Nature.com भ्रमण गर्नुभएकोमा धन्यवाद। तपाईंले प्रयोग गरिरहनुभएको ब्राउजर संस्करणमा सीमित CSS समर्थन छ। उत्तम अनुभवको लागि, हामी तपाईंलाई अद्यावधिक गरिएको ब्राउजर प्रयोग गर्न सिफारिस गर्छौं (वा इन्टरनेट एक्सप्लोररमा अनुकूलता मोड असक्षम पार्नुहोस्)। यसै बीचमा, निरन्तर समर्थन सुनिश्चित गर्न, हामी शैली र जाभास्क्रिप्ट बिना साइट रेन्डर गर्नेछौं।
सूक्ष्मजीव परजीवीहरूको विकासमा प्राकृतिक चयन, जसले परजीवीहरूलाई सुधार गर्छ, र आनुवंशिक बहाव बीचको प्रतिक्रिया समावेश छ, जसले परजीवीहरूले जीनहरू गुमाउँछन् र हानिकारक उत्परिवर्तनहरू जम्मा गर्छन्। यहाँ, यो प्रतिक्रिया एकल म्याक्रोमोलेक्युलको स्केलमा कसरी हुन्छ भनेर बुझ्नको लागि, हामी प्रकृतिमा सबैभन्दा सानो जीनोमहरू मध्ये एक भएको युकेरियोटिक जीव, एन्सेफलिटोजुन क्युनिकुलीको राइबोसोमको क्रायो-ईएम संरचनाको वर्णन गर्छौं। ई. क्युनिकुली राइबोसोमहरूमा आरआरएनएको अत्यधिक कमी अभूतपूर्व संरचनात्मक परिवर्तनहरूसँगसँगै छ, जस्तै पहिले अज्ञात फ्युज्ड आरआरएनए लिङ्करहरू र बल्ज बिना आरआरएनएको विकास। थप रूपमा, ई. क्युनिकुली राइबोसोमले घटेका आरआरएनए टुक्राहरू र प्रोटीनहरूको संरचनात्मक नक्कलको रूपमा साना अणुहरू प्रयोग गर्ने क्षमता विकास गरेर आरआरएनए टुक्राहरू र प्रोटीनहरूको क्षतिबाट बच्यो। समग्रमा, हामी देखाउँछौं कि आणविक संरचनाहरूलाई लामो समयदेखि कम, पतन, र कमजोर पार्ने उत्परिवर्तनको अधीनमा मानिने धेरै क्षतिपूर्ति संयन्त्रहरू छन् जसले अत्यधिक आणविक संकुचनहरूको बावजुद तिनीहरूलाई सक्रिय राख्छ।
धेरैजसो सूक्ष्मजीव परजीवी समूहहरूमा आफ्ना होस्टहरूको शोषण गर्न अद्वितीय आणविक उपकरणहरू हुने भएकाले, हामीले प्रायः परजीवीहरूको विभिन्न समूहहरूको लागि फरक-फरक उपचारहरू विकास गर्नुपर्छ १,२। यद्यपि, नयाँ प्रमाणहरूले सुझाव दिन्छ कि परजीवी विकासका केही पक्षहरू अभिसरणशील र धेरै हदसम्म अनुमान गर्न सकिने छन्, जसले सूक्ष्मजीव परजीवीहरूमा व्यापक चिकित्सीय हस्तक्षेपहरूको लागि सम्भावित आधारलाई संकेत गर्दछ ३,४,५,६,७,८,९।
अघिल्लो कामले माइक्रोबियल परजीवीहरूमा जीनोम रिडक्सन वा जीनोम क्षय भनिने एक सामान्य विकासवादी प्रवृत्ति पहिचान गरेको छ। हालको अनुसन्धानले देखाउँछ कि जब सूक्ष्मजीवहरूले आफ्नो स्वतन्त्र-जीवन जीवनशैली त्याग्छन् र अन्तर्कोशिकीय परजीवी (वा एन्डोसिम्बियोन्ट) बन्छ, तिनीहरूको जीनोमहरू लाखौं वर्षमा ढिलो तर अद्भुत रूपान्तरणबाट गुज्रन्छन्। जीनोम क्षय भनेर चिनिने प्रक्रियामा, माइक्रोबियल परजीवीहरूले हानिकारक उत्परिवर्तनहरू जम्मा गर्छन् जसले धेरै पहिलेका महत्त्वपूर्ण जीनहरूलाई स्यूडोजीनमा परिणत गर्दछ, जसले गर्दा क्रमिक जीन हानि र उत्परिवर्तनात्मक पतन हुन्छ। यो पतनले नजिकबाट सम्बन्धित मुक्त-जीवित प्रजातिहरूको तुलनामा सबैभन्दा पुरानो अन्तर्कोशिकीय जीवहरूमा 95% जीनहरू नष्ट गर्न सक्छ। यसरी, अन्तर्कोशिकीय परजीवीहरूको विकास दुई विरोधी शक्तिहरू बीचको टग-अफ-वार हो: डार्विनियन प्राकृतिक चयन, जसले परजीवीहरूको सुधार निम्त्याउँछ, र जीनोमको पतन, परजीवीहरूलाई विस्मृतिमा फ्याँक्छ। परजीवी कसरी यो टग-अफ-वारबाट बाहिर निस्कन र यसको आणविक संरचनाको गतिविधि कायम राख्न सफल भयो भन्ने कुरा अस्पष्ट छ।
जीनोम क्षयको संयन्त्र पूर्ण रूपमा बुझिएको छैन, तर यो मुख्यतया बारम्बार आनुवंशिक बहावको कारणले हुने देखिन्छ। परजीवीहरू सानो, अलैंगिक र आनुवंशिक रूपमा सीमित जनसंख्यामा बस्ने भएकाले, तिनीहरूले DNA प्रतिकृतिको क्रममा कहिलेकाहीं हुने हानिकारक उत्परिवर्तनहरूलाई प्रभावकारी रूपमा हटाउन सक्दैनन्। यसले हानिकारक उत्परिवर्तनहरूको अपरिवर्तनीय संचय र परजीवी जीनोमको कमी निम्त्याउँछ। फलस्वरूप, परजीवीले केवल जीनहरू गुमाउँदैन जुन अब अन्तर्कोशिकीय वातावरणमा यसको अस्तित्वको लागि आवश्यक छैनन्। परजीवी जनसंख्याको छिटपुट हानिकारक उत्परिवर्तनहरूलाई प्रभावकारी रूपमा हटाउन असमर्थता हो जसले गर्दा यी उत्परिवर्तनहरू जीनोमभरि जम्मा हुन्छन्, जसमा तिनीहरूको सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण जीनहरू पनि समावेश छन्।
जीनोम रिडक्सनको बारेमा हाम्रो हालको बुझाइको धेरैजसो भाग जीनोम अनुक्रमहरूको तुलनामा मात्र आधारित छ, जसमा घरायसी कार्यहरू गर्ने र सम्भावित औषधि लक्ष्यको रूपमा काम गर्ने वास्तविक अणुहरूमा हुने परिवर्तनहरूमा कम ध्यान दिइन्छ। तुलनात्मक अध्ययनहरूले देखाएको छ कि हानिकारक इन्ट्रासेलुलर माइक्रोबियल उत्परिवर्तनको बोझले प्रोटीन र न्यूक्लिक एसिडहरूलाई गलत फोल्ड र एकत्रित गर्न प्रवृत्त गर्छ, जसले गर्दा तिनीहरूलाई बढी चेपेरोन निर्भर र तापप्रति अतिसंवेदनशील बनाउँछ19,20,21,22,23। थप रूपमा, विभिन्न परजीवीहरू - कहिलेकाहीं 2.5 बिलियन वर्षसम्म छुट्याइएको स्वतन्त्र विकास - ले तिनीहरूको प्रोटीन संश्लेषण5,6 र DNA मर्मत संयन्त्रहरूमा गुणस्तर नियन्त्रण केन्द्रहरूको समान क्षति अनुभव गरे24। यद्यपि, हानिकारक उत्परिवर्तनहरूको बढ्दो बोझमा आणविक अनुकूलन सहित सेलुलर म्याक्रोमोलेक्युलहरूको अन्य सबै गुणहरूमा इन्ट्रासेलुलर जीवनशैलीको प्रभावको बारेमा थोरै मात्र थाहा छ।
यस कार्यमा, इन्ट्रासेलुलर सूक्ष्मजीवहरूको प्रोटीन र न्यूक्लिक एसिडहरूको विकासलाई राम्रोसँग बुझ्नको लागि, हामीले इन्ट्रासेलुलर परजीवी एन्सेफलिटोजुन क्युनिकुलीको राइबोसोमहरूको संरचना निर्धारण गर्यौं। ई. क्युनिकुल एक फंगस जस्तो जीव हो जुन परजीवी माइक्रोस्पोरिडियाको समूहसँग सम्बन्धित छ जसमा असामान्य रूपमा सानो युकेरियोटिक जीनोमहरू हुन्छन् र त्यसैले जीनोम क्षय25,26,27,28,29,30 अध्ययन गर्न मोडेल जीवहरूको रूपमा प्रयोग गरिन्छ। हालै, माइक्रोस्पोरिडिया, प्यारानोसेमा लोकस्टे, र वैरिमोर्फा नेकाट्रिक्स31,32 (~3.2 Mb जीनोम) को मध्यम रूपमा कम जीनोमहरूको लागि क्रायो-ईएम राइबोसोम संरचना निर्धारण गरिएको थियो। यी संरचनाहरूले सुझाव दिन्छन् कि rRNA प्रवर्धनको केही क्षति छिमेकी राइबोसोमल प्रोटीनहरू बीचको नयाँ सम्पर्कहरूको विकास वा नयाँ msL131,32 राइबोसोमल प्रोटीनहरूको अधिग्रहणद्वारा क्षतिपूर्ति गरिन्छ। प्रजाति एन्सेफलिटोजुन (जीनोम ~२.५ मिलियन bp), तिनीहरूको नजिकको नातेदार ओर्डोस्पोरासँगै, युकेरियोटहरूमा जीनोम घटाउने अन्तिम डिग्री प्रदर्शन गर्दछ - तिनीहरूसँग २००० भन्दा कम प्रोटीन-कोडिङ जीनहरू छन्, र यो अपेक्षा गरिएको छ कि तिनीहरूको राइबोसोमहरू rRNA विस्तार टुक्राहरू (यूकेरियोटिक राइबोसोमहरूलाई ब्याक्टेरियल राइबोसोमहरूबाट छुट्याउने rRNA टुक्राहरू) बाट मात्र रहित छैनन्। E. cuniculi जीनोममा समरूपहरूको अभावको कारणले गर्दा चार राइबोसोमल प्रोटीनहरू पनि छन्। २६,२७,२८। त्यसकारण, हामीले निष्कर्ष निकाल्यौं कि E. cuniculi राइबोसोमले जीनोम क्षयमा आणविक अनुकूलनको लागि पहिले अज्ञात रणनीतिहरू प्रकट गर्न सक्छ।
हाम्रो क्रायो-ईएम संरचनाले विशेषता हुन सक्ने सबैभन्दा सानो युकेरियोटिक साइटोप्लाज्मिक राइबोसोमलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ र जीनोम रिडक्सनको अन्तिम डिग्रीले कोषको अभिन्न अणु मेसिनरीको संरचना, संयोजन र विकासलाई कसरी असर गर्छ भन्ने बारे अन्तर्दृष्टि प्रदान गर्दछ। हामीले पत्ता लगायौं कि ई. क्युनिकुली राइबोसोमले आरएनए फोल्डिंग र राइबोसोम असेंबलीको धेरै व्यापक रूपमा संरक्षित सिद्धान्तहरू उल्लङ्घन गर्दछ, र एक नयाँ, पहिले अज्ञात राइबोसोमल प्रोटीन पत्ता लगायौं। एकदमै अप्रत्याशित रूपमा, हामीले देखाउँछौं कि माइक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमहरूले साना अणुहरूलाई बाँध्ने क्षमता विकसित गरेका छन्, र परिकल्पना गर्छौं कि आरआरएनए र प्रोटीनहरूमा काटछाँटले विकासवादी आविष्कारहरूलाई ट्रिगर गर्दछ जसले अन्ततः राइबोसोममा उपयोगी गुणहरू प्रदान गर्न सक्छ।
इन्ट्रासेल्युलर जीवहरूमा प्रोटीन र न्यूक्लिक एसिडको विकासको बारेमा हाम्रो बुझाइ सुधार गर्न, हामीले संक्रमित स्तनधारी कोषहरूको संस्कृतिबाट E. cuniculi बीजाणुहरूलाई अलग गर्ने निर्णय गर्यौं ताकि तिनीहरूको राइबोसोमहरू शुद्ध गर्न सकियोस् र यी राइबोसोमहरूको संरचना निर्धारण गर्न सकियोस्। ठूलो संख्यामा परजीवी माइक्रोस्पोरिडिया प्राप्त गर्न गाह्रो छ किनभने माइक्रोस्पोरिडियालाई पोषक तत्व माध्यममा कल्चर गर्न सकिँदैन। बरु, तिनीहरू होस्ट सेल भित्र मात्र बढ्छन् र पुनरुत्पादन गर्छन्। त्यसकारण, राइबोसोम शुद्धीकरणको लागि E. cuniculi बायोमास प्राप्त गर्न, हामीले स्तनधारी मृगौला कोष लाइन RK13 लाई E. cuniculi बीजाणुहरूले संक्रमित गर्यौं र E. cuniculi लाई बढ्न र गुणा गर्न अनुमति दिन यी संक्रमित कोषहरूलाई धेरै हप्तासम्म कल्चर गर्यौं। लगभग आधा वर्ग मिटरको संक्रमित सेल मोनोलेयर प्रयोग गरेर, हामी लगभग 300 मिलीग्राम माइक्रोस्पोरिडिया बीजाणुहरू शुद्ध गर्न र तिनीहरूलाई राइबोसोमहरू अलग गर्न प्रयोग गर्न सक्षम भयौं। त्यसपछि हामीले शुद्ध बीजाणुहरूलाई गिलासको मोतीले विघटन गर्यौं र लाइसेट्सको चरणबद्ध पोलिथिलीन ग्लाइकोल फ्र्याक्शनेशन प्रयोग गरेर कच्चा राइबोसोमहरूलाई अलग गर्यौं। यसले हामीलाई संरचनात्मक विश्लेषणको लागि लगभग ३०० µg कच्चा E. cuniculi ribosomes प्राप्त गर्न अनुमति दियो।
त्यसपछि हामीले परिणामस्वरूप प्राप्त राइबोसोम नमूनाहरू प्रयोग गरेर क्रायो-EM छविहरू सङ्कलन गर्यौं र ठूला राइबोसोमल सबयुनिट, सानो सबयुनिट हेड, र सानो सबयुनिटसँग मिल्दोजुल्दो मास्कहरू प्रयोग गरेर यी छविहरू प्रशोधन गर्यौं। यस प्रक्रियाको क्रममा, हामीले लगभग १०८,००० राइबोसोमल कणहरू र २.७ Å को रिजोल्युसन भएका गणना गरिएका क्रायो-EM छविहरू सङ्कलन गर्यौं (पूरक चित्र १-३)। त्यसपछि हामीले E. cuniculi ribosomes (चित्र १a, b) सँग सम्बन्धित rRNA, राइबोसोमल प्रोटीन, र हाइबरनेसन कारक Mdf1 मोडेल गर्न क्रायोईएम छविहरू प्रयोग गर्यौं।
a हाइबरनेसन फ्याक्टर Mdf1 (pdb id 7QEP) सँग जटिलमा E. cuniculi ribosome को संरचना। b E. cuniculi ribosome सँग सम्बन्धित हाइबरनेसन फ्याक्टर Mdf1 को नक्सा। c माइक्रोस्पोरिडियन प्रजातिहरूमा बरामद rRNA लाई ज्ञात राइबोसोमल संरचनाहरूसँग तुलना गर्ने माध्यमिक संरचना नक्सा। प्यानलहरूले डिकोडिङ साइट (DC), sarcinicin लूप (SRL), र पेप्टिडिल ट्रान्सफरेज सेन्टर (PTC) सहित प्रवर्धित rRNA टुक्राहरू (ES) र राइबोसोम सक्रिय साइटहरूको स्थान देखाउँछन्। d E. cuniculi ribosome को पेप्टिडिल ट्रान्सफरेज सेन्टरसँग सम्बन्धित इलेक्ट्रोन घनत्वले सुझाव दिन्छ कि यो उत्प्रेरक साइटमा E. cuniculi परजीवी र H. sapiens सहित यसको होस्टहरूमा समान संरचना छ। e, f डिकोडिङ सेन्टर (e) को सम्बन्धित इलेक्ट्रोन घनत्व र डिकोडिङ सेन्टर (f) को योजनाबद्ध संरचनाले धेरै अन्य युकेरियोटहरूमा E. cuniculi मा A1491 (E. coli नम्बरिङ) को सट्टा U1491 अवशेषहरू छन् भन्ने संकेत गर्छ। यो परिवर्तनले E. cuniculi यो सक्रिय साइटलाई लक्षित गर्ने एन्टिबायोटिकहरू प्रति संवेदनशील हुन सक्छ भन्ने सुझाव दिन्छ।
V. necatrix र P. locustae ribosomes को पहिले स्थापित संरचनाहरूको विपरीत (दुबै संरचनाहरू एउटै माइक्रोस्पोरिडिया परिवार Nosematidae को प्रतिनिधित्व गर्छन् र एकअर्कासँग धेरै मिल्दोजुल्दो छन्), 31,32 E. cuniculi ribosomes ले rRNA र प्रोटीन खण्डीकरणको असंख्य प्रक्रियाहरू पार गर्छन्। थप विकृतीकरण (पूरक चित्रहरू 4-6)। rRNA मा, सबैभन्दा उल्लेखनीय परिवर्तनहरूमा प्रवर्धित 25S rRNA खण्ड ES12L को पूर्ण क्षति र h39, h41, र H18 हेलिसहरूको आंशिक पतन समावेश थियो (चित्र 1c, पूरक चित्र 4)। राइबोसोमल प्रोटीनहरू मध्ये, सबैभन्दा उल्लेखनीय परिवर्तनहरूमा eS30 प्रोटीनको पूर्ण क्षति र eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17, र eS7 प्रोटीनहरूको छोटोपन समावेश थियो (पूरक चित्रहरू 4, 5)।
यसरी, एन्सेफलोटोजुन/ओर्डोस्पोरा प्रजातिहरूको जीनोमको अत्यधिक कमी तिनीहरूको राइबोसोम संरचनामा प्रतिबिम्बित हुन्छ: E. cuniculi ribosomes ले संरचनात्मक विशेषताको अधीनमा रहेका युकेरियोटिक साइटोप्लाज्मिक राइबोसोमहरूमा प्रोटीन सामग्रीको सबैभन्दा नाटकीय क्षति अनुभव गर्दछ, र तिनीहरूसँग ती rRNA र प्रोटीन टुक्राहरू पनि हुँदैनन् जुन युकेरियोटहरूमा मात्र नभई जीवनका तीन क्षेत्रहरूमा पनि व्यापक रूपमा संरक्षित छन्। E. cuniculi ribosome को संरचनाले यी परिवर्तनहरूको लागि पहिलो आणविक मोडेल प्रदान गर्दछ र तुलनात्मक जीनोमिक्स र इन्ट्रासेलुलर बायोमोलेकुलर संरचनाको अध्ययन दुवैद्वारा बेवास्ता गरिएका विकासवादी घटनाहरू प्रकट गर्दछ (पूरक चित्र ७)। तल, हामी यी प्रत्येक घटनाहरूको सम्भावित विकासवादी उत्पत्ति र राइबोसोम प्रकार्यमा तिनीहरूको सम्भावित प्रभावको साथ वर्णन गर्दछौं।
त्यसपछि हामीले पत्ता लगायौं कि, ठूला rRNA काटछाँटका अतिरिक्त, E. cuniculi ribosomes मा तिनीहरूको सक्रिय साइटहरू मध्ये एकमा rRNA भिन्नताहरू छन्। यद्यपि E. cuniculi ribosome को पेप्टिडिल ट्रान्सफरेज केन्द्रमा अन्य युकेरियोटिक राइबोसोमहरू जस्तै संरचना छ (चित्र 1d), न्यूक्लियोटाइड 1491 (E. coli नम्बरिङ, चित्र 1e, f) मा अनुक्रम भिन्नताको कारण डिकोडिङ केन्द्र फरक छ। यो अवलोकन महत्त्वपूर्ण छ किनभने युकेरियोटिक राइबोसोमहरूको डिकोडिङ साइटमा सामान्यतया ब्याक्टेरिया-प्रकारको अवशेष A1408 र G1491 को तुलनामा अवशेषहरू G1408 र A1491 हुन्छन्। यो भिन्नताले रिबोसोमल एन्टिबायोटिकहरूको एमिनोग्लाइकोसाइड परिवार र डिकोडिङ साइटलाई लक्षित गर्ने अन्य साना अणुहरूमा ब्याक्टेरिया र युकेरियोटिक राइबोसोमहरूको फरक संवेदनशीलतालाई निहित गर्दछ। E. cuniculi ribosome को डिकोडिङ साइटमा, अवशेष A1491 लाई U1491 ले प्रतिस्थापन गरिएको थियो, सम्भावित रूपमा यो सक्रिय साइटलाई लक्षित गर्ने साना अणुहरूको लागि एक अद्वितीय बाइन्डिङ इन्टरफेस सिर्जना गर्दै। उही A14901 भेरियन्ट अन्य माइक्रोस्पोरिडिया जस्तै P. locustae र V. necatrix मा पनि पाइन्छ, जसले यो माइक्रोस्पोरिडिया प्रजातिहरूमा व्यापक छ भन्ने सुझाव दिन्छ (चित्र १f)।
हाम्रो E. cuniculi ribosome नमूनाहरू मेटाबोलिक रूपमा निष्क्रिय बीजाणुहरूबाट अलग गरिएको हुनाले, हामीले तनाव वा भोकमरी अवस्थाहरूमा पहिले वर्णन गरिएको राइबोसोम बाइन्डिङको लागि E. cuniculi को क्रायो-EM नक्सा परीक्षण गर्यौं। हाइबरनेसन कारकहरू 31,32,36,37, 38। हामीले हाइबरनेटिंग राइबोसोमको पहिले स्थापित संरचनालाई E. cuniculi ribosome को क्रायो-EM नक्सासँग मिलायौं। डकिङको लागि, S. cerevisiae ribosomes हाइबरनेसन कारक Stm138 भएको जटिलमा, Lso232 कारक भएको जटिलमा लोकस्ट राइबोसोमहरू, र Mdf1 र Mdf231 कारक भएको जटिलमा V. necatrix ribosomes प्रयोग गरिएको थियो। एकै समयमा, हामीले क्रायो-EM घनत्व बाँकी कारक Mdf1 सँग मिल्दोजुल्दो फेला पार्यौं। V. necatrix ribosome मा Mdf1 को बन्धन जस्तै, Mdf1 ले E. cuniculi ribosome मा पनि बाँध्छ, जहाँ यसले ribosome को E साइटलाई रोक्छ, सम्भवतः शरीर निष्क्रिय हुँदा परजीवी बीजाणुहरू चयापचय रूपमा निष्क्रिय हुँदा ribosomes उपलब्ध गराउन मद्दत गर्दछ (चित्र २)।
Mdf1 ले राइबोसोमको E साइटलाई रोक्छ, जसले परजीवी बीजाणुहरू चयापचय रूपमा निष्क्रिय हुँदा राइबोसोमलाई निष्क्रिय पार्न मद्दत गर्छ जस्तो देखिन्छ। E. cuniculi राइबोसोमको संरचनामा, हामीले Mdf1 ले L1 राइबोसोम स्टेमसँग पहिले अज्ञात सम्पर्क बनाउँछ भन्ने पत्ता लगायौं, राइबोसोमको त्यो भाग जसले प्रोटीन संश्लेषणको क्रममा राइबोसोमबाट डिएसिलेटेड tRNA को रिलीजलाई सहज बनाउँछ। यी सम्पर्कहरूले सुझाव दिन्छ कि Mdf1 ले डिएसिलेटेड tRNA जस्तै संयन्त्र प्रयोग गरेर राइबोसोमबाट अलग हुन्छ, जसले राइबोसोमले प्रोटीन संश्लेषणलाई पुन: सक्रिय गर्न Mdf1 लाई कसरी हटाउँछ भन्ने सम्भावित व्याख्या प्रदान गर्दछ।
यद्यपि, हाम्रो संरचनाले Mdf1 र L1 राइबोसोम खुट्टा (प्रोटिन संश्लेषणको क्रममा राइबोसोमबाट डिएसिलेटेड tRNA रिलिज गर्न मद्दत गर्ने राइबोसोमको भाग) बीचको अज्ञात सम्पर्क प्रकट गर्‍यो। विशेष गरी, Mdf1 ले डिएसिलेटेड tRNA अणुको कुहिनो खण्ड जस्तै सम्पर्कहरू प्रयोग गर्दछ (चित्र २)। यो पहिले अज्ञात आणविक मोडेलिङले देखाएको छ कि Mdf1 ले डिएसिलेटेड tRNA जस्तै संयन्त्र प्रयोग गरेर राइबोसोमबाट अलग हुन्छ, जसले प्रोटीन संश्लेषणलाई पुन: सक्रिय गर्न राइबोसोमले यो हाइबरनेशन कारकलाई कसरी हटाउँछ भनेर वर्णन गर्दछ।
rRNA मोडेल निर्माण गर्दा, हामीले E. cuniculi ribosome मा असामान्य रूपमा rRNA टुक्राहरू फोल्ड भएको पाए, जसलाई हामीले फ्युज्ड rRNA भन्यौं (चित्र ३)। जीवनका तीन डोमेनहरूमा फैलिएका राइबोसोमहरूमा, rRNA संरचनाहरूमा फोल्ड हुन्छन् जहाँ धेरैजसो rRNA आधारहरू या त आधार जोडी हुन्छन् र एकअर्कासँग फोल्ड हुन्छन् वा राइबोसोमल प्रोटीनहरूसँग अन्तर्क्रिया गर्छन्38,39,40। यद्यपि, E. cuniculi ribosomes मा, rRNA हरूले आफ्ना केही हेलिसहरूलाई खुला rRNA क्षेत्रहरूमा रूपान्तरण गरेर यो फोल्डिंग सिद्धान्तको उल्लङ्घन गरेको देखिन्छ।
S. cerevisiae, V. necatrix, र E. cuniculi मा H18 25S rRNA हेलिक्सको संरचना। सामान्यतया, तीन जीवन डोमेनहरूमा फैलिएको राइबोसोमहरूमा, यो लिङ्कर २४ देखि ३४ अवशेषहरू भएको RNA हेलिक्समा कुण्डल हुन्छ। माइक्रोस्पोरिडियामा, यसको विपरीत, यो rRNA लिङ्कर बिस्तारै केवल १२ अवशेषहरू भएको दुई एकल-स्ट्र्यान्डेड युरिडिन-समृद्ध लिङ्करहरूमा घटाइन्छ। यी अवशेषहरू मध्ये धेरैजसो विलायकहरूको सम्पर्कमा आउँछन्। चित्रले देखाउँछ कि परजीवी माइक्रोस्पोरिडियाले rRNA फोल्डिङको सामान्य सिद्धान्तहरू उल्लङ्घन गरेको देखिन्छ, जहाँ rRNA आधारहरू सामान्यतया अन्य आधारहरूसँग जोडिएका हुन्छन् वा rRNA-प्रोटिन अन्तरक्रियामा संलग्न हुन्छन्। माइक्रोस्पोरिडियामा, केही rRNA टुक्राहरूले प्रतिकूल तह लिन्छन्, जसमा पहिलेको rRNA हेलिक्स लगभग सीधा रेखामा लामो एकल-स्ट्र्यान्डेड टुक्रा बन्छ। यी असामान्य क्षेत्रहरूको उपस्थितिले माइक्रोस्पोरिडिया rRNA लाई न्यूनतम संख्यामा RNA आधारहरू प्रयोग गरेर टाढाका rRNA टुक्राहरूलाई बाँध्न अनुमति दिन्छ।
यस विकासवादी संक्रमणको सबैभन्दा उल्लेखनीय उदाहरण H18 25S rRNA हेलिक्समा अवलोकन गर्न सकिन्छ (चित्र 3)। E. coli बाट मानिसमा जाने 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, 31,32 H18 हेलिक्सको आधारहरू आंशिक रूपमा अनकोइल्ड हुन्छन्, तर न्यूक्लियोटाइड आधार जोडी संरक्षित हुन्छ। यद्यपि, E. cuniculi मा यो rRNA खण्ड सबैभन्दा छोटो लिङ्करहरू 228UUUGU232 र 301UUUUUUUUUU307 बन्छ। सामान्य rRNA टुक्राहरू भन्दा फरक, यी युरिडिन-युक्त लिङ्करहरू राइबोसोमल प्रोटीनहरूसँग कुण्डल गर्दैनन् वा व्यापक सम्पर्क गर्दैनन्। बरु, तिनीहरूले विलायक-खुला र पूर्ण रूपमा खुला संरचनाहरू अपनाउँछन् जसमा rRNA स्ट्र्यान्डहरू लगभग सीधा विस्तारित हुन्छन्। यो फैलिएको कन्फर्मेसनले कसरी E. cuniculi ले H16 र H18 rRNA हेलिसेसहरू बीचको ३३ Å खाडल भर्न केवल १२ RNA आधारहरू प्रयोग गर्दछ भनेर व्याख्या गर्दछ, जबकि अन्य प्रजातिहरूलाई खाडल भर्न कम्तिमा दोब्बर धेरै rRNA आधारहरू चाहिन्छ।
यसरी, हामी प्रदर्शन गर्न सक्छौं कि, ऊर्जावान रूपमा प्रतिकूल फोल्डिंग मार्फत, परजीवी माइक्रोस्पोरिडियाले जीवनका तीन क्षेत्रहरूमा प्रजातिहरूमा व्यापक रूपमा संरक्षित रहेका ती rRNA खण्डहरूलाई पनि संकुचित गर्ने रणनीति विकास गरेको छ। स्पष्ट रूपमा, rRNA हेलिसहरूलाई छोटो पोली-U लिङ्करहरूमा रूपान्तरण गर्ने उत्परिवर्तनहरू जम्मा गरेर, E. cuniculi ले डिस्टल rRNA टुक्राहरूको लिगेशनको लागि सकेसम्म कम न्यूक्लियोटाइडहरू भएको असामान्य rRNA टुक्राहरू बनाउन सक्छ। यसले माइक्रोस्पोरिडियाले तिनीहरूको संरचनात्मक र कार्यात्मक अखण्डता गुमाए बिना तिनीहरूको आधारभूत आणविक संरचनामा नाटकीय कमी कसरी हासिल गर्यो भनेर व्याख्या गर्न मद्दत गर्दछ।
E. cuniculi rRNA को अर्को असामान्य विशेषता भनेको बाक्लोपन बिना rRNA को उपस्थिति हो (चित्र ४)। बल्जहरू आधार जोडी बिना न्यूक्लियोटाइडहरू हुन् जुन RNA हेलिक्समा लुक्नुको सट्टा बाहिर निस्कन्छन्। धेरैजसो rRNA प्रोट्रुसनहरूले आणविक टाँस्ने पदार्थको रूपमा काम गर्छन्, छेउछाउका राइबोसोमल प्रोटीनहरू वा अन्य rRNA टुक्राहरूलाई बाँध्न मद्दत गर्छन्। केही बल्जहरूले हिन्जको रूपमा काम गर्छन्, जसले rRNA हेलिक्सलाई उत्पादक प्रोटीन संश्लेषणको लागि इष्टतम रूपमा फ्लेक्स र फोल्ड गर्न अनुमति दिन्छ 41।
a एउटा rRNA प्रोट्रुजन (S. cerevisiae नम्बरिङ) E. cuniculi ribosome संरचनामा अनुपस्थित छ, तर धेरैजसो अन्य eukaryotes b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens, र E. cuniculi आन्तरिक राइबोसोमहरूमा पाइन्छ। परजीवीहरूमा धेरै प्राचीन, अत्यधिक संरक्षित rRNA बल्जहरूको अभाव हुन्छ। यी मोटाइहरूले राइबोसोम संरचनालाई स्थिर बनाउँछन्; त्यसैले, माइक्रोस्पोरिडियामा तिनीहरूको अनुपस्थितिले माइक्रोस्पोरिडिया परजीवीहरूमा rRNA फोल्डिङको कम स्थिरतालाई संकेत गर्दछ। P डाँठहरू (ब्याक्टेरियामा L7/L12 डाँठहरू) सँग तुलना गर्दा देखाउँछ कि rRNA बम्पहरूको क्षति कहिलेकाहीं हराएको बम्पहरूको छेउमा नयाँ बम्पहरूको उपस्थितिसँग मेल खान्छ। 23S/28S rRNA मा H42 हेलिक्समा एक प्राचीन बल्ज (Saccharomyces cerevisiae मा U1206) छ जुन जीवनको तीन डोमेनहरूमा यसको सुरक्षाको कारणले कम्तिमा 3.5 बिलियन वर्ष पुरानो अनुमान गरिएको छ। माइक्रोस्पोरिडियामा, यो बल्ज हटाइन्छ। यद्यपि, हराएको बल्जको छेउमा एउटा नयाँ बल्ज देखा पर्‍यो (E. cuniculi मा A1306)।
आश्चर्यजनक रूपमा, हामीले पत्ता लगायौं कि E. cuniculi ribosomes मा अन्य प्रजातिहरूमा पाइने धेरैजसो rRNA bulges को अभाव छ, जसमा अन्य युकेरियोटहरूमा संरक्षित 30 भन्दा बढी bulges समावेश छन् (चित्र 4a)। यो क्षतिले ribosomal subunits र छेउछाउका rRNA helices बीचको धेरै सम्पर्कहरूलाई हटाउँछ, कहिलेकाहीँ ribosome भित्र ठूला खोक्रो खाली ठाउँहरू सिर्जना गर्दछ, जसले E. cuniculi ribosome लाई परम्परागत ribosomes (चित्र 4b) को तुलनामा बढी छिद्रपूर्ण बनाउँछ। उल्लेखनीय रूपमा, हामीले पत्ता लगायौं कि यी धेरैजसो bulges पहिले पहिचान गरिएका V. necatrix र P. locustae ribosome संरचनाहरूमा पनि हराएका थिए, जुन अघिल्लो संरचनात्मक विश्लेषणहरू द्वारा बेवास्ता गरिएको थियो31,32।
कहिलेकाहीँ rRNA बल्जको क्षति हराएको बल्जको छेउमा नयाँ बल्जको विकाससँगै हुन्छ। उदाहरणका लागि, राइबोसोमल P-स्टेममा U1208 बल्ज हुन्छ (Saccharomyces cerevisiae मा) जुन E. coli बाट मानिसमा बाँचेको थियो र त्यसैले यो 3.5 बिलियन वर्ष पुरानो अनुमान गरिएको छ। प्रोटीन संश्लेषणको क्रममा, यो बल्जले P स्टेमलाई खुला र बन्द कन्फर्मेसनहरू बीच सार्न मद्दत गर्दछ ताकि राइबोसोमले अनुवाद कारकहरू भर्ती गर्न र तिनीहरूलाई सक्रिय साइटमा डेलिभर गर्न सकोस्। E. cuniculi ribosomes मा, यो मोटाइ अनुपस्थित छ; यद्यपि, तीन आधार जोडीहरूमा मात्र अवस्थित नयाँ मोटाइ (G883) ले P स्टेमको इष्टतम लचिलोपनको पुनर्स्थापनामा योगदान पुर्‍याउन सक्छ (चित्र 4c)।
बल्ज बिनाको rRNA सम्बन्धी हाम्रो तथ्याङ्कले सुझाव दिन्छ कि rRNA न्यूनीकरण राइबोसोमको सतहमा rRNA तत्वहरूको क्षतिमा मात्र सीमित छैन, तर यसमा राइबोसोम न्यूक्लियस पनि समावेश हुन सक्छ, जसले परजीवी-विशिष्ट आणविक दोष सिर्जना गर्दछ जुन मुक्त-जीवित कोषहरूमा वर्णन गरिएको छैन। जीवित प्रजातिहरू अवलोकन गरिएका छन्।
क्यानोनिकल राइबोसोमल प्रोटीन र rRNA मोडेलिङ गरेपछि, हामीले पत्ता लगायौं कि परम्परागत राइबोसोमल कम्पोनेन्टहरूले क्रायो-EM छविको तीन भागहरू व्याख्या गर्न सक्दैनन्। यी मध्ये दुई टुक्राहरू आकारमा साना अणुहरू हुन् (चित्र 5, पूरक चित्र 8)। पहिलो खण्ड राइबोसोमल प्रोटीनहरू uL15 र eL18 बीच स्यान्डविच गरिएको छ जुन सामान्यतया eL18 को C-टर्मिनस द्वारा ओगटेको स्थितिमा हुन्छ, जुन E. cuniculi मा छोटो हुन्छ। यद्यपि हामी यो अणुको पहिचान निर्धारण गर्न सक्दैनौं, यो घनत्व टापुको आकार र आकार स्पर्मिडाइन अणुहरूको उपस्थिति द्वारा राम्रोसँग व्याख्या गरिएको छ। राइबोसोममा यसको बन्धन uL15 प्रोटीनहरू (Asp51 र Arg56) मा माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट उत्परिवर्तनहरू द्वारा स्थिर हुन्छ, जसले यो सानो अणु (Asp51 र Arg56) को लागि राइबोसोमको आत्मीयता बढाउँछ जस्तो देखिन्छ, किनकि तिनीहरूले uL15 लाई सानो अणुलाई राइबोसोमल संरचनामा बेर्न अनुमति दिन्छन्। पूरक चित्र 2)। 8, अतिरिक्त डेटा 1, 2)।
E. cuniculi ribosome मा बाँधिएको ribose बाहिर न्यूक्लियोटाइडहरूको उपस्थिति देखाउने क्रायो-EM इमेजिङ। E. cuniculi ribosome मा, यो न्यूक्लियोटाइडले धेरैजसो अन्य युकेरियोटिक राइबोसोमहरूमा 25S rRNA A3186 न्यूक्लियोटाइड (Saccharomyces cerevisiae नम्बरिङ) जस्तै स्थान 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। cd माइक्रोस्पोरिडिया प्रजातिहरू बीच eL20 अनुक्रम संरक्षण विश्लेषण। माइक्रोस्पोरिडिया प्रजाति (c) को फाइलोजेनेटिक रूख र eL20 प्रोटीन (d) को बहु अनुक्रम पङ्क्तिबद्धताले देखाउँछ कि न्यूक्लियोटाइड-बाइन्डिङ अवशेषहरू F170 र K172 धेरैजसो विशिष्ट माइक्रोस्पोरिडियामा संरक्षित छन्, S. lophii को अपवाद बाहेक, प्रारम्भिक शाखा माइक्रोस्पोरिडियाको अपवाद बाहेक, जसले ES39L rRNA विस्तारलाई कायम राख्यो। e यो तथ्याङ्कले देखाउँछ कि न्यूक्लियोटाइड-बाइन्डिङ अवशेषहरू F170 र K172 अत्यधिक कम माइक्रोस्पोरिडिया जीनोमको eL20 मा मात्र उपस्थित छन्, तर अन्य युकेरियोटहरूमा छैनन्। समग्रमा, यी तथ्याङ्कहरूले सुझाव दिन्छ कि माइक्रोस्पोरिडियन राइबोसोमहरूले एक न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ साइट विकास गरेका छन् जुन AMP अणुहरूलाई बाँध्ने र राइबोसोमल संरचनामा प्रोटीन-प्रोटिन अन्तरक्रियाहरू स्थिर गर्न प्रयोग गर्ने देखिन्छ। माइक्रोस्पोरिडियामा यो बाइन्डिङ साइटको उच्च संरक्षण र अन्य युकेरियोटहरूमा यसको अनुपस्थितिले सुझाव दिन्छ कि यो साइटले माइक्रोस्पोरिडियाको लागि छनौट बाँच्ने फाइदा प्रदान गर्न सक्छ। यसरी, माइक्रोस्पोरिडिया राइबोसोममा न्यूक्लियोटाइड-बाइन्डिङ पकेट पहिले वर्णन गरिए अनुसार rRNA क्षयको पतनशील विशेषता वा अन्तिम रूप जस्तो देखिँदैन, बरु एक उपयोगी विकासवादी नवीनता हो जसले माइक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमलाई साना अणुहरूलाई प्रत्यक्ष रूपमा बाँध्न अनुमति दिन्छ, तिनीहरूलाई आणविक निर्माण ब्लकको रूपमा प्रयोग गरेर। राइबोसोमहरूको लागि निर्माण ब्लकहरू। यो खोजले माइक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमलाई यसको संरचनात्मक निर्माण ब्लकको रूपमा एकल न्यूक्लियोटाइड प्रयोग गर्न ज्ञात एकमात्र राइबोसोम बनाउँछ। f न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङबाट व्युत्पन्न काल्पनिक विकासवादी मार्ग।
दोस्रो कम आणविक तौल घनत्व राइबोसोमल प्रोटीन uL9 र eL30 बीचको इन्टरफेसमा अवस्थित छ (चित्र 5a)। यो इन्टरफेस पहिले Saccharomyces cerevisiae ribosome को संरचनामा rRNA A3186 (ES39L rRNA एक्सटेन्सनको भाग)38 को 25S न्यूक्लियोटाइडको लागि बाइन्डिङ साइटको रूपमा वर्णन गरिएको थियो। यो देखाइएको थियो कि डिजेनेरेट P. locustae ES39L राइबोसोमहरूमा, यो इन्टरफेसले एक अज्ञात एकल न्यूक्लियोटाइड 31 लाई बाँध्छ, र यो मानिन्छ कि यो न्यूक्लियोटाइड rRNA को एक कम अन्तिम रूप हो, जसमा rRNA को लम्बाइ ~130-230 आधारहरू छन्। ES39L लाई एकल न्यूक्लियोटाइड 32.43 मा घटाइएको छ। हाम्रा क्रायो-EM छविहरूले घनत्व न्यूक्लियोटाइडहरूद्वारा व्याख्या गर्न सकिन्छ भन्ने विचारलाई समर्थन गर्दछ। यद्यपि, हाम्रो संरचनाको उच्च रिजोल्युसनले देखायो कि यो न्यूक्लियोटाइड एक एक्स्ट्रारिबोसोमल अणु हो, सम्भवतः AMP (चित्र 5a, b)।
त्यसपछि हामीले सोध्यौं कि न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ साइट E. cuniculi ribosome मा देखा पर्‍यो वा यो पहिले अवस्थित थियो। न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ मुख्यतया eL30 ribosomal प्रोटीनमा Phe170 र Lys172 अवशेषहरू द्वारा मध्यस्थता गरिएको हुनाले, हामीले 4396 प्रतिनिधि युकेरियोटहरूमा यी अवशेषहरूको संरक्षणको मूल्याङ्कन गर्यौं। माथिको uL15 को मामलामा जस्तै, हामीले पत्ता लगायौं कि Phe170 र Lys172 अवशेषहरू केवल विशिष्ट माइक्रोस्पोरिडियामा अत्यधिक संरक्षित छन्, तर अन्य युकेरियोटहरूमा अनुपस्थित छन्, जसमा atypical Microsporidia Mitosporidium र Amphiamblys समावेश छन्, जसमा ES39L rRNA खण्ड घटाइएको छैन 44, 45, 46 (चित्र 5c)। -e)।
एकसाथ लिँदा, यी तथ्याङ्कहरूले यो विचारलाई समर्थन गर्छन् कि E. cuniculi र सम्भवतः अन्य क्यानोनिकल माइक्रोस्पोरिडियाले rRNA र प्रोटीन स्तरमा आएको गिरावटको क्षतिपूर्ति गर्न राइबोसोम संरचनामा ठूलो संख्यामा साना मेटाबोलाइटहरू कुशलतापूर्वक कब्जा गर्ने क्षमता विकास गरेका छन्। यसो गर्दा, तिनीहरूले राइबोसोम बाहिर न्यूक्लियोटाइडहरू बाँध्ने एक अद्वितीय क्षमता विकास गरेका छन्, जसले देखाउँछ कि परजीवी आणविक संरचनाहरूले प्रचुर मात्रामा साना मेटाबोलाइटहरू कब्जा गरेर र तिनीहरूलाई क्षयित RNA र प्रोटीन टुक्राहरूको संरचनात्मक नक्कलको रूपमा प्रयोग गरेर क्षतिपूर्ति गर्छन्।
हाम्रो क्रायो-EM नक्साको तेस्रो अनसिमुलेटेड भाग, ठूलो राइबोसोमल सबयुनिटमा फेला परेको। हाम्रो नक्साको अपेक्षाकृत उच्च रिजोल्युसन (२.६ Å) ले सुझाव दिन्छ कि यो घनत्व ठूला साइड चेन अवशेषहरूको अद्वितीय संयोजन भएका प्रोटीनहरूसँग सम्बन्धित छ, जसले हामीलाई यो घनत्वलाई पहिले अज्ञात राइबोसोमल प्रोटीनको रूपमा पहिचान गर्न अनुमति दियो जुन हामीले पहिचान गर्यौं। यसलाई msL2 (माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट प्रोटीन L2) नाम दिइएको थियो (विधिहरू, चित्र ६)। हाम्रो होमोलॉजी खोजले देखायो कि msL2 एन्सेफलाइटर र ओरोस्पोरिडियम जीनसको माइक्रोस्पोरिडिया क्लेडमा संरक्षित छ, तर अन्य माइक्रोस्पोरिडिया सहित अन्य प्रजातिहरूमा अनुपस्थित छ। राइबोसोमल संरचनामा, msL2 ले विस्तारित ES31L rRNA को क्षतिबाट बनेको खाडल ओगटेको छ। यस शून्यतामा, msL2 ले rRNA फोल्डिङलाई स्थिर गर्न मद्दत गर्दछ र ES31L को क्षतिको लागि क्षतिपूर्ति गर्न सक्छ (चित्र ६)।
a E. cuniculi ribosomes मा पाइने माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट राइबोसोमल प्रोटीन msL2 को इलेक्ट्रोन घनत्व र मोडेल। b Saccharomyces cerevisiae को 80S राइबोसोम सहित धेरैजसो युकेरियोटिक राइबोसोमहरूमा धेरैजसो माइक्रोस्पोरिडियन प्रजातिहरूमा ES19L rRNA प्रवर्धन हराएको हुन्छ। V. necatrix microsporidia ribosome को पहिले स्थापित संरचनाले सुझाव दिन्छ कि यी परजीवीहरूमा ES19L को क्षति नयाँ msL1 राइबोसोमल प्रोटीनको विकासद्वारा क्षतिपूर्ति गरिन्छ। यस अध्ययनमा, हामीले पत्ता लगायौं कि E. cuniculi ribosome ले ES19L को क्षतिको लागि स्पष्ट क्षतिपूर्तिको रूपमा अतिरिक्त राइबोसोमल RNA नक्कल प्रोटीन पनि विकास गरेको छ। यद्यपि, msL2 (हाल काल्पनिक ECU06_1135 प्रोटीनको रूपमा एनोटेट गरिएको) र msL1 को संरचनात्मक र विकासवादी उत्पत्ति फरक छ। c विकासवादी रूपमा असंबद्ध msL1 र msL2 राइबोसोमल प्रोटीनहरूको उत्पादनको यो खोजले सुझाव दिन्छ कि यदि राइबोसोमहरूले तिनीहरूको rRNA मा हानिकारक उत्परिवर्तनहरू जम्मा गर्छन् भने, तिनीहरूले नजिकबाट सम्बन्धित प्रजातिहरूको सानो उपसमूहमा पनि संरचनात्मक विविधताको अभूतपूर्व स्तर प्राप्त गर्न सक्छन्। यो खोजले माइटोकोन्ड्रियल राइबोसोमको उत्पत्ति र विकासलाई स्पष्ट पार्न मद्दत गर्न सक्छ, जुन यसको अत्यधिक कम rRNA र प्रजातिहरूमा प्रोटीन संरचनामा असामान्य परिवर्तनशीलताको लागि परिचित छ।
त्यसपछि हामीले msL2 प्रोटिनलाई पहिले वर्णन गरिएको msL1 प्रोटिनसँग तुलना गर्यौं, जुन V. necatrix ribosome मा पाइने एक मात्र ज्ञात माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट राइबोसोमल प्रोटिन हो। हामी msL1 र msL2 विकासवादी रूपमा सम्बन्धित छन् कि छैनन् भनेर परीक्षण गर्न चाहन्थ्यौं। हाम्रो विश्लेषणले देखायो कि msL1 र msL2 ले राइबोसोमल संरचनामा एउटै गुहा ओगटेका छन्, तर फरक प्राथमिक र तृतीयक संरचनाहरू छन्, जसले तिनीहरूको स्वतन्त्र विकासवादी उत्पत्तिलाई संकेत गर्दछ (चित्र 6)। यसरी, msL2 को हाम्रो खोजले प्रमाण प्रदान गर्दछ कि कम्प्याक्ट युकेरियोटिक प्रजातिका समूहहरूले rRNA टुक्राहरूको क्षतिको क्षतिपूर्ति गर्न संरचनात्मक रूपमा फरक राइबोसोमल प्रोटीनहरू स्वतन्त्र रूपमा विकसित गर्न सक्छन्। यो खोज उल्लेखनीय छ कि धेरैजसो साइटोप्लाज्मिक युकेरियोटिक राइबोसोमहरूमा 81 राइबोसोमल प्रोटीनहरूको एउटै परिवार सहित एक अपरिवर्तनीय प्रोटीन हुन्छ। विस्तारित rRNA खण्डहरूको क्षतिको प्रतिक्रियामा माइक्रोस्पोरिडियाका विभिन्न क्लेडहरूमा msL1 र msL2 को उपस्थितिले परजीवीको आणविक संरचनाको ह्रासले परजीवीहरूलाई क्षतिपूर्ति उत्परिवर्तन खोज्न बाध्य पार्छ भन्ने सुझाव दिन्छ, जसले अन्ततः विभिन्न परजीवी जनसंख्या संरचनाहरूमा तिनीहरूको अधिग्रहण निम्त्याउन सक्छ।
अन्तमा, जब हाम्रो मोडेल पूरा भयो, हामीले E. cuniculi ribosome को संरचनालाई जीनोम अनुक्रमबाट अनुमान गरिएकोसँग तुलना गर्यौं। eL14, eL38, eL41, र eS30 सहित धेरै राइबोसोमल प्रोटीनहरू पहिले E. cuniculi जीनोमबाट हराएको मानिन्थ्यो किनभने E. cuniculi जीनोमबाट तिनीहरूको समरूपताहरूको स्पष्ट अनुपस्थिति थियो। धेरै राइबोसोमल प्रोटीनहरूको क्षति धेरै अन्य अत्यधिक कम इन्ट्रासेलुलर परजीवीहरू र एन्डोसिम्बियोन्टहरूमा पनि भविष्यवाणी गरिएको छ। उदाहरणका लागि, यद्यपि धेरैजसो मुक्त-जीवित ब्याक्टेरियाहरूमा 54 राइबोसोमल प्रोटीनहरूको एउटै परिवार हुन्छ, यी प्रोटीन परिवारहरू मध्ये केवल 11 मा होस्ट-प्रतिबन्धित ब्याक्टेरियाको प्रत्येक विश्लेषण गरिएको जीनोममा पत्ता लगाउन सकिने समरूपताहरू छन्। यस धारणाको समर्थनमा, V. necatrix र P. locustae microsporidia मा राइबोसोमल प्रोटीनको क्षति प्रयोगात्मक रूपमा अवलोकन गरिएको छ, जसमा eL38 र eL4131,32 प्रोटीनहरूको अभाव छ।
यद्यपि, हाम्रो संरचनाले देखाउँछ कि E. cuniculi ribosome मा eL38, eL41, र eS30 मात्र वास्तवमा हराएका छन्। eL14 प्रोटिन संरक्षित गरिएको थियो र हाम्रो संरचनाले यो प्रोटिन किन होमोलॉजी खोजमा फेला पार्न सकिएन भनेर देखाएको छ (चित्र 7)। E. cuniculi ribosomes मा, rRNA-amplified ES39L को क्षयको कारणले गर्दा eL14 बाइन्डिङ साइटको अधिकांश भाग हराएको छ। ES39L को अनुपस्थितिमा, eL14 ले यसको अधिकांश माध्यमिक संरचना गुमायो, र eL14 अनुक्रमको केवल 18% E. cuniculi र S. cerevisiae मा समान थियो। यो कमजोर अनुक्रम संरक्षण उल्लेखनीय छ किनभने Saccharomyces cerevisiae र Homo sapiens - १.५ अर्ब वर्षको दूरीमा विकसित भएका जीवहरूले पनि eL14 मा समान अवशेषहरूको ५१% भन्दा बढी साझा गर्छन्। संरक्षणको यो असामान्य क्षतिले E. cuniculi eL14 लाई हाल eL1427 राइबोसोमल प्रोटिनको रूपमा नभई कल्पित M970_061160 प्रोटिनको रूपमा एनोटेट गरिएको छ भनेर बताउँछ।
र माइक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमले ES39L rRNA एक्सटेन्सन गुमायो, जसले eL14 राइबोसोमल प्रोटीन बाइन्डिङ साइटलाई आंशिक रूपमा हटाएको थियो। ES39L को अनुपस्थितिमा, eL14 माइक्रोस्पोर प्रोटीनले माध्यमिक संरचना गुमाउँछ, जसमा पहिलेको rRNA-बाइन्डिङ α-हेलिक्स न्यूनतम लम्बाइको लूपमा पतन हुन्छ। b बहु अनुक्रम पङ्क्तिबद्धताले देखाउँछ कि eL14 प्रोटीन युकेरियोटिक प्रजातिहरूमा अत्यधिक संरक्षित छ (यीस्ट र मानव समरूपहरू बीचको 57% अनुक्रम पहिचान), तर कमजोर रूपमा संरक्षित छ र माइक्रोस्पोरिडियामा भिन्न छ (जसमा 24% भन्दा बढी अवशेषहरू eL14 समरूपहरूसँग समान छैनन्)। S. cerevisiae वा H. sapiens बाट)। यो कमजोर अनुक्रम संरक्षण र माध्यमिक संरचना परिवर्तनशीलताले E. cuniculi मा eL14 समरूप किन कहिल्यै फेला परेन र किन यो प्रोटीन E. cuniculi मा हराएको मानिन्छ भनेर बताउँछ। यसको विपरीत, E. cuniculi eL14 लाई पहिले नै अनुमानित M970_061160 प्रोटिनको रूपमा एनोटेट गरिएको थियो। यो अवलोकनले सुझाव दिन्छ कि माइक्रोस्पोरिडिया जीनोम विविधता हाल अत्यधिक अनुमान गरिएको छ: हाल माइक्रोस्पोरिडियामा हराएको मानिने केही जीनहरू वास्तवमा संरक्षित छन्, यद्यपि अत्यधिक भिन्न रूपहरूमा; यसको सट्टा, केहीले कीरा-विशिष्ट प्रोटीनहरूको लागि माइक्रोस्पोरिडिया जीनहरूको लागि कोड गर्ने सोचाइ राख्छन् (जस्तै, काल्पनिक प्रोटीन M970_061160) वास्तवमा अन्य युकेरियोटहरूमा पाइने धेरै विविध प्रोटीनहरूको लागि कोड गर्दछ।
यो खोजले सुझाव दिन्छ कि rRNA विकृतीकरणले छेउछाउका राइबोसोमल प्रोटीनहरूमा अनुक्रम संरक्षणको नाटकीय क्षति निम्त्याउन सक्छ, जसले गर्दा यी प्रोटीनहरू समरूपता खोजहरूको लागि पत्ता लगाउन नसकिने हुन्छन्। यसरी, हामी साना जीनोम जीवहरूमा आणविक क्षयको वास्तविक डिग्रीलाई बढाइचढाइ गर्न सक्छौं, किनकि हराएको मानिने केही प्रोटीनहरू वास्तवमा रहन्छन्, यद्यपि अत्यधिक परिवर्तन गरिएका रूपहरूमा।
अत्यधिक जीनोम घटाउने अवस्थामा परजीवीहरूले आफ्नो आणविक मेसिनहरूको कार्य कसरी कायम राख्न सक्छन्? हाम्रो अध्ययनले यस प्रश्नको जवाफ E. cuniculi को जटिल आणविक संरचना (राइबोसोम) को वर्णन गरेर दिन्छ, जुन सबैभन्दा सानो युकेरियोटिक जीनोमहरू मध्ये एक भएको जीव हो।
लगभग दुई दशकदेखि यो ज्ञात छ कि माइक्रोबियल परजीवीहरूमा प्रोटीन र आरएनए अणुहरू प्रायः मुक्त-जीवित प्रजातिहरूमा तिनीहरूको समरूप अणुहरू भन्दा फरक हुन्छन् किनभने तिनीहरूमा गुणस्तर नियन्त्रण केन्द्रहरू छैनन्, मुक्त-जीवित सूक्ष्मजीवहरूमा तिनीहरूको आकारको ५०% मा घटाइन्छ, आदि। धेरै कमजोर पार्ने उत्परिवर्तनहरू जसले तह र कार्यलाई बिगार्छ। उदाहरणका लागि, धेरै इन्ट्रासेलुलर परजीवीहरू र एन्डोसिम्बियोन्टहरू सहित साना जीनोम जीवहरूको राइबोसोमहरूमा धेरै राइबोसोमल प्रोटीनहरू र मुक्त-जीवित प्रजातिहरूको तुलनामा एक तिहाइ rRNA न्यूक्लियोटाइडहरूको अभाव हुने अपेक्षा गरिएको छ 27, 29, 30, 49। यद्यपि, परजीवीमा यी अणुहरूले कसरी काम गर्छन् भन्ने तरिका धेरै हदसम्म रहस्य नै रहन्छ, मुख्यतया तुलनात्मक जीनोमिक्स मार्फत अध्ययन गरिएको।
हाम्रो अध्ययनले देखाउँछ कि म्याक्रोमोलेक्युलहरूको संरचनाले विकासका धेरै पक्षहरू प्रकट गर्न सक्छ जुन इन्ट्रासेलुलर परजीवीहरू र अन्य होस्ट-प्रतिबन्धित जीवहरूको परम्परागत तुलनात्मक जीनोमिक अध्ययनहरूबाट निकाल्न गाह्रो छ (पूरक चित्र ७)। उदाहरणका लागि, eL14 प्रोटीनको उदाहरणले देखाउँछ कि हामी परजीवी प्रजातिहरूमा आणविक उपकरणको क्षयको वास्तविक डिग्रीलाई बढाइचढाइ गर्न सक्छौं। एन्सेफलिटिक परजीवीहरूमा अब सयौं माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट जीनहरू छन् भन्ने विश्वास गरिन्छ। यद्यपि, हाम्रा नतिजाहरूले देखाउँछन् कि यी देखिने विशिष्ट जीनहरू मध्ये केही वास्तवमा अन्य युकेरियोटहरूमा सामान्य हुने जीनहरूको धेरै फरक रूपहरू 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।
एकसाथ लिँदा, यी नतिजाहरूले होस्ट-प्रतिबन्धित जीवहरूको आणविक संरचनाहरू र मुक्त-जीवित जीवहरूमा तिनीहरूका समकक्षहरू बीचको भिन्नताको हाम्रो बुझाइमा सुधार ल्याउँछ। हामी देखाउँछौं कि आणविक मेसिनहरू, जुन लामो समयदेखि कम, पतनशील र विभिन्न कमजोर पार्ने उत्परिवर्तनको अधीनमा छन्, तिनीहरूको सट्टा व्यवस्थित रूपमा बेवास्ता गरिएका असामान्य संरचनात्मक सुविधाहरूको सेट हुन्छ।
अर्कोतर्फ, E. cuniculi को राइबोसोमहरूमा हामीले फेला पारेका गैर-बल्की rRNA टुक्राहरू र फ्यूज गरिएका टुक्राहरूले सुझाव दिन्छ कि जीनोम रिडक्शनले जीवनका तीन क्षेत्रहरूमा संरक्षित आधारभूत आणविक मेसिनरीका ती भागहरूलाई पनि परिवर्तन गर्न सक्छ - लगभग ३.५ अर्ब वर्ष पछि प्रजातिहरूको स्वतन्त्र विकास।
एन्डोसिम्बायोटिक ब्याक्टेरियामा आरएनए अणुहरूको अघिल्लो अध्ययनको प्रकाशमा E. cuniculi ribosomes मा बल्ज-मुक्त र फ्यूज गरिएको rRNA टुक्राहरू विशेष चासोको विषय हुन्। उदाहरणका लागि, एफिड एन्डोसिम्बियोन्ट बुच्नेरा एफिडिकोलामा, rRNA र tRNA अणुहरूमा A+T संरचना पूर्वाग्रह र गैर-प्रामाणिक आधार जोडीहरूको उच्च अनुपातको कारणले तापक्रम-संवेदनशील संरचनाहरू देखाइएको छ। २०,५०। RNA मा यी परिवर्तनहरू, साथै प्रोटीन अणुहरूमा परिवर्तनहरू, अब साझेदारहरूमा एन्डोसिम्बियोन्टहरूको अत्यधिक निर्भरता र ताप स्थानान्तरण गर्न एन्डोसिम्बियोन्टहरूको असक्षमताको लागि जिम्मेवार मानिन्छन् २१, २३। यद्यपि परजीवी माइक्रोस्पोरिडिया rRNA मा संरचनात्मक रूपमा फरक परिवर्तनहरू छन्, यी परिवर्तनहरूको प्रकृतिले सुझाव दिन्छ कि कम थर्मल स्थिरता र चेपेरोन प्रोटीनहरूमा उच्च निर्भरता कम जीनोम भएका जीवहरूमा आरएनए अणुहरूको सामान्य विशेषताहरू हुन सक्छन्।
अर्कोतर्फ, हाम्रो संरचनाले देखाउँछ कि परजीवी माइक्रोस्पोरिडियाले व्यापक रूपमा संरक्षित rRNA र प्रोटीन टुक्राहरूको प्रतिरोध गर्ने अद्वितीय क्षमता विकास गरेको छ, जसले गर्दा पतित rRNA र प्रोटीन टुक्राहरूको संरचनात्मक नक्कलको रूपमा प्रचुर मात्रामा र सजिलै उपलब्ध साना मेटाबोलाइटहरू प्रयोग गर्ने क्षमता विकास भएको छ। आणविक संरचनाको क्षय। । यो रायलाई यस तथ्यले समर्थन गर्दछ कि E. cuniculi को rRNA र राइबोसोमहरूमा प्रोटीन टुक्राहरूको क्षतिपूर्ति गर्ने साना अणुहरू uL15 र eL30 प्रोटीनहरूमा माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट अवशेषहरूसँग बाँधिन्छन्। यसले सुझाव दिन्छ कि साना अणुहरूलाई राइबोसोमहरूमा बाँध्नु सकारात्मक चयनको उत्पादन हुन सक्छ, जसमा राइबोसोमल प्रोटीनहरूमा माइक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट उत्परिवर्तनहरू साना अणुहरूको लागि राइबोसोमहरूको आत्मीयता बढाउने क्षमताको लागि चयन गरिएको छ, जसले गर्दा अझ कुशल राइबोसोमल जीवहरू निम्त्याउन सक्छ। यो खोजले माइक्रोबियल परजीवीहरूको आणविक संरचनामा एक स्मार्ट नवाचार प्रकट गर्दछ र हामीलाई घटाउने विकासको बावजुद परजीवी आणविक संरचनाहरूले कसरी आफ्नो कार्य कायम राख्छन् भन्ने बारे राम्रो बुझाइ दिन्छ।
हाल, यी साना अणुहरूको पहिचान अस्पष्ट छ। माइक्रोस्पोरिडिया प्रजातिहरू बीच राइबोसोमल संरचनामा यी साना अणुहरूको उपस्थिति किन फरक छ भन्ने कुरा स्पष्ट छैन। विशेष गरी, V. necatrix को eL20 र K172 प्रोटीनहरूमा F170 अवशेषको उपस्थितिको बावजुद, E. cuniculi र P. locustae को राइबोसोमहरूमा न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ किन अवलोकन गरिन्छ र V. necatrix को राइबोसोमहरूमा किन हुँदैन भन्ने कुरा स्पष्ट छैन। यो मेटाउने अवशेष 43 uL6 (न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ पकेटको छेउमा अवस्थित) को कारणले हुन सक्छ, जुन V. necatrix मा टायरोसिन हो र E. cuniculi र P. locustae मा थ्रोनिन होइन। Tyr43 को भारी सुगन्धित साइड चेनले स्टेरिक ओभरल्यापको कारणले न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङमा हस्तक्षेप गर्न सक्छ। वैकल्पिक रूपमा, स्पष्ट न्यूक्लियोटाइड मेटाउने क्रायो-EM इमेजिङको कम रिजोलुसनको कारण हुन सक्छ, जसले V. necatrix ribosomal टुक्राहरूको मोडेलिङमा बाधा पुर्‍याउँछ।
अर्कोतर्फ, हाम्रो कामले सुझाव दिन्छ कि जीनोम क्षयको प्रक्रिया एक आविष्कारशील 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 राइबोसोमको सक्रिय साइटबाट टाढा हुन्छन् र इष्टतम राइबोसोम एसेम्बली कायम राख्न (वा पुनर्स्थापित गर्न) मद्दत गर्ने देखिन्छ जुन अन्यथा कम rRNA द्वारा बाधित हुनेछ। यसले सुझाव दिन्छ कि माइक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमको एक प्रमुख नवाचार जीन बहाव बफर गर्ने आवश्यकतामा विकसित भएको देखिन्छ।
सायद यो न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङद्वारा राम्रोसँग चित्रण गरिएको छ, जुन अहिलेसम्म अन्य जीवहरूमा कहिल्यै अवलोकन गरिएको छैन। न्यूक्लियोटाइड-बाइन्डिङ अवशेषहरू विशिष्ट माइक्रोस्पोरिडियामा उपस्थित छन्, तर अन्य युकेरियोटहरूमा छैनन् भन्ने तथ्यले सुझाव दिन्छ कि न्यूक्लियोटाइड-बाइन्डिङ साइटहरू केवल हराउन पर्खिरहेका अवशेषहरू होइनन्, वा व्यक्तिगत न्यूक्लियोटाइडहरूको रूपमा पुनर्स्थापित गर्न rRNA को लागि अन्तिम साइट होइनन्। बरु, यो साइट एक उपयोगी सुविधा जस्तो देखिन्छ जुन सकारात्मक चयनको धेरै चरणहरूमा विकसित हुन सक्छ। न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ साइटहरू प्राकृतिक चयनको उप-उत्पादन हुन सक्छ: एक पटक ES39L घटेपछि, माइक्रोस्पोरिडिया ES39L को अनुपस्थितिमा इष्टतम राइबोसोम बायोजेनेसिस पुनर्स्थापित गर्न क्षतिपूर्ति खोज्न बाध्य हुन्छन्। यो न्यूक्लियोटाइडले ES39L मा A3186 न्यूक्लियोटाइडको आणविक सम्पर्कहरूको नक्कल गर्न सक्ने भएकोले, न्यूक्लियोटाइड अणु राइबोसोमको निर्माण ब्लक बन्छ, जसको बाइन्डिङ eL30 अनुक्रमको उत्परिवर्तनद्वारा थप सुधार गरिन्छ।
अन्तरकोशिकीय परजीवीहरूको आणविक विकासको सन्दर्भमा, हाम्रो अध्ययनले देखाउँछ कि डार्विनको प्राकृतिक चयन र जीनोम क्षयको आनुवंशिक बहावको शक्तिहरू समानान्तर रूपमा काम गर्दैनन्, तर दोलन हुन्छन्। पहिलो, आनुवंशिक बहावले बायोमोलेक्युलहरूको महत्त्वपूर्ण विशेषताहरूलाई हटाउँछ, जसले क्षतिपूर्तिलाई अत्यन्त आवश्यक बनाउँछ। जब परजीवीहरूले डार्विनको प्राकृतिक चयन मार्फत यो आवश्यकता पूरा गर्छन् तब मात्र तिनीहरूका म्याक्रोमोलेक्युलहरूले तिनीहरूको सबैभन्दा प्रभावशाली र नवीन विशेषताहरू विकास गर्ने मौका पाउनेछन्। महत्त्वपूर्ण कुरा, E. cuniculi ribosome मा न्यूक्लियोटाइड बाइन्डिङ साइटहरूको विकासले आणविक विकासको यो हानि-देखि-लाभ ढाँचाले हानिकारक उत्परिवर्तनहरूलाई मात्र परिशोधन गर्दैन, तर कहिलेकाहीं परजीवी म्याक्रोमोलेक्युलहरूमा पूर्ण रूपमा नयाँ कार्यहरू प्रदान गर्दछ।
यो विचार सेवेल राइटको गतिशील सन्तुलन सिद्धान्तसँग मेल खान्छ, जसले भन्छ कि प्राकृतिक चयनको कडा प्रणालीले जीवहरूको नवप्रवर्तन गर्ने क्षमतालाई सीमित गर्दछ51,52,53। यद्यपि, यदि आनुवंशिक बहावले प्राकृतिक चयनमा बाधा पुर्‍याउँछ भने, यी बहावहरूले परिवर्तनहरू उत्पादन गर्न सक्छन् जुन आफैमा अनुकूली (वा हानिकारक पनि) छैनन् तर थप परिवर्तनहरू निम्त्याउँछन् जसले उच्च फिटनेस वा नयाँ जैविक गतिविधि प्रदान गर्दछ। हाम्रो ढाँचाले यो विचारलाई यो चित्रण गरेर समर्थन गर्दछ कि जैविक अणुहरूको तह र कार्यलाई कम गर्ने उही प्रकारको उत्परिवर्तन यसको सुधारको लागि मुख्य ट्रिगर देखिन्छ। विन-विन विकासवादी मोडेलको अनुरूप, हाम्रो अध्ययनले देखाउँछ कि जीनोम क्षय, परम्परागत रूपमा एक पतनशील प्रक्रियाको रूपमा हेरिएको, पनि नवप्रवर्तनको एक प्रमुख चालक हो, कहिलेकाहीं र सायद प्रायः म्याक्रोमोलेक्युलहरूलाई नयाँ परजीवी गतिविधिहरू प्राप्त गर्न अनुमति दिन्छ। तिनीहरूलाई प्रयोग गर्न सक्छ।