Grazzi talli żort Nature.com.Il-verżjoni tal-browser li qed tuża għandha appoġġ limitat għal CSS.Għall-aħjar esperjenza, nirrakkomandaw li tuża browser aġġornat (jew tiddiżattiva l-Modalità ta' Kompatibbiltà fl-Internet Explorer).Sadanittant, biex niżguraw appoġġ kontinwu, aħna se nirrendu s-sit mingħajr stili u JavaScript.
L-evoluzzjoni tal-parassiti mikrobjali tinvolvi kontroazzjoni bejn l-għażla naturali, li tikkawża li l-parassiti jitjiebu, u drift ġenetiku, li jikkawża li l-parassiti jitilfu l-ġeni u jakkumulaw mutazzjonijiet ta 'ħsara.Hawnhekk, sabiex nifhmu kif din il-kontroazzjoni 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 ta 'rRNA fir-ribosomi ta' E. cuniculi huwa akkumpanjat minn bidliet strutturali mingħajr preċedent, bħall-evoluzzjoni ta 'linkers ta' rRNA fused u rRNA mingħajr nefħa mhux magħrufa qabel.Barra minn hekk, ir-ribosoma ta 'E. cuniculi baqa' ħaj mit-telf ta 'frammenti u proteini ta' rRNA billi żviluppa l-abbiltà li juża molekuli żgħar bħala mimiċi strutturali ta 'frammenti u proteini ta' rRNA degradati.B'mod ġenerali, nuru li l-istrutturi molekulari li ilhom maħsuba li jitnaqqsu, jiddeġeneraw u suġġetti għal mutazzjonijiet debilitanti għandhom numru ta 'mekkaniżmi ta' kumpens li jżommuhom attivi minkejja kontrazzjonijiet molekulari estremi.
Minħabba li l-biċċa l-kbira tal-gruppi ta 'parassiti mikrobjali għandhom għodod molekulari uniċi biex jisfruttaw l-ospiti tagħhom, ħafna drabi għandna niżviluppaw terapewtiċi 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, li tindika 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 decay tal-ġenoma10,11,12,13.Ir-riċerka attwali turi li meta l-mikro-organiżmi jċedu l-istil ta’ ħajja ħielsa tagħhom u jsiru parassiti intraċellulari (jew endosymbionts), il-ġenomi tagħhom jgħaddu minn metamorfosi bil-mod iżda tal-għaġeb fuq miljuni ta’ snin9,11.Fi proċess magħruf bħala tħassir tal-ġenoma, il-parassiti mikrobjali jakkumulaw mutazzjonijiet ta 'ħsara li jibdlu ħafna ġeni li qabel kienu importanti fi pseudoġeni, 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 li jgħixu ħielsa relatati mill-qrib.Għalhekk, l-evoluzzjoni tal-parassiti intraċellulari hija tug-of-war bejn żewġ forzi opposti: għażla naturali Darwinjana, li twassal għat-titjib tal-parassiti, u l-kollass tal-ġenoma, li jitfa 'parassiti fl oblivion.Kif il-parassita rnexxielu joħroġ minn dan it-tug-of-war u jżomm l-attività tal-istruttura molekulari tiegħu għadu mhux ċar.
Għalkemm il-mekkaniżmu tat-tħassir tal-ġenoma mhuwiex mifhum bis-sħiħ, jidher li jseħħ prinċipalment minħabba drift ġenetiku frekwenti.Minħabba li l-parassiti jgħixu f'popolazzjonijiet żgħar, asesswali u ġenetikament limitati, ma jistgħux jeliminaw b'mod effettiv mutazzjonijiet ta 'ħsara li 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-inabbiltà tal-popolazzjonijiet tal-parassiti li jeliminaw b'mod effettiv mutazzjonijiet ta 'ħsara sporadiċi li tikkawża li dawn il-mutazzjonijiet jakkumulaw fil-ġenoma kollu, inklużi l-aktar ġeni importanti tagħhom.
Ħafna mill-fehim attwali tagħna tat-tnaqqis tal-ġenoma huwa bbażat biss fuq paraguni ta 'sekwenzi tal-ġenoma, b'inqas attenzjoni għal bidliet fil-molekuli attwali li jwettqu funzjonijiet ta' manutenzjoni u jservu bħala miri potenzjali tad-droga.Studji komparattivi wrew li l-piż ta 'mutazzjonijiet mikrobjali intraċellulari ta' ħsara jidher li jippredisponi proteini u aċidi nuklejċi biex jintwew ħażin u jaggregaw, u jagħmluhom aktar dipendenti fuq il-chaperone u ipersensittivi għas-sħana19,20,21,22,23.Barra minn hekk, parassiti varji—evoluzzjoni indipendenti kultant separata b'kemm 2.5 biljun sena—esperjenzaw telf simili ta 'ċentri ta' kontroll tal-kwalità fis-sintesi tal-proteini tagħhom5,6 u l-mekkaniżmi ta 'tiswija tad-DNA24.Madankollu, ftit 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 ta 'ħsara.
F'dan ix-xogħol, sabiex nifhmu aħjar l-evoluzzjoni tal-proteini u l-aċidi nuklejċi ta 'mikro-organiżmi intraċellulari, iddeterminajna l-istruttura tar-ribosomi tal-parassita intraċellulari Encephalitozoon cuniculi.E. cuniculi huwa organiżmu simili għal fungus li jappartjeni għal grupp ta 'mikrosporidia parassiti 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-ribosoma cryo-EM ġiet iddeterminata għal ġenomi mnaqqsa moderatament ta 'Microsporidia, Paranosema locustae, u Vairimorpha necatrix31,32 (~ 3.2 Mb ġenoma).Dawn l-istrutturi jissuġġerixxu li xi telf ta 'amplifikazzjoni ta' rRNA huwa kkumpensat bl-iżvilupp ta 'kuntatti ġodda bejn proteini ribożomi ġirien jew l-akkwist ta' proteini ribosomali ġodda msL131,32.Speċi Encephalitozoon (ġenoma ~ 2.5 miljun bp), flimkien ma 'l-eqreb qarib tagħhom Ordospora, juru l-grad aħħari ta' tnaqqis tal-ġenoma fl-ewkarjoti - għandhom inqas minn 2000 ġene li jikkodifika l-proteini, u huwa mistenni li r-ribosomi tagħhom mhumiex biss nieqsa minn frammenti ta 'espansjoni rRNA (rRNA frammenti eukaryomali) għandhom ukoll erba' frammenti ta' espansjoni tal-rRNA (rRNA frammenti eukaryomali) li jiddistingwu wkoll erba 'frammenti ribosomerib eukaryomali. s minħabba n-nuqqas tagħhom ta 'omologi fil-E. cuniculi genome26,27,28.Għalhekk, aħna kkonkludejna li r-ribosoma E. cuniculi jista 'jiżvela strateġiji mhux magħrufa qabel għall-adattament molekulari għat-tħassir tal-ġenoma.
L-istruttura krijo-EM tagħna tirrappreżenta l-iżgħar ribosoma ċitoplasmiku ewkarjotiku li għandu jiġi kkaratterizzat 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 jikser ħafna mill-prinċipji kkonservati ħafna tat-tiwi tal-RNA u l-assemblaġġ tar-ribosomi, u skoprejna proteina ribosomali ġdida, mhux magħrufa qabel.Pjuttost mhux mistenni, nuru li r-ribosomi tal-microsporidia evolvew l-abbiltà li jorbtu molekuli żgħar, u ipoteżi li t-truncations fl-rRNA u l-proteini jikkawżaw innovazzjonijiet evoluzzjonarji li fl-aħħar mill-aħħar jistgħu jagħtu kwalitajiet utli lir-ribosoma.
Biex intejbu l-fehim tagħna tal-evoluzzjoni tal-proteini u l-aċidi nuklejċi f'organiżmi intraċellulari, iddeċidejna li niżolaw l-ispori ta 'E. cuniculi minn kulturi ta' ċelluli mammiferi infettati sabiex nippurifikaw ir-ribosomi tagħhom u niddeterminaw l-istruttura ta 'dawn ir-ribosomi.Huwa diffiċli li tikseb numru kbir ta 'mikrosporidia parassiti minħabba li l-mikrosporidia ma jistgħux jiġu kkultivati ​​f'medju nutrijent.Minflok, jikbru u jirriproduċu biss ġewwa ċ-ċellula ospitanti.Għalhekk, biex tikseb il-bijomassa ta 'E. cuniculi għall-purifikazzjoni tar-ribosomi, aħna infettajna l-linja taċ-ċelluli tal-kliewi tal-mammiferi RK13 bi spori ta' E. cuniculi u kkultivajna dawn iċ-ċelloli infettati għal diversi ġimgħat biex inħallu E. cuniculi tikber u timmultiplika.Bl-użu ta 'monosaff taċ-ċelluli infettati ta' madwar nofs metru kwadru, stajna nippurifikaw madwar 300 mg ta 'spori ta' Microsporidia u nużawhom biex niżolaw ir-ribosomi.Aħna mbagħad imfixkla l-ispori purifikati bi żibeġ tal-ħġieġ u iżolajna r-ribosomi mhux raffinati bl-użu ta 'frazzjonament ta' polyethylene glycol tal-lysates.Dan ippermettilna niksbu madwar 300 µg ta' ribosomi E. cuniculi mhux ipproċessati għall-analiżi strutturali.
Imbagħad ġbarna immaġini krijo-EM bl-użu tal-kampjuni tar-ribosomi li rriżultaw u pproċessajna dawn l-immaġini bl-użu ta 'maskri li jikkorrispondu mas-subunità ribosomali kbira, ras subunità żgħira, u subunità żgħira.Matul dan il-proċess, ġbarna immaġini ta 'madwar 108,000 partiċelli ribosomali u immaġini krijo-EM ikkalkulati b'riżoluzzjoni ta' 2.7 Å (Figuri Supplimentari 1-3).Imbagħad użajna immaġini cryoEM biex timmudella rRNA, proteina ribosomali u fattur ta 'ibernazzjoni Mdf1 assoċjat ma' ribosomi E. cuniculi (Fig. 1a, b).
a Struttura tar-ribosoma 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.c Mappa ta' l-istruttura sekondarja li tqabbel l-rRNA rkuprat fi speċi Microsporidian ma' strutturi ribosomali magħrufa.Il-pannelli juru l-post tal-frammenti tal-rRNA amplifikati (ES) u s-siti attivi tar-ribosomi, inkluż is-sit tad-dekodifikazzjoni (DC), il-linja ta ' sarcinicin (SRL), u ċ-ċentru tal-peptidyl transferase (PTC).d Id-densità tal-elettroni li tikkorrispondi għaċ-ċentru tal-peptidyl transferase tar-ribosoma 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 ta 'l-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 għal dan is-sit attiv.
B'kuntrast ma 'l-istrutturi stabbiliti qabel tar-ribosomi V. necatrix u P. locustae (iż-żewġ strutturi jirrappreżentaw l-istess familja ta' microsporidia Nosematidae u huma simili ħafna għal xulxin), 31,32 E. cuniculi ribosomi jgħaddu minn proċessi numerużi ta 'rRNA u frammentazzjoni tal-proteini.Aktar denaturazzjoni (Figuri Supplimentari 4-6).Fl-rRNA, il-bidliet l-aktar impressjonanti inkludew telf sħiħ tal-framment ES12L tal-rRNA 25S amplifikat u deġenerazzjoni parzjali ta 'helizes h39, h41, u H18 (Fig. 1c, Fig. 4 Supplimentari).Fost il-proteini ribosomali, l-aktar bidliet impressjonanti inkludew telf sħiħ 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 ribosomi tagħhom: E. cuniculi ribosomi jesperjenzaw l-aktar telf drammatiku ta 'kontenut ta' proteina f'ribosomi ċitoplasmiċi ewkarjotiċi soġġetti għal karatterizzazzjoni strutturali, u lanqas biss għandhom dawk l-rRNA u l-frammenti tal-proteini mhux biss, iżda wkoll fil-qasam tal-eukaryo kkonservati ħafna.L-istruttura tar-ribosoma E. cuniculi tipprovdi l-ewwel mudell molekulari għal dawn il-bidliet u tiżvela avvenimenti evoluzzjonarji li ġew injorati kemm mill-ġenomika komparattiva kif ukoll mill-istudji tal-istruttura bijomolekulari intraċellulari (Fig. 7 Supplimentari).Hawn taħt, niddeskrivu kull wieħed minn dawn l-avvenimenti flimkien mal-oriġini evoluzzjonarja probabbli tagħhom u l-impatt potenzjali tagħhom fuq il-funzjoni tar-ribosoma.
Imbagħad sibna li, minbarra t-trunkazzjonijiet kbar ta 'rRNA, ir-ribosomi ta' E. cuniculi għandhom varjazzjonijiet ta 'rRNA f'wieħed mis-siti attivi tagħhom.Għalkemm iċ-ċentru tal-peptidyl transferase tar-ribosoma E. cuniculi għandu l-istess struttura bħal ribosomi ewkarjotiċi oħra (Fig. 1d), iċ-ċentru ta 'dekodifikazzjoni huwa differenti minħabba varjazzjoni tas-sekwenza fin-nukleotide 1491 (numerazzjoni E. coli, Fig. 1e, f).Din l-osservazzjoni hija importanti minħabba li s-sit tad-dekodifikazzjoni ta 'ribosomi ewkarjotiċi tipikament fih residwi G1408 u A1491 meta mqabbla ma' residwi tat-tip batterjali A1408 u G1491.Din il-varjazzjoni hija l-bażi tas-sensittività differenti tar-ribosomi batterjali u ewkarjotiċi għall-familja aminoglycoside ta 'antibijotiċi ribosomi u molekuli żgħar oħra li jimmiraw is-sit ta' dekodifikazzjoni.Fis-sit tad-dekodifikazzjoni tar-ribosoma E. cuniculi, ir-residwu A1491 ġie sostitwit b'U1491, potenzjalment joħloq interface ta 'irbit uniku għal molekuli żgħar li jimmiraw dan is-sit attiv.L-istess varjant A14901 huwa preżenti wkoll f'microsporidia oħra bħal P. locustae u V. necatrix, li jissuġġerixxi li huwa mifrux fost l-ispeċi tal-microsporidia (Fig. 1f).
Minħabba li l-kampjuni tar-ribosomi ta 'E. cuniculi tagħna kienu iżolati minn spori metabolikament inattivi, aħna ttestjajna l-mappa cryo-EM ta' E. cuniculi għall-irbit tar-ribosomi deskritti qabel taħt kundizzjonijiet ta 'stress jew ġuħ.Fatturi ta 'ibernazzjoni 31,32,36,37, 38. Qabbilna l-istruttura stabbilita qabel tar-ribosoma hibernating mal-mappa cryo-EM tar-ribosoma E. cuniculi.Għall-docking, ir-ribosomi ta 'S. cerevisiae intużaw f'kumplessi mal-fattur ta' ibernazzjoni Stm138, ribosomi tal-ħarrub f'kumplessi mal-fattur Lso232, u ribosomi V. necatrix f'kumplessi b'fatturi Mdf1 u Mdf231.Fl-istess ħin, sibna d-densità cryo-EM li tikkorrispondi għall-fattur ta 'mistrieħ Mdf1.Simili għal Mdf1 li jorbot mar-ribosoma V. necatrix, Mdf1 jeħel ukoll mar-ribosoma E. cuniculi, fejn jimblokka s-sit E tar-ribosoma, possibbilment jgħin biex ir-ribosomi jkunu disponibbli meta l-ispori tal-parassiti jsiru metabolikament inattivi mal-inattivazzjoni tal-ġisem (Figura 2).).
Mdf1 jimblokka s-sit E tar-ribosoma, li jidher li jgħin biex jinattiva r-ribosoma meta l-ispori tal-parassiti jsiru metabolikament inattivi.Fl-istruttura tar-ribosoma E. cuniculi, sibna li Mdf1 jifforma kuntatt preċedentement mhux magħruf maz-zokk tar-ribosoma L1, il-parti tar-ribosoma li tiffaċilita r-rilaxx ta 'tRNA deacylate mir-ribosoma matul is-sintesi tal-proteini.Dawn il-kuntatti jissuġġerixxu li Mdf1 jiddissoċja mir-ribosoma billi juża l-istess mekkaniżmu bħat-tRNA deacetylated, li jipprovdi spjegazzjoni possibbli għal kif ir-ribosoma jneħħi Mdf1 biex jattiva mill-ġdid is-sintesi tal-proteini.
Madankollu, l-istruttura tagħna żvelat kuntatt mhux magħruf bejn Mdf1 u s-sieq tar-ribosoma L1 (il-parti tar-ribosoma li tgħin biex tirrilaxxa tRNA deacylate mir-ribosoma waqt is-sintesi tal-proteini).B'mod partikolari, Mdf1 juża l-istess kuntatti bħas-segment tal-minkeb tal-molekula tRNA deacylate (Fig. 2).Dan l-immudellar molekulari mhux magħruf qabel wera li Mdf1 jiddissoċja mir-ribosoma billi juża l-istess mekkaniżmu bħat-tRNA deacetylated, li jispjega kif ir-ribosoma jneħħi dan il-fattur ta 'ibernazzjoni biex jattiva mill-ġdid is-sintesi tal-proteini.
Meta nibnu l-mudell tal-rRNA, sibna li r-ribosoma ta 'E. cuniculi għandu frammenti ta' rRNA mitwija b'mod anormali, li sejjaħna rRNA fused (Fig. 3).Fir-ribosomi li jkopru t-tliet oqsma tal-ħajja, l-rRNA jingħalaq fi strutturi li fihom il-biċċa l-kbira tal-rRNA jibbażaw jew bażi par u jintewa ma 'xulxin jew jinteraġixxu ma' proteini ribożomi38,39,40.Madankollu, fir-ribosomi ta 'E. cuniculi, l-rRNAs jidhru li jiksru dan il-prinċipju tat-tiwi billi jikkonvertu xi wħud mill-helizes tagħhom f'reġjuni ta' rRNA mhux mitwija.
Struttura tal-helix rRNA H18 25S f'S. cerevisiae, V. necatrix, u E. cuniculi.Tipikament, fir-ribosomi li jkopru t-tliet oqsma tal-ħajja, dan il-linker jinġieb f'helix RNA li fiha 24 sa 34 residwi.Fil-Microsporidia, b'kuntrast, dan il-linker rRNA huwa gradwalment imnaqqas għal żewġ linkers rikki fl-uridina single-stranded li fihom biss 12-il residwu.Ħafna minn dawn ir-residwi huma esposti għal solventi.Iċ-ċifra turi li l-mikrosporidia parassita tidher li tikser il-prinċipji ġenerali tat-tiwi tal-rRNA, fejn il-bażijiet tal-rRNA huma ġeneralment akkoppjati ma 'bażijiet oħra jew involuti f'interazzjonijiet rRNA-proteini.Fil-microsporidia, xi frammenti ta 'rRNA jieħdu tinja mhux favorevoli, li fiha l-helix ta' l-rRNA ta 'qabel issir framment ta' linja waħda tawwalija kważi f'linja dritta.Il-preżenza ta 'dawn ir-reġjuni mhux tas-soltu tippermetti lill-microsporidia rRNA jorbot frammenti ta' rRNA imbiegħda bl-użu ta 'numru minimu ta' bażijiet RNA.
L-aktar eżempju impressjonanti ta 'din it-tranżizzjoni evoluzzjonarja jista' jiġi osservat fil-helix rRNA H18 25S (Fig. 3).Fi speċi minn E. coli sal-bnedmin, il-bażijiet ta 'din il-helix rRNA fihom 24-32 nukleotide, li jiffurmaw helix kemmxejn irregolari.Fi strutturi ribosomali identifikati preċedentement minn V. necatrix u P. locustae,31,32 il-bażijiet tal-helix H18 huma parzjalment mhux coiled, iżda l-parir tal-bażi tan-nukleotidi huwa ppreservat.Madankollu, f'E. cuniculi dan il-framment tal-rRNA isir l-iqsar linkers 228UUUUUU232 u 301UUUUUUUU307.B'differenza mill-frammenti tipiċi ta 'rRNA, dawn il-linkers rikki fl-uridina ma jġorrux jew jagħmlu kuntatt estensiv ma' proteini ribosomali.Minflok, jadottaw strutturi miftuħa bis-solvent u kompletament mhux mitwija li fihom il-fergħat tal-rRNA huma estiżi kważi dritti.Din il-konformazzjoni mġebbda tispjega kif E. cuniculi juża biss 12-il bażi ta 'RNA biex jimla l-vojt ta' 33 Å bejn il-helizes rRNA H16 u H18, filwaqt li speċi oħra jeħtieġu mill-inqas id-doppju ta 'bażijiet rRNA biex jimlew il-vojt.
Għalhekk, nistgħu nuru li, permezz ta 'tiwi enerġetikament sfavorevoli, microsporidia parassiti żviluppaw strateġija biex jikkuntrattaw anki dawk is-segmenti rRNA li jibqgħu ġeneralment konservati madwar l-ispeċi fit-tliet oqsma tal-ħajja.Apparentement, billi jakkumulaw mutazzjonijiet li jittrasformaw il-helizes tal-rRNA f'linkers poly-U qosra, E. cuniculi jista' jifforma frammenti tal-rRNA mhux tas-soltu li jkun fihom l-inqas nukleotidi possibbli għal ligazzjoni ta' frammenti tal-rRNA distali.Dan jgħin biex jispjega kif il-microsporidia kisbu tnaqqis drammatiku fl-istruttura molekulari bażika tagħhom mingħajr ma tilfu l-integrità strutturali u funzjonali tagħhom.
Karatteristika oħra mhux tas-soltu ta 'l-rRNA ta' E. cuniculi hija d-dehra ta 'rRNA mingħajr tħaxxin (Fig. 4).Il-bulges huma nukleotidi mingħajr pari bażi li jduru 'l barra mill-helix RNA minflok jinħbew fiha.Il-biċċa l-kbira tal-protrużjonijiet tal-rRNA jaġixxu bħala adeżivi molekulari, li jgħinu biex jgħaqqdu proteini ribosomali maġenb jew frammenti oħra tal-rRNA.Uħud mill-bulges jaġixxu bħala ċappetti, li jippermettu li l-helix rRNA titgħawweġ u tintewa bl-aħjar mod għal sinteżi ta 'proteina produttiva 41 .
a Sporġenza ta' rRNA (numerazzjoni ta' S. cerevisiae) hija nieqsa mill-istruttura tar-ribosomi ta' E. cuniculi, iżda preżenti f'ħafna ewkarjoti oħra b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens, u E. cuniculi ribosomi interni.parassiti jonqoshom ħafna mill-nefħa tal-rRNA tal-qedem, konservati ħafna.Dawn it-tħaxxin jistabbilizzaw l-istruttura tar-ribosoma;għalhekk, in-nuqqas tagħhom fil-microsporidia tindika stabbiltà mnaqqsa tat-tiwi tal-rRNA fil-parassiti tal-microsporidia.Tqabbil ma 'zkuk P (zkuk L7/L12 fil-batterji) juri li t-telf ta' ħotob ta 'rRNA kultant jikkoinċidi mad-dehra ta' ħotob ġodda ħdejn il-ħotob mitlufa.Il-helix H42 fl-rRNA 23S/28S għandha nefħa antika (U1206 f'Saccharomyces cerevisiae) stmata li għandha mill-inqas 3.5 biljun sena minħabba l-protezzjoni tagħha fi tliet oqsma tal-ħajja.Fil-microsporidia, dan il-bulge jiġi eliminat.Madankollu, deher nefħa ġdida ħdejn in-nefħa mitlufa (A1306 f'E. cuniculi).
B'mod impressjonanti, sibna li r-ribosomi ta 'E. cuniculi m'għandhomx il-biċċa l-kbira ta' l-rRNA bulges misjuba fi speċi oħra, inklużi aktar minn 30 bulges konservati f'ewkarjoti oħra (Fig. 4a).Dan it-telf jelimina ħafna kuntatti bejn subunitajiet ribosomali u helizes rRNA maġenb, xi drabi joħolqu vojt kbar vojta fi ħdan ir-ribosoma, u jagħmlu r-ribosoma E. cuniculi aktar poruż meta mqabbel ma 'ribosomi aktar tradizzjonali (Fig. 4b).Notevolment, sibna li l-biċċa l-kbira ta 'dawn il-bulges intilfu wkoll fl-istrutturi tar-ribosomi V. necatrix u P. locustae identifikati qabel, li ġew injorati minn analiżi strutturali preċedenti31,32.
Xi drabi t-telf ta 'nfieħ rRNA huwa akkumpanjat mill-iżvilupp ta' nefħa ġodda ħdejn il-nefħa mitlufa.Pereżempju, iz-zokk P ribosomali fih nefħa U1208 (f'Saccharomyces cerevisiae) li baqgħu ħajjin minn E. coli għall-bnedmin u għalhekk huwa stmat li għandu 3.5 biljun sena.Waqt is-sinteżi tal-proteini, dan il-bulge jgħin liz-zokk P jiċċaqlaq bejn konformazzjonijiet miftuħa u magħluqa sabiex ir-ribosoma jkun jista’ jirrekluta fatturi ta’ traduzzjoni u jwassalhom fis-sit attiv.Fir-ribosomi E. cuniculi, dan it-tħaxxin huwa assenti;madankollu, tħaxxin ġdid (G883) li jinsab biss fi tliet pari bażi jista 'jikkontribwixxi għar-restawr tal-flessibilità ottimali taż-zokk P (Fig. 4c).
Id-dejta tagħna dwar l-rRNA mingħajr nefħa tissuġġerixxi li l-minimizzazzjoni tal-rRNA mhix 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-parassiti li ma ġiex deskritt f'ċelloli li jgħixu ħielsa.speċi ħajjin huma osservati.
Wara l-immudellar ta 'proteini ribosomali kanoniċi u 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. 8 Supplimentari).L-ewwel segment huwa mdawwar bejn il-proteini ribosomali uL15 u eL18 f'pożizzjoni normalment okkupata mis-C-terminal ta 'eL18, li hija mqassra f'E. cuniculi.Għalkemm ma nistgħux niddeterminaw l-identità ta 'din il-molekula, id-daqs u l-għamla ta' din il-gżira ta 'densità hija spjegata tajjeb mill-preżenza ta' molekuli ta 'spermidine.It-twaħħil tiegħu mar-ribosoma huwa stabbilizzat minn mutazzjonijiet speċifiċi għall-mikrosporidia fil-proteini uL15 (Asp51 u Arg56), li jidhru li jżidu l-affinità tar-ribosoma għal din il-molekula żgħira, peress li jippermettu uL15 biex ikebbeb il-molekula żgħira fi struttura ribosomali.Figura Supplimentari 2).8, data addizzjonali 1, 2).
Immaġini krijo-EM li juru l-preżenza ta 'nukleotidi barra r-ribose marbuta mar-ribosoma E. cuniculi.Fir-ribosoma E. cuniculi, dan in-nukleotide jokkupa l-istess post tan-nukleotide 25S rRNA A3186 (numerazzjoni Saccharomyces cerevisiae) fil-biċċa l-kbira tar-ribosomi ewkarjotiċi 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.Analiżi ta 'konservazzjoni ta' sekwenza cd eL20 fost speċi ta 'microsporidia.Is-siġra filoġenetika tal-ispeċi Microsporidia (c) u l-allinjament tas-sekwenza multipla tal-proteina eL20 (d) juru li r-residwi li jgħaqqdu nukleotidi F170 u K172 huma kkonservati fil-biċċa l-kbira tal-Microsporidia tipiċi, bl-eċċezzjoni ta 'S. lophii, bl-eċċezzjoni ta' fergħat bikrija tal-Microsporidia, li żammew l-estensjoni ES39L.e Din il-figura turi li r-residwi li jorbtu nukleotidi F170 u K172 huma preżenti biss f'eL20 tal-ġenoma tal-microsporidia mnaqqas ħafna, iżda mhux f'ewkarjoti oħra.B'mod ġenerali, din id-dejta tissuġġerixxi li r-ribosomi Microsporidian żviluppaw sit li jgħaqqad nukleotidi li jidher li jorbot molekuli AMP u jużahom biex jistabbilizza l-interazzjonijiet proteina-proteina fl-istruttura ribosomali.Il-konservazzjoni għolja ta 'dan is-sit ta' rbit f'Microsporidia u n-nuqqas tiegħu f'ewkarjoti oħra jissuġġerixxi li dan is-sit jista 'jipprovdi vantaġġ selettiv ta' sopravivenza għal Microsporidia.Għalhekk, il-but li jgħaqqad in-nukleotidi fir-ribosoma tal-microsporidia 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-microsporidia jorbot direttament molekuli żgħar, billi jużahom bħala blokki tal-bini molekulari.blokki tal-bini għar-ribosomi.Din l-iskoperta tagħmel ir-ribosoma tal-microsporidia l-uniku ribosoma magħruf li juża nukleotide wieħed bħala l-blokka strutturali tiegħu.f Mogħdija evoluzzjonarja ipotetika derivata mill-irbit tan-nukleotidi.
It-tieni densità ta 'piż molekulari baxx tinsab fl-interface bejn il-proteini ribosomal uL9 u eL30 (Fig. 5a).Din l-interface kienet deskritta qabel fl-istruttura tar-ribosoma Saccharomyces cerevisiae bħala sit ta 'rbit għan-nukleotide 25S ta' rRNA A3186 (parti mill-estensjoni ES39L rRNA)38.Intwera li f'ribosomi ES39L deġenerati P. locustae, din l-interface torbot nukleotide wieħed mhux magħruf 31, u huwa preżunt li dan in-nukleotide huwa forma finali mnaqqsa ta 'rRNA, li fiha t-tul ta' rRNA huwa ~ 130-230 bażi.ES39L huwa mnaqqas għal nukleotide wieħed 32.43.L-immaġini krijo-EM tagħna jappoġġjaw l-idea li d-densità tista 'tiġi spjegata minn nukleotidi.Madankollu, ir-riżoluzzjoni ogħla tal-istruttura tagħna wriet li dan in-nukleotide huwa molekula extraribosomal, possibbilment AMP (Fig. 5a, b).
Imbagħad staqsejna jekk is-sit ta 'l-irbit tan-nukleotide deherx fir-ribosoma ta' E. cuniculi jew jekk kienx jeżisti qabel.Peress li l-irbit tan-nukleotidi huwa prinċipalment medjat mir-residwi Phe170 u Lys172 fil-proteina ribosomali eL30, aħna vvalutajna l-konservazzjoni ta 'dawn ir-residwi f'4396 ewkarjota rappreżentattiva.Bħal fil-każ ta 'uL15 ta' hawn fuq, sibna li r-residwi Phe170 u Lys172 huma kkonservati ħafna biss f'Microsporidia tipiċi, iżda assenti f'ewkarjoti oħra, inklużi Microsporidia Mitosporidium u Amphiamblys atipiċi, li fihom il-framment ES39L rRNA ma jitnaqqasx 44, 4.6 Fig.-e).
Meħuda flimkien, din id-dejta tappoġġja l-idea li E. cuniculi u possibilment mikrosporidia kanoniċi oħra evolvew il-kapaċità li jaqbdu b'mod effiċjenti numri kbar ta 'metaboliti żgħar fl-istruttura tar-ribosomi biex jikkumpensaw għat-tnaqqis fil-livelli ta' rRNA u proteini.Meta jagħmlu dan, żviluppaw kapaċità unika li jorbtu nukleotidi barra r-ribosoma, li juru li l-istrutturi molekulari parassitiċi jikkumpensaw billi jaqbdu metaboliti żgħar abbundanti u jużawhom bħala mimiċi strutturali ta 'RNA degradati u frammenti ta' proteini..
It-tielet parti mhux simulata tal-mappa krijo-EM tagħna, misjuba fis-subunità ribosomali 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 mhux magħrufa qabel li identifikajna bħala Ġie msemmi msL2 (Microsporidia-specific protein L2) (metodi, figura 6).It-tfittxija ta 'omoloġija tagħna wriet li msL2 huwa kkonservat fil-clade 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 ES31L estiż.F'dan il-vojt, msL2 jgħin biex jistabbilizza t-tiwi tal-rRNA u jista 'jikkumpensa għat-telf ta' ES31L (Figura 6).
a Densità tal-elettroni u mudell tal-proteina ribosomali speċifika għal Microsporidia msL2 misjuba fir-ribosomi ta' E. cuniculi.b Il-biċċa l-kbira tar-ribosomi ewkarjotiċi, inkluż ir-ribosoma 80S ta 'Saccharomyces cerevisiae, għandhom amplifikazzjoni ES19L rRNA mitlufa fil-biċċa l-kbira tal-ispeċi Microsporidian.L-istruttura stabbilita qabel tar-ribosoma V. necatrix microsporidia tissuġġerixxi li t-telf ta 'ES19L f'dawn il-parassiti huwa kkumpensat mill-evoluzzjoni tal-proteina ribosomali msL1 ġdida.F'dan l-istudju, sibna li r-ribosoma ta 'E. cuniculi żviluppa wkoll proteina ta' imitazzjoni ta 'RNA ribosomali addizzjonali bħala kumpens apparenti għat-telf ta' ES19L.Madankollu, msL2 (bħalissa annotata bħala l-proteina ipotetika ECU06_1135) u msL1 għandhom oriġini strutturali u evoluzzjonarja differenti.c Din l-iskoperta tal-ġenerazzjoni ta 'proteini ribosomali msL1 u msL2 mhux relatati evoluzzjonarjament tissuġġerixxi li jekk ir-ribosomi jakkumulaw mutazzjonijiet detrimentali fl-rRNA tagħhom, jistgħu jiksbu livelli bla preċedent ta' diversità kompożizzjonali anke f'sottosett żgħir ta 'speċi relatati mill-qrib.Din l-iskoperta tista 'tgħin biex tiċċara l-oriġini u l-evoluzzjoni tar-ribosoma mitokondrijali, li huwa magħruf għall-rRNA mnaqqas ħafna tiegħu u l-varjabbiltà anormali fil-kompożizzjoni tal-proteini madwar l-ispeċi.
Imbagħad qabbilna l-proteina msL2 mal-proteina msL1 deskritta qabel, l-unika proteina ribosomali speċifika għall-mikrosporidia magħrufa li tinsab fir-ribosoma V. necatrix.Ridna nittestjaw jekk msL1 u msL2 humiex relatati b'mod evoluttiv.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 peress li l-biċċa l-kbira tar-ribosomi ewkarjotiċi ċitoplasmiċi fihom proteina invarjanti, inkluża l-istess familja ta '81 proteina ribosomali.Id-dehra ta 'msL1 u msL2 f'diversi kladi ta' microsporidia bi tweġiba 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 f'popolazzjonijiet differenti tal-parassiti.strutturi.
Fl-aħħarnett, meta tlesta l-mudell tagħna, 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 E. cuniculi minħabba l-assenza apparenti tal-omologi tagħhom mill-ġenoma E. cuniculi.It-telf ta 'ħafna proteini ribosomali huwa mbassar ukoll fil-biċċa l-kbira tal-parassiti intraċellulari u endosymbionts oħra mnaqqsa ħafna.Pereżempju, għalkemm il-biċċa l-kbira tal-batterji li jgħixu ħielsa fihom l-istess familja ta '54 proteina ribosomali, 11 biss minn dawn il-familji ta' proteini għandhom omologi li jistgħu jinstabu f'kull ġenoma analizzat ta 'batterji ristretti mill-ospitanti.B'appoġġ għal dan il-kunċett, telf ta 'proteini ribosomali ġie osservat b'mod sperimentali f'V. necatrix u P. locustae microsporidia, li m'għandhomx il-proteini eL38 u eL4131,32.
Madankollu, l-istrutturi tagħna juru li eL38, eL41, u eS30 biss huma attwalment mitlufa fir-ribosoma E. cuniculi.Il-proteina eL14 kienet ikkonservata u l-istruttura tagħna wriet għaliex din il-proteina ma setgħetx tinstab fit-tfittxija għall-omoloġija (Fig. 7).Fir-ribosomi ta 'E. cuniculi, il-biċċa l-kbira tas-sit ta' rbit ta 'eL14 jintilef minħabba degradazzjoni tal-ES39L amplifikat bl-rRNA.Fin-nuqqas ta 'ES39L, eL14 tilef ħafna mill-istruttura sekondarja tiegħu, u 18% biss tas-sekwenza 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 hija annotata bħala l-proteina putattiva M970_061160 u mhux bħala l-proteina ribosomali eL1427.
u Ir-ribosoma Microsporidia tilef l-estensjoni ES39L rRNA, li eliminat parzjalment is-sit ta 'l-irbit tal-proteini ribosomali eL14.Fin-nuqqas ta 'ES39L, il-proteina tal-mikrospori eL14 tgħaddi minn telf ta' struttura sekondarja, li fiha l-α-helix li torbot l-rRNA ta 'qabel jiddeġenera f'linja ta' tul minimu.b Allinjament ta 'sekwenza multipla juri li l-proteina eL14 hija kkonservata ħafna fl-ispeċi ewkarjotiċi (identità tas-sekwenza ta' 57% bejn l-omologi tal-ħmira u tal-bniedem), iżda kkonservata ħażin u diverġenti fil-mikrosporidia (li fiha 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 jispjegaw għaliex l-omologu eL14 qatt ma nstab f'E. cuniculi u għaliex din il-proteina huwa maħsub li ntilfet f'E. cuniculi.B'kuntrast, E. cuniculi eL14 qabel kienet annotata bħala proteina putattiva M970_061160.Din l-osservazzjoni tissuġġerixxi li d-diversità tal-ġenoma tal-microsporidia bħalissa hija stmata żżejjed: xi ġeni attwalment maħsuba li jintilfu fil-microsporidia huma fil-fatt ippreservati, għalkemm f'forom differenzjati ħafna;minflok, xi wħud huma maħsuba li jikkodifikaw għall-ġeni tal-mikrosporidia għal proteini speċifiċi għad-dud (eż., il-proteina ipotetika M970_061160) fil-fatt jikkodifikaw għall-proteini differenti ħafna misjuba f'ewkarjoti oħra.
Din is-sejba tissuġġerixxi li d-denaturazzjoni tal-rRNA tista 'twassal għal telf drammatiku tal-konservazzjoni tas-sekwenza fil-proteini ribosomali li jmissu magħhom, u b'hekk dawn il-proteini ma jistgħux jinstabu għal tfittxijiet ta' omoloġija.Għalhekk, nistgħu nistmaw iżżejjed il-grad attwali ta 'degradazzjoni molekulari f'organiżmi żgħar tal-ġenoma, peress li xi proteini maħsuba li jintilfu fil-fatt jippersistu, għalkemm f'forom mibdula ħafna.
Kif jistgħu l-parassiti jżommu l-funzjoni tal-magni molekulari tagħhom taħt 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 għoxrin sena li l-molekuli tal-proteini u l-RNA f'parassiti mikrobjali ħafna drabi jvarjaw mill-molekuli omoloġi 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 żgħar tal-ġenoma, inklużi ħafna parassiti intraċellulari u endosymbionts, huma mistennija li jkollhom nieqes minn diversi proteini ribosomali u sa terz tan-nukleotidi rRNA meta mqabbla ma' speċi li jgħixu ħielsa 27, 29, 30, 49. Madankollu, il-mod kif dawn il-molekuli jiffunzjonaw f'parassiti, komparattivament miġjub, għadu studjat b'mod komparattiv kbir.
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 mill-ospitanti (Fig. 7 Supplimentari).Pereżempju, l-eżempju tal-proteina eL14 juri li nistgħu nistmaw iżżejjed il-grad attwali ta 'degradazzjoni tal-apparat molekulari fi speċi parassiti.Il-parassiti enċefalitiċi issa huma maħsuba li għandhom mijiet ta 'ġeni speċifiċi għall-microsporidia.Madankollu, ir-riżultati tagħna juru li xi wħud minn dawn il-ġeni apparentement 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 injoraw proteini ribosomali ġodda u nissottovalutaw il-kontenut ta 'magni molekulari parassitiċi.L-eżempju tal-molekuli żgħar juri kif nistgħu ninjoraw l-aktar innovazzjonijiet inġenjużi fi strutturi molekulari parassiti 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 li jgħixu ħielsa.Aħna nuru li l-magni molekulari, li għal żmien twil kienu maħsuba li jitnaqqsu, jiddeġeneraw, u soġġetti għal diversi mutazzjonijiet debilitanti, minflok għandhom sett ta 'karatteristiċi strutturali mhux tas-soltu injorati b'mod sistematiku.
Min-naħa l-oħra, il-frammenti ta 'rRNA mhux goffi u l-frammenti mdewba 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.evoluzzjoni indipendenti tal-ispeċi.
Il-frammenti ta' rRNA bla nefħa u mdewba fir-ribosomi ta' E. cuniculi huma ta' interess partikolari fid-dawl ta 'studji preċedenti ta' molekuli RNA f'batterji endosimjotiċi.Pereżempju, fl-endosimbiont tal-afidi Buchnera aphidicola, rRNA u molekuli tRNA intwerew li għandhom strutturi sensittivi għat-temperatura minħabba bias tal-kompożizzjoni A + T u proporzjon għoli ta 'pari ta' bażi mhux kanoniċi20,50.Dawn il-bidliet fl-RNA, kif ukoll il-bidliet fil-molekuli tal-proteini, issa huma maħsuba li huma responsabbli għad-dipendenza żejda tal-endosimbionti fuq l-imsieħba u l-inabbiltà tal-endosimbjonti li jittrasferixxu s-sħana 21, 23 .Għalkemm l-rRNA tal-microsporidia parassita għandu bidliet strutturali distinti, in-natura ta 'dawn il-bidliet tissuġġerixxi li stabbiltà termali mnaqqsa u dipendenza ogħla fuq proteini chaperone jistgħu jkunu karatteristiċi komuni ta' molekuli RNA f'organiżmi b'ġenomi mnaqqsa.
Min-naħa l-oħra, l-istrutturi tagħna juru li l-microsporidia tal-parassiti evolvew kapaċità unika biex jirreżistu rRNA u frammenti ta 'proteini kkonservati b'mod wiesa', jiżviluppaw il-kapaċità li jużaw metaboliti żgħar abbundanti u faċilment disponibbli bħala mimiċi strutturali ta 'rRNA deġenerat u frammenti ta' proteini.Degradazzjoni tal-istruttura molekulari..Din l-opinjoni hija sostnuta mill-fatt li molekuli żgħar li jikkumpensaw għat-telf ta 'frammenti ta' proteina fl-rRNA u ribosomi ta 'E. cuniculi jorbtu ma' residwi speċifiċi għall-mikrosporidia fil-proteini uL15 u eL30.Dan jissuġġerixxi li t-twaħħil ta 'molekuli żgħar ma' ribosomi jista 'jkun prodott ta' għażla pożittiva, li fiha ntgħażlu mutazzjonijiet speċifiċi għal Microsporidia fil-proteini ribosomali għall-kapaċità tagħhom li jżidu l-affinità tar-ribosomi għal molekuli żgħar, li jistgħu jwasslu għal organiżmi ribosomali aktar effiċjenti.L-iskoperta tiżvela innovazzjoni intelliġenti fl-istruttura molekulari tal-parassiti mikrobjali u tagħtina għarfien aħjar ta 'kif l-istrutturi molekulari tal-parassiti jżommu l-funzjoni tagħhom minkejja evoluzzjoni riduttiva.
Fil-preżent, l-identifikazzjoni ta 'dawn il-molekuli żgħar għadha mhux ċara.Mhuwiex ċar għaliex id-dehra ta 'dawn il-molekuli żgħar fl-istruttura ribosomali tvarja bejn l-ispeċi ta' microsporidia.B'mod partikolari, mhuwiex 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.Dan it-tħassir jista 'jkun ikkawżat minn residwu 43 uL6 (li jinsab ħdejn il-but tal-irbit tan-nukleotide), 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 koinċidenza sterika.Alternattivament, it-tħassir tan-nukleotidi apparenti jista 'jkun minħabba r-riżoluzzjoni baxxa ta' immaġini krijo-EM, li tfixkel l-immudellar ta '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 E. cuniculi tissuġġerixxi li t-telf ta 'rRNA u frammenti ta' proteina fir-ribosoma tal-microsporidia 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) assemblaġġ ottimali tar-ribosoma li inkella jkun imfixkel minn rRNA mnaqqas.Dan jissuġġerixxi li innovazzjoni maġġuri tar-ribosoma tal-mikrosporidia tidher li evolviet f'ħtieġa li tittaffa d-drift tal-ġeni.
Forsi dan huwa l-aħjar muri mill-irbit tan-nukleotidi, li s'issa qatt ma ġie osservat f'organiżmi oħra.Il-fatt li r-residwi li jorbtu nukleotidi huma preżenti f'microsporidia tipiċi, iżda mhux f'ewkarjoti oħra, jissuġġerixxi li s-siti li jgħaqqdu nukleotidi mhumiex biss fdalijiet li qed jistennew li jisparixxu, jew is-sit finali għall-rRNA biex jiġi restawrat għall-forma ta 'nukleotidi individwali.Minflok, dan is-sit jidher bħala karatteristika utli li setgħet evolviet fuq diversi rawnds ta 'għażla pożittiva.Is-siti li jgħaqqdu nukleotidi jistgħu jkunu prodott sekondarju ta 'selezzjoni naturali: ladarba ES39L jiġi degradat, il-mikrosporidia huma sfurzati li jfittxu kumpens biex jirrestawraw l-aħjar bijoġenesi tar-ribosomi fin-nuqqas ta' ES39L.Peress li dan in-nukleotide jista' jimita l-kuntatti molekulari tan-nukleotide A3186 f'ES39L, il-molekula tan-nukleotide ssir blokk tal-bini tar-ribosoma, li t-twaħħil tiegħu jittejjeb aktar b'mutazzjoni tas-sekwenza eL30.
Fir-rigward tal-evoluzzjoni molekulari tal-parassiti intraċellulari, l-istudju tagħna juri li l-forzi tal-għażla naturali Darwinjana u d-drift ġenetiku tat-tħassir tal-ġenoma ma joperawx b'mod parallel, iżda joxxillaw.L-ewwel, id-drift ġenetiku jelimina karatteristiċi importanti tal-bijomolekuli, u jagħmel il-kumpens meħtieġ ħafna.Huwa biss meta l-parassiti jissodisfaw din il-ħtieġa permezz tal-għażla naturali Darwinjana li l-makromolekuli tagħhom ikollhom iċ-ċans jiżviluppaw l-aktar karatteristiċi impressjonanti u innovattivi tagħhom.Importanti, l-evoluzzjoni ta 'siti ta' rbit tan-nukleotidi fir-ribosoma ta 'E. cuniculi tissuġġerixxi li dan il-mudell ta' telf għal qligħ ta 'evoluzzjoni molekulari mhux biss jamortizza mutazzjonijiet ta' ħsara, iżda xi drabi jagħti funzjonijiet kompletament ġodda fuq makromolekuli parassitiċi.
Din l-idea hija konsistenti mat-teorija tal-ekwilibriju li jiċċaqlaq ta’ Sewell Wright, li tgħid li sistema stretta ta’ għażla naturali tillimita l-abbiltà tal-organiżmi li jinnovaw51,52,53.Madankollu, jekk id-drift ġenetiku jfixkel l-għażla naturali, dawn id-drifts jistgħu jipproduċu bidliet li mhumiex fihom infushom adattivi (jew saħansitra detrimentali) iżda jwasslu għal aktar bidliet li jipprovdu fitness ogħla jew attività bijoloġika ġdida.Il-qafas tagħna jappoġġa din l-idea billi juri li l-istess tip ta 'mutazzjoni li jnaqqas it-tinja u l-funzjoni ta' bijomolekula tidher li hija l-kawża prinċipali għat-titjib tagħha.F'konformità mal-mudell evoluzzjonarju win-win, 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 spiss jippermetti li makromolekuli jakkwistaw attivitajiet parassitiċi ġodda.jistgħu jużawhom.