Salamat sa pagbisita sa Nature.com.Ang bersyon ng browser na iyong ginagamit ay may limitadong suporta sa CSS.Para sa pinakamagandang karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o huwag paganahin ang Compatibility Mode sa Internet Explorer).Pansamantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ire-render namin ang site nang walang mga istilo at JavaScript.
Ang ebolusyon ng microbial parasites ay nagsasangkot ng kontraaksyon sa pagitan ng natural selection, na nagiging sanhi ng pagbuti ng mga parasito, at genetic drift, na nagiging sanhi ng mga parasito na mawalan ng mga gene at makaipon ng mga nakakapinsalang mutasyon.Dito, upang maunawaan kung paano nangyayari ang counteraction na ito sa sukat ng isang macromolecule, inilalarawan namin ang cryo-EM na istraktura ng ribosome ng Encephalitozoon cuniculi, isang eukaryotic organism na may isa sa pinakamaliit na genome sa kalikasan.Ang matinding pagbawas ng rRNA sa E. cuniculi ribosomes ay sinamahan ng hindi pa naganap na mga pagbabago sa istruktura, tulad ng ebolusyon ng dati nang hindi kilalang fused rRNA linker at rRNA na walang bulge.Bilang karagdagan, ang E. cuniculi ribosome ay nakaligtas sa pagkawala ng mga fragment at protina ng rRNA sa pamamagitan ng pagbuo ng kakayahang gumamit ng maliliit na molekula bilang panggagaya sa istruktura ng mga nasira na fragment at protina ng rRNA.Sa pangkalahatan, ipinapakita namin na ang mga istrukturang molekular na matagal nang naisip na nababawasan, nabubulok, at napapailalim sa mga nakakapanghinang mutasyon ay may ilang mga compensatory na mekanismo na nagpapanatili sa kanila na aktibo sa kabila ng matinding pag-ikli ng molekular.
Dahil ang karamihan sa mga grupo ng mga microbial na parasito ay may natatanging mga tool sa molekular upang pagsamantalahan ang kanilang mga host, madalas na kailangan nating bumuo ng iba't ibang mga therapeutics para sa iba't ibang grupo ng mga parasito1,2.Gayunpaman, ang mga bagong ebidensya ay nagmumungkahi na ang ilang mga aspeto ng ebolusyon ng parasito ay nagtatagpo at higit sa lahat ay mahuhulaan, na nagpapahiwatig ng isang potensyal na batayan para sa malawak na therapeutic na mga interbensyon sa microbial parasites3,4,5,6,7,8,9.
Ang nakaraang gawain ay nakilala ang isang karaniwang ebolusyonaryong kalakaran sa mga microbial na parasito na tinatawag na pagbabawas ng genome o pagkabulok ng genome10,11,12,13.Ang kasalukuyang pananaliksik ay nagpapakita na kapag ang mga mikroorganismo ay sumuko sa kanilang malayang pamumuhay at naging mga intracellular na parasito (o mga endosymbionts), ang kanilang mga genome ay dumaranas ng mabagal ngunit kamangha-manghang mga metamorphoses sa paglipas ng milyun-milyong taon9,11.Sa isang proseso na kilala bilang genome decay, ang mga microbial parasite ay nag-iipon ng mga nakakapinsalang mutasyon na nagiging pseudogenes ang maraming dating mahalagang gene, na humahantong sa unti-unting pagkawala ng gene at pagbagsak ng mutational14,15.Maaaring sirain ng pagbagsak na ito ang hanggang 95% ng mga gene sa mga pinakalumang intracellular na organismo kumpara sa malapit na nauugnay na mga species na malayang nabubuhay.Kaya, ang ebolusyon ng intracellular parasites ay isang tug-of-war sa pagitan ng dalawang magkasalungat na pwersa: Darwinian natural selection, na humahantong sa pagpapabuti ng mga parasito, at ang pagbagsak ng genome, na naghagis ng mga parasito sa limot.Kung paano nakalabas ang parasito mula sa tug-of-war na ito at napanatili ang aktibidad ng molecular structure nito ay nananatiling hindi maliwanag.
Kahit na ang mekanismo ng pagkabulok ng genome ay hindi lubos na nauunawaan, lumilitaw na ito ay nangyayari pangunahin dahil sa madalas na genetic drift.Dahil ang mga parasito ay naninirahan sa maliliit, asexual, at genetically limited na populasyon, hindi nila epektibong maalis ang mga nakakapinsalang mutasyon na minsan ay nangyayari sa panahon ng pagtitiklop ng DNA.Ito ay humahantong sa hindi maibabalik na akumulasyon ng mga mapaminsalang mutasyon at pagbabawas ng genome ng parasito.Bilang resulta, ang parasito ay hindi lamang nawawalan ng mga gene na hindi na kailangan para sa kaligtasan nito sa intracellular na kapaligiran.Ito ay ang kawalan ng kakayahan ng mga populasyon ng parasito na epektibong alisin ang mga sporadic deleterious mutations na nagiging sanhi ng pag-iipon ng mga mutasyon na ito sa buong genome, kabilang ang kanilang pinakamahalagang mga gene.
Karamihan sa aming kasalukuyang pag-unawa sa pagbabawas ng genome ay batay lamang sa mga paghahambing ng mga pagkakasunud-sunod ng genome, na may kaunting pansin sa mga pagbabago sa aktwal na mga molekula na nagsasagawa ng mga function ng housekeeping at nagsisilbing mga potensyal na target ng gamot.Ipinakita ng mga paghahambing na pag-aaral na ang pasanin ng nakakapinsalang intracellular microbial mutations ay lumilitaw na mag-predispose ng mga protina at nucleic acid na mali at magsama-sama, na ginagawa silang higit na umaasa sa chaperone at hypersensitive sa init19,20,21,22,23.Bilang karagdagan, ang iba't ibang mga parasito—independiyenteng ebolusyon kung minsan ay pinaghihiwalay ng hanggang 2.5 bilyong taon—ay nakaranas ng katulad na pagkawala ng mga sentro ng kontrol sa kalidad sa kanilang synthesis ng protina5,6 at mga mekanismo ng pag-aayos ng DNA24.Gayunpaman, kaunti ang nalalaman tungkol sa epekto ng intracellular na pamumuhay sa lahat ng iba pang mga katangian ng cellular macromolecules, kabilang ang molecular adaptation sa isang pagtaas ng pasanin ng mga nakakapinsalang mutasyon.
Sa gawaing ito, upang mas maunawaan ang ebolusyon ng mga protina at nucleic acid ng mga intracellular microorganism, natukoy namin ang istraktura ng mga ribosom ng intracellular parasite na Encephalitozoon cuniculi.Ang E. cuniculi ay isang fungus-like organism na kabilang sa isang grupo ng parasitic microsporidia na may hindi pangkaraniwang maliliit na eukaryotic genome at samakatuwid ay ginagamit bilang modelong organismo upang pag-aralan ang genome decay25,26,27,28,29,30.Kamakailan lamang, ang istraktura ng cryo-EM ribosome ay natukoy para sa katamtamang nabawasan na mga genome ng Microsporidia, Paranosema locustae, at Vairimorpha necatrix31,32 (~ 3.2 Mb genome).Ang mga istrukturang ito ay nagmumungkahi na ang ilang pagkawala ng rRNA amplification ay binabayaran ng pagbuo ng mga bagong contact sa pagitan ng mga kalapit na ribosomal na protina o ang pagkuha ng mga bagong msL131,32 ribosomal na protina.Ang mga species Encephalitozoon (genome ~2.5 milyong bp), kasama ang kanilang pinakamalapit na kamag-anak na Ordospora, ay nagpapakita ng sukdulang antas ng pagbawas ng genome sa mga eukaryotes - mayroon silang mas mababa sa 2000 na mga gene na nagko-code ng protina, at inaasahan na ang kanilang mga ribosom ay hindi lamang wala ng mga fragment ng pagpapalawak ng rRNA (mga fragment ng rRNA na nakikilala ang kanilang mga eukaryotic na protina na may kakulangan din ng mga eukaryotic na ribosome) homologues sa E. cuniculi genome26,27,28.Samakatuwid, napagpasyahan namin na ang E. cuniculi ribosome ay maaaring magbunyag ng mga dating hindi kilalang estratehiya para sa molecular adaptation sa genome decay.
Ang aming cryo-EM na istraktura ay kumakatawan sa pinakamaliit na eukaryotic cytoplasmic ribosome na mailalarawan at nagbibigay ng insight sa kung paano naaapektuhan ng ultimate degree ng genome reduction ang structure, assembly, at evolution ng molekular na makinarya na integral sa cell.Natagpuan namin na ang E. cuniculi ribosome ay lumalabag sa marami sa mga malawakang pinananatili na mga prinsipyo ng RNA folding at ribosome assembly, at natuklasan ang isang bago, dating hindi kilalang ribosomal na protina.Sa hindi inaasahang pagkakataon, ipinakita namin na ang microsporidia ribosomes ay nag-evolve ng kakayahang magbigkis ng maliliit na molekula, at i-hypothesize na ang mga pagputol sa rRNA at mga protina ay nag-trigger ng mga pagbabago sa ebolusyon na sa huli ay maaaring magbigay ng mga kapaki-pakinabang na katangian sa ribosome.
Upang mapabuti ang aming pag-unawa sa ebolusyon ng mga protina at nucleic acid sa mga intracellular na organismo, nagpasya kaming ihiwalay ang E. cuniculi spores mula sa mga kultura ng mga nahawaang mammalian cell upang linisin ang kanilang mga ribosome at matukoy ang istraktura ng mga ribosome na ito.Mahirap makakuha ng malaking bilang ng parasitic microsporidia dahil hindi ma-culture ang microsporidia sa isang nutrient medium.Sa halip, sila ay lumalaki at nagpaparami lamang sa loob ng host cell.Samakatuwid, upang makakuha ng E. cuniculi biomass para sa ribosome purification, nahawahan namin ang mammalian kidney cell line na RK13 na may E. cuniculi spores at nilinang ang mga infected na cell na ito sa loob ng ilang linggo upang payagan ang E. cuniculi na lumaki at dumami.Gamit ang isang infected na cell monolayer na humigit-kumulang kalahating metro kuwadrado, nadalisay namin ang humigit-kumulang 300 mg ng Microsporidia spores at ginamit ang mga ito upang ihiwalay ang mga ribosom.Pagkatapos ay ginulo namin ang purified spores na may glass beads at ihiwalay ang crude ribosomes gamit ang stepwise polyethylene glycol fractionation ng lysates.Ito ay nagpapahintulot sa amin na makakuha ng humigit-kumulang 300 µg ng hilaw na E. cuniculi ribosomes para sa pagsusuri sa istruktura.
Pagkatapos ay nakolekta namin ang mga cryo-EM na imahe gamit ang mga nagresultang ribosome sample at pinoproseso ang mga larawang ito gamit ang mga maskara na naaayon sa malaking ribosomal subunit, maliit na subunit head, at maliit na subunit.Sa prosesong ito, nakolekta namin ang mga larawan ng humigit-kumulang 108,000 ribosomal na particle at nakalkula ang mga cryo-EM na imahe na may resolusyon na 2.7 Å (Mga Pandagdag na Larawan 1-3).Pagkatapos ay gumamit kami ng mga cryoEM na imahe upang magmodelo ng rRNA, ribosomal protein, at hibernation factor Mdf1 na nauugnay sa E. cuniculi ribosomes (Larawan 1a, b).
isang Structure ng E. cuniculi ribosome sa complex na may hibernation factor Mdf1 (pdb id 7QEP).b Mapa ng hibernation factor Mdf1 na nauugnay sa E. cuniculi ribosome.c Pangalawang istraktura ng mapa na naghahambing ng nabawi na rRNA sa Microsporidian species sa mga kilalang ribosomal na istruktura.Ipinapakita ng mga panel ang lokasyon ng mga amplified rRNA fragment (ES) at ribosome active site, kabilang ang decoding site (DC), ang sarcinicin loop (SRL), at ang peptidyl transferase center (PTC).d Ang density ng elektron na naaayon sa peptidyl transferase center ng E. cuniculi ribosome ay nagmumungkahi na ang catalytic site na ito ay may parehong istraktura sa E. cuniculi parasite at ang mga host nito, kabilang ang H. sapiens.e, f Ang katumbas na electron density ng decoding center (e) at ang eskematiko na istraktura ng decoding center (f) ay nagpapahiwatig na ang E. cuniculi ay may mga nalalabi na U1491 sa halip na A1491 (E. coli numbering) sa maraming iba pang eukaryotes.Iminumungkahi ng pagbabagong ito na ang E. cuniculi ay maaaring sensitibo sa mga antibiotic na nagta-target sa aktibong site na ito.
Kabaligtaran sa naunang itinatag na mga istruktura ng V. necatrix at P. locustae ribosomes (parehong mga istruktura ay kumakatawan sa parehong microsporidia family na Nosematidae at halos magkapareho sa isa't isa), 31,32 E. cuniculi ribosomes ay sumasailalim sa maraming proseso ng rRNA at pagkapira-piraso ng protina.Karagdagang denaturation (Mga Karagdagang Larawan 4-6).Sa rRNA, ang pinakakapansin-pansin na mga pagbabago ay kasama ang kumpletong pagkawala ng amplified 25S rRNA fragment na ES12L at bahagyang pagkabulok ng h39, h41, at H18 helices (Larawan 1c, Karagdagang Larawan 4).Kabilang sa mga ribosomal na protina, ang pinaka-kapansin-pansin na mga pagbabago ay kasama ang kumpletong pagkawala ng eS30 na protina at pagpapaikli ng eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17, at eS7 na protina (Mga Karagdagang Larawan 4, 5).
Kaya, ang matinding pagbawas ng mga genome ng Encephalotozoon/Ordospora species ay makikita sa kanilang ribosome structure: Ang E. cuniculi ribosomes ay nakakaranas ng pinaka-dramatikong pagkawala ng nilalaman ng protina sa eukaryotic cytoplasmic ribosomes na napapailalim sa structural characterization, at wala silang mga rRNA at mga fragment ng protina na malawak ding na-conserve sa tatlong domain ng eukaryotes, ngunit sa mga eukaryote ng buhay.Ang istraktura ng E. cuniculi ribosome ay nagbibigay ng unang molekular na modelo para sa mga pagbabagong ito at nagpapakita ng mga ebolusyonaryong kaganapan na hindi napapansin ng parehong comparative genomics at pag-aaral ng intracellular biomolecular na istraktura (Karagdagang Fig. 7).Sa ibaba, inilalarawan namin ang bawat isa sa mga kaganapang ito kasama ang kanilang malamang na ebolusyonaryong pinagmulan at ang kanilang potensyal na epekto sa ribosome function.
Nalaman namin pagkatapos na, bilang karagdagan sa malalaking rRNA truncation, ang E. cuniculi ribosomes ay may mga variation ng rRNA sa isa sa kanilang mga aktibong site.Bagaman ang peptidyl transferase center ng E. cuniculi ribosome ay may parehong istraktura tulad ng iba pang eukaryotic ribosomes (Fig. 1d), ang decoding center ay naiiba dahil sa sequence variation sa nucleotide 1491 (E. coli numbering, Fig. 1e, f).Ang pagmamasid na ito ay mahalaga dahil ang decoding site ng eukaryotic ribosomes ay karaniwang naglalaman ng mga residue G1408 at A1491 kumpara sa bacterial-type residues na A1408 at G1491.Pinagbabatayan ng variation na ito ang iba't ibang sensitivity ng bacterial at eukaryotic ribosome sa aminoglycoside family ng ribosomal antibiotic at iba pang maliliit na molecule na nagta-target sa decoding site.Sa site ng pag-decode ng E. cuniculi ribosome, ang nalalabi na A1491 ay pinalitan ng U1491, na potensyal na lumikha ng isang natatanging nagbubuklod na interface para sa maliliit na molekula na nagta-target sa aktibong site na ito.Ang parehong variant ng A14901 ay naroroon din sa iba pang microsporidia tulad ng P. locustae at V. necatrix, na nagmumungkahi na ito ay laganap sa microsporidia species (Fig. 1f).
Dahil ang aming E. cuniculi ribosome sample ay nahiwalay sa metabolically inactive spores, sinubukan namin ang cryo-EM na mapa ng E. cuniculi para sa naunang inilarawan na ribosome binding sa ilalim ng mga kondisyon ng stress o gutom.Mga salik ng hibernation 31,32,36,37, 38. Itinugma namin ang dating naitatag na istraktura ng hibernating ribosome sa cryo-EM na mapa ng E. cuniculi ribosome.Para sa docking, S. cerevisiae ribosomes ay ginamit sa complex na may hibernation factor Stm138, locust ribosomes sa complex na may Lso232 factor, at V. necatrix ribosomes sa complex na may Mdf1 at Mdf231 factor.Kasabay nito, natagpuan namin ang density ng cryo-EM na naaayon sa natitirang kadahilanan na Mdf1.Katulad ng Mdf1 na nagbubuklod sa V. necatrix ribosome, ang Mdf1 ay nagbubuklod din sa E. cuniculi ribosome, kung saan hinaharangan nito ang E site ng ribosome, posibleng nakakatulong na gawing available ang mga ribosome kapag ang mga parasite spores ay nagiging metabolically inactive kapag hindi aktibo ang katawan (Larawan 2).).
Hinaharangan ng Mdf1 ang E site ng ribosome, na lumilitaw na nakakatulong na hindi aktibo ang ribosome kapag ang mga spores ng parasito ay nagiging metabolically inactive.Sa istruktura ng E. cuniculi ribosome, nalaman namin na ang Mdf1 ay bumubuo ng isang dating hindi kilalang contact sa L1 ribosome stem, ang bahagi ng ribosome na nagpapadali sa pagpapalabas ng deacylated tRNA mula sa ribosome sa panahon ng synthesis ng protina.Iminumungkahi ng mga contact na ito na ang Mdf1 ay naghihiwalay mula sa ribosome gamit ang parehong mekanismo tulad ng deacetylated tRNA, na nagbibigay ng isang posibleng paliwanag kung paano inaalis ng ribosome ang Mdf1 upang muling maisaaktibo ang synthesis ng protina.
Gayunpaman, ang aming istraktura ay nagsiwalat ng isang hindi kilalang contact sa pagitan ng Mdf1 at ng L1 ribosome leg (ang bahagi ng ribosome na tumutulong sa pagpapalabas ng deacylated tRNA mula sa ribosome sa panahon ng synthesis ng protina).Sa partikular, ginagamit ng Mdf1 ang parehong mga contact gaya ng elbow segment ng deacylated tRNA molecule (Fig. 2).Ang dati nang hindi kilalang molecular modeling na ito ay nagpakita na ang Mdf1 ay naghihiwalay mula sa ribosome gamit ang parehong mekanismo tulad ng deacetylated tRNA, na nagpapaliwanag kung paano inaalis ng ribosome ang hibernation factor na ito upang muling maisaaktibo ang synthesis ng protina.
Sa pagbuo ng rRNA model, nalaman namin na ang E. cuniculi ribosome ay may abnormal na nakatiklop na rRNA fragment, na tinatawag naming fused rRNA (Fig. 3).Sa mga ribosom na sumasaklaw sa tatlong mga domain ng buhay, ang rRNA ay natitiklop sa mga istruktura kung saan ang karamihan sa mga base ng rRNA ay nakabatay sa alinman sa pares ng base at nakatiklop sa isa't isa o nakikipag-ugnayan sa mga ribosomal na protina38,39,40.Gayunpaman, sa E. cuniculi ribosomes, ang mga rRNA ay tila lumalabag sa natitiklop na prinsipyong ito sa pamamagitan ng pag-convert ng ilan sa kanilang mga helice sa hindi natupi na mga rehiyon ng rRNA.
Istraktura ng H18 25S rRNA helix sa S. cerevisiae, V. necatrix, at E. cuniculi.Karaniwan, sa mga ribosom na sumasaklaw sa tatlong mga domain ng buhay, ang linker na ito ay pumulupot sa isang RNA helix na naglalaman ng 24 hanggang 34 na nalalabi.Sa Microsporidia, sa kabaligtaran, ang rRNA linker na ito ay unti-unting nababawasan sa dalawang single-stranded uridine-rich linker na naglalaman lamang ng 12 residues.Karamihan sa mga nalalabi na ito ay nakalantad sa mga solvent.Ang figure ay nagpapakita na ang parasitic microsporidia ay lumilitaw na lumalabag sa pangkalahatang mga prinsipyo ng rRNA folding, kung saan ang mga rRNA base ay karaniwang pinagsama sa iba pang mga base o kasangkot sa mga pakikipag-ugnayan ng rRNA-protein.Sa microsporidia, ang ilang mga fragment ng rRNA ay tumatagal ng isang hindi kanais-nais na fold, kung saan ang dating rRNA helix ay nagiging isang solong-stranded na fragment na pinahaba halos sa isang tuwid na linya.Ang pagkakaroon ng mga hindi pangkaraniwang rehiyon na ito ay nagpapahintulot sa microsporidia rRNA na magbigkis ng malalayong mga fragment ng rRNA gamit ang kaunting bilang ng mga base ng RNA.
Ang pinaka-kapansin-pansin na halimbawa ng ebolusyonaryong paglipat na ito ay maaaring maobserbahan sa H18 25S rRNA helix (Larawan 3).Sa mga species mula sa E. coli hanggang sa mga tao, ang mga base ng rRNA helix na ito ay naglalaman ng 24-32 nucleotides, na bumubuo ng isang bahagyang hindi regular na helix.Sa naunang natukoy na mga istrukturang ribosomal mula sa V. necatrix at P. locustae, 31,32 ang mga base ng H18 helix ay bahagyang hindi nababalot, ngunit ang pagpapares ng base ng nucleotide ay napanatili.Gayunpaman, sa E. cuniculi ang rRNA fragment na ito ay nagiging pinakamaikling linker 228UUUGU232 at 301UUUUUUUUU307.Hindi tulad ng karaniwang mga fragment ng rRNA, ang mga uridine-rich linker na ito ay hindi umiikot o gumagawa ng malawak na pakikipag-ugnayan sa mga ribosomal na protina.Sa halip, pinagtibay nila ang solvent-open at ganap na nakabukas na mga istraktura kung saan ang mga rRNA strands ay pinalawak nang halos tuwid.Ipinapaliwanag ng stretched conformation na ito kung paano gumagamit ang E. cuniculi ng 12 RNA base lang para punan ang 33 Å gap sa pagitan ng H16 at H18 rRNA helice, habang ang ibang species ay nangangailangan ng hindi bababa sa dalawang beses sa dami ng rRNA base para punan ang gap.
Kaya, maaari nating ipakita na, sa pamamagitan ng masiglang hindi kanais-nais na pagtitiklop, ang parasitic microsporidia ay nakabuo ng isang diskarte upang makontrata kahit na ang mga segment ng rRNA na nananatiling malawak na natipid sa mga species sa tatlong domain ng buhay.Tila, sa pamamagitan ng pag-iipon ng mga mutasyon na nagbabago ng mga rRNA helice sa maikling poly-U na mga link, ang E. cuniculi ay maaaring bumuo ng hindi pangkaraniwang mga fragment ng rRNA na naglalaman ng kaunting mga nucleotide hangga't maaari para sa ligation ng mga distal na fragment ng rRNA.Nakakatulong ito na ipaliwanag kung paano nakamit ng microsporidia ang isang dramatikong pagbawas sa kanilang pangunahing molecular structure nang hindi nawawala ang kanilang structural at functional na integridad.
Ang isa pang hindi pangkaraniwang katangian ng E. cuniculi rRNA ay ang hitsura ng rRNA na walang mga pampalapot (Larawan 4).Ang mga bulge ay mga nucleotide na walang mga pares ng base na umiikot palabas ng RNA helix sa halip na magtago dito.Karamihan sa mga rRNA protrusions ay nagsisilbing molecular adhesives, na tumutulong sa pagbigkis ng mga katabing ribosomal protein o iba pang rRNA fragment.Ang ilan sa mga bulge ay kumikilos bilang mga bisagra, na nagpapahintulot sa rRNA helix na mag-flex at matiklop nang mahusay para sa produktibong synthesis ng protina 41 .
a Ang isang rRNA protrusion (S. cerevisiae numbering) ay wala sa E. cuniculi ribosome structure, ngunit naroroon sa karamihan ng iba pang eukaryotes b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens, at E. cuniculi internal ribosomes.ang mga parasito ay kulang sa marami sa mga sinaunang, lubos na natipid na mga umbok ng rRNA.Ang mga pampalapot na ito ay nagpapatatag sa istraktura ng ribosome;samakatuwid, ang kanilang kawalan sa microsporidia ay nagpapahiwatig ng isang pinababang katatagan ng rRNA folding sa microsporidia parasites.Ang paghahambing sa P stems (L7/L12 stems sa bacteria) ay nagpapakita na ang pagkawala ng rRNA bumps minsan ay kasabay ng paglitaw ng mga bagong bumps sa tabi ng nawalang bumps.Ang H42 helix sa 23S/28S rRNA ay may sinaunang umbok (U1206 sa Saccharomyces cerevisiae) na tinatayang hindi bababa sa 3.5 bilyong taong gulang dahil sa proteksyon nito sa tatlong domain ng buhay.Sa microsporidia, ang umbok na ito ay inalis.Gayunpaman, lumitaw ang isang bagong umbok sa tabi ng nawalang umbok (A1306 sa E. cuniculi).
Kapansin-pansin, nalaman namin na ang E. cuniculi ribosome ay kulang sa karamihan ng mga rRNA bulge na matatagpuan sa ibang mga species, kabilang ang higit sa 30 bulge na na-conserve sa ibang mga eukaryotes (Fig. 4a).Ang pagkawala na ito ay nag-aalis ng maraming mga contact sa pagitan ng ribosomal subunits at katabing rRNA helice, kung minsan ay lumilikha ng malalaking guwang na void sa loob ng ribosome, na ginagawang mas porous ang E. cuniculi ribosome kumpara sa mas tradisyonal na ribosomes (Fig. 4b).Kapansin-pansin, natagpuan namin na ang karamihan sa mga bulge na ito ay nawala din sa naunang natukoy na mga istruktura ng V. necatrix at P. locustae ribosome, na hindi napapansin ng mga nakaraang pagsusuri sa istruktura31,32.
Minsan ang pagkawala ng mga umbok ng rRNA ay sinamahan ng pagbuo ng mga bagong umbok sa tabi ng nawawalang umbok.Halimbawa, ang ribosomal P-stem ay naglalaman ng U1208 bulge (sa Saccharomyces cerevisiae) na nakaligtas mula sa E. coli hanggang sa mga tao at samakatuwid ay tinatantya na 3.5 bilyong taong gulang.Sa panahon ng synthesis ng protina, tinutulungan ng bulge na ito ang P stem na lumipat sa pagitan ng bukas at saradong mga conform upang ang ribosome ay maaaring mag-recruit ng mga salik ng pagsasalin at maihatid ang mga ito sa aktibong site.Sa E. cuniculi ribosomes, wala ang pampalapot na ito;gayunpaman, ang isang bagong pampalapot (G883) na matatagpuan lamang sa tatlong pares ng base ay maaaring mag-ambag sa pagpapanumbalik ng pinakamainam na flexibility ng P stem (Larawan 4c).
Ang aming data sa rRNA na walang mga bulge ay nagmumungkahi na ang pag-minimize ng rRNA ay hindi limitado sa pagkawala ng mga elemento ng rRNA sa ibabaw ng ribosome, ngunit maaari ring kasangkot ang ribosome nucleus, na lumilikha ng isang parasite-specific na molekular na depekto na hindi pa inilarawan sa mga libreng buhay na mga cell.ang mga nabubuhay na species ay sinusunod.
Matapos ang pagmomodelo ng mga canonical ribosomal na protina at rRNA, nalaman namin na ang mga conventional ribosomal na bahagi ay hindi maipaliwanag ang tatlong bahagi ng cryo-EM na imahe.Dalawa sa mga fragment na ito ay maliliit na molekula sa laki (Larawan 5, Karagdagang Larawan 8).Ang unang segment ay na-sandwich sa pagitan ng mga ribosomal na protina uL15 at eL18 sa isang posisyon na karaniwang inookupahan ng C-terminus ng eL18, na pinaikli sa E. cuniculi.Bagaman hindi natin matukoy ang pagkakakilanlan ng molekula na ito, ang laki at hugis ng isla ng density na ito ay mahusay na ipinaliwanag sa pamamagitan ng pagkakaroon ng mga molekula ng spermidine.Ang pagbubuklod nito sa ribosome ay pinatatag ng microsporidia-specific mutations sa uL15 proteins (Asp51 at Arg56), na tila nagpapataas ng affinity ng ribosome para sa maliit na molekula na ito, dahil pinapayagan nila ang uL15 na balutin ang maliit na molekula sa isang ribosomal na istraktura.Karagdagang Larawan 2).8, karagdagang data 1, 2).
Cryo-EM imaging na nagpapakita ng presensya ng mga nucleotide sa labas ng ribose na nakagapos sa E. cuniculi ribosome.Sa E. cuniculi ribosome, ang nucleotide na ito ay sumasakop sa parehong lugar gaya ng 25S rRNA A3186 nucleotide (Saccharomyces cerevisiae numbering) sa karamihan ng iba pang eukaryotic ribosome.b Sa ribosomal na istraktura ng E. cuniculi, ang nucleotide na ito ay matatagpuan sa pagitan ng mga ribosomal na protina na uL9 at eL20, sa gayon ay nagpapatatag ng kontak sa pagitan ng dalawang protina.cd eL20 sequence conservation analysis sa microsporidia species.Ang phylogenetic tree ng Microsporidia species (c) at multiple sequence alignment ng eL20 protein (d) ay nagpapakita na ang nucleotide-binding residues na F170 at K172 ay na-conserved sa karamihan ng tipikal na Microsporidia, maliban sa S. lophii, maliban sa early branching Microsporidia, na nagpapanatili ng ES39L rRNA extension.e Ang figure na ito ay nagpapakita na ang nucleotide-binding residues F170 at K172 ay naroroon lamang sa eL20 ng lubos na nabawasang microsporidia genome, ngunit hindi sa ibang mga eukaryotes.Sa pangkalahatan, iminumungkahi ng data na ito na ang mga Microsporidian ribosome ay nakabuo ng isang nucleotide binding site na lumilitaw na nagbubuklod sa mga molekula ng AMP at ginagamit ang mga ito upang patatagin ang mga pakikipag-ugnayan ng protina-protina sa ribosomal na istraktura.Ang mataas na konserbasyon ng nagbubuklod na site na ito sa Microsporidia at ang kawalan nito sa iba pang mga eukaryote ay nagmumungkahi na ang site na ito ay maaaring magbigay ng isang pumipili na kalamangan sa kaligtasan para sa Microsporidia.Kaya, ang nucleotide-binding pocket sa microsporidia ribosome ay hindi lumilitaw na isang degenerate feature o end form ng rRNA degradation gaya ng naunang inilarawan, ngunit sa halip ay isang kapaki-pakinabang na evolutionary innovation na nagpapahintulot sa microsporidia ribosome na direktang magbigkis ng maliliit na molekula, gamit ang mga ito bilang molekular na mga bloke ng gusali.mga bloke ng gusali para sa mga ribosom.Dahil sa pagtuklas na ito, ang microsporidia ribosome ang tanging ribosome na kilala na gumagamit ng iisang nucleotide bilang structural building block nito.f Hypothetical evolutionary pathway na nagmula sa nucleotide binding.
Ang pangalawang mababang density ng molekular na timbang ay matatagpuan sa interface sa pagitan ng mga ribosomal na protina uL9 at eL30 (Larawan 5a).Ang interface na ito ay dati nang inilarawan sa istruktura ng Saccharomyces cerevisiae ribosome bilang isang binding site para sa 25S nucleotide ng rRNA A3186 (bahagi ng extension ng ES39L rRNA)38.Ipinakita na sa mga degenerate na P. locustae ES39L ribosomes, ang interface na ito ay nagbubuklod sa isang hindi kilalang solong nucleotide 31, at ipinapalagay na ang nucleotide na ito ay isang pinababang panghuling anyo ng rRNA, kung saan ang haba ng rRNA ay ~130-230 na mga base.Ang ES39L ay nabawasan sa isang solong nucleotide 32.43.Sinusuportahan ng aming mga cryo-EM na imahe ang ideya na ang density ay maaaring ipaliwanag ng mga nucleotide.Gayunpaman, ang mas mataas na resolution ng aming istraktura ay nagpakita na ang nucleotide na ito ay isang extraribosomal molecule, posibleng AMP (Larawan 5a, b).
Pagkatapos ay tinanong namin kung ang nucleotide binding site ay lumitaw sa E. cuniculi ribosome o kung ito ay umiiral na dati.Dahil ang pagbubuklod ng nucleotide ay pangunahing pinagsama ng mga nalalabi ng Phe170 at Lys172 sa eL30 ribosomal protein, sinuri namin ang pag-iingat ng mga nalalabi na ito sa 4396 na kinatawan ng mga eukaryotes.Tulad ng kaso ng uL15 sa itaas, nalaman namin na ang mga nalalabi ng Phe170 at Lys172 ay lubos na pinapanatili lamang sa karaniwang Microsporidia, ngunit wala sa iba pang mga eukaryotes, kabilang ang atypical Microsporidia Mitosporidium at Amphiamblys, kung saan ang ES39L rRNA fragment ay hindi nabawasan 44, 45, 45.-e).
Kung pinagsama-sama, sinusuportahan ng mga datos na ito ang ideya na ang E. cuniculi at posibleng iba pang canonical microsporidia ay nag-evolve ng kakayahang mahusay na makuha ang malaking bilang ng maliliit na metabolites sa ribosome structure upang mabayaran ang pagbaba ng rRNA at mga antas ng protina.Sa paggawa nito, nakabuo sila ng isang natatanging kakayahang magbigkis ng mga nucleotide sa labas ng ribosome, na nagpapakita na ang mga parasitiko na istrukturang molekular ay nagbabayad sa pamamagitan ng pagkuha ng masaganang maliliit na metabolite at paggamit ng mga ito bilang mga istrukturang panggagaya ng nasira na RNA at mga fragment ng protina..
Ang ikatlong unsimulated na bahagi ng aming cryo-EM na mapa, na matatagpuan sa malaking ribosomal subunit.Ang medyo mataas na resolusyon (2.6 Å) ng aming mapa ay nagmumungkahi na ang density na ito ay kabilang sa mga protina na may natatanging kumbinasyon ng malalaking side chain residues, na nagpapahintulot sa amin na makilala ang density na ito bilang isang dating hindi kilalang ribosomal na protina na nakilala namin bilang Ito ay pinangalanang msL2 (Microsporidia-spesipikong protina L2) (mga pamamaraan, figure 6).Ang aming paghahanap sa homology ay nagpakita na ang msL2 ay naka-conserve sa Microsporidia clade ng genus Encephaliter at Orosporidium, ngunit wala sa iba pang mga species, kabilang ang iba pang Microsporidia.Sa ribosomal na istraktura, ang msL2 ay sumasakop sa isang puwang na nabuo sa pamamagitan ng pagkawala ng pinalawig na ES31L rRNA.Sa walang laman na ito, tinutulungan ng msL2 na patatagin ang pagtitiklop ng rRNA at maaaring mabayaran ang pagkawala ng ES31L (Larawan 6).
isang Electron density at modelo ng Microsporidia-specific ribosomal protein msL2 na matatagpuan sa E. cuniculi ribosomes.b Karamihan sa mga eukaryotic ribosome, kabilang ang 80S ribosome ng Saccharomyces cerevisiae, ay may ES19L rRNA amplification na nawala sa karamihan ng Microsporidian species.Ang dating naitatag na istraktura ng V. necatrix microsporidia ribosome ay nagmumungkahi na ang pagkawala ng ES19L sa mga parasito na ito ay binabayaran ng ebolusyon ng bagong msL1 ribosomal na protina.Sa pag-aaral na ito, nalaman namin na ang E. cuniculi ribosome ay nakabuo din ng karagdagang ribosomal RNA mimic protein bilang isang maliwanag na kabayaran para sa pagkawala ng ES19L.Gayunpaman, ang msL2 (kasalukuyang naka-annotate bilang hypothetical ECU06_1135 na protina) at msL1 ay may magkakaibang istruktura at ebolusyonaryong pinagmulan.c Ang pagtuklas na ito ng henerasyon ng ebolusyonaryong hindi nauugnay na msL1 at msL2 ribosomal na mga protina ay nagmumungkahi na kung ang mga ribosom ay nag-iipon ng mga nakakapinsalang mutasyon sa kanilang rRNA, makakamit nila ang hindi pa naganap na mga antas ng pagkakaiba-iba ng komposisyon sa kahit na isang maliit na subset ng malapit na nauugnay na mga species.Ang pagtuklas na ito ay maaaring makatulong na linawin ang pinagmulan at ebolusyon ng mitochondrial ribosome, na kilala sa lubos na nabawasang rRNA at abnormal na pagkakaiba-iba sa komposisyon ng protina sa mga species.
Pagkatapos ay inihambing namin ang msL2 protein sa naunang inilarawan na msL1 protein, ang tanging kilalang microsporidia-specific ribosomal protein na matatagpuan sa V. necatrix ribosome.Nais naming subukan kung ang msL1 at msL2 ay nauugnay sa ebolusyon.Ang aming pagsusuri ay nagpakita na ang msL1 at msL2 ay sumasakop sa parehong lukab sa ribosomal na istraktura, ngunit may iba't ibang pangunahin at tertiary na istruktura, na nagpapahiwatig ng kanilang independiyenteng ebolusyonaryong pinagmulan (Larawan 6).Kaya, ang aming pagtuklas ng msL2 ay nagbibigay ng katibayan na ang mga pangkat ng mga compact eukaryotic species ay maaaring nakapag-iisa na mag-evolve sa istrukturang natatanging ribosomal na protina upang mabayaran ang pagkawala ng mga fragment ng rRNA.Ang paghahanap na ito ay kapansin-pansin na karamihan sa mga cytoplasmic eukaryotic ribosome ay naglalaman ng isang invariant na protina, kabilang ang parehong pamilya ng 81 ribosomal na protina.Ang hitsura ng msL1 at msL2 sa iba't ibang clades ng microsporidia bilang tugon sa pagkawala ng pinalawig na mga segment ng rRNA ay nagmumungkahi na ang pagkasira ng molekular na arkitektura ng parasito ay nagiging sanhi ng mga parasito na maghanap ng mga compensatory mutations, na maaaring humantong sa kanilang pagkuha sa iba't ibang populasyon ng parasito.mga istruktura.
Sa wakas, nang makumpleto ang aming modelo, inihambing namin ang komposisyon ng E. cuniculi ribosome sa hinulaang mula sa pagkakasunud-sunod ng genome.Ilang ribosomal na protina, kabilang ang eL14, eL38, eL41, at eS30, ay dating naisip na nawawala mula sa E. cuniculi genome dahil sa maliwanag na kawalan ng kanilang mga homologue mula sa E. cuniculi genome.Ang pagkawala ng maraming ribosomal na protina ay hinuhulaan din sa karamihan ng iba pang mataas na nabawasang intracellular na mga parasito at endosymbionts.Halimbawa, bagama't ang karamihan sa mga libreng nabubuhay na bakterya ay naglalaman ng parehong pamilya ng 54 na ribosomal na protina, 11 lamang sa mga pamilyang protina na ito ang may nakikitang mga homologue sa bawat nasuri na genome ng mga bakteryang pinaghihigpitan ng host.Bilang suporta sa paniwala na ito, ang pagkawala ng mga ribosomal na protina ay naobserbahang eksperimento sa V. necatrix at P. locustae microsporidia, na kulang sa eL38 at eL4131,32 na protina.
Gayunpaman, ipinapakita ng aming mga istruktura na ang eL38, eL41, at eS30 lamang ang aktwal na nawala sa E. cuniculi ribosome.Ang protina ng eL14 ay natipid at ipinakita ng aming istraktura kung bakit hindi matagpuan ang protina na ito sa paghahanap ng homology (Larawan 7).Sa E. cuniculi ribosomes, karamihan sa eL14 binding site ay nawala dahil sa pagkasira ng rRNA-amplified ES39L.Sa kawalan ng ES39L, nawala ang eL14 sa karamihan ng pangalawang istraktura nito, at 18% lamang ng sequence ng eL14 ang magkapareho sa E. cuniculi at S. cerevisiae.Ang mahinang pag-iingat ng pagkakasunud-sunod na ito ay kapansin-pansin dahil kahit ang Saccharomyces cerevisiae at Homo sapiens—mga organismo na nag-evolve nang 1.5 bilyong taon ang pagitan—ay nagbabahagi ng higit sa 51% ng parehong mga residue sa eL14.Ang maanomalyang pagkawala ng konserbasyon na ito ay nagpapaliwanag kung bakit kasalukuyang naka-annotate ang E. cuniculi eL14 bilang putative M970_061160 protein at hindi bilang eL1427 ribosomal protein.
at Nawala ng Microsporidia ribosome ang extension ng ES39L rRNA, na bahagyang inalis ang eL14 ribosomal protein binding site.Sa kawalan ng ES39L, ang eL14 microspore protein ay sumasailalim sa pagkawala ng pangalawang istraktura, kung saan ang dating rRNA-binding α-helix ay bumababa sa isang minimal na haba ng loop.b Ipinapakita ng maramihang pagkakahanay ng pagkakasunud-sunod na ang protina ng eL14 ay lubos na napangalagaan sa mga eukaryotic species (57% pagkakakilanlan ng pagkakasunud-sunod sa pagitan ng lebadura at mga homologue ng tao), ngunit hindi maganda ang pag-iingat at divergent sa microsporidia (kung saan hindi hihigit sa 24% ng mga nalalabi ang magkapareho sa eL14 homologue).mula sa S. cerevisiae o H. sapiens).Ipinapaliwanag ng mahinang pag-iingat ng sequence at pagkakaiba-iba ng pangalawang istraktura kung bakit ang eL14 homologue ay hindi kailanman natagpuan sa E. cuniculi at kung bakit ang protina na ito ay naisip na nawala sa E. cuniculi.Sa kaibahan, ang E. cuniculi eL14 ay dati nang na-annotate bilang isang putative M970_061160 na protina.Ang obserbasyon na ito ay nagmumungkahi na ang microsporidia genome diversity ay kasalukuyang overestimated: ang ilang mga gene na kasalukuyang naisip na nawala sa microsporidia ay sa katunayan ay napanatili, kahit na sa mataas na differentiated form;sa halip, ang ilan ay naisip na nagko-code para sa mga microsporidia genes para sa mga protinang partikular sa bulate (hal., ang hypothetical na protina na M970_061160) ay aktwal na nagko-code para sa napaka-magkakaibang mga protina na matatagpuan sa ibang mga eukaryote.
Ang paghahanap na ito ay nagmumungkahi na ang rRNA denaturation ay maaaring humantong sa isang dramatikong pagkawala ng sequence conservation sa mga katabing ribosomal na protina, na ginagawang hindi matukoy ang mga protina na ito para sa mga paghahanap sa homology.Kaya, maaari nating labis na timbangin ang aktwal na antas ng pagkabulok ng molekular sa mga maliliit na organismo ng genome, dahil ang ilang mga protina na inaakalang mawawala ay talagang nagpapatuloy, kahit na sa mga lubos na binagong anyo.
Paano mapapanatili ng mga parasito ang pag-andar ng kanilang mga molecular machine sa ilalim ng mga kondisyon ng matinding pagbabawas ng genome?Sinasagot ng aming pag-aaral ang tanong na ito sa pamamagitan ng paglalarawan sa kumplikadong istruktura ng molekular (ribosome) ng E. cuniculi, isang organismo na may isa sa pinakamaliit na eukaryotic genome.
Ito ay kilala sa halos dalawang dekada na ang mga molekula ng protina at RNA sa mga microbial na parasito ay kadalasang naiiba sa kanilang mga homologous na molekula sa mga species na malayang nabubuhay dahil kulang sila sa mga sentro ng kontrol sa kalidad, ay nabawasan sa 50% ng kanilang laki sa mga libreng buhay na microbes, atbp.maraming nakakapanghinang mutasyon na nakapipinsala sa pagtitiklop at paggana.Halimbawa, ang ribosomes ng maliliit na genome organism, kabilang ang maraming intracellular parasites at endosymbionts, ay inaasahang kulang sa ilang ribosomal proteins at hanggang sa isang katlo ng rRNA nucleotides kumpara sa free-living species 27, 29, 30, 49. Gayunpaman, ang paraan ng paggana ng mga molecule na ito sa parasite ay nananatiling pangunahing misteryo sa pamamagitan ng pag-aaral.
Ipinapakita ng aming pag-aaral na ang istruktura ng mga macromolecule ay maaaring magbunyag ng maraming aspeto ng ebolusyon na mahirap kunin mula sa tradisyonal na comparative genomic na pag-aaral ng mga intracellular parasite at iba pang mga host-restricted na organismo (Karagdagang Fig. 7).Halimbawa, ang halimbawa ng eL14 na protina ay nagpapakita na maaari nating labis na tantiyahin ang aktwal na antas ng pagkasira ng molecular apparatus sa mga parasitic species.Ang mga encephalitic parasite ay pinaniniwalaan na ngayon na may daan-daang microsporidia-specific genes.Gayunpaman, ipinapakita ng aming mga resulta na ang ilan sa mga tila partikular na gene na ito ay talagang magkaibang mga variant ng mga gene na karaniwan sa ibang mga eukaryote.Bukod dito, ang halimbawa ng msL2 na protina ay nagpapakita kung paano natin tinatanaw ang mga bagong ribosomal na protina at minamaliit ang nilalaman ng mga parasitic molecular machine.Ang halimbawa ng maliliit na molekula ay nagpapakita kung paano natin mapapansin ang mga pinaka-mapanlikhang inobasyon sa mga parasitiko na istrukturang molekular na maaaring magbigay sa kanila ng bagong biological na aktibidad.
Kung sama-sama, ang mga resultang ito ay nagpapabuti sa aming pag-unawa sa mga pagkakaiba sa pagitan ng mga molekular na istruktura ng mga organismong pinaghihigpitan ng host at ang kanilang mga katapat sa mga organismong malayang nabubuhay.Ipinakita namin na ang mga molecular machine, na matagal nang inaakala na mababawasan, bumagsak, at napapailalim sa iba't ibang mga nakakapanghinang mutasyon, sa halip ay mayroong isang hanay ng mga sistematikong hindi napapansin na hindi pangkaraniwang mga tampok sa istruktura.
Sa kabilang banda, iminumungkahi ng non-bulky rRNA fragment at fused fragment na nakita namin sa ribosomes ng E. cuniculi na mababago ang genome reduction kahit na ang mga bahagi ng basic molecular machinery na napanatili sa tatlong domain ng buhay – pagkatapos ng halos 3.5 bilyong taon .malayang ebolusyon ng mga species.
Ang bulge-free at fused rRNA fragment sa E. cuniculi ribosomes ay partikular na interes sa liwanag ng mga nakaraang pag-aaral ng RNA molecules sa endosymbiotic bacteria.Halimbawa, sa aphid endosymbiont Buchnera aphidicola, ang mga molekula ng rRNA at tRNA ay ipinakita na may mga istrukturang sensitibo sa temperatura dahil sa bias ng komposisyon ng A+T at isang mataas na proporsyon ng mga non-canonical base pairs20,50.Ang mga pagbabagong ito sa RNA, pati na rin ang mga pagbabago sa mga molekula ng protina, ay naisip na ngayon na responsable para sa sobrang pagdepende ng mga endosymbionts sa mga kasosyo at ang kawalan ng kakayahan ng mga endosymbionts na maglipat ng init 21, 23 .Bagaman ang parasitic microsporidia rRNA ay may mga pagbabago sa istruktura, ang likas na katangian ng mga pagbabagong ito ay nagmumungkahi na ang pagbawas ng thermal stability at mas mataas na pag-asa sa mga chaperone protein ay maaaring karaniwang mga tampok ng mga molekula ng RNA sa mga organismo na may nabawasan na mga genome.
Sa kabilang banda, ipinapakita ng aming mga istruktura na ang parasite microsporidia ay nag-evolve ng isang natatanging kakayahan upang labanan ang malawak na conserved rRNA at mga fragment ng protina, na bumubuo ng kakayahang gumamit ng masagana at madaling magagamit na maliliit na metabolite bilang mga istrukturang panggagaya ng degenerate rRNA at mga fragment ng protina.Pagkasira ng istraktura ng molekular..Ang opinyon na ito ay sinusuportahan ng katotohanan na ang mga maliliit na molekula na nagbabayad para sa pagkawala ng mga fragment ng protina sa rRNA at ribosome ng E. cuniculi ay nagbubuklod sa mga residue na partikular sa microsporidia sa mga protina ng uL15 at eL30.Iminumungkahi nito na ang pagbubuklod ng maliliit na molekula sa mga ribosom ay maaaring isang produkto ng positibong pagpili, kung saan ang mga mutasyon na partikular sa Microsporidia sa mga protina ng ribosomal ay napili para sa kanilang kakayahang dagdagan ang pagkakaugnay ng mga ribosom para sa maliliit na molekula, na maaaring humantong sa mas mahusay na mga organismo ng ribosomal.Ang pagtuklas ay nagpapakita ng isang matalinong pagbabago sa molekular na istraktura ng mga microbial na parasito at nagbibigay sa amin ng isang mas mahusay na pag-unawa sa kung paano pinapanatili ng mga molekular na istruktura ng parasito ang kanilang function sa kabila ng reductive evolution.
Sa kasalukuyan, ang pagkakakilanlan ng mga maliliit na molekula na ito ay nananatiling hindi maliwanag.Ito ay hindi malinaw kung bakit ang hitsura ng mga maliliit na molekula sa ribosomal na istraktura ay naiiba sa pagitan ng microsporidia species.Sa partikular, hindi malinaw kung bakit ang nucleotide binding ay sinusunod sa ribosomes ng E. cuniculi at P. locustae, at hindi sa ribosomes ng V. necatrix, sa kabila ng pagkakaroon ng F170 residue sa eL20 at K172 na protina ng V. necatrix.Ang pagtanggal na ito ay maaaring sanhi ng residue 43 uL6 (na matatagpuan sa tabi ng nucleotide binding pocket), na tyrosine sa V. necatrix at hindi threonine sa E. cuniculi at P. locustae.Ang bulky aromatic side chain ng Tyr43 ay maaaring makagambala sa nucleotide binding dahil sa steric overlap.Bilang kahalili, ang maliwanag na pagtanggal ng nucleotide ay maaaring dahil sa mababang resolution ng cryo-EM imaging, na humahadlang sa pagmomodelo ng V. necatrix ribosomal fragment.
Sa kabilang banda, iminumungkahi ng aming trabaho na ang proseso ng pagkabulok ng genome ay maaaring isang puwersang mapag-imbento.Sa partikular, ang istraktura ng E. cuniculi ribosome ay nagmumungkahi na ang pagkawala ng rRNA at mga fragment ng protina sa microsporidia ribosome ay lumilikha ng evolutionary pressure na nagtataguyod ng mga pagbabago sa ribosome structure.Ang mga variant na ito ay nangyayari malayo sa aktibong site ng ribosome at lumilitaw na tumulong sa pagpapanatili (o pagpapanumbalik) ng pinakamainam na pagpupulong ng ribosome na kung hindi man ay maaabala ng pinababang rRNA.Iminumungkahi nito na ang isang pangunahing pagbabago ng microsporidia ribosome ay lumilitaw na umunlad sa isang pangangailangan na buffer gene drift.
Marahil ito ay pinakamahusay na inilalarawan sa pamamagitan ng pagbubuklod ng nucleotide, na hindi pa naobserbahan sa ibang mga organismo sa ngayon.Ang katotohanan na ang mga nalalabi na nagbubuklod ng nucleotide ay naroroon sa tipikal na microsporidia, ngunit hindi sa ibang mga eukaryotes, ay nagmumungkahi na ang mga site na nagbubuklod ng nucleotide ay hindi lamang mga labi na naghihintay na mawala, o ang huling lugar para sa rRNA na maibalik sa anyo ng mga indibidwal na nucleotides.Sa halip, ang site na ito ay tila isang kapaki-pakinabang na tampok na maaaring umunlad sa ilang mga round ng positibong pagpili.Ang mga nucleotide binding site ay maaaring isang by-product ng natural selection: kapag ang ES39L ay nasira, ang microsporidia ay napipilitang humingi ng kabayaran upang maibalik ang pinakamainam na ribosome biogenesis sa kawalan ng ES39L.Dahil ang nucleotide na ito ay maaaring gayahin ang mga molecular contact ng A3186 nucleotide sa ES39L, ang nucleotide molecule ay nagiging isang building block ng ribosome, ang pagbubuklod nito ay higit pang pinabuting sa pamamagitan ng mutation ng eL30 sequence.
Tungkol sa molekular na ebolusyon ng mga intracellular na parasito, ipinapakita ng aming pag-aaral na ang mga puwersa ng Darwinian natural na pagpili at genetic drift ng genome decay ay hindi gumagana nang magkatulad, ngunit nag-oscillate.Una, inaalis ng genetic drift ang mga mahahalagang katangian ng biomolecules, na ginagawang lubhang kailangan ang kabayaran.Kapag natugunan lamang ng mga parasito ang pangangailangang ito sa pamamagitan ng Darwinian natural selection magkakaroon ng pagkakataon ang kanilang mga macromolecule na bumuo ng kanilang pinakakahanga-hanga at makabagong mga katangian.Mahalaga, ang ebolusyon ng mga nucleotide binding site sa E. cuniculi ribosome ay nagmumungkahi na ang loss-to-gain na pattern ng molecular evolution na ito ay hindi lamang nag-amortize ng mga nakakapinsalang mutasyon, ngunit minsan ay nagbibigay ng ganap na bagong mga function sa mga parasitic macromolecules.
Ang ideyang ito ay naaayon sa gumagalaw na teorya ng ekwilibriyo ni Sewell Wright, na nagsasaad na ang isang mahigpit na sistema ng natural na pagpili ay naglilimita sa kakayahan ng mga organismo na magbago51,52,53.Gayunpaman, kung ang genetic drift ay nakakagambala sa natural na pagpili, ang mga drift na ito ay maaaring gumawa ng mga pagbabago na hindi sa sarili nilang adaptive (o kahit na nakakapinsala) ngunit humantong sa mga karagdagang pagbabago na nagbibigay ng mas mataas na fitness o bagong biological na aktibidad.Sinusuportahan ng aming balangkas ang ideyang ito sa pamamagitan ng pagpapakita na ang parehong uri ng mutation na nagpapababa sa fold at function ng isang biomolecule ay lumilitaw na pangunahing trigger para sa pagpapabuti nito.Alinsunod sa win-win evolutionary model, ipinapakita ng aming pag-aaral na ang genome decay, na tradisyonal na tinitingnan bilang isang degenerative na proseso, ay isa ring pangunahing driver ng pagbabago, kung minsan at marahil ay madalas na nagpapahintulot sa mga macromolecule na makakuha ng mga bagong aktibidad na parasitiko.maaaring gamitin ang mga ito.