Nature.com भ्रमण गर्नुभएकोमा धन्यवाद।तपाईंले प्रयोग गरिरहनुभएको ब्राउजर संस्करणमा सीमित CSS समर्थन छ।उत्तम अनुभवको लागि, हामी तपाईंलाई अपडेट गरिएको ब्राउजर प्रयोग गर्न सिफारिस गर्छौं (वा इन्टरनेट एक्सप्लोररमा अनुकूलता मोड असक्षम गर्नुहोस्)।यस बीचमा, निरन्तर समर्थन सुनिश्चित गर्न, हामी शैली र जाभास्क्रिप्ट बिना साइट रेन्डर गर्नेछौं।
माइक्रोबियल परजीवीहरूको विकासमा प्राकृतिक चयन, जसले परजीवीहरूलाई सुधार गर्न, र आनुवंशिक बहावको कारण बनाउँछ, जसले परजीवीहरूलाई जीन गुमाउन र हानिकारक उत्परिवर्तनहरू जम्मा गर्छ, बीचको प्रतिरोध समावेश गर्दछ।यहाँ, एकल म्याक्रोमोलेक्युलको स्केलमा यो प्रतिरोध कसरी हुन्छ भनेर बुझ्नको लागि, हामी प्रकृतिमा सबैभन्दा सानो जीनोमहरू मध्ये एक युकेरियोटिक जीव, एन्सेफालिटोजोन क्युनिकुलीको राइबोसोमको क्रायो-ईएम संरचनाको वर्णन गर्छौं।E. cuniculi ribosomes मा rRNA को चरम कमी अभूतपूर्व संरचनात्मक परिवर्तनहरु संग छ, जस्तै पहिले अज्ञात फ्यूज rRNA लिङ्करहरु र rRNA बिना bulges को विकास।थप रूपमा, E. cuniculi ribosome rRNA टुक्राहरू र प्रोटिनहरूको संरचनात्मक नक्कलको रूपमा साना अणुहरू प्रयोग गर्ने क्षमताको विकास गरेर rRNA टुक्राहरू र प्रोटीनहरू गुमाउनबाट जोगियो।समग्रमा, हामी देखाउँछौं कि आणविक संरचनाहरू लामो समयसम्म कम, पतन, र कमजोर उत्परिवर्तनको विषय मानिन्छन् भन्ने धेरै क्षतिपूर्ति संयन्त्रहरू छन् जसले तिनीहरूलाई चरम आणविक संकुचनहरूको बावजुद सक्रिय राख्छ।
माइक्रोबियल परजीवीका अधिकांश समूहहरूसँग तिनीहरूका होस्टहरू शोषण गर्न अद्वितीय आणविक उपकरणहरू भएकाले, हामीले प्रायः परजीवीहरूका विभिन्न समूहहरू 1,2 को लागि विभिन्न थेराप्यूटिक्सहरू विकास गर्नुपर्छ।यद्यपि, नयाँ प्रमाणहरूले सुझाव दिन्छ कि परजीवी विकासका केही पक्षहरू अभिसरण र धेरै हदसम्म अनुमानित छन्, जसले माइक्रोबियल परजीवीहरू ३,४,५,६,७,८,९ मा व्यापक उपचारात्मक हस्तक्षेपहरूको सम्भावित आधारलाई संकेत गर्दछ।
अघिल्लो कामले जीनोम रिडक्सन वा जीनोम डिके १०,११,१२,१३ भनिने माइक्रोबियल परजीवीहरूमा सामान्य विकासवादी प्रवृत्ति पहिचान गरेको छ।हालको अनुसन्धानले देखाउँछ कि जब सूक्ष्मजीवहरूले आफ्नो स्वतन्त्र जीवन शैली त्यागेर इन्ट्रासेलुलर परजीवीहरू (वा एन्डोसाइम्बियोन्ट्स) बन्छ, तिनीहरूको जीनोमहरू लाखौं वर्षमा ढिलो तर अद्भुत मेटामोर्फोसहरू गुजर्छन् 9,11।जीनोम क्षय भनेर चिनिने प्रक्रियामा, माइक्रोबियल परजीवीहरूले हानिकारक उत्परिवर्तनहरू जम्मा गर्छन् जसले धेरै पहिलेका महत्त्वपूर्ण जीनहरूलाई स्यूडोजेनमा परिणत गर्दछ, जसले क्रमशः जीनको क्षति र उत्परिवर्तनीय पतन 14,15 निम्त्याउँछ।यस पतनले सबैभन्दा पुरानो इन्ट्रासेल्युलर जीवहरूमा नजिकको सम्बन्धित स्वतन्त्र-जीवित प्रजातिहरूको तुलनामा 95% सम्म जीनहरू नष्ट गर्न सक्छ।तसर्थ, इन्ट्रासेलुलर परजीवीहरूको विकास दुई विरोधी शक्तिहरू बीचको टग-अफ-युद्ध हो: डार्विनियन प्राकृतिक चयन, परजीवीहरूको सुधारको लागि नेतृत्व, र जीनोमको पतन, परजीवीहरूलाई विस्मृतिमा फ्याँकिने।यो परजीवी कसरी यस टग-अफ-युद्धबाट बाहिर निस्कन र यसको आणविक संरचनाको गतिविधिलाई कायम राख्न सफल भयो अस्पष्ट छ।
यद्यपि जीनोम क्षयको संयन्त्र पूर्ण रूपमा बुझिएको छैन, यो मुख्यतया बारम्बार आनुवंशिक बहावको कारणले देखा पर्दछ।किनभने परजीवीहरू सानो, अलैंगिक, र आनुवंशिक रूपमा सीमित जनसंख्यामा बस्छन्, तिनीहरूले प्रभावकारी रूपमा हानिकारक उत्परिवर्तनहरू हटाउन सक्दैनन् जुन कहिलेकाहीं डीएनए प्रतिकृतिको क्रममा हुन्छ।यसले हानिकारक उत्परिवर्तन र परजीवी जीनोम को कमी को अपरिवर्तनीय संचय को नेतृत्व गर्दछ।नतिजाको रूपमा, परजीवीले इन्ट्रासेल्युलर वातावरणमा यसको अस्तित्वको लागि आवश्यक नहुने जीनहरू मात्र गुमाउँदैन।यो छिटपुट हानिकारक उत्परिवर्तनहरूलाई प्रभावकारी रूपमा हटाउन परजीवी जनसंख्याको असक्षमता हो जसले यी उत्परिवर्तनहरू तिनीहरूको सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण जीनहरू सहित, जीनोममा जम्मा हुन्छन्।
जीनोम घटाउने बारे हाम्रो हालको बुझाइको धेरै जसो जीनोम अनुक्रमहरूको तुलनामा आधारित छ, वास्तविक अणुहरूमा हुने परिवर्तनहरूमा कम ध्यान दिएर जसले हाउसकीपिङ कार्यहरू प्रदर्शन गर्दछ र सम्भावित औषधि लक्ष्यहरूको रूपमा सेवा गर्दछ।तुलनात्मक अध्ययनहरूले देखाएको छ कि हानिकारक इन्ट्रासेलुलर माइक्रोबियल उत्परिवर्तनको बोझले प्रोटीन र न्यूक्लिक एसिडलाई गलत फोल्ड र समग्रमा प्रक्षेपण गर्दछ, जसले तिनीहरूलाई थप चेपेरोन निर्भर र गर्मीमा अतिसंवेदनशील बनाउँछ 19,20,21,22,23।थप रूपमा, विभिन्न परजीवीहरू-स्वतन्त्र विकास कहिलेकाहीं 2.5 बिलियन वर्षको रूपमा विभाजित हुन्छन्- तिनीहरूको प्रोटीन संश्लेषण 5,6 र DNA मर्मत संयन्त्र24 मा गुणस्तर नियन्त्रण केन्द्रहरूको समान क्षतिको अनुभव भयो।यद्यपि, हानिकारक उत्परिवर्तनको बढ्दो बोझमा आणविक अनुकूलन सहित सेलुलर म्याक्रोमोलेक्यूल्सका अन्य सबै गुणहरूमा इन्ट्रासेलुलर जीवनशैलीको प्रभावको बारेमा थोरै थाहा छ।
यस कार्यमा, इन्ट्रासेलुलर सूक्ष्मजीवहरूको प्रोटीन र न्यूक्लिक एसिडको विकासलाई अझ राम्रोसँग बुझ्नको लागि, हामीले इन्ट्रासेलुलर परजीवी एन्सेफेलिटोजोन क्युनिकुलीको राइबोसोमहरूको संरचना निर्धारण गर्यौं।E. cuniculi परजीवी माइक्रोस्पोरिडियाको समूहसँग सम्बन्धित फङ्गस-जस्तै जीव हो जसमा असामान्य रूपमा साना युकेरियोटिक जीनोमहरू हुन्छन् र त्यसैले जीनोम क्षय25,26,27,28,29,30 अध्ययन गर्न नमूना जीवहरूको रूपमा प्रयोग गरिन्छ।भर्खरै, क्रायो-ईएम राइबोसोम संरचना माइक्रोस्पोरिडिया, पारानोसेमा लोकस्टा र भाइरिमोर्फा नेकाट्रिक्स ३१,३२ (~ ३.२ एमबी जीनोम) को मध्यम रूपमा कम भएको जीनोमहरूको लागि निर्धारण गरिएको थियो।यी संरचनाहरूले सुझाव दिन्छ कि rRNA प्रवर्धनको केही हानि छिमेकी राइबोसोमल प्रोटीनहरू वा नयाँ msL131,32 राइबोसोमल प्रोटीनहरूको अधिग्रहणद्वारा नयाँ सम्पर्कहरूको विकासद्वारा क्षतिपूर्ति गरिन्छ।प्रजाति Encephalitozoon (जीनोम ~ 2.5 मिलियन bp), तिनीहरूको निकटतम नातेदार ओर्डोस्पोराको साथमा, युकेरियोटहरूमा जीनोम कमीको अन्तिम डिग्री प्रदर्शन गर्दछ - तिनीहरूसँग 2000 भन्दा कम प्रोटीन-कोडिङ जीनहरू छन्, र यो आशा गरिन्छ कि तिनीहरूको राइबोजोमहरू rRNA विस्तारबाट फ्रिगमेन्ट्स एनआरएनए विस्तारबाट मुक्त मात्र होइनन्। ब्याक्टेरियल राइबोसोम) मा पनि चार राइबोसोमल प्रोटीनहरू छन् किनभने तिनीहरूको ई. क्युनिकुली जीनोममा समरूपताको कमी छ। 26,27,28।त्यसकारण, हामीले निष्कर्ष निकाल्यौं कि E. cuniculi ribosome ले जीनोम क्षयमा आणविक अनुकूलनका लागि पहिले अज्ञात रणनीतिहरू प्रकट गर्न सक्छ।
हाम्रो क्रायो-ईएम ढाँचाले सबैभन्दा सानो युकेरियोटिक साइटोप्लाज्मिक राइबोसोमलाई चित्रण गर्नको लागि प्रतिनिधित्व गर्दछ र जीनोम घटाउने अन्तिम डिग्रीले सेलको अभिन्न अंग रहेको आणविक मेसिनरीको संरचना, संयोजन र विकासलाई कसरी असर गर्छ भन्ने बारे अन्तरदृष्टि प्रदान गर्दछ।हामीले फेला पार्यौं कि E. cuniculi ribosome ले RNA फोल्डिङ र राइबोसोम एसेम्बलीका धेरै व्यापक रूपमा संरक्षित सिद्धान्तहरू उल्लङ्घन गर्दछ, र नयाँ, पहिले अज्ञात राइबोसोमल प्रोटीन पत्ता लगायो।एकदम अप्रत्याशित रूपमा, हामीले माइक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमहरूले साना अणुहरूलाई बाँध्ने क्षमता विकसित गरेको देखाउँछौं, र आरआरएनए र प्रोटिनहरूमा हुने ट्रङ्केसेसनले विकासवादी आविष्कारहरू ट्रिगर गर्दछ जसले अन्ततः राइबोसोममा उपयोगी गुणहरू प्रदान गर्न सक्छ भनेर परिकल्पना गर्छ।
इन्ट्रासेलुलर जीवहरूमा प्रोटीन र न्यूक्लिक एसिडहरूको विकासको हाम्रो बुझाइमा सुधार गर्न, हामीले तिनीहरूको राइबोसोमहरू शुद्ध गर्न र यी राइबोसोमहरूको संरचना निर्धारण गर्न संक्रमित स्तनधारी कोशिकाहरूको संस्कृतिबाट E. cuniculi spores लाई अलग गर्ने निर्णय गर्यौं।धेरै संख्यामा परजीवी माइक्रोस्पोरिडिया प्राप्त गर्न गाह्रो छ किनभने माइक्रोस्पोरिडियालाई पोषक माध्यममा खेती गर्न सकिँदैन।बरु, तिनीहरू बढ्छन् र होस्ट सेल भित्र मात्र पुन: उत्पादन गर्छन्।त्यसकारण, राइबोसोम शुद्धिकरणको लागि E. cuniculi बायोमास प्राप्त गर्न, हामीले स्तनधारी मृगौला कोषको रेखा RK13 लाई E. cuniculi spores ले संक्रमित गर्यौं र E. cuniculi लाई बढ्न र गुणन गर्न अनुमति दिन यी संक्रमित कोशिकाहरूलाई धेरै हप्तासम्म कल्चर गर्यौं।लगभग आधा वर्ग मिटरको संक्रमित सेल मोनोलेयर प्रयोग गरेर, हामीले लगभग 300 मिलीग्राम माइक्रोस्पोरिडिया स्पोरहरू शुद्ध गर्न र राइबोसोमहरू अलग गर्न प्रयोग गर्न सक्षम भयौं।त्यसपछि हामीले गिलासको मोतीले शुद्ध बीजाणुहरूलाई बाधा दियौं र लाइसेट्सको स्टेपवाइज पोलिथिलीन ग्लाइकोल फ्र्याक्सन प्रयोग गरेर कच्चा राइबोसोमहरूलाई अलग गर्यौं।यसले हामीलाई संरचनात्मक विश्लेषणको लागि लगभग 300 µg कच्चा E. cuniculi ribosomes प्राप्त गर्न अनुमति दियो।
त्यसपछि हामीले नतिजा राइबोसोम नमूनाहरू प्रयोग गरेर क्रायो-ईएम छविहरू सङ्कलन गर्‍यौं र ठूला राइबोसोमल सब्युनिट, सानो सब्युनिट हेड, र सानो सब्युनिटसँग सम्बन्धित मास्कहरू प्रयोग गरेर यी छविहरूलाई प्रशोधन गर्‍यौं।यस प्रक्रियाको क्रममा, हामीले लगभग 108,000 राइबोसोमल कणहरूको छविहरू सङ्कलन गर्‍यौं र 2.7 Å (पूरक आंकडा 1-3) को रिजोल्युसनको साथ क्रायो-EM छविहरू गणना गर्‍यौं।हामीले त्यसपछि rRNA, ribosomal प्रोटीन, र E. cuniculi ribosomes (Fig. 1a, b) सँग सम्बन्धित हाइबरनेसन कारक Mdf1 मोडेल गर्न cryoEM छविहरू प्रयोग गर्यौं।
हाइबरनेशन कारक Mdf1 (pdb id 7QEP) को साथ जटिलमा E. cuniculi ribosome को संरचना।b हाइबरनेशन कारक Mdf1 को नक्सा E. cuniculi ribosome सँग सम्बन्धित।c माइक्रोस्पोरिडियन प्रजातिहरूमा बरामद आरआरएनए ज्ञात राइबोसोमल संरचनाहरूसँग तुलना गर्ने माध्यमिक संरचना नक्शा।प्यानलहरूले एम्प्लीफाइड आरआरएनए टुक्राहरू (ES) र डिकोडिङ साइट (DC), सार्सिनिसिन लुप (SRL), र पेप्टिडाइल ट्रान्सफरेज सेन्टर (PTC) सहित राइबोसोम सक्रिय साइटहरूको स्थान देखाउँछन्।d E. cuniculi ribosome को peptidyl Transferase केन्द्रसँग सम्बन्धित इलेक्ट्रोन घनत्वले यो उत्प्रेरक साइटको E. cuniculi परजीवी र H. sapiens सहित यसको होस्टहरूमा एउटै संरचना रहेको सुझाव दिन्छ।e, f डिकोडिङ केन्द्रको सम्बन्धित इलेक्ट्रोन घनत्व (e) र डिकोडिङ केन्द्र (f) को योजनाबद्ध संरचनाले E. cuniculi सँग A1491 (E. coli numbering) को सट्टा U1491 अवशेषहरू छन् भन्ने सङ्केत गर्छ।यो परिवर्तनले सुझाव दिन्छ कि E. cuniculi यो सक्रिय साइटलाई लक्षित गर्ने एन्टिबायोटिक प्रति संवेदनशील हुन सक्छ।
V. necatrix र P. locustae ribosomes को पहिले स्थापित संरचनाहरूको विपरित (दुबै संरचनाहरूले एउटै माइक्रोस्पोरिडिया परिवार Nosematidae को प्रतिनिधित्व गर्दछ र एकअर्कासँग धेरै मिल्दोजुल्दो छ), 31,32 E. cuniculi ribosomes rRNA र प्रोटीन खण्डीकरणको धेरै प्रक्रियाहरूबाट गुजर्छन्।थप विकृतीकरण (पूरक चित्र ४-६)।rRNA मा, सबैभन्दा उल्लेखनीय परिवर्तनहरूले एम्प्लीफाइड 25S rRNA खण्ड ES12L को पूर्ण हानि र h39, h41, र H18 हेलीसहरूको आंशिक अध: पतन समावेश गर्दछ (चित्र 1c, पूरक चित्र। 4)।राइबोसोमल प्रोटीनहरू मध्ये, सबैभन्दा उल्लेखनीय परिवर्तनहरूमा eS30 प्रोटीनको पूर्ण हानि र eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17, र eS7 प्रोटीनहरू (पूरक आंकडा 4, 5) को छोटो हुनु समावेश छ।
यसैले, Encephalotozoon/Ordospora प्रजातिहरूको जीनोमहरूको चरम कमी तिनीहरूको राइबोजोम संरचनामा प्रतिबिम्बित हुन्छ: E. cuniculi ribosomes ले संरचनात्मक विशेषताको अधीनमा रहेको युकेरियोटिक साइटोप्लाज्मिक राइबोसोमहरूमा प्रोटीन सामग्रीको सबैभन्दा नाटकीय क्षतिको अनुभव गर्दछ, र तिनीहरूसँग ती fragment rRNA र तीनवटा प्रोटिनहरू पनि हुँदैनन्, जसमा फराकिलो राइबोजोमहरू मात्र छैनन्। जीवनका क्षेत्रहरू।E. cuniculi ribosome को संरचनाले यी परिवर्तनहरूको लागि पहिलो आणविक मोडेल प्रदान गर्दछ र विकासवादी घटनाहरू प्रकट गर्दछ जुन दुवै तुलनात्मक जीनोमिक्स र इन्ट्रासेलुलर बायोमोलेकुलर संरचनाको अध्ययन (पूरक चित्र 7) द्वारा बेवास्ता गरिएको छ।तल, हामी यी प्रत्येक घटनाहरू तिनीहरूको सम्भावित विकासवादी उत्पत्ति र राइबोसोम प्रकार्यमा तिनीहरूको सम्भावित प्रभावको साथ वर्णन गर्छौं।
त्यसपछि हामीले पत्ता लगायौं कि, ठूला rRNA काँटछाँटका अतिरिक्त, E. cuniculi ribosomes सँग तिनीहरूको सक्रिय साइटहरू मध्ये एकमा rRNA भिन्नताहरू छन्।यद्यपि E. cuniculi ribosome को peptidyl Transferase केन्द्रको संरचना अन्य युकेरियोटिक राइबोसोमहरू जस्तै छ (चित्र 1d), न्यूक्लियोटाइड 1491 (E. कोलाई नम्बरिङ, Fig. 1e, f) मा अनुक्रम भिन्नताका कारण डिकोडिङ केन्द्र फरक हुन्छ।यो अवलोकन महत्त्वपूर्ण छ किनभने युकेरियोटिक राइबोसोमहरूको डिकोडिङ साइटमा ब्याक्टेरिया-प्रकारका अवशेषहरू A1408 र G1491 को तुलनामा सामान्यतया G1408 र A1491 अवशेषहरू हुन्छन्।यो भिन्नताले डिकोडिङ साइटलाई लक्षित गर्ने राइबोसोमल एन्टिबायोटिक्स र अन्य साना अणुहरूको एमिनोग्लाइकोसाइड परिवारमा ब्याक्टेरिया र युकेरियोटिक राइबोसोमहरूको फरक संवेदनशीलतालाई निहित गर्दछ।E. cuniculi ribosome को डिकोडिङ साइटमा, अवशेष A1491 लाई U1491 ले प्रतिस्थापन गरिएको थियो, सम्भावित रूपमा यस सक्रिय साइटलाई लक्षित गर्ने साना अणुहरूको लागि एक अद्वितीय बाध्यकारी इन्टरफेस सिर्जना गर्दछ।उही A14901 संस्करण P. locustae र V. necatrix जस्ता अन्य माइक्रोस्पोरिडियामा पनि पाइन्छ, जसले यो माइक्रोस्पोरिडिया प्रजातिहरू (चित्र 1f) मा व्यापक रहेको सुझाव दिन्छ।
हाम्रो E. cuniculi ribosome नमूनाहरू चयापचय रूपमा निष्क्रिय बीजाणुहरूबाट अलग गरिएको हुनाले, हामीले तनाव वा भोकमरी अवस्थाहरूमा पहिले वर्णन गरिएको राइबोसोम बाइन्डिङको लागि E. cuniculi को cryo-EM नक्सा परीक्षण गर्‍यौं।हाइबरनेसन कारकहरू 31,32,36,37, 38। हामीले हाइबरनेटिंग राइबोजोमको पहिले स्थापित संरचनालाई E. cuniculi ribosome को cryo-EM नक्सासँग मेल खायौं।डकिङका लागि, हाइबरनेसन कारक Stm138 भएको कम्प्लेक्समा S. cerevisiae ribosomes, Lso232 कारक भएको कम्प्लेक्समा सलह राइबोसोमहरू र Mdf1 र Mdf231 कारकहरू भएको कम्प्लेक्समा V. necatrix राइबोसोमहरू प्रयोग गरियो।एकै समयमा, हामीले बाँकी कारक Mdf1 सँग सम्बन्धित क्रायो-ईएम घनत्व फेला पार्यौं।Mdf1 लाई V. necatrix ribosome को बन्धन जस्तै, Mdf1 ले E. cuniculi ribosome लाई पनि बाँध्छ, जहाँ यसले ribosome को E साइटलाई ब्लक गर्दछ, सम्भवतः परजीवी स्पोरहरू शरीरको निष्क्रियतामा मेटाबोलिक रूपमा निष्क्रिय हुँदा राइबोसोमहरू उपलब्ध गराउन मद्दत गर्दछ।)।
Mdf1 ले राइबोसोमको ई साइटलाई रोक्छ, जसले परजीवी स्पोरहरू मेटाबोलिक रूपमा निष्क्रिय हुँदा राइबोसोमलाई निष्क्रिय पार्न मद्दत गर्दछ।E. cuniculi ribosome को संरचनामा, हामीले Mdf1 ले L1 राइबोजोम स्टेमसँग पहिलेको अज्ञात सम्पर्क बनाउँछ, राइबोसोमको भाग जसले प्रोटीन संश्लेषणको क्रममा राइबोसोमबाट deacylated tRNA को रिहाइलाई सहज बनाउँछ भन्ने फेला पार्छ।यी सम्पर्कहरूले सुझाव दिन्छ कि Mdf1 ले deacetylated tRNA को समान संयन्त्र प्रयोग गरेर राइबोसोमबाट अलग हुन्छ, राइबोसोमले कसरी प्रोटीन संश्लेषण पुन: सक्रिय गर्न Mdf1 लाई हटाउने सम्भावित व्याख्या प्रदान गर्दछ।
यद्यपि, हाम्रो संरचनाले Mdf1 र L1 राइबोसोम खुट्टा (राइबोसोमको भाग जसले प्रोटीन संश्लेषणको क्रममा राइबोसोमबाट deacylated tRNA छोड्न मद्दत गर्दछ) बीचको अज्ञात सम्पर्क प्रकट गर्‍यो।विशेष रूपमा, Mdf1 ले deacylated tRNA अणु (चित्र 2) को कुहिनो खण्डको रूपमा समान सम्पर्कहरू प्रयोग गर्दछ।यो पहिलेको अज्ञात आणविक मोडलिङले देखाएको छ कि Mdf1 ले डिसेटाइलेटेड tRNA को समान संयन्त्र प्रयोग गरेर राइबोसोमबाट अलग हुन्छ, जसले प्रोटीन संश्लेषण पुन: सक्रिय गर्न राइबोसोमले यस हाइबरनेसन कारकलाई कसरी हटाउँछ भनेर वर्णन गर्दछ।
rRNA मोडेल निर्माण गर्दा, हामीले E. cuniculi ribosome ले असामान्य रूपमा rRNA टुक्राहरू फोल्ड गरेको फेला पार्यौं, जसलाई हामीले फ्युज्ड rRNA (चित्र 3) भनिन्छौं।राइबोसोमहरूमा जुन जीवनको तीन क्षेत्रहरू फैलिन्छ, rRNA संरचनाहरूमा तह हुन्छ जसमा अधिकांश rRNA आधारहरू या त आधार जोडी र एकअर्कासँग फोल्ड हुन्छन् वा राइबोसोमल प्रोटीनहरू 38,39,40 सँग अन्तरक्रिया गर्छन्।जे होस्, E. cuniculi ribosomes मा, rRNAs ले आफ्ना केही हेलिसहरूलाई अनफोल्ड गरिएको rRNA क्षेत्रहरूमा रूपान्तरण गरेर यो फोल्डिङ सिद्धान्तलाई उल्लङ्घन गरेको देखिन्छ।
S. cerevisiae, V. necatrix, र E. cuniculi मा H18 25S rRNA हेलिक्सको संरचना।सामान्यतया, तीन लाइफ डोमेनहरूमा फैलिएको राइबोसोमहरूमा, यो लिङ्करले RNA हेलिक्समा 24 देखि 34 अवशेषहरू समावेश गर्दछ।Microsporidia मा, यसको विपरित, यो rRNA लिङ्कर बिस्तारै दुई एकल-स्ट्र्यान्डेड uridine-रिच लिङ्करहरूमा घटाइन्छ जसमा केवल 12 अवशेषहरू छन्।यी अवशेषहरू मध्ये अधिकांश विलायकहरूको सम्पर्कमा छन्।चित्रले देखाउँछ कि परजीवी माइक्रोस्पोरिडियाले rRNA फोल्डिंगको सामान्य सिद्धान्तहरू उल्लङ्घन गरेको देखिन्छ, जहाँ rRNA आधारहरू सामान्यतया अन्य आधारहरूमा जोडिएका हुन्छन् वा rRNA-प्रोटिन अन्तरक्रियामा संलग्न हुन्छन्।माइक्रोस्पोरिडियामा, केही rRNA टुक्राहरूले प्रतिकूल तहमा लिन्छ, जसमा पहिलेको rRNA हेलिक्स लगभग एक सीधा रेखामा लम्बिएको एकल-स्ट्र्यान्डेड टुक्रा बन्छ।यी असामान्य क्षेत्रहरूको उपस्थितिले माइक्रोस्पोरिडिया आरआरएनएलाई आरएनए आधारहरूको न्यूनतम संख्या प्रयोग गरेर टाढाको आरआरएनए टुक्राहरू बाँध्न अनुमति दिन्छ।
यस विकासवादी संक्रमणको सबैभन्दा उल्लेखनीय उदाहरण H18 25S rRNA हेलिक्स (चित्र 3) मा अवलोकन गर्न सकिन्छ।E. coli देखि मानिस सम्मका प्रजातिहरूमा, यस rRNA हेलिक्सको आधारहरूमा 24-32 न्यूक्लियोटाइडहरू हुन्छन्, जसले थोरै अनियमित हेलिक्स बनाउँछ।V. necatrix र P. locustae बाट पहिले पहिचान गरिएका राइबोसोमल संरचनाहरूमा, H18 हेलिक्सका आधारहरू आंशिक रूपमा अनकोइल गरिएका छन्, तर न्यूक्लियोटाइड आधार जोडी सुरक्षित गरिएको छ।यद्यपि, E. cuniculi मा यो rRNA खण्ड सबैभन्दा छोटो लिङ्कर 228UUUGU232 र 301UUUUUUUU307 बन्छ।सामान्य rRNA टुक्राहरूको विपरीत, यी युरिडिन-समृद्ध लिङ्करहरूले राइबोसोमल प्रोटीनहरूसँग कुण्डल वा व्यापक सम्पर्क बनाउँदैनन्।यसको सट्टा, तिनीहरूले विलायक-खुला र पूर्ण रूपमा खुला संरचनाहरू अपनाउछन् जसमा rRNA स्ट्र्यान्डहरू लगभग सीधा विस्तार हुन्छन्।यो विस्तारित कन्फर्मेसनले E. cuniculi ले H16 र H18 rRNA हेलीसहरू बीचको 33 Å अंतर भर्नको लागि कसरी केवल 12 RNA आधारहरू प्रयोग गर्दछ, जबकि अन्य प्रजातिहरूलाई खाली ठाउँ भर्नको लागि कम्तिमा दुई गुणा धेरै rRNA आधारहरू चाहिन्छ।
यसरी, हामी देखाउन सक्छौं कि, ऊर्जावान रूपमा प्रतिकूल फोल्डिंग मार्फत, परजीवी माइक्रोस्पोरिडियाले ती rRNA खण्डहरूलाई पनि संकुचन गर्ने रणनीति विकास गरेको छ जुन जीवनको तीन क्षेत्रहरूमा प्रजातिहरूमा व्यापक रूपमा संरक्षित रहन्छ।स्पष्ट रूपमा, उत्परिवर्तनहरू जम्मा गरेर जसले rRNA हेलिसहरूलाई छोटो पाली-U लिङ्करहरूमा रूपान्तरण गर्दछ, E. cuniculi ले टाढाको rRNA टुक्राहरूको ligation को लागि सकेसम्म थोरै न्यूक्लियोटाइडहरू भएको असामान्य rRNA टुक्राहरू बनाउन सक्छ।यसले माइक्रोस्पोरिडियाले आफ्नो संरचनात्मक र कार्यात्मक अखण्डता नगुमाइकन आफ्नो आधारभूत आणविक संरचनामा नाटकीय कमी कसरी हासिल गर्यो भनेर व्याख्या गर्न मद्दत गर्छ।
E. cuniculi rRNA को अर्को असामान्य विशेषता भनेको मोटोपन बिना rRNA को उपस्थिति हो (चित्र 4)।Bulges आधार जोडी बिना न्यूक्लियोटाइड हो जुन यसमा लुकाउनुको सट्टा RNA हेलिक्स बाहिर घुम्छ।धेरैजसो rRNA प्रोट्रुसनहरूले आणविक टाँस्ने पदार्थको रूपमा कार्य गर्दछ, नजिकैको राइबोसोमल प्रोटीन वा अन्य rRNA टुक्राहरूलाई बाँध्न मद्दत गर्दछ।केही बुल्जहरूले टिकाको रूपमा काम गर्छन्, जसले rRNA हेलिक्सलाई उत्पादक प्रोटीन संश्लेषणको लागि उत्तम रूपमा फ्लेक्स गर्न र फोल्ड गर्न अनुमति दिन्छ।
एक rRNA प्रोट्रुसन (S. cerevisiae numbering) E. cuniculi ribosome संरचनाबाट अनुपस्थित छ, तर धेरैजसो अन्य eukaryotes b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens, र E. cuniculi आन्तरिक राइबोसोमहरूमा पाइन्छ।परजीवीहरूमा धेरै पुरानो, उच्च संरक्षित आरआरएनए बल्जहरू छैनन्।यी मोटाइहरूले राइबोसोम संरचनालाई स्थिर बनाउँछ;तसर्थ, माइक्रोस्पोरिडियामा तिनीहरूको अनुपस्थितिले माइक्रोस्पोरिडिया परजीवीहरूमा आरआरएनए तहको कम स्थिरतालाई संकेत गर्दछ।P स्टेम्स (L7/L12 ब्याक्टेरियामा स्टेम्स) सँग तुलना गर्दा rRNA बम्पको हानि कहिलेकाहीँ हराएको बम्पको छेउमा नयाँ बम्पहरू देखिनेसँग मेल खान्छ भनेर देखाउँछ।23S/28S rRNA मा रहेको H42 हेलिक्सको पुरानो बल्ज (Saccharomyces cerevisiae मा U1206) जीवनको तीन क्षेत्रहरूमा यसको सुरक्षाको कारण कम्तिमा 3.5 बिलियन वर्ष पुरानो भएको अनुमान गरिएको छ।माइक्रोस्पोरिडियामा, यो बल्ज हटाइन्छ।यद्यपि, हराएको बल्जको छेउमा एउटा नयाँ बल्ज देखा पर्‍यो (E. cuniculi मा A1306)।
आश्चर्यजनक रूपमा, हामीले फेला पारेका छौँ कि E. cuniculi ribosomes मा अन्य प्रजातिहरूमा पाइने अधिकांश rRNA बल्जेसहरू छैनन्, जसमा अन्य युकेरियोटहरूमा संरक्षित 30 भन्दा बढी बल्जहरू समावेश छन् (चित्र 4a)।यो हानिले राइबोसोमल सबयुनिटहरू र छेउछाउको rRNA हेलीसहरू बीचको धेरै सम्पर्कहरू हटाउँछ, कहिलेकाहीँ राइबोसोम भित्र ठूला खाली ठाउँहरू सिर्जना गर्दछ, E. cuniculi ribosome लाई पारम्परिक राइबोसोमहरूको तुलनामा अधिक छिद्रपूर्ण बनाउँछ (चित्र 4b)।उल्लेखनीय रूपमा, हामीले पत्ता लगायौं कि यी धेरैजसो बुल्जहरू पहिले पहिचान गरिएका V. necatrix र P. locustae ribosome संरचनाहरूमा पनि हराएका थिए, जुन अघिल्लो संरचनात्मक विश्लेषणहरू 31,32 द्वारा बेवास्ता गरिएको थियो।
कहिलेकाहीँ rRNA बुल्जको हानि हराएको बल्जको छेउमा नयाँ बल्जहरूको विकासको साथमा हुन्छ।उदाहरणका लागि, ribosomal P-stem मा U1208 bulge (Saccharomyces cerevisiae मा) हुन्छ जुन E. coli बाट मानिसमा बाँचेको थियो र त्यसैले 3.5 बिलियन वर्ष पुरानो भएको अनुमान गरिएको छ।प्रोटिन संश्लेषणको क्रममा, यो बल्जले P स्टेमलाई खुला र बन्द कन्फर्मेसनहरू बीच सार्न मद्दत गर्दछ ताकि राइबोजोमले अनुवाद कारकहरू भर्ती गर्न र तिनीहरूलाई सक्रिय साइटमा पुर्‍याउन सक्छ।E. cuniculi ribosomes मा, यो मोटोपन अनुपस्थित छ;यद्यपि, तीनवटा आधार जोडीहरूमा मात्रै रहेको नयाँ मोटोपन (G883) ले P स्टेम (चित्र 4c) को इष्टतम लचिलोपनको पुनर्स्थापनामा योगदान गर्न सक्छ।
rRNA मा हाम्रो डाटाले बल्जेस बिना सुझाव दिन्छ कि rRNA न्यूनीकरण राइबोसोमको सतहमा rRNA तत्वहरूको हानिमा सीमित छैन, तर यसले राइबोसोम न्यूक्लियसलाई पनि समावेश गर्न सक्छ, परजीवी-विशिष्ट आणविक दोष सिर्जना गर्दछ जुन मुक्त-जीवित कोशिकाहरूमा वर्णन गरिएको छैन।जीवित प्रजातिहरू अवलोकन गरिन्छ।
क्यानोनिकल राइबोसोमल प्रोटीन र आरआरएनए मोडेलिङ गरेपछि, हामीले फेला पार्यौं कि परम्परागत राइबोसोमल कम्पोनेन्टहरूले क्रायो-ईएम छविको तीन भागहरू व्याख्या गर्न सक्दैनन्।यी दुई टुक्राहरू आकारमा साना अणुहरू हुन् (चित्र 5, पूरक चित्र। 8)।पहिलो खण्डलाई राइबोसोमल प्रोटीन uL15 र eL18 बीचमा स्यान्डविच गरिएको छ जुन सामान्यतया eL18 को C-टर्मिनसले ओगटेको हुन्छ, जुन E. cuniculi मा छोटो हुन्छ।यद्यपि हामी यो अणुको पहिचान निर्धारण गर्न सक्दैनौं, तर यो घनत्व टापुको आकार र आकार स्पर्मिडिन अणुहरूको उपस्थितिले राम्रोसँग व्याख्या गरिएको छ।राइबोसोममा यसको बन्धनलाई uL15 प्रोटिनहरू (Asp51 र Arg56) मा माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट उत्परिवर्तनहरूद्वारा स्थिर गरिन्छ, जसले यो सानो अणुको लागि राइबोजोमको आत्मीयता बढाउने देखिन्छ, किनकि तिनीहरूले uL15 लाई सानो अणुलाई रिबोसोमल संरचनामा लपेट्न अनुमति दिन्छ।पूरक चित्र २)।८, अतिरिक्त डाटा १, २)।
क्रायो-ईएम इमेजिङले ई. क्युनिकुली राइबोसोममा बाँधिएको राइबोज बाहिर न्यूक्लियोटाइडहरूको उपस्थिति देखाउँछ।E. cuniculi ribosome मा, यो न्यूक्लियोटाइडले 25S rRNA A3186 न्यूक्लियोटाइड (Saccharomyces cerevisiae numbering) को रूपमा धेरै अन्य युकेरियोटिक राइबोसोमहरूमा ओगटेको छ।b E. cuniculi को राइबोसोमल संरचनामा, यो न्यूक्लियोटाइड राइबोसोमल प्रोटीन uL9 र eL20 को बीचमा अवस्थित छ, जसले गर्दा दुई प्रोटीनहरू बीचको सम्पर्क स्थिर हुन्छ।माइक्रोस्पोरिडिया प्रजातिहरू बीच सीडी eL20 अनुक्रम संरक्षण विश्लेषण।माइक्रोस्पोरिडिया प्रजातिको फाइलोजेनेटिक रूख (c) र eL20 प्रोटीन (d) को बहु अनुक्रम पङ्क्तिबद्धताले देखाउँछ कि न्यूक्लियोटाइड-बाइन्डिङ अवशेषहरू F170 र K172 धेरै विशिष्ट माइक्रोस्पोरिडियामा संरक्षित छन्, S. lophii को अपवादको साथ, प्रारम्भिक शाखाहरूको अपवादको साथ।e यो आंकडाले देखाउँछ कि न्यूक्लियोटाइड-बाइन्डिङ अवशेषहरू F170 र K172 अत्यधिक कम भएको माइक्रोस्पोरिडिया जीनोमको eL20 मा मात्र छन्, तर अन्य युकेरियोटहरूमा होइन।समग्रमा, यी डेटाले सुझाव दिन्छ कि माइक्रोस्पोरिडियन राइबोसोमहरूले एक न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ साइट विकसित गरेको छ जुन AMP अणुहरूलाई बाँध्न र राइबोसोमल संरचनामा प्रोटीन-प्रोटिन अन्तरक्रियालाई स्थिर गर्न प्रयोग गर्दछ।Microsporidia मा यो बाध्यकारी साइट को उच्च संरक्षण र अन्य eukaryotes मा यसको अनुपस्थिति यो साइट Microsporidia को लागि एक चयनात्मक अस्तित्व लाभ प्रदान गर्न सक्छ भन्ने सुझाव दिन्छ।तसर्थ, माइक्रोस्पोरिडिया राइबोजोममा रहेको न्यूक्लियोटाइड-बाइन्डिङ पकेट पहिले वर्णन गरिए अनुसार आरआरएनए डिग्रेडेसनको डिजेनेरेट विशेषता वा अन्तिम रूप जस्तो देखिँदैन, बरु एक उपयोगी विकासवादी नवाचार हो जसले माइक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमलाई साना अणुहरूलाई प्रत्यक्ष रूपमा बाँध्न अनुमति दिन्छ, तिनीहरूलाई आणविक निर्माण ब्लकको रूपमा प्रयोग गरेर।ribosomes को लागि निर्माण ब्लक।यो खोजले माइक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमलाई एकमात्र न्युक्लियोटाइडलाई यसको संरचनात्मक निर्माण ब्लकको रूपमा प्रयोग गर्न चिनिने एक मात्र राइबोसोम बनाउँछ।f न्यूक्लियोटाइड बाइंडिंगबाट व्युत्पन्न काल्पनिक विकासवादी मार्ग।
दोस्रो कम आणविक वजन घनत्व राइबोसोमल प्रोटीन uL9 र eL30 (चित्र 5a) बीचको इन्टरफेसमा अवस्थित छ।यो इन्टरफेस पहिले Saccharomyces cerevisiae ribosome को संरचनामा rRNA A3186 (ES39L rRNA विस्तारको भाग) 38 को 25S न्यूक्लियोटाइडको लागि बाध्यकारी साइटको रूपमा वर्णन गरिएको थियो।यो देखाइएको थियो कि degenerate P. locustae ES39L ribosomes मा, यो इन्टरफेस एक अज्ञात एकल न्यूक्लियोटाइड 31 बाँध्छ, र यो rRNA को एक कम अन्तिम रूप हो, जसमा rRNA को लम्बाइ ~ 130-230 आधार हो भनेर मानिन्छ।ES39L एकल न्यूक्लियोटाइड 32.43 मा घटाइएको छ।हाम्रो क्रायो-ईएम छविहरूले यो विचारलाई समर्थन गर्दछ कि घनत्व न्यूक्लियोटाइडहरूद्वारा व्याख्या गर्न सकिन्छ।यद्यपि, हाम्रो संरचनाको उच्च रिजोल्युसनले देखाएको छ कि यो न्यूक्लियोटाइड एक एक्स्ट्रारिबोसोमल अणु हो, सम्भवतः AMP (चित्र 5a, b)।
हामीले त्यसपछि सोध्यौं कि न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ साइट E. cuniculi ribosome मा देखा पर्‍यो वा यो पहिले अवस्थित थियो।न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ मुख्यतया eL30 राइबोसोमल प्रोटीनमा Phe170 र Lys172 अवशेषहरू द्वारा मध्यस्थता भएको हुनाले, हामीले 4396 प्रतिनिधि युकेरियोट्समा यी अवशेषहरूको संरक्षणको मूल्याङ्कन गर्यौं।माथिको UL15 को मामिलामा हामीले फेला पारे कि phe170 र Lys172 अवशेषहरू केवल सामान्य माइक्रोस्पेरिडा मिटर्सोइडियम र AMPANEMESTESS मा कम छैन, जसमा es39l Rranoths सहित, (चित्र 5 46)।-e)।
सँगै लिइएको, यी डेटाहरूले यो विचारलाई समर्थन गर्दछ कि E. cuniculi र सम्भवतः अन्य क्यानोनिकल माइक्रोस्पोरिडियाले rRNA र प्रोटीन स्तरहरूमा आएको गिरावटको लागि क्षतिपूर्ति गर्न राइबोसोम संरचनामा ठूलो संख्यामा साना मेटाबोलाइटहरू प्रभावकारी रूपमा कब्जा गर्ने क्षमता विकास गरेको छ।यसो गर्दा, तिनीहरूले राइबोजोम बाहिर न्यूक्लियोटाइडहरू बाँध्ने अद्वितीय क्षमता विकास गरेका छन्, परजीवी आणविक संरचनाहरूले प्रचुर मात्रामा साना मेटाबोलाइटहरू क्याप्चर गरेर क्षतिपूर्ति दिन्छ र तिनीहरूलाई घटेको आरएनए र प्रोटीन टुक्राहरूको संरचनात्मक नक्कलको रूपमा प्रयोग गर्दछ।।
हाम्रो क्रायो-ईएम नक्साको तेस्रो अनुकरण नगरिएको भाग, ठूलो रिबोसोमल सब्युनिटमा फेला पर्यो।हाम्रो नक्साको तुलनात्मक रूपमा उच्च रिजोल्युसन (2.6 Å) ले सुझाव दिन्छ कि यो घनत्व ठूलो साइड चेन अवशेषहरूको अद्वितीय संयोजनको साथ प्रोटीनसँग सम्बन्धित छ, जसले हामीलाई यो घनत्वलाई पहिले अज्ञात राइबोसोमल प्रोटीनको रूपमा पहिचान गर्न अनुमति दियो जसलाई हामीले msL2 (Microsporidia- विशिष्ट प्रोटीन L2) (विधिहरू, चित्रा6) नाम दिइएको थियो।हाम्रो होमलोजी खोजले देखायो कि msL2 एन्सेफलाइटर र ओरोस्पोरिडियम जीनसको माइक्रोस्पोरिडिया क्लेडमा संरक्षित छ, तर अन्य माइक्रोस्पोरिडिया सहित अन्य प्रजातिहरूमा अनुपस्थित छ।राइबोसोमल ढाँचामा, msL2 ले विस्तारित ES31L rRNA को हानिबाट बनाइएको खाली ठाउँ ओगटेको छ।यस शून्यमा, msL2 ले rRNA फोल्डिङलाई स्थिर गर्न मद्दत गर्छ र ES31L (चित्र 6) को क्षतिको लागि क्षतिपूर्ति गर्न सक्छ।
E. cuniculi ribosomes मा पाइने माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट राइबोसोमल प्रोटीन msL2 को इलेक्ट्रोन घनत्व र मोडेल।b Saccharomyces cerevisiae को 80S ribosome सहित अधिकांश युकेरियोटिक राइबोसोममा ES19L rRNA एम्प्लीफिकेशन धेरै माइक्रोस्पोरिडियन प्रजातिहरूमा हराएको छ।V. necatrix microsporidia ribosome को पहिले स्थापित संरचनाले सुझाव दिन्छ कि यी परजीवीहरूमा ES19L को हानि नयाँ msL1 राइबोसोमल प्रोटीन को विकास द्वारा क्षतिपूर्ति गरिन्छ।यस अध्ययनमा, हामीले फेला पारेका छौं कि E. cuniculi ribosome ले ES19L को क्षतिको लागि स्पष्ट क्षतिपूर्तिको रूपमा एक अतिरिक्त राइबोसोमल आरएनए नक्कल प्रोटीन पनि विकास गर्यो।यद्यपि, msL2 (हाल काल्पनिक ECU06_1135 प्रोटीनको रूपमा एनोटेट गरिएको छ) र msL1 फरक संरचनात्मक र विकासवादी उत्पत्तिहरू छन्।c विकासवादी रूपमा असंबद्ध msL1 र msL2 राइबोसोमल प्रोटीनहरूको पुस्ताको यो खोजले सुझाव दिन्छ कि यदि राइबोसोमहरूले उनीहरूको rRNA मा हानिकारक उत्परिवर्तनहरू जम्मा गर्छन् भने, तिनीहरूले निकटसँग सम्बन्धित प्रजातिहरूको सानो उपसमूहमा पनि संरचनात्मक विविधताको अभूतपूर्व स्तरहरू प्राप्त गर्न सक्छन्।यो खोजले माइटोकोन्ड्रियल राइबोसोमको उत्पत्ति र विकासलाई स्पष्ट गर्न मद्दत गर्न सक्छ, जुन यसको अत्यधिक कम आरआरएनए र प्रजातिहरूमा प्रोटीन संरचनामा असामान्य परिवर्तनशीलताका लागि परिचित छ।
हामीले त्यसपछि msL2 प्रोटीनलाई पहिले वर्णन गरिएको msL1 प्रोटीनसँग तुलना गर्यौं, V. necatrix ribosome मा पाइने एकमात्र ज्ञात माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट राइबोसोमल प्रोटीन।हामी msL1 र msL2 विकासवादी रूपमा सम्बन्धित छ कि छैन भनेर परीक्षण गर्न चाहन्थ्यौं।हाम्रो विश्लेषणले देखायो कि msL1 र msL2 ले रिबोसोमल संरचनामा एउटै गुहा ओगटेको छ, तर फरक प्राथमिक र तृतीय संरचनाहरू छन्, जसले तिनीहरूको स्वतन्त्र विकासवादी उत्पत्ति (चित्र 6) लाई संकेत गर्दछ।तसर्थ, msL2 को हाम्रो खोजले कम्प्याक्ट युकेरियोटिक प्रजातिका समूहहरूले आरआरएनए टुक्राहरूको क्षतिको लागि क्षतिपूर्ति गर्न संरचनात्मक रूपमा भिन्न राइबोसोमल प्रोटीनहरू स्वतन्त्र रूपमा विकसित गर्न सक्छन् भन्ने प्रमाण प्रदान गर्दछ।यो खोज उल्लेखनीय छ कि धेरै जसो साइटोप्लाज्मिक युकेरियोटिक राइबोसोमहरूमा एक अपरिवर्तनीय प्रोटीन हुन्छ, जसमा 81 राइबोसोमल प्रोटीनहरूको एउटै परिवार समावेश हुन्छ।विस्तारित rRNA खण्डहरूको हानिको प्रतिक्रियामा माइक्रोस्पोरिडियाको विभिन्न क्लेडहरूमा msL1 र msL2 को उपस्थितिले परजीवीको आणविक वास्तुकलाको ह्रासले परजीवीहरूलाई क्षतिपूर्ति उत्परिवर्तनहरू खोज्नको कारण देखाउँछ, जसले अन्ततः विभिन्न परजीवी जनसंख्याहरूमा तिनीहरूको अधिग्रहणको नेतृत्व गर्न सक्छ।संरचनाहरू।
अन्तमा, जब हाम्रो मोडेल पूरा भयो, हामीले E. cuniculi ribosome को संरचनालाई जीनोम अनुक्रमबाट भविष्यवाणी गरिएकोसँग तुलना गर्यौं।eL14, eL38, eL41, र eS30 सहित धेरै राइबोसोमल प्रोटीनहरू, पहिले E. cuniculi genome बाट तिनीहरूको homologues को स्पष्ट अनुपस्थितिको कारण E. cuniculi genome बाट हराइरहेको मानिएको थियो।धेरै राइबोसोमल प्रोटिनको हानि धेरै अन्य उच्च कम इनट्रासेलुलर परजीवी र endosymbionts मा पनि भविष्यवाणी गरिएको छ।उदाहरणका लागि, यद्यपि अधिकांश मुक्त-जीवित ब्याक्टेरियाहरूमा 54 राइबोसोमल प्रोटीनहरूको एउटै परिवार समावेश छ, यी प्रोटीन परिवारहरू मध्ये केवल 11 होस्ट-प्रतिबन्धित ब्याक्टेरियाहरूको प्रत्येक विश्लेषण गरिएको जीनोममा पत्ता लगाउन योग्य समरूपहरू छन्।यस धारणाको समर्थनमा, V. necatrix र P. locustae microsporidia मा प्रयोगात्मक रूपमा ribosomal प्रोटीनहरूको कमी देखाइएको छ, जसमा eL38 र eL4131,32 प्रोटीनहरू छैनन्।
यद्यपि, हाम्रो संरचनाले देखाउँछ कि केवल eL38, eL41, र eS30 वास्तवमा E. cuniculi ribosome मा हराएको छ।eL14 प्रोटिनलाई सुरक्षित गरिएको थियो र हाम्रो संरचनाले यो प्रोटिन किन होमोलोजी खोजमा फेला पार्न सकेन (चित्र 7) देखायो।E. cuniculi ribosomes मा, eL14 बाइन्डिङ साइट को अधिकांश rRNA-एम्प्लीफाइड ES39L को गिरावट को कारण हराएको छ।ES39L को अनुपस्थितिमा, eL14 ले आफ्नो अधिकांश माध्यमिक संरचना गुमायो, र E. cuniculi र S. cerevisiae मा eL14 अनुक्रमको मात्र 18% समान थियो।यो खराब अनुक्रम संरक्षण उल्लेखनीय छ किनभने Saccharomyces cerevisiae र Homo sapiens - 1.5 बिलियन वर्षको अन्तरमा विकसित जीवहरूले eL14 मा समान अवशेषहरूको 51% भन्दा बढी साझेदारी गर्छन्।संरक्षणको यो असामान्य हानिले E. cuniculi eL14 लाई किन वर्तमानमा पुटेटिभ M970_061160 प्रोटीनको रूपमा एनोटेट गरिएको छ र eL1427 राइबोसोमल प्रोटीनको रूपमा व्याख्या गरिएको छैन।
र माइक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमले ES39L rRNA विस्तार गुमाएको छ, जसले आंशिक रूपमा eL14 राइबोसोमल प्रोटीन बाइन्डिङ साइटलाई हटायो।ES39L को अनुपस्थितिमा, eL14 माइक्रोस्पोर प्रोटिनले माध्यमिक संरचना गुमाउँछ, जसमा पूर्व आरआरएनए-बाइन्डिङ α-हेलिक्स न्यूनतम लम्बाइको लूपमा पतन हुन्छ।b बहु अनुक्रम पङ्क्तिबद्धताले देखाउँछ कि eL14 प्रोटिन युकेरियोटिक प्रजातिहरूमा अत्यधिक संरक्षित छ (खमीर र मानव होमोलोगहरू बीचको 57% अनुक्रम पहिचान), तर कमजोर रूपमा संरक्षित र माइक्रोस्पोरिडियामा भिन्न हुन्छ (जसमा 24% भन्दा बढी अवशेषहरू eL14mo homologues सँग समान छैनन्)।S. cerevisiae वा H. sapiens बाट)।यो कमजोर अनुक्रम संरक्षण र माध्यमिक संरचना परिवर्तनशीलताले E. cuniculi मा eL14 homologue किन फेला परेको छैन र किन यो प्रोटीन E. cuniculi मा हराएको छ भनेर व्याख्या गर्दछ।यसको विपरित, E. cuniculi eL14 लाई पहिले M970_061160 प्रोटीनको रूपमा एनोटेट गरिएको थियो।यो अवलोकनले माइक्रोस्पोरिडिया जीनोम विविधतालाई हाल अति नै अनुमानित गरिएको बताउँछ: हाल माइक्रोस्पोरिडियामा हराएको मानिने केही जीनहरू वास्तवमा संरक्षित छन्, यद्यपि धेरै भिन्न रूपहरूमा;यसको सट्टा, केहीले कीरा-विशिष्ट प्रोटिनहरू (जस्तै, काल्पनिक प्रोटिन M970_061160) को लागि माइक्रोस्पोरिडिया जीनहरूका लागि कोड गर्ने विचार गरिन्छ।
यो खोजले सुझाव दिन्छ कि आरआरएनए विकृतीकरणले छेउछाउको राइबोसोमल प्रोटीनहरूमा अनुक्रम संरक्षणको नाटकीय हानि निम्त्याउन सक्छ, यी प्रोटीनहरूलाई होमोलजी खोजहरूको लागि पत्ता लगाउन नसकिने रेन्डर गर्दछ।यसरी, हामी साना जीनोम जीवहरूमा आणविक ह्रासको वास्तविक डिग्रीलाई बढावा दिन सक्छौं, किनकि हराएको ठानिएको केही प्रोटिनहरू वास्तवमा रहिरहन्छ, यद्यपि अत्यधिक परिवर्तन गरिएका रूपहरूमा।
चरम जीनोम घटाउने अवस्थाहरूमा परजीवीहरूले कसरी आफ्नो आणविक मेसिनहरूको कार्यलाई कायम राख्न सक्छन्?हाम्रो अध्ययनले E. cuniculi को जटिल आणविक संरचना (ribosome) को वर्णन गरेर यस प्रश्नको जवाफ दिन्छ, जुन सबैभन्दा सानो युकेरियोटिक जीनोमहरू मध्ये एक भएको जीव हो।
यो लगभग दुई दशकदेखि ज्ञात छ कि माइक्रोबियल परजीवीहरूमा प्रोटीन र आरएनए अणुहरू प्रायः स्वतन्त्र-जीवित प्रजातिहरूमा तिनीहरूको होमोलोगस अणुहरू भन्दा भिन्न हुन्छन् किनभने तिनीहरूमा गुणस्तर नियन्त्रण केन्द्रहरू छैनन्, स्वतन्त्र-जीवित सूक्ष्मजीवहरूमा तिनीहरूको आकारको 50% सम्म घटाइन्छ, आदि।धेरै कमजोर पार्ने उत्परिवर्तन जसले फोल्डिङ र कार्यलाई बाधा पुर्‍याउँछ।उदाहरणका लागि, धेरै इन्ट्रासेलुलर परजीवीहरू र एन्डोसाइम्बियोन्टहरू सहित साना जीनोम जीवहरूको राइबोसोमहरूमा धेरै राइबोसोमल प्रोटीनहरू र स्वतन्त्र जीवित प्रजातिहरू 27, 29, 30, 49 को तुलनामा rRNA न्यूक्लियोटाइडहरूको एक तिहाइसम्म अभाव हुने अपेक्षा गरिन्छ। यद्यपि, यी ठूला परजीवीहरू मार्फत मुख्य रूपले कम्पोसिएटिभ कार्य गर्दछन्। जीनोमिक्स।
हाम्रो अध्ययनले देखाउँछ कि म्याक्रोमोलेक्यूल्सको संरचनाले विकासका धेरै पक्षहरू प्रकट गर्न सक्छ जुन इन्ट्रासेलुलर परजीवी र अन्य होस्ट-प्रतिबन्धित जीवहरूको परम्परागत तुलनात्मक जीनोमिक अध्ययनबाट निकाल्न गाह्रो हुन्छ (पूरक चित्र 7)।उदाहरणका लागि, eL14 प्रोटिनको उदाहरणले देखाउँछ कि हामी परजीवी प्रजातिहरूमा आणविक उपकरणको ह्रासको वास्तविक डिग्रीलाई बढी अनुमान गर्न सक्छौं।एन्सेफलिटिक परजीवीहरूमा अब सयौं माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट जीनहरू छन् भन्ने विश्वास गरिन्छ।जे होस्, हाम्रा नतिजाहरूले देखाउँछन् कि यी मध्ये केही देखिने विशिष्ट जीनहरू वास्तवमा अन्य युकेरियोटहरूमा सामान्य हुने जीनको धेरै भिन्न भिन्नताहरू हुन्।यसबाहेक, msL2 प्रोटीनको उदाहरणले देखाउँछ कि हामी कसरी नयाँ राइबोसोमल प्रोटीनहरूलाई बेवास्ता गर्छौं र परजीवी आणविक मेसिनहरूको सामग्रीलाई कम आँकलन गर्छौं।साना अणुहरूको उदाहरणले देखाउँछ कि हामी कसरी परजीवी आणविक संरचनाहरूमा सबैभन्दा सरल आविष्कारहरूलाई बेवास्ता गर्न सक्छौं जसले तिनीहरूलाई नयाँ जैविक गतिविधि दिन सक्छ।
सँगै लिएर, यी परिणामहरूले होस्ट-प्रतिबन्धित जीवहरूको आणविक संरचनाहरू र स्वतन्त्र-जीवित जीवहरूमा तिनीहरूका समकक्षहरू बीचको भिन्नताहरूको हाम्रो बुझाइ सुधार गर्दछ।हामी देखाउँछौं कि आणविक मेशिनहरू, लामो समयदेखि घट्ने, पतन हुने, र विभिन्न कमजोर पार्ने उत्परिवर्तनहरूको अधीनमा, यसको सट्टा व्यवस्थित रूपमा बेवास्ता गरिएको असामान्य संरचनात्मक सुविधाहरूको सेट हुन्छ।
अर्कोतर्फ, हामीले E. cuniculi को राइबोसोमहरूमा फेला पारेका गैर-भारी rRNA टुक्राहरू र फ्यूज गरिएका टुक्राहरूले सुझाव दिन्छ कि जीनोम घटाउने आधारभूत आणविक मेसिनरीका ती भागहरूलाई पनि परिवर्तन गर्न सक्छ जुन जीवनका तीन क्षेत्रहरूमा संरक्षित छन् - लगभग 3.5 बिलियन वर्ष पछि।प्रजातिहरूको स्वतन्त्र विकास।
E. cuniculi ribosomes मा bulge-free र fused rRNA टुक्राहरू एन्डोसिम्बियोटिक ब्याक्टेरियामा आरएनए अणुहरूको अघिल्लो अध्ययनको प्रकाशमा विशेष चासोको विषय हुन्।उदाहरणका लागि, aphid endosymbiont Buchnera aphidicola मा, rRNA र tRNA अणुहरूमा A+T संरचना पूर्वाग्रह र गैर-प्रामाणिक आधार जोडी २०,५० को उच्च अनुपातको कारणले तापमान-संवेदनशील संरचना भएको देखाइएको छ।RNA मा यी परिवर्तनहरू, साथै प्रोटीन अणुहरूमा परिवर्तनहरू, अब साझेदारहरूमा endosymbionts को अत्यधिक निर्भरता र गर्मी 21, 23 को स्थानान्तरण गर्न endosymbionts को असक्षमता को लागी जिम्मेवार मानिन्छ।यद्यपि परजीवी माइक्रोस्पोरिडिया आरआरएनएमा संरचनात्मक रूपमा फरक परिवर्तनहरू छन्, यी परिवर्तनहरूको प्रकृतिले कम थर्मल स्थिरता र चेपेरोन प्रोटीनमा उच्च निर्भरता कम जीनोमहरू भएका जीवहरूमा आरएनए अणुहरूको सामान्य विशेषताहरू हुन सक्छ भनी सुझाव दिन्छ।
अर्कोतर्फ, हाम्रो संरचनाहरूले देखाउँदछ कि परजीवी माइक्रोस्पोरिडियाले व्यापक रूपमा संरक्षित आरआरएनए र प्रोटीन टुक्राहरूको प्रतिरोध गर्ने अद्वितीय क्षमता विकसित गरेको छ, प्रचुर मात्रामा र सजिलैसँग उपलब्ध साना मेटाबोलाइटहरू डिजेनेरेट आरआरएनए र प्रोटीन टुक्राहरूको संरचनात्मक नक्कलको रूपमा प्रयोग गर्ने क्षमता विकास गरेको छ।आणविक संरचना ह्रास।।यो राय यस तथ्यद्वारा समर्थित छ कि साना अणुहरू जसले rRNA मा प्रोटीन टुक्राहरूको क्षतिको लागि क्षतिपूर्ति गर्दछ र E. cuniculi को राइबोसोमहरू uL15 र eL30 प्रोटीनहरूमा माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट अवशेषहरूसँग बाँध्छन्।यसले सुझाव दिन्छ कि राइबोसोमहरूमा साना अणुहरूको बन्धन सकारात्मक चयनको उत्पादन हुन सक्छ, जसमा राइबोसोमल प्रोटीनहरूमा माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट उत्परिवर्तनहरू साना अणुहरूको लागि राइबोसोमहरूको आत्मीयता बढाउने क्षमताको लागि चयन गरिएको छ, जसले अधिक कुशल राइबोसोमल जीवहरूको नेतृत्व गर्न सक्छ।यो खोजले माइक्रोबियल परजीवीहरूको आणविक संरचनामा स्मार्ट आविष्कार प्रकट गर्छ र हामीलाई कसरी परजीवी आणविक संरचनाहरूले घटाउने विकासको बावजुद आफ्नो कार्य कायम राख्छन् भन्ने बारे अझ राम्रो बुझाउँछ।
हाल, यी साना अणुहरूको पहिचान अस्पष्ट रहन्छ।यो स्पष्ट छैन किन राइबोसोमल संरचनामा यी साना अणुहरूको उपस्थिति माइक्रोस्पोरिडिया प्रजातिहरू बीच फरक छ।विशेष गरी, V. necatrix को eL20 र K172 प्रोटीनहरूमा F170 अवशेषको उपस्थितिको बाबजुद, E. cuniculi र P. locustae को ribosomes मा न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ किन देखियो, र V. necatrix को ribosomes मा होइन, यो स्पष्ट छैन।यो मेटाउने अवशेष 43 uL6 (न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ पकेटको छेउमा अवस्थित) को कारणले हुन सक्छ, जुन V. necatrix मा tyrosine छ र E. cuniculi र P. locustae मा threonine होइन।Tyr43 को भारी सुगन्धित साइड चेनले स्टेरिक ओभरल्यापको कारणले न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङमा हस्तक्षेप गर्न सक्छ।वैकल्पिक रूपमा, स्पष्ट न्यूक्लियोटाइड मेटाउने क्रायो-ईएम इमेजिङको कम रिजोल्युसनको कारण हुन सक्छ, जसले V. necatrix राइबोसोमल टुक्राहरूको मोडेलिङमा बाधा पुर्‍याउँछ।
अर्कोतर्फ, हाम्रो कामले सुझाव दिन्छ कि जीनोम क्षयको प्रक्रिया एक आविष्कारक शक्ति हुन सक्छ।विशेष गरी, E. cuniculi ribosome को संरचनाले सुझाव दिन्छ कि माइक्रोस्पोरिडिया राइबोसोममा rRNA र प्रोटीन टुक्राहरूको क्षतिले विकासवादी दबाब सिर्जना गर्दछ जसले राइबोसोम संरचनामा परिवर्तनहरूलाई बढावा दिन्छ।यी भेरियन्टहरू राइबोजोमको सक्रिय साइटबाट टाढा हुन्छन् र इष्टतम राइबोजोम एसेम्बलीलाई कायम राख्न (वा पुनर्स्थापना) मद्दत गर्दछ जुन अन्यथा कम rRNA द्वारा बाधित हुनेछ।यसले सुझाव दिन्छ कि माइक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमको एक प्रमुख आविष्कार जीन बहावलाई बफर गर्ने आवश्यकतामा विकसित भएको देखिन्छ।
सायद यो सबैभन्दा राम्रो न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ द्वारा चित्रण गरिएको छ, जुन अहिलेसम्म अन्य जीवहरूमा कहिल्यै अवलोकन गरिएको छैन।न्यूक्लियोटाइड-बाइन्डिङ अवशेषहरू सामान्य माइक्रोस्पोरिडियामा अवस्थित छन्, तर अन्य युकेरियोटहरूमा होइन भन्ने तथ्यले सुझाव दिन्छ कि न्यूक्लियोटाइड-बाइन्डिङ साइटहरू हराउन पर्खिरहेका अवशेषहरू मात्र होइनन्, वा व्यक्तिगत न्यूक्लियोटाइडहरूको रूपमा आरआरएनएको लागि अन्तिम साइटहरू पुनर्स्थापित गर्न सकिन्छ।यसको सट्टा, यो साइट एक उपयोगी सुविधा जस्तो देखिन्छ जुन सकारात्मक चयनको धेरै राउन्डहरूमा विकसित हुन सक्छ।न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ साइटहरू प्राकृतिक छनोटको उप-उत्पादन हुन सक्छ: एक पटक ES39L डिग्रेड भएपछि, माइक्रोस्पोरिडिया ES39L को अनुपस्थितिमा इष्टतम राइबोसोम बायोजेनेसिस पुनर्स्थापना गर्न क्षतिपूर्ति खोज्न बाध्य हुन्छन्।यस न्यूक्लियोटाइडले ES39L मा A3186 न्यूक्लियोटाइडको आणविक सम्पर्कहरूको नक्कल गर्न सक्ने हुनाले, न्यूक्लियोटाइड अणु राइबोसोमको निर्माण ब्लक बन्छ, जसको बन्धन eL30 अनुक्रमको उत्परिवर्तनद्वारा थप सुधार हुन्छ।
इन्ट्रासेलुलर परजीवीहरूको आणविक विकासको सन्दर्भमा, हाम्रो अध्ययनले देखाउँछ कि डार्विनको प्राकृतिक चयनको बल र जीनोम क्षयको आनुवंशिक बहाव समानान्तरमा काम गर्दैन, तर दोलनमा।पहिलो, आनुवंशिक बहावले जैव अणुहरूको महत्त्वपूर्ण विशेषताहरू हटाउँछ, क्षतिपूर्तिलाई अत्यन्त आवश्यक बनाउँछ।जब परजीवीहरूले डार्विनको प्राकृतिक चयनको माध्यमबाट यो आवश्यकता पूरा गर्दछन् तब मात्र तिनीहरूका म्याक्रोमोलिक्युलहरूले उनीहरूको सबैभन्दा प्रभावशाली र नवीन विशेषताहरू विकास गर्ने मौका पाउनेछन्।महत्त्वपूर्ण रूपमा, E. cuniculi ribosome मा न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ साइटहरूको विकासले सुझाव दिन्छ कि आणविक विकासको यो हानि-देखि-लाभ ढाँचाले हानिकारक उत्परिवर्तनहरू मात्र होइन, तर कहिलेकाहीँ परजीवी म्याक्रोमोलिक्युलहरूमा पूर्ण रूपमा नयाँ कार्यहरू प्रदान गर्दछ।
यो विचार सेवेल राइटको गतिशील सन्तुलन सिद्धान्तसँग मिल्दोजुल्दो छ, जसले बताउँछ कि प्राकृतिक चयनको कडा प्रणालीले जीवहरूको क्षमतालाई 51,52,53 आविष्कार गर्न सीमित गर्दछ।यद्यपि, यदि आनुवंशिक बहावले प्राकृतिक चयनलाई बाधा पुर्‍याउँछ भने, यी बहावहरूले परिवर्तनहरू उत्पादन गर्न सक्छन् जुन आफैंमा अनुकूली (वा हानिकारक पनि) होइन तर थप परिवर्तनहरू निम्त्याउन सक्छ जसले उच्च फिटनेस वा नयाँ जैविक गतिविधि प्रदान गर्दछ।हाम्रो ढाँचाले यो विचारलाई समर्थन गर्दछ कि उही प्रकारको उत्परिवर्तन जसले बायोमोलेक्युलको तह र कार्यलाई कम गर्छ यसको सुधारको लागि मुख्य ट्रिगर हो जस्तो देखिन्छ।विन-विन इभोलुसनरी मोडेलको अनुरूप, हाम्रो अध्ययनले देखाउँछ कि जीनोम क्षय, परम्परागत रूपमा एक अपक्षयी प्रक्रियाको रूपमा हेरिन्छ, नवाचारको एक प्रमुख चालक पनि हो, कहिलेकाहीँ र सायद प्रायः म्याक्रोमोलिक्युलहरूलाई नयाँ परजीवी गतिविधिहरू प्राप्त गर्न अनुमति दिन्छ।तिनीहरूलाई प्रयोग गर्न सक्नुहुन्छ।