiċċaqlaq bejn konformazzjonijiet miftuħa u magħluqa sabiex ir-ribosoma tkun tista' tirrekluta fatturi ta' traduzzjoni u twassalhom lis-sit attiv. Fir-ribosomi ta' E. cuniculi, dan it-tħaxxin huwa assenti; madankollu, tħaxxin ġdid (G883) li jinsab biss fi tliet pari ta' bażijiet jista' jikkontribwixxi għar-restawr tal-flessibbiltà ottimali taz-zokk P (Fig. 4c).
Id-dejta tagħna dwar l-rRNA mingħajr nefħiet tissuġġerixxi li l-minimizzazzjoni tal-rRNA mhijiex limitata għat-telf ta' elementi tal-rRNA fuq il-wiċċ tar-ribosoma, iżda tista' tinvolvi wkoll in-nukleu tar-ribosoma, u toħloq difett molekulari speċifiku għall-parassita li ma ġiex deskritt f'ċelloli ħajjin. Speċi ħajjin huma osservati.
Wara li mmudellajna l-proteini ribosomali kanoniċi u l-rRNA, sibna li l-komponenti ribosomali konvenzjonali ma jistgħux jispjegaw it-tliet partijiet tal-immaġni cryo-EM. Tnejn minn dawn il-frammenti huma molekuli żgħar fid-daqs (Fig. 5, Fig. Supplimentari 8). L-ewwel segment huwa mdaħħal bejn il-proteini ribosomali uL15 u eL18 f'pożizzjoni ġeneralment okkupata mit-tarf C ta' eL18, li huwa mqassar f'E. cuniculi. Għalkemm ma nistgħux niddeterminaw l-identità ta' din il-molekula, id-daqs u l-għamla ta' din il-gżira ta' densità huma spjegati tajjeb mill-preżenza ta' molekuli spermidina. L-irbit tagħha mar-ribosoma huwa stabbilizzat minn mutazzjonijiet speċifiċi għall-mikrosporidja fil-proteini uL15 (Asp51 u Arg56), li jidhru li jżidu l-affinità tar-ribosoma għal din il-molekula żgħira, peress li jippermettu lil uL15 tgeżwer il-molekula żgħira fi struttura ribosomali. Figura Supplimentari 2). 8, dejta addizzjonali 1, 2).
Immaġini cryo-EM li turi l-preżenza ta' nukleotidi barra r-ribożju marbut mar-ribosoma ta' E. cuniculi. Fir-ribosoma ta' E. cuniculi, dan in-nukleotide jokkupa l-istess post bħan-nukleotide 25S rRNA A3186 (numerazzjoni ta' Saccharomyces cerevisiae) fil-biċċa l-kbira tar-ribosomi ewkarjotiċi l-oħra. b Fl-istruttura ribosomali ta' E. cuniculi, dan in-nukleotide jinsab bejn il-proteini ribosomali uL9 u eL20, u b'hekk jistabbilizza l-kuntatt bejn iż-żewġ proteini. cd Analiżi tal-konservazzjoni tas-sekwenza eL20 fost l-ispeċi ta' mikrosporidija. Is-siġra filoġenetika tal-ispeċi ta' Mikrosporidija (c) u l-allinjament ta' sekwenzi multipli tal-proteina eL20 (d) juru li r-residwi F170 u K172 li jorbtu man-nukleotidi huma kkonservati fil-biċċa l-kbira tal-Mikrosporidija tipiċi, bl-eċċezzjoni ta' S. lophii, bl-eċċezzjoni tal-Mikrosporidija li tifriegħi bikrija, li żamm l-estensjoni tal-ES39L rRNA. e Din il-figura turi li r-residwi F170 u K172 li jorbtu n-nukleotidi huma preżenti biss f'eL20 tal-ġenoma tal-mikrosporidja mnaqqsa ħafna, iżda mhux f'ewkarjoti oħra. B'mod ġenerali, din id-dejta tissuġġerixxi li r-ribosomi Mikrosporidjani żviluppaw sit ta' rbit tan-nukleotidi li jidher li jorbot il-molekuli AMP u jużahom biex jistabbilizza l-interazzjonijiet proteina-proteina fl-istruttura ribosomali. Il-konservazzjoni għolja ta' dan is-sit ta' rbit fil-Mikrosporidja u l-assenza tiegħu f'ewkarjoti oħra tissuġġerixxi li dan is-sit jista' jipprovdi vantaġġ ta' sopravivenza selettiva għall-Mikrosporidja. Għalhekk, il-but li jorbot in-nukleotidi fir-ribosoma tal-mikrosporidja ma jidhirx li huwa karatteristika deġenerata jew forma finali ta' degradazzjoni tal-rRNA kif deskritt qabel, iżda pjuttost innovazzjoni evoluzzjonarja utli li tippermetti lir-ribosoma tal-mikrosporidja jorbot direttament molekuli żgħar, billi jużahom bħala blokki tal-bini molekulari għar-ribosomi. Din l-iskoperta tagħmel ir-ribosoma tal-mikrosporidja l-uniku ribosoma magħruf li juża nukleotide wieħed bħala l-blokk tal-bini strutturali tiegħu. f Mogħdija evoluzzjonarja ipotetika derivata mir-rbit tan-nukleotidi.
It-tieni densità ta' piż molekulari baxx tinsab fl-interfaċċja bejn il-proteini ribosomali uL9 u eL30 (Fig. 5a). Din l-interfaċċja ġiet deskritta qabel fl-istruttura tar-ribosoma Saccharomyces cerevisiae bħala sit ta' rbit għan-nukleotide 25S tal-rRNA A3186 (parti mill-estensjoni tal-rRNA ES39L)38. Intwera li fir-ribosomi deġenerati ta' P. locustae ES39L, din l-interfaċċja torbot ma' nukleotide wieħed mhux magħruf 31, u huwa preżunt li dan in-nukleotide huwa forma finali mnaqqsa ta' rRNA, fejn it-tul tal-rRNA huwa ~130-230 bażi. ES39L huwa mnaqqas għal nukleotide wieħed 32.43. L-immaġini cryo-EM tagħna jappoġġjaw l-idea li d-densità tista' tiġi spjegata bin-nukleotidi. Madankollu, ir-riżoluzzjoni ogħla tal-istruttura tagħna wriet li dan in-nukleotide huwa molekula extraribosomali, possibilment AMP (Fig. 5a, b).
Imbagħad staqsejna jekk is-sit ta' rbit tan-nukleotidi deherx fir-ribosoma ta' E. cuniculi jew jekk kienx jeżisti qabel. Peress li r-rbit tan-nukleotidi huwa prinċipalment medjat mir-residwi Phe170 u Lys172 fil-proteina ribosomali eL30, ivvalutajna l-konservazzjoni ta' dawn ir-residwi f'4396 ewkarjota rappreżentattiva. Bħal fil-każ ta' uL15 hawn fuq, sibna li r-residwi Phe170 u Lys172 huma kkonservati ħafna biss f'Microsporidia tipiċi, iżda assenti f'ewkarjoti oħra, inklużi Microsporidia atipiċi Mitosporidium u Amphiamblys, li fihom il-framment tal-rRNA ES39L mhux imnaqqas 44, 45, 46 (Fig. 5c). -e).
Meħuda flimkien, din id-dejta tappoġġja l-idea li E. cuniculi u possibilment mikrosporidija kanonika oħra evolvew il-ħila li jaqbdu b'mod effiċjenti numru kbir ta' metaboliti żgħar fl-istruttura tar-ribosomi biex jikkumpensaw għat-tnaqqis fil-livelli ta' rRNA u proteini. B'dan il-mod, żviluppaw ħila unika li jorbtu n-nukleotidi barra r-ribosomi, u dan juri li l-istrutturi molekulari parassitiċi jikkumpensaw billi jaqbdu metaboliti żgħar abbundanti u jużawhom bħala imitazzjonijiet strutturali ta' frammenti ta' RNA u proteini degradati.
It-tielet parti mhux simulata tal-mappa cryo-EM tagħna, li tinsab fis-subunità ribosomali l-kbira. Ir-riżoluzzjoni relattivament għolja (2.6 Å) tal-mappa tagħna tissuġġerixxi li din id-densità tappartjeni għal proteini b'kombinazzjonijiet uniċi ta' residwi kbar tal-katina tal-ġenb, li ppermettewlna nidentifikaw din id-densità bħala proteina ribosomali li qabel ma kinitx magħrufa li identifikajna bħala. Ingħatat l-isem ta' msL2 (proteina speċifika għall-Microsporidia L2) (metodi, figura 6). It-tfittxija tagħna għall-omoloġija wriet li msL2 hija kkonservata fil-klad tal-Microsporidia tal-ġeneru Encephaliter u Orosporidium, iżda assenti fi speċi oħra, inklużi Microsporidia oħra. Fl-istruttura ribosomali, msL2 tokkupa vojt iffurmat mit-telf tal-rRNA estiż ES31L. F'dan il-vojt, msL2 tgħin biex tistabbilizza t-tiwi tal-rRNA u tista' tikkumpensa għat-telf tal-ES31L (Figura 6).
a Densità tal-elettroni u mudell tal-proteina ribosomali msL2 speċifika għall-Microsporidia misjuba fir-ribosomi ta' E. cuniculi. b Il-biċċa l-kbira tar-ribosomi ewkarjotiċi, inkluż ir-ribosoma 80S ta' Saccharomyces cerevisiae, għandhom amplifikazzjoni tal-rRNA ES19L mitlufa fil-biċċa l-kbira tal-ispeċi Mikrosporidjani. L-istruttura stabbilita qabel tar-ribosoma tal-mikrosporidia V. necatrix tissuġġerixxi li t-telf ta' ES19L f'dawn il-parassiti huwa kkumpensat mill-evoluzzjoni tal-proteina ribosomali msL1 il-ġdida. F'dan l-istudju, sibna li r-ribosoma ta' E. cuniculi żviluppat ukoll proteina addizzjonali li timita l-RNA ribosomali bħala kumpens apparenti għat-telf ta' ES19L. Madankollu, msL2 (bħalissa annotata bħala l-proteina ipotetika ECU06_1135) u msL1 għandhom oriġini strutturali u evoluzzjonarji differenti. c Din l-iskoperta tal-ġenerazzjoni ta' proteini ribosomali msL1 u msL2 li mhumiex relatati b'mod evoluttiv tissuġġerixxi li jekk ir-ribosomi jakkumulaw mutazzjonijiet detrimentali fl-rRNA tagħhom, jistgħu jiksbu livelli bla preċedent ta' diversità kompożizzjonali anke f'sottogrupp żgħir ta' speċi relatati mill-qrib. Din l-iskoperta tista' tgħin biex tiċċara l-oriġini u l-evoluzzjoni tar-ribosomi mitokondrijali, li huma magħrufa għall-rRNA mnaqqsa ħafna tagħhom u l-varjabbiltà anormali fil-kompożizzjoni tal-proteini bejn l-ispeċi.
Imbagħad qabbilna l-proteina msL2 mal-proteina msL1 deskritta qabel, l-unika proteina ribosomali speċifika għall-mikrosporidja magħrufa li tinsab fir-ribosoma V. necatrix. Ridna nittestjaw jekk msL1 u msL2 humiex relatati evoluzzjonalment. L-analiżi tagħna wriet li msL1 u msL2 jokkupaw l-istess kavità fl-istruttura ribosomali, iżda għandhom strutturi primarji u terzjarji differenti, li jindika l-oriġini evoluzzjonarja indipendenti tagħhom (Fig. 6). Għalhekk, l-iskoperta tagħna ta' msL2 tipprovdi evidenza li gruppi ta' speċi ewkarjotiċi kompatti jistgħu jevolvu b'mod indipendenti proteini ribosomali strutturalment distinti biex jikkumpensaw għat-telf ta' frammenti ta' rRNA. Din is-sejba hija notevoli għax il-biċċa l-kbira tar-ribosomi ewkarjotiċi ċitoplasmiċi fihom proteina invarijanti, inkluża l-istess familja ta' 81 proteina ribosomali. Id-dehra ta' msL1 u msL2 f'diversi kladi ta' mikrosporidja b'reazzjoni għat-telf ta' segmenti ta' rRNA estiżi tissuġġerixxi li d-degradazzjoni tal-arkitettura molekulari tal-parassita tikkawża li l-parassiti jfittxu mutazzjonijiet kompensatorji, li eventwalment jistgħu jwasslu għall-akkwist tagħhom fi strutturi differenti ta' popolazzjonijiet ta' parassiti.
Fl-aħħar, meta l-mudell tagħna tlesta, qabbilna l-kompożizzjoni tar-ribosoma ta' E. cuniculi ma' dik imbassra mis-sekwenza tal-ġenoma. Diversi proteini ribosomali, inklużi eL14, eL38, eL41, u eS30, qabel kienu maħsuba li kienu neqsin mill-ġenoma ta' E. cuniculi minħabba l-assenza apparenti tal-omologi tagħhom mill-ġenoma ta' E. cuniculi. It-telf ta' ħafna proteini ribosomali huwa mbassar ukoll fil-biċċa l-kbira tal-parassiti intraċellulari u endosimbjonti oħra mnaqqsa ħafna. Pereżempju, għalkemm il-biċċa l-kbira tal-batterji li jgħixu liberi fihom l-istess familja ta' 54 proteina ribosomali, 11 biss minn dawn il-familji ta' proteini għandhom omologi li jistgħu jiġu skoperti f'kull ġenoma analizzat ta' batterji ristretti għall-ospitant. B'appoġġ għal din in-nozzjoni, ġie osservat sperimentalment telf ta' proteini ribosomali fil-mikrosporidija ta' V. necatrix u P. locustae, li m'għandhomx il-proteini eL38 u eL4131,32.
Madankollu, l-istrutturi tagħna juru li eL38, eL41, u eS30 biss huma fil-fatt mitlufa fir-ribosoma ta' E. cuniculi. Il-proteina eL14 ġiet ikkonservata u l-istruttura tagħna wriet għaliex din il-proteina ma setgħetx tinstab fit-tfittxija tal-omoloġija (Fig. 7). Fir-ribosomi ta' E. cuniculi, il-biċċa l-kbira tas-sit ta' rbit ta' eL14 jintilef minħabba d-degradazzjoni tal-ES39L amplifikat bl-rRNA. Fin-nuqqas ta' ES39L, eL14 tilef il-biċċa l-kbira tal-istruttura sekondarja tiegħu, u 18% biss tas-sekwenza ta' eL14 kienet identika f'E. cuniculi u S. cerevisiae. Din il-preservazzjoni fqira tas-sekwenza hija notevoli għaliex anke Saccharomyces cerevisiae u Homo sapiens—organiżmi li evolvew 1.5 biljun sena 'l bogħod minn xulxin—jaqsmu aktar minn 51% tal-istess residwi f'eL14. Dan it-telf anomalu ta' konservazzjoni jispjega għaliex E. cuniculi eL14 bħalissa huwa annotat bħala l-proteina putattiva M970_061160 u mhux bħala l-proteina ribosomali eL1427.
u Ir-ribosoma tal-Microsporidia tilfet l-estensjoni tal-rRNA ES39L, li eliminat parzjalment is-sit ta' rbit tal-proteina ribosomali eL14. Fin-nuqqas ta' ES39L, il-proteina tal-mikrospori eL14 tgħaddi minn telf ta' struttura sekondarja, fejn l-α-helix li torbot mal-rRNA tiddeġenera f'linja ta' tul minimu. b Allinjament ta' sekwenzi multipli juri li l-proteina eL14 hija kkonservata ħafna fl-ispeċi ewkarjotiċi (57% identità tas-sekwenza bejn l-omologi tal-ħmira u tal-bniedem), iżda kkonservata ħażin u diverġenti fil-mikrosporidia (fejn mhux aktar minn 24% tar-residwi huma identiċi għall-omologu eL14). minn S. cerevisiae jew H. sapiens). Din il-konservazzjoni fqira tas-sekwenza u l-varjabbiltà tal-istruttura sekondarja tispjega għaliex l-omologu eL14 qatt ma nstab f'E. cuniculi u għaliex din il-proteina hija maħsuba li ntilfet f'E. cuniculi. B'kuntrast, E. cuniculi eL14 kienet annotata qabel bħala proteina putattiva M970_061160. Din l-osservazzjoni tissuġġerixxi li d-diversità tal-ġenoma tal-mikrosporidija bħalissa hija stmata żżejjed: xi ġeni li bħalissa huma maħsuba li huma mitlufa fil-mikrosporidija huma fil-fatt ippreservati, għalkemm f'forom differenzjati ħafna; minflok, xi wħud huma maħsuba li jikkodifikaw għal ġeni tal-mikrosporidija għal proteini speċifiċi għad-dud (eż., il-proteina ipotetika M970_061160) fil-fatt tikkodifika għall-proteini diversi ħafna li jinstabu f'ewkarjoti oħra.
Din is-sejba tissuġġerixxi li d-denaturazzjoni tal-rRNA tista' twassal għal telf drammatiku tal-konservazzjoni tas-sekwenza fil-proteini ribosomali biswit, u b'hekk dawn il-proteini ma jkunux jistgħu jiġu skoperti għal tfittxijiet ta' omoloġija. Għalhekk, nistgħu nissottovalutaw il-grad attwali ta' degradazzjoni molekulari f'organiżmi b'ġenoma żgħira, peress li xi proteini li wieħed jaħseb li ntilfu fil-fatt jippersistu, għalkemm f'forom mibdula ħafna.
Kif jistgħu l-parassiti jżommu l-funzjoni tal-magni molekulari tagħhom f'kundizzjonijiet ta' tnaqqis estrem tal-ġenoma? L-istudju tagħna jwieġeb din il-mistoqsija billi jiddeskrivi l-istruttura molekulari kumplessa (ribosoma) ta' E. cuniculi, organiżmu b'wieħed mill-iżgħar ġenomi ewkarjotiċi.
Ilu magħruf għal kważi żewġ deċennji li l-molekuli tal-proteini u tal-RNA fil-parassiti mikrobjali ħafna drabi jkunu differenti mill-molekuli omologi tagħhom fi speċi li jgħixu ħielsa minħabba li m'għandhomx ċentri ta' kontroll tal-kwalità, huma mnaqqsa għal 50% tad-daqs tagħhom f'mikrobi li jgħixu ħielsa, eċċ. ħafna mutazzjonijiet debilitanti li jfixklu t-tiwi u l-funzjoni. Pereżempju, ir-ribosomi ta' organiżmi b'ġenoma żgħira, inklużi ħafna parassiti intraċellulari u endosimbjonti, huma mistennija li ma jkollhomx diversi proteini ribosomali u sa terz tan-nukleotidi tal-rRNA meta mqabbla ma' speċi li jgħixu ħielsa 27, 29, 30, 49. Madankollu, il-mod kif dawn il-molekuli jiffunzjonaw fil-parassita jibqa' fil-biċċa l-kbira misteru, studjat prinċipalment permezz tal-ġenomika komparattiva.
L-istudju tagħna juri li l-istruttura tal-makromolekuli tista' tiżvela ħafna aspetti tal-evoluzzjoni li huma diffiċli biex jiġu estratti minn studji ġenomiċi komparattivi tradizzjonali ta' parassiti intraċellulari u organiżmi oħra ristretti għall-ospitanti (Fig. Supplimentari 7). Pereżempju, l-eżempju tal-proteina eL14 juri li nistgħu nissopravalutaw il-grad attwali ta' degradazzjoni tal-apparat molekulari fi speċi parassitiċi. Il-parassiti enċefalitiċi issa huma maħsuba li għandhom mijiet ta' ġeni speċifiċi għall-mikrosporidja. Madankollu, ir-riżultati tagħna juru li xi wħud minn dawn il-ġeni li jidhru speċifiċi huma fil-fatt biss varjanti differenti ħafna ta' ġeni li huma komuni f'ewkarjoti oħra. Barra minn hekk, l-eżempju tal-proteina msL2 juri kif ninjoraw proteini ribosomali ġodda u nissottovalutaw il-kontenut ta' magni molekulari parassitiċi. L-eżempju ta' molekuli żgħar juri kif nistgħu ninjoraw l-aktar innovazzjonijiet inġenjużi fi strutturi molekulari parassitiċi li jistgħu jagħtuhom attività bijoloġika ġdida.
Meħuda flimkien, dawn ir-riżultati jtejbu l-fehim tagħna tad-differenzi bejn l-istrutturi molekulari ta' organiżmi ristretti għall-ospitanti u l-kontropartijiet tagħhom f'organiżmi ħajjin. Nuru li magni molekulari, li ilhom kienu maħsuba li huma mnaqqsa, jiddeġeneraw, u soġġetti għal diversi mutazzjonijiet debilitanti, minflok għandhom sett ta' karatteristiċi strutturali mhux tas-soltu li ġew injorati sistematikament.
Mill-banda l-oħra, il-frammenti tal-rRNA mhux goffi u l-frammenti magħquda li sibna fir-ribosomi ta' E. cuniculi jissuġġerixxu li t-tnaqqis tal-ġenoma jista' jbiddel anke dawk il-partijiet tal-makkinarju molekulari bażiku li huma ppreservati fit-tliet oqsma tal-ħajja – wara kważi 3.5 biljun sena ta' evoluzzjoni indipendenti tal-ispeċi.
Il-frammenti tal-rRNA mingħajr nefħa u magħquda fir-ribosomi ta' E. cuniculi huma ta' interess partikolari fid-dawl ta' studji preċedenti ta' molekuli tal-RNA f'batterji endosimbiotiċi. Pereżempju, fl-endosimbjotiku tal-afidi Buchnera aphidicola, il-molekuli tal-rRNA u tat-tRNA ntwerew li għandhom strutturi sensittivi għat-temperatura minħabba l-preġudizzju tal-kompożizzjoni A+T u proporzjon għoli ta' pari ta' bażijiet mhux kanoniċi20,50. Dawn il-bidliet fl-RNA, kif ukoll bidliet fil-molekuli tal-proteini, issa huma maħsuba li huma responsabbli għad-dipendenza żejda tal-endosimbjonti fuq l-imsieħba u l-inkapaċità tal-endosimbjonti li jittrasferixxu s-sħana21, 23. Għalkemm il-mikrosporidija parassitika tal-rRNA għandha bidliet strutturalment distinti, in-natura ta' dawn il-bidliet tissuġġerixxi li stabbiltà termali mnaqqsa u dipendenza ogħla fuq proteini chaperone jistgħu jkunu karatteristiċi komuni tal-molekuli tal-RNA f'organiżmi b'ġenomi mnaqqsa.
Min-naħa l-oħra, l-istrutturi tagħna juru li l-mikrosporidja tal-parassiti evolviet kapaċità unika li tirreżisti frammenti ta' rRNA u proteini kkonservati b'mod wiesa', u żviluppat il-kapaċità li tuża metaboliti żgħar abbundanti u faċilment disponibbli bħala imitazzjonijiet strutturali ta' rRNA u frammenti ta' proteini deġenerati. Degradazzjoni tal-istruttura molekulari. Din l-opinjoni hija appoġġjata mill-fatt li molekuli żgħar li jikkumpensaw għat-telf ta' frammenti ta' proteini fl-rRNA u r-ribosomi ta' E. cuniculi jorbtu ma' residwi speċifiċi għall-mikrosporidja fil-proteini uL15 u eL30. Dan jissuġġerixxi li l-irbit ta' molekuli żgħar mar-ribosomi jista' jkun prodott ta' selezzjoni pożittiva, fejn mutazzjonijiet speċifiċi għall-Mikrosporidja fil-proteini ribosomali ntgħażlu għall-kapaċità tagħhom li jżidu l-affinità tar-ribosomi għal molekuli żgħar, li jista' jwassal għal organiżmi ribosomali aktar effiċjenti. L-iskoperta tiżvela innovazzjoni intelliġenti fl-istruttura molekulari tal-parassiti mikrobjali u tagħtina fehim aħjar ta' kif l-istrutturi molekulari tal-parassiti jżommu l-funzjoni tagħhom minkejja l-evoluzzjoni riduttiva.
Fil-preżent, l-identifikazzjoni ta' dawn il-molekuli żgħar tibqa' mhux ċara. Mhuwiex ċar għaliex id-dehra ta' dawn il-molekuli żgħar fl-istruttura ribosomali tvarja bejn l-ispeċi ta' mikrosporidija. B'mod partikolari, mhux ċar għaliex l-irbit tan-nukleotidi huwa osservat fir-ribosomi ta' E. cuniculi u P. locustae, u mhux fir-ribosomi ta' V. necatrix, minkejja l-preżenza tar-residwu F170 fil-proteini eL20 u K172 ta' V. necatrix. Din it-tħassir tista' tkun ikkawżata mir-residwu 43 uL6 (li jinsab biswit il-but tal-irbit tan-nukleotidi), li huwa tyrosine f'V. necatrix u mhux threonine f'E. cuniculi u P. locustae. Il-katina tal-ġenb aromatika goffa ta' Tyr43 tista' tinterferixxi mal-irbit tan-nukleotidi minħabba s-sovrappożizzjoni sterika. Alternattivament, it-tħassir apparenti tan-nukleotidi jista' jkun dovut għar-riżoluzzjoni baxxa tal-immaġini cryo-EM, li xxekkel il-mudellar tal-frammenti ribosomali ta' V. necatrix.
Min-naħa l-oħra, ix-xogħol tagħna jissuġġerixxi li l-proċess tat-tħassir tal-ġenoma jista' jkun forza inventiva. B'mod partikolari, l-istruttura tar-ribosoma tal-E. cuniculi tissuġġerixxi li t-telf ta' rRNA u frammenti ta' proteini fir-ribosoma tal-mikrosporidija joħloq pressjoni evoluzzjonarja li tippromwovi bidliet fl-istruttura tar-ribosoma. Dawn il-varjanti jseħħu 'l bogħod mis-sit attiv tar-ribosoma u jidhru li jgħinu biex iżommu (jew jirrestawraw) l-assemblaġġ ottimali tar-ribosoma li altrimenti jiġi mfixkel minn rRNA mnaqqas. Dan jissuġġerixxi li innovazzjoni ewlenija tar-ribosoma tal-mikrosporidija tidher li evolviet fil-ħtieġa li ttaffi d-drift tal-ġeni.
Forsi dan huwa illustrat l-aħjar permezz tal-irbit tan-nukleotidi, li qatt ma ġie osservat f'organiżmi oħra s'issa. Il-fatt li r-residwi tal-irbit tan-nukleotidi huma preżenti f'mikrosporidija tipiċi, iżda mhux f'ewkarjoti oħra, jissuġġerixxi li s-siti tal-irbit tan-nukleotidi mhumiex biss fdalijiet li qed jistennew li jisparixxu, jew is-sit finali biex l-rRNA jiġi restawrat għall-forma ta' nukleotidi individwali. Minflok, dan is-sit jidher bħala karatteristika utli li setgħet evolviet fuq diversi rawnds ta' selezzjoni pożittiva. Is-siti tal-irbit tan-nukleotidi jistgħu jkunu prodott sekondarju tas-selezzjoni naturali: ladarba l-ES39L jiġi degradat, il-mikrosporidija hija sfurzata tfittex kumpens biex tirrestawra l-bijoġenesi ottimali tar-ribosomi fin-nuqqas ta' ES39L. Peress li dan in-nukleotidi jista' jimita l-kuntatti molekulari tan-nukleotidi A3186 fl-ES39L, il-molekula tan-nukleotidi ssir blokka tal-bini tar-ribosomi, li l-irbit tagħha jitjieb aktar permezz tal-mutazzjoni tas-sekwenza eL30.
Fir-rigward tal-evoluzzjoni molekulari tal-parassiti intraċellulari, l-istudju tagħna juri li l-forzi tas-selezzjoni naturali Darwinjana u d-drift ġenetiku tat-tħassir tal-ġenoma ma joperawx b'mod parallel, iżda joxxillaw. L-ewwelnett, id-drift ġenetiku jelimina karatteristiċi importanti tal-bijomolekuli, u b'hekk il-kumpens huwa meħtieġ ħafna. Huwa biss meta l-parassiti jissodisfaw din il-ħtieġa permezz tas-selezzjoni naturali Darwinjana li l-makromolekuli tagħhom ikollhom iċ-ċans li jiżviluppaw l-aktar karatteristiċi impressjonanti u innovattivi tagħhom. Importanti, l-evoluzzjoni tas-siti ta' rbit tan-nukleotidi fir-ribosoma ta' E. cuniculi tissuġġerixxi li dan il-mudell ta' telf għal qligħ tal-evoluzzjoni molekulari mhux biss jammortizza mutazzjonijiet detrimentali, iżda xi kultant jagħti funzjonijiet kompletament ġodda lill-makromolekuli parassitiċi.
Din l-idea hija konsistenti mat-teorija tal-ekwilibriju li jiċċaqlaq ta' Sewell Wright, li tiddikjara li sistema stretta ta' selezzjoni naturali tillimita l-abbiltà tal-organiżmi li jinnovaw51,52,53. Madankollu, jekk id-drift ġenetiku jfixkel is-selezzjoni naturali, dawn id-drifts jistgħu jipproduċu bidliet li fihom infushom mhumiex adattivi (jew saħansitra detrimentali) iżda jwasslu għal aktar bidliet li jipprovdu saħħa ogħla jew attività bijoloġika ġdida. Il-qafas tagħna jappoġġja din l-idea billi juri li l-istess tip ta' mutazzjoni li tnaqqas it-tinja u l-funzjoni ta' bijomolekula tidher li hija l-ispinta ewlenija għat-titjib tagħha. F'konformità mal-mudell evoluzzjonarju fejn kulħadd jirbaħ, l-istudju tagħna juri li t-tħassir tal-ġenoma, tradizzjonalment meqjus bħala proċess deġenerattiv, huwa wkoll mutur ewlieni tal-innovazzjoni, xi kultant u forsi anke ta' spiss jippermetti lill-makromolekuli jakkwistaw attivitajiet parassitiċi ġodda. jistgħu jużawhom.