Nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт.Сез кулланган браузер версиясенең CSS ярдәме чикләнгән.Иң яхшы тәҗрибә өчен без яңартылган браузерны кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'та туры килү режимын сүндерегез).Шул ук вакытта, дәвамлы ярдәмне тәэмин итү өчен, без сайтны стильләр һәм JavaScriptсыз күрсәтәчәкбез.
Микробиаль паразитларның эволюциясе паразитларның яхшыруына китерә торган табигый сайлау белән паразитларның геннарның югалуына һәм юкка чыгу мутацияләренең туплануына китергән генетик дрифт арасында каршылыкны үз эченә ала.Монда, бу каршылыкның бер макромолекула масштабында ничек барлыкка килүен аңлау өчен, без табигатьнең иң кечкенә геномнарының берсе булган эукариотик организм Энцефалитозун куникули рибосомасының крио-EM структурасын тасвирлыйбыз.Е.Моннан тыш, Э. cuniculi рибосомасы RRNA фрагментларын һәм протеиннарын югалтудан исән калган, кечкенә молекулаларны деградацияләнгән RRNA фрагментлары һәм протеиннарының структур охшашлары итеп куллану сәләтен үстереп.Гомумән алганда, без молекуляр структураларның күптән киметелгән, начарланган һәм начарланучы мутацияләр астында булган дип саныйбыз, экстремаль молекуляр кысылуларга карамастан, аларны актив тотучы берничә компенсацион механизм бар.
Микробиаль паразитларның күпчелек төркемнәрендә хуҗаларын куллану өчен уникаль молекуляр кораллар булганлыктан, безгә паразитларның төрле төркемнәре өчен төрле терапевтика эшләргә туры килә1,2.Ләкин, яңа дәлилләр күрсәткәнчә, паразит эволюциясенең кайбер аспектлары конвергент һәм күпчелекне алдан әйтеп була, бу микробиаль паразитларда киң терапевтик интервенцияләр өчен потенциаль нигезне күрсәтә3,4,5,6,7,8,9.
Элеккеге эш геномны киметү яки геномның бозылуы дип аталган микробиаль паразитларда уртак эволюцион тенденцияне билгеләде10,11,12,13.Хәзерге тикшеренүләр күрсәткәнчә, микроорганизмнар ирекле яшәү рәвешләрен ташлап, күзәнәкләрдәге паразитларга (яки эндосимбионтларга) әйләнгәч, аларның геномнары миллионнарча ел дәвамында әкрен, әмма искиткеч метаморфозалар кичерәләр9,11.Геномның бозылуы дип аталган процесста микробиаль паразитлар моңарчы мөһим геннарны псевдогенга әйләндерәләр, әкренләп ген югалуга һәм мутацион таркалуга китерәләр.Бу җимерелү иң тыгыз күзәнәк организмнарындагы геннарның 95% -ын юкка чыгарырга мөмкин, тыгыз бәйләнешле ирекле тереклек белән чагыштырганда.Шулай итеп, күзәнәкләр эчендәге паразитларның эволюциясе - ике каршы көч арасында сугыш: Дарвин табигый сайлау, паразитларның яхшыруына китерә, һәм геномның таркалуы, паразитларны оныту.Паразитның бу сугыштан ничек чыгып, молекуляр структурасы активлыгын саклап калуы аңлашылмый кала.
Геномның бозылу механизмы тулысынча аңлашылмаса да, ул еш кына генетик дрифт аркасында килеп чыга.Паразитлар кечкенә, эксексуаль һәм генетик чикләнгән популяцияләрдә яшәгәнгә, алар ДНК репликасы вакытында булган мутацияләрне эффектив бетерә алмыйлар.Бу зарарлы мутацияләрнең кире кайтарылмас туплануына һәм паразит геномының кимүенә китерә.Нәтиҗәдә, паразит күзәнәкләр тирәсендә яшәү өчен кирәк булмаган геннарны гына югалтмый.Бу паразит популяцияләренең спорадик бетерелгән мутацияләрне эффектив рәвештә бетерә алмавы, бу мутацияләрнең бөтен геномда, шул исәптән аларның иң мөһим геннарында туплануына китерә.
Геномны киметү турында безнең хәзерге аңлавыбызның күбесе геном эзлеклелеген чагыштыруга нигезләнә, хуҗалык функцияләрен башкаручы һәм наркотикларның потенциаль максаты булып хезмәт итүче фактик молекулаларның үзгәрүенә аз игътибар бирелә.Чагыштырма тикшеренүләр күрсәткәнчә, күзәнәкләр эчендәге микробиаль мутацияләр авырлыгы протеиннарны һәм нуклеин кислоталарын бозарга һәм агрегатлаштырырга мөмкин, бу аларны шаперонга бәйләнешле һәм җылылыкка сизгер .19,20,21,22,23.Моннан тыш, төрле паразитлар - мөстәкыйль эволюция кайвакыт 2,5 миллиард ел белән аерылып торалар - протеин синтезында сыйфат контроле үзәкләренең югалуы5,6 һәм ДНК ремонт механизмнары24.Ләкин, күзәнәкле яшәү рәвешенең кәрәзле макромолекулаларның барлык үзлекләренә тәэсире турында аз билгеле, шул исәптән молекуляр адаптациянең юкка чыгу мутациясенә.
Бу эштә, күзәнәкләр эчендәге микроорганизмнарның аксымнар һәм нуклеин кислоталары эволюциясен яхшырак аңлау өчен, без күзәнәк паразиты Энцефалитозун куникули рибосомаларының структурасын билгеләдек.E. cuniculi - паразитик микроспоридия төркеменә кергән гөмбәгә охшаган организм, гадәттән тыш кечкенә эукариотик геномнары булган, шуңа күрә геномның бозылуын өйрәнү өчен модель организм буларак кулланыла25,26,27,28,29,30.Күптән түгел крио-ЭМ рибосома структурасы Микроспоридия, Параносема саранча һәм Вайриморфа некатрикс 31,32 (~ 3.2 Мб геном) уртача кимегән геномнары өчен билгеләнде.Бу структуралар RRNA көчәйтү көчен югалту кайбер күрше рибосомаль протеиннар арасындагы яңа контактлар үсеше яки яңа msL131,32 рибосомаль аксымнар алу белән компенсацияләнүен күрсәтәләр.Энцефалитозон төрләре (геном ~ 2,5 миллион б.п.), иң якын туганнары Ордоспора белән берлектә, эукариотларның геном кимү дәрәҗәсен күрсәтәләр - аларда 2000 протеин кодлау геннары аз, һәм аларның рибосомалары RRNA киңәю фрагментларыннан гына калмыйлар, эукариотик рибосомалардан торган экологик рибосомалар, шулай ук ​​дүрт рибосомалар бар. 27,28.Шуңа күрә, E. cuniculi рибосомасы геномның бозылуына молекуляр адаптация өчен элек билгеле булмаган стратегияләрне ачып бирә ала дигән нәтиҗәгә килдек.
Безнең крио-ЭМ структурасы характерланырга тиешле иң кечкенә эукариотик цитоплазмик рибосоманы күрсәтә һәм геномның кимү дәрәҗәсенең күзәнәккә аерылгысыз молекуляр техника төзелешенә, җыелышына һәм эволюциясенә ничек тәэсир итәчәген аңлый.Э. cuniculi рибосомасының РНК катлау һәм рибосома җыю принципларының күпчелеген бозганын ачыкладык, һәм элек билгеле булмаган рибосомаль белок таптык.Көтмәгәндә, без микроспоридия рибосомаларының кечкенә молекулаларны бәйләү сәләтен үстергәннәрен күрсәтәбез, һәм RRNA һәм протеиннардагы кисүләр эволюцион яңалыклар тудыра, ахыр чиктә рибосомада файдалы сыйфатлар китерә ала.
Белгечләр һәм нуклеин кислоталары күзәнәк күзәнәкләрендәге эволюцияне аңлавыбызны яхшырту өчен, без Э.Куникули спораларын зарарланган имезүчеләр күзәнәкләре культураларыннан аерырга булдык, аларның рибосомаларын чистарту һәм бу рибосомаларның структурасын билгеләү.Күп санлы паразитик микроспоридия алу кыен, чөнки микроспоридияне туклыклы шартларда үстереп булмый.Киресенчә, алар төп күзәнәк эчендә үсә һәм үрчетәләр.Шуңа күрә, рибосоманы чистарту өчен E. cuniculi биомассасын алу өчен, без RK13 имезүчеләрнең бөер күзәнәк линиясен Э. cuniculi споралары белән зарарладык һәм Э.Куникулиның үсүе һәм күбәюе өчен берничә атна дәвамында бу зарарланган күзәнәкләрне культураладык.Ярты квадрат метр чамасы зарарланган күзәнәк монолайерын кулланып, без якынча 300 мг Микроспоридия спораларын чистарта алдык һәм рибосомаларны изоляцияләү өчен куллана алдык.Аннары без чистартылган спораларны пыяла бускалар белән өздек һәм лизаталарның этаплы полиэтилен гликол фракциясен кулланып, чимал рибосомаларны изоляцияләдек.Бу безгә структур анализ өчен якынча 300 µг чимал Э. cuniculi рибосомаларын алырга мөмкинлек бирде.
Аннары без рибосома үрнәкләрен кулланып крио-ЭМ рәсемнәрен җыйдык һәм бу рәсемнәрне зур рибосомаль субунитка, кечкенә субунит башына һәм кечкенә субунитка туры килгән битлекләр ярдәмендә эшкәрттек.Бу процесс барышында без якынча 108,000 рибосомаль кисәкчәләрнең рәсемнәрен җыйдык һәм 2,7 Å резолюциясе белән крио-ЭМ рәсемнәрен исәпләдек (өстәмә рәсемнәр 1-3).Аннары без криОЭМ рәсемнәрен rRNA, рибосомаль протеин һәм E cuniculi рибосомалары белән бәйләнгән Mdf1 hibernation факторын кулландык (1а рәсем, б).
Mdf1 (pdb id 7QEP) hibernation факторы белән комплекслы E. cuniculi рибосомасы структурасы.b Э. cuniculi рибосомасы белән бәйле Mdf1 гиберация факторы картасы.в Икенчел структура картасы Микроспоридия төрләрендә торгызылган RRNAны билгеле рибосомаль структуралар белән чагыштыра.Панельләрдә көчәйтелгән RRNA фрагментларының (ES) һәм рибосоманың актив сайтларының урнашуы күрсәтелә, шул исәптән декодлау мәйданы (DC), сарциницин әйләнәсе (SRL), һәм пептидил күчерү үзәге (PTC).d E. cuniculi рибосомасының пептидил күчерү үзәгенә туры килгән электрон тыгызлык, бу катализатор мәйданның E. cuniculi паразитында һәм аның хуҗаларында, шул исәптән Х.Сапиенста, бер үк структура булуын күрсәтә.e, f Декодлау үзәгенең электрон тыгызлыгы (e) һәм декодлау үзәгенең схематик структурасы күрсәтә: Э. cuniculi бик күп эукариотларда A1491 (U coli номерлау) урынына U1491 калдыкларын күрсәтә.Бу үзгәреш Э. cuniculi бу актив сайтка юнәлтелгән антибиотикларга сизгер булырга мөмкинлеген күрсәтә.
Элегерәк төзелгән V. некатрикс һәм P. locustae рибосомаларыннан аермалы буларак (ике структура да бер үк микроспоридия Nosematidae гаиләсен күрсәтәләр һәм бер-берсенә бик охшаш), 31,32 Е.Алга таба денатурация (өстәмә рәсемнәр 4-6).RRNAда иң сокландыргыч үзгәрешләр ES12L көчәйтелгән 25S rRNA фрагментын тулысынча югалту һәм h39, h41, һәм H18 шакмакларының өлешчә дегерациясен үз эченә алган (1с рәсем, өстәмә рәсем 4).Рибосомаль протеиннар арасында иң сокландыргыч үзгәрешләр eS30 белокының тулысынча югалуы һәм eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17, һәм eS7 аксымнарының кыскартылуы (өстәмә рәсемнәр 4, 5).
Шулай итеп, Энцефалотозон / Ордоспора төрләренең геномнарының чиктән тыш кимүе аларның рибосома структурасында чагылыш таба: Э.Куникули рибосомалары структур характеристика астында эукариотик цитоплазмик рибосомаларда протеинның иң кискен югалуын кичерәләр, һәм аларда хәтта RRNA һәм протеин фрагментлары юк, алар эукариотларда гына түгел.E. cuniculi рибосомасы структурасы бу үзгәрешләр өчен беренче молекуляр модель белән тәэмин итә һәм чагыштырма геномика белән дә, күзәнәкләр эчендәге биомолекуляр структураны өйрәнү дә игътибарсыз калдырган эволюцион вакыйгаларны ачып бирә (өстәмә рәсем 7).Түбәндә, без бу вакыйгаларның һәрберсен эволюцион килеп чыгышы һәм рибосома функциясенә потенциаль йогынтысы белән тасвирлыйбыз.
Аннары, зур RRNA кисүләренә өстәп, Э. cuniculi рибосомаларының актив сайтларының берсендә rRNA төрләнеше барлыгын ачыкладык.Е. cuniculi рибосомасының пептидил күчерү үзәге башка эукариотик рибосомалар белән бер структурага ия булса да (декодлау үзәге) 1491 нуклеотид эзлеклелеге үзгәрү аркасында аерыла (Э. coli номерлау, 1e рәсем, f).Бу күзәтү мөһим, чөнки эукариотик рибосомаларның декодлау мәйданында гадәттә A1408 һәм G1491 бактерия тибындагы калдыклар белән чагыштырганда G1408 һәм A1491 калдыклары бар.Бу үзгәрү бактерия һәм эукариотик рибосомаларның рибосомаль антибиотиклар аминогликозидлар гаиләсенә һәм декодлау мәйданына юнәлтелгән башка кечкенә молекулаларның төрле сизгерлегенә нигезләнә.Е.Шул ук A14901 варианты P. locustae һәм V. necatrix кебек башка микроспоридиядә дә бар, бу микроспоридия төрләре арасында киң таралганын күрсәтә (1ф рәсем).
Безнең E. cuniculi рибосома үрнәкләре метаболик актив булмаган споралардан изоляцияләнгәнгә, без стресс яки ачлык шартларында бәйләнгән тасвирланган рибосома өчен Э.Куникулиның крио-ЭМ картасын сынадык.Гиберация факторлары 31,32,36,37, 38. Без гибернат рибосомасының алдан төзелгән структурасын Э. cuniculi рибосомасының крио-EM картасы белән туры китердек.Докинг өчен S. cerevisiae рибосомалары Stm138 гибернация факторы белән, Lso232 факторы белән саранча рибосомалары, һәм Mdf1 һәм Mdf231 факторлары булган V. некатрикс рибосомалары кулланылган.Шул ук вакытта, Mdf1 калган факторына туры килгән крио-EM тыгызлыгын таптык.V. necatrix рибосомасы белән бәйләнгән Mdf1 шикелле, Mdf1 шулай ук ​​E. cuniculi рибосомасы белән бәйләнә, монда ул рибосоманың E сайтын блоклый, бәлки, паразит споралары организмның инактивлашуында метаболик актив булмаганда рибосомалар булдырырга булышыр (2 нче рәсем).).
Mdf1 рибосоманың E сайтын блоклый, бу паразит споралары метаболик актив булмаганда рибосоманы активсыз тотарга ярдәм итә.Э.Бу контактлар Mdf1 рибосомадан диасетилатланган tRNA белән бер үк механизм кулланып аерылуны күрсәтәләр, рибосоманың Mdf1 белок синтезын яңадан эшләтеп җибәрү өчен мөмкин булган аңлатманы бирә.
Ләкин, безнең структурабыз Mdf1 һәм L1 рибосома аягы арасында билгесез контактны ачты (рибосоманың белок синтезы вакытында рибосомадан деакиляцияләнгән TRNA чыгарырга булышучы өлеше).Аерым алганда, Mdf1 контактларны дезиляцияләнгән tRNA молекуласының терсәк сегменты белән куллана (2 нче рәсем).Элегерәк билгеле булмаган молекуляр модельләштерү күрсәткәнчә, Mdf1 рибосомадан диасетилатланган tRNA белән бер механизм кулланып аерыла, бу рибосоманың протеин синтезын активлаштыру өчен бу хибернация факторын ничек бетергәнен аңлата.
RRNA моделен төзегәндә, без Э. cuniculi рибосомасының гадәти булмаган катлаулы RRNA фрагментларын таптык, без аларны кушылган rRNA дип атадык (3 нче рәсем).Тормышның өч өлкәсен үз эченә алган рибосомаларда, RRNA структураларга бүленә, аларда күпчелек RRNA нигез парлары нигезләнә һәм бер-берсе белән катылалар яки рибосомаль аксымнар белән үзара бәйләнештә торалар 38,39,40.Ләкин, Э.
S. cerevisiae, V. necatrix, һәм E. cuniculiдагы H18 25S rRNA геликс структурасы.Гадәттә, өч тормыш өлкәсен үз эченә алган рибосомаларда бу бәйләүче 24-34 калдыкны үз эченә алган РНК геликсына кушыла.Микроспоридиядә, киресенчә, бу RRNA бәйләүче акрынлап ике калдыклы уридинга бай 12 бәйләүчегә әверелә.Бу калдыкларның күбесе эреткечләргә тәэсир итә.Рәсем шуны күрсәтә: паразитик микроспоридия rRNA катлауның гомуми принципларын боза кебек, монда RRNA базалары гадәттә башка нигезләргә кушылалар яки rRNA-белок үзара бәйләнештә катнашалар.Микроспоридиядә кайбер rRNA фрагментлары уңайсыз катламга эләгәләр, анда элеккеге rRNA геликс туры сызыкта диярлек озын сузылган фрагментка әйләнәләр.Бу гадәти булмаган төбәкләрнең булуы микроспоридия rRNA-ны минималь санлы РНК базаларын кулланып ерак RRNA фрагментларын бәйләргә мөмкинлек бирә.
Бу эволюцион күчешнең иң ачык мисалы H18 25S rRNA геликсында күзәтелергә мөмкин (3 нче рәсем).Э.Колидан кешеләргә кадәр, бу RRNA геликсының нигезләре 24-32 нуклеотидны үз эченә ала, бераз тәртипсез геликс формалаштыра.Элегерәк билгеләнгән V. necatrix һәм P. locustae, 31,32 H18 геликс нигезләре өлешчә эшкәртелмәгән, ләкин нуклеотид базасы парлашуы сакланган.Ләкин, Э. cuniculi'да бу rRNA фрагменты иң кыска бәйләүчегә әйләнә 228UUUGU232 һәм 301UUUUUUUUU307.Типик RRNA фрагментларыннан аермалы буларак, бу уридинга бай бәйләүчеләр рибосомаль аксымнар белән тыгыз бәйләнештә тормыйлар.Киресенчә, алар эретеп-ачык һәм тулы ачылмаган структуралар кабул итәләр, аларда RRNA полосалары туры диярлек озайтылган.Э.
Шулай итеп, без күрсәтә алабыз, энергетик яктан уңайсыз катлау аркасында, паразитик микроспоридия тормышның өч өлкәсендә төрләр арасында киң сакланган шул RRNA сегментларын контрактлаштыру стратегиясен эшләде.Күрәсең, rRNA шакмакларын кыска поли-U бәйләүчеләргә әйләндерүче мутацияләр туплап, Э.Куникули дистанцион RRNA фрагментларын бәйләү өчен мөмкин кадәр аз нуклеотид булган гадәти булмаган RRNA фрагментларын барлыкка китерә ала.Бу микроспоридиянең структур һәм функциональ бөтенлеген югалтмыйча, төп молекуляр структурасында кискен кимүгә ирешүен аңлатырга ярдәм итә.
E. cuniculi rRNA-ның тагын бер гадәти булмаган үзенчәлеге - калынлашмыйча rRNA күренеше (4 нче рәсем).Бульглар - төп парлары булмаган нуклеотидлар, алар яшерү урынына РНК геликсыннан бөтерелә.Күпчелек RRNA чыгу молекуляр ябыштыргыч булып эшли, күрше рибосомаль аксымнарны яки башка RRNA фрагментларын бәйләргә булыша.Кайбер чылбырлар элгечләр ролен үти, RRNA геликсының продуктив протеин синтезы өчен оптималь рәвештә катылуына мөмкинлек бирә.
a RRNA протрузиясе (S. cerevisiae номерлау) E. cuniculi рибосома структурасында юк, ләкин күпчелек эукариотларда b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens, E. cuniculi эчке рибосомалар бар.паразитларда борыңгы, бик сакланган RRNA зурлыклары җитми.Бу калынлыклар рибосома структурасын тотрыклыландыра;Шуңа күрә, аларның микроспоридиядә булмавы микроспоридия паразитларында RRNA катламының тотрыклылыгын күрсәтә.P сабаклары белән чагыштыру (L7 / L12 бактерияләрдә барлыкка килә) күрсәтә, RRNA бәрелешләренең югалуы кайвакыт югалган бөкеләр янында яңа бөкеләр күренешенә туры килә.23S / 28S rRNAдагы H42 геликсының борыңгы зурлыгы бар (Saccharomyces церевисиясендә U1206), тормышның өч өлкәсендә сакланганга ким дигәндә 3,5 миллиард ел чамасы.Микроспоридиядә бу зурлык бетерелә.Шулай да, югалган зур янында яңа бөке барлыкка килде (Э. cuniculi'да A1306).
Гаҗәп, без Э. cuniculi рибосомаларында башка төрләрдә табылган RRNA күпчелекнең җитмәвен ачыкладык, шул исәптән башка эукариотларда сакланган 30дан артык болг (4а рәсем).Бу югалту рибосомаль субунитлар һәм янәшәдәге RRNA шакмаклары арасындагы күп элемтәләрне юкка чыгара, кайвакыт рибосома эчендә зур бушлык тудыра, Э. cuniculi рибосомасын традицион рибосомалар белән чагыштырганда тагын да күзәнәк итә (4б рәсем).Шунысы игътибарга лаек, без бу зурлыкларның күбесе алдан билгеләнгән V. некатрикс һәм P. locustae ribosome структураларында югалганнарын таптык, алар элеккеге структур анализлар тарафыннан санга сукмаган 31,32.
Кайвакыт RRNA зурлыкларын югалту югалган зурлык янында яңа бөкеләр үсеше белән бергә бара.Мисал өчен, рибосомаль П-сабында U1208 зурлыгы бар (Saccharomyces cerevisiae), ул Э.Колидан кешеләргә кадәр исән калган, шуңа күрә 3,5 миллиард ел элек.Протеин синтезы вакытында бу зурлык P тамырына ачык һәм ябык конфигурацияләр арасында хәрәкәт итәргә булыша, шулай итеп рибосома тәрҗемә факторларын җәлеп итә һәм аларны актив сайтка җибәрә ала.E. cuniculi рибосомаларында бу калынлык юк;шулай да, өч төп парда гына урнашкан яңа калынлаштыру (G883) P тамырының оптималь сыгылмасын торгызуга ярдәм итә ала (4с рәсем).
RRNA турындагы мәгълүматлар шуны күрсәтә: RRNA минимизациясе рибосома өслегендә rRNA элементларын югалту белән чикләнми, шулай ук ​​рибосома ядросын да җәлеп итә ала, ирекле күзәнәкләрдә тасвирланмаган паразитка хас молекуляр кимчелек.тере төрләр күзәтелә.
Каноник рибосомаль протеиннарны һәм RRNA модельләштергәннән соң, без гадәти рибосомаль компонентларның крио-ЭМ сурәтенең өч өлешен аңлатып бирә алмавын ачыкладык.Бу фрагментларның икесе зурлыктагы кечкенә молекулалар (5 нче рәсем, өстәмә рәсем 8).Беренче сегмент рибосомаль белоклар арасында uL15 һәм eL18 арасында сандугачланган, гадәттә e-18 C-терминалы биләгән урында, Э.Куникулида кыскартылган.Бу молекуланың кемлеген билгели алмасак та, бу тыгызлык утравының зурлыгы һәм формасы спермидин молекулалары булуы белән яхшы аңлатыла.Аның рибосома белән бәйләнеше ул15 протеиннарында (Asp51 һәм Arg56) микроспоридия специфик мутацияләре белән тотрыклыландырыла, бу кечкенә молекула өчен рибосоманың якынлыгын арттыра кебек, чөнки алар uL15 кечкенә молекуланы рибосомаль структурага төрергә мөмкинлек бирә.Өстәмә рәсем 2).8, өстәмә мәгълүматлар 1, 2).
E cuniculi рибосомасына бәйләнгән рибозадан тыш нуклеотидлар булуын күрсәтүче крио-ЭМ картинасы.Е.b Э.Куникулиның рибосомаль структурасында бу нуклеотид uL9 һәм eL20 рибосомаль протеиннар арасында урнашкан, шуның белән ике белок арасындагы контактны тотрыклыландыра.cd eL20 микроспоридия төрләре арасында эзлеклелекне саклау анализы.Микроспоридия төрләренең филогенетик агачы (e) һәм eL20 протеинының (d) күп эзлеклелеге тигезләнеше шуны күрсәтә: F170 һәм K172 нуклеотид бәйләүче калдыклар күпчелек типик Микроспоридиядә сакланган, С.e Бу күрсәткеч шуны күрсәтә: F170 һәм K172 нуклеотид бәйләүче калдыклар бик кимегән микроспоридия геномының eL20ында гына бар, ләкин башка эукариотларда түгел.Гомумән алганда, бу мәгълүматлар Микроспоридиан рибосомаларының AMP молекулаларын бәйләүче һәм аларны рибосомаль структурасында протеин-протеин үзара бәйләнешен тотрыклыландыру өчен кулланган нуклеотид бәйләүче мәйдан булдырганнарын күрсәтәләр.Микроспоридиядә бу бәйләүче мәйданның югары саклануы һәм аның башка эукариотларда булмавы бу сайтның Микроспоридия өчен исән калу өстенлеген тәкъдим итә алуын күрсәтә.Шулай итеп, микроспоридия рибосомасындагы нуклеотид бәйләүче кесә алдан әйтелгәнчә начарланган үзенчәлек яки RRNA деградациясенең формасы булып күренми, киресенчә, микроспоридия рибосомасына молекуляр төзелеш блоклары итеп турыдан-туры бәйләргә мөмкинлек бирүче файдалы эволюцион яңалык.рибосомалар өчен блоклар.Бу ачыш микроспоридия рибосомасын бердәнбер нуклеотидны структур төзелеш блокы итеп кулланган бердәнбер рибосомага әйләндерә.f Нуклеотид бәйләүдән алынган гипотетик эволюцион юл.
Икенче түбән молекуляр авырлык тыгызлыгы uL9 һәм eL30 рибосомаль протеиннар интерфейсында урнашкан (5а рәсем).Бу интерфейс моңа кадәр Saccharomyces церевисия рибосомасы структурасында rRNA A3186 25S нуклеотиды (ES39L rRNA киңәйтү өлеше) өчен бәйләүче мәйданчык итеп тасвирланган.Күрсәтелде, бозылган P. locustae ES39L рибосомаларында бу интерфейс билгесез бер нуклеотидны бәйли, һәм бу нуклеотид RRNAның кыскартылган соңгы формасы, анда RRNA озынлыгы ~ 130-230 нигез булып тора.ES39L бер нуклеотидка 32.43 кадәр кимеде.Безнең крио-ЭМ рәсемнәре тыгызлыкны нуклеотидлар белән аңлатырга мөмкин дигән фикерне хуплый.Ләкин, безнең структураның югарырак резолюциясе күрсәтте, бу нуклеотид - экстрарибосомаль молекула, мөгаен AMP (рәсем 5а, б).
Аннары без нуклеотид бәйләүче мәйданның E. cuniculi рибосомасында барлыкка килүен яки моңа кадәр булганын сорадык.Нуклеотид бәйләү, нигездә, eL30 рибосомаль белоктагы Phe170 һәм Lys172 калдыклары белән арадаш булганлыктан, без бу калдыкларны 4396 вәкил эукариотта саклауны бәяләдек.Aboveгарыдагы uL15 очрагында булган кебек, без Phe170 һәм Lys172 калдыкларының типик Микроспоридиядә генә сакланганын ачыкладык, ләкин башка эукариотларда юк, шул исәптән атипик Микроспоридия Митоспоридиум һәм Амфиамблис, ES39L rRNA фрагменты 44, 45, 46 (5 нче рәсем).-e).
Бергә тупланган бу мәгълүматлар Э.Куникули һәм, мөгаен, башка каноник микроспоридия рибосома структурасында күп санлы кечкенә метаболитларны эффектив тотып алу сәләтен үстерделәр, RRNA һәм белок дәрәҗәләренең кимүен каплау өчен.Шулай итеп, алар рибосомадан тыш нуклеотидларны бәйләү өчен уникаль сәләт булдырдылар, паразитик молекуляр структураларның кечкенә метаболитларны тотып, аларны бозылган РНК һәм протеин фрагментларының структур охшашлары итеп компенсацияләвен күрсәттеләр..
Зур рибосомаль субунитта табылган крио-ЭМ картасының өченче симуляцияләнмәгән өлеше.Картабызның чагыштырмача югары резолюциясе (2,6 Å) бу тыгызлыкның зур чылбыр калдыкларының уникаль комбинациясе булган протеиннарга туры килүен күрсәтә, бу безгә бу тыгызлыкны моңарчы билгесез рибосомаль белок итеп билгеләргә мөмкинлек бирде, без аны msL2 дип атадык (Микроспоридия - L2 белок) (ысуллар, рәсем 6).Безнең гомология эзләү күрсәткәнчә, msL2 Энцефалитер һәм Ороспоридиум нәселенең Микроспоридия класында сакланган, ләкин башка төрләрдә, шул исәптән башка Микроспоридиядә юк.Рибосомаль структурада msL2 киңәйтелгән ES31L rRNA югалуы аркасында барлыкка килгән бушлыкны били.Бу бушлыкта msL2 rRNA катламын тотрыклыландырырга булыша һәм ES31L югалтуын каплый ала (6 нчы рәсем).
Электрон тыгызлыгы һәм Микроспоридиягә хас рибосомаль белок msL2 Э. cuniculi рибосомаларында табылган.b Күпчелек эукариотик рибосомалар, шул исәптән Saccharomyces церевисиясенең 80S рибосомасы, күпчелек Микроспоридия төрләрендә ES19L rRNA көчәйтү көче югалды.V. necatrix микроспоридия рибосомасының алдан төзелгән структурасы бу паразитларда ES19L югалуы яңа msL1 рибосомаль белок эволюциясе белән компенсацияләнүен күрсәтә.Бу тикшеренүдә без Э. cuniculi рибосомасының шулай ук ​​ES19L югалту өчен компенсация буларак өстәмә рибосомаль РНК мимик белок эшләгәнен ачыкладык.Ләкин, msL2 (хәзерге вакытта гипотетик ECU06_1135 белок дип аңлатыла) һәм msL1 төрле структур һәм эволюцион чыгышларга ия.в Эволюцион бәйләнешсез msL1 һәм msL2 рибосомаль протеиннар буынының бу ачышы шуны күрсәтә: рибосомалар үз RRNA-ларында зарарлы мутацияләр тупласа, алар тыгыз бәйләнешле төрләрнең кечкенә өлешендә дә күрелмәгән дәрәҗәдәге композиция төрлелегенә ирешә алалар.Бу ачыш митохондрия рибосомасының килеп чыгышын һәм эволюциясен ачыкларга булыша ала, ул RRNAның бик кимүе һәм төрләр буенча протеин составының гадәти булмаган үзгәрүе белән билгеле.
Аннары без msL2 протеинын алда тасвирланган msL1 протеины белән чагыштырдык, V. некатрикс рибосомасында табылган бердәнбер микроспоридиягә хас рибосомаль белок.Без msL1 һәм msL2 эволюцион бәйләнешне тикшерергә теләдек.Безнең анализ шуны күрсәтте: msL1 һәм msL2 рибосомаль структурада бер үк куышны били, ләкин аларның бәйсез эволюцион килеп чыгышын күрсәтүче төрле төп һәм өченче структуралар бар (6-нчы рәсем).Шулай итеп, безнең msL2 ачуыбыз компакт эукариотик төрләр төркемнәренең структур яктан аерылып торган рибосомаль белокларны мөстәкыйль рәвештә үстерә алуын раслый, rRNA фрагментларын югалту өчен.Бу ачыш игътибарга лаек, күпчелек цитоплазмик эукариотик рибосомаларда инвариант протеин бар, шул исәптән 81 рибосомаль белоклар гаиләсе.МСЛ1 һәм msL2 төрле микроспоридия классларында барлыкка килү, киңәйтелгән RRNA сегментларының югалуына җавап итеп, паразитның молекуляр архитектурасының деградациясе паразитларның компенсацион мутация эзләвенә китерә, ахыр чиктә алар төрле паразит популяцияләренә ия булырга мөмкин.структуралары.
Ниһаять, безнең модель тәмамлангач, без E. cuniculi рибосомасының составын геном эзлеклелегеннән алдан әйтелгәннәр белән чагыштырдык.Берничә рибосомаль белок, шул исәптән eL14, eL38, eL41, һәм eS30, элек E. cuniculi геномында аларның гомологлары булмаганлыктан, E. cuniculi геномында юкка чыккан дип уйланган.Күпчелек рибосомаль протеиннарның югалуы шулай ук ​​күпчелек күзәнәк күзәнәк паразитларында һәм эндосимбионтларда фаразлана.Мисал өчен, күпчелек ирекле бактерияләр бер үк гаиләдә 54 рибосомаль белок булса да, бу протеин гаиләләренең 11сендә генә хуҗа-чикләнгән бактерияләрнең анализланган геномында ачыклана торган гомологлар бар.Бу төшенчәне хуплап, эксперименталь рәвештә V. necatrix һәм P. locustae микроспоридиясендә рибосомаль аксымнарның югалуы күзәтелә, аларда eL38 һәм eL4131,32 аксымнары юк.
Ләкин, безнең структуралар шуны күрсәтә: E cuniculi рибосомасында eL38, eL41, eS30 гына юкка чыга.EL14 протеины сакланган һәм безнең структура ни өчен бу протеинның гомология эзләүдә табылмавын күрсәтте (7 нче рәсем).E. cuniculi рибосомаларында, eL14 бәйләүче мәйданның күбесе RRNA-көчәйтелгән ES39L деградациясе аркасында юкка чыга.ES39L булмаганда, eL14 икенчел структурасының күпчелек өлешен югалтты, һәм eL14 эзлеклелегенең 18% ы гына E. cuniculi һәм S. cerevisiae белән охшаш иде.Бу начар эзлеклелекне саклау искиткеч, чөнки хәтта Saccharomyces cerevisiae һәм Homo sapiens - 1,5 миллиард ел эчендә үсеш алган организмнар - eL14 калдыкларының 51% тан артыгын бүлешәләр.Бу аномаль консервация югалту ни өчен E. cuniculi eL14 хәзерге вакытта M970_061160 протеины итеп аңлатыла, eL1427 рибосомаль белок түгел.
һәм Микроспоридия рибосомасы ES39L rRNA киңәйтүен югалтты, бу eL14 рибосомаль белок бәйләү мәйданын өлешчә бетерде.ES39L булмаганда, eL14 микроспор протеины икенчел структураны югалта, анда элеккеге RRNA бәйләүче he-геликс минималь озынлык әйләнәсенә әверелә.b Күп эзлеклелектә тигезләнү күрсәтә, eL14 аксымы эукариотик төрләрдә бик сакланган (чүпрә һәм кеше гомологлары арасында 57% эзлеклелек), ләкин микроспоридиядә начар сакланган һәм аерылган (анда калдыкларның 24% тан артык булмаганы eL14 гомологына охшаш).S. cerevisiae яки H. sapiens дан).Бу начар эзлеклелекне саклау һәм икенчел структураның үзгәрүчәнлеге ни өчен eL14 гомологының Э. cuniculi'да беркайчан да табылмаганын һәм ни өчен бу протеинның E. cuniculi'да юкка чыгуын аңлата.Моннан аермалы буларак, E. cuniculi eL14 моңа кадәр M970_061160 протеины итеп аңлатылган.Бу күзәтү шуны күрсәтә: хәзерге вакытта микроспоридия геном төрлелеге артык бәяләнә: хәзерге вакытта микроспоридиядә юкка чыккан кайбер геннар, дифференциаль формаларда булса да, сакланганнар;киресенчә, кайберәүләр микроспоридия геннары өчен кортка хас булган аксымнар өчен код (мәсәлән, гипотетик белок M970_061160) башка эукариотларда булган бик күп төрле протеиннар өчен кодлар дип уйлыйлар.
Бу ачыш шуны күрсәтә: RRNA денатурасы күрше рибосомаль аксымнарда эзлеклелекне кискен югалтуга китерергә мөмкин, бу протеиннарны гомология эзләнүләре өчен ачыклый алмый.Шулай итеп, без кечкенә геном организмнарындагы молекуляр деградациянең дәрәҗәсен бәяли алабыз, чөнки кайбер протеиннар юкка чыккан дип уйланалар, бик үзгәртелгән формаларда.
Паразитлар геномның кимү шартларында молекуляр машиналарның функциясен ничек саклап кала алалар?Безнең тикшерү бу сорауга Э.Куникулиның катлаулы молекуляр төзелешен (рибосома) тасвирлап җавап бирә, иң кечкенә эукариотик геномнарның берсе булган организм.
Ике дистә ел дәвамында билгеле булганча, микробиаль паразитлардагы протеин һәм РНК молекулалары еш кына ирекле тереклектәге гомологик молекулалардан аерылып торалар, чөнки сыйфат контроле үзәкләре булмаганга, ирекле микробларда аларның күләменең 50% ка кадәр кими.катлауга һәм эшкә комачаулый торган бик күп зәгыйфь мутацияләр.Мәсәлән, кечкенә геном организмнарының рибосомалары, шул исәптән күп күзәнәкле паразитлар һәм эндосимбионтлар, 27, 29, 30, 49. ирекле тереклек төрләре белән чагыштырганда берничә рибосомаль белок һәм өчтән бер өлешкә кадәр RRNA нуклеотидлары җитмәс дип көтелә, ләкин бу молекулаларның паразитта эшләве күбесенчә сер булып кала, нигездә чагыштырма геномика аша өйрәнелгән.
Безнең тикшерү шуны күрсәтә: макромолекулалар структурасы эволюциянең күп аспектларын ачып бирә ала, традицион чагыштырма геномик тикшеренүләрдән күзәнәк паразитларын һәм хуҗа белән чикләнгән башка организмнарны (өстәмә рәсем 7).Мәсәлән, eL14 протеины мисалы шуны күрсәтә: без паразитик төрләрдәге молекуляр аппаратның деградация дәрәҗәсен бәяли алабыз.Энцефалитик паразитлар хәзер йөзләгән микроспоридиягә хас геннар дип санала.Ләкин, безнең нәтиҗәләр шуны күрсәтә: бу конкрет булып күренгән геннарның кайберләре башка эукариотларда киң таралган геннарның бик төрле вариантлары.Моннан тыш, msL2 протеины мисалында без яңа рибосомаль протеиннарны ничек санга сукмавыбызны һәм паразитик молекуляр машиналарның эчтәлеген бәяләп бетермәвебезне күрсәтә.Кечкенә молекулалар үрнәге паразитик молекуляр структуралардагы иң яңа яңалыкларны ничек онытырга мөмкинлеген күрсәтә, аларга яңа биологик активлык бирә ала.
Бергә тупланган бу нәтиҗәләр, хуҗа белән чикләнгән организмнарның молекуляр структуралары һәм аларның ирекле тере организмнардагы хезмәттәшләре арасындагы аерманы аңлавыбызны яхшырта.Без күрсәтәбез, молекуляр машиналар, күптән киметелгән, бозыла һәм төрле зәгыйфь мутацияләргә дучар ителәләр, киресенчә, гадәти булмаган структур үзенчәлекләр системасына игътибар итмиләр.
Икенче яктан, Э.Куникули рибосомаларында тапкан зур булмаган RRNA фрагментлары һәм кушылган фрагментлар геномның кимүе тормышның өч өлкәсендә сакланган төп молекуляр техниканың өлешләрен дә үзгәртә ала - якынча 3,5 миллиард елдан соң.төрләрнең мөстәкыйль эволюциясе.
Э. cuniculi рибосомаларындагы зур булмаган һәм кушылган RRNA фрагментлары эндосимбиотик бактерияләрдә РНК молекулаларын алдагы тикшеренүләр яктылыгында аеруча кызыклы.Мәсәлән, афид эндосимбион Бухнера афидиколада, RRNA һәм tRNA молекулаларында A + T составы һәм каноник булмаган пар парларының зур өлеше аркасында температурага сизгер структуралар барлыгы күрсәтелде20,50.РНКдагы бу үзгәрешләр, шулай ук ​​белок молекулаларының үзгәрүе, хәзерге вакытта эндосимбионтларның партнерларга артык бәйләнеше һәм эндосимбионтларның 21, 23 җылылыкны күчерә алмавы өчен җаваплы дип санала.Паразитик микроспоридия rRNA структур яктан аерылып торган үзгәрешләргә ия булса да, бу үзгәрешләрнең характеры шуны күрсәтә: җылылык тотрыклылыгын киметү һәм шаперон белокларына күбрәк бәйлелек геномлы организмнардагы РНК молекулаларының гомуми үзенчәлекләре булырга мөмкин.
Икенче яктан, безнең структуралар шуны күрсәтә: паразит микроспоридия киң сакланган rRNA һәм протеин фрагментларына каршы тору өчен уникаль сәләт үстерде, мул һәм җиңел булган кечкенә метаболитларны бозылган RRNA һәм протеин фрагментларының структур охшашлыгы итеп куллану сәләтен үстерде.Молекуляр структураның бозылуы..Бу фикер rRNAдагы протеин фрагментларын һәм Э.Куникулиның рибосомаларын югалтуны каплаучы кечкенә молекулаларның uL15 һәм eL30 аксымнарындагы микроспоридия калдыкларына бәйләнеше белән раслана.Бу шуны күрсәтә: кечкенә молекулаларны рибосомалар белән бәйләү уңай сайлау продукты булырга мөмкин, анда рибосомаль протеиннардагы микроспоридия специфик мутацияләре рибосомаларның кечкенә молекулаларга якынлыгын арттыру сәләте өчен сайланган, бу эффектив рибосомаль организмнарга китерә ала.Ачыш микробиаль паразитларның молекуляр структурасында акыллы яңалыкны ачып бирә һәм редуктив эволюциягә карамастан, паразит молекуляр структураларының үз функцияләрен ничек саклавын яхшырак аңлый.
Хәзерге вакытта бу кечкенә молекулаларны ачыклау аңлашылмый кала.Ни өчен бу кечкенә молекулаларның рибосомаль структурада күренеше микроспоридия төрләре арасында аерылып торуы аңлашылмый.Аерым алганда, ни өчен нуклеотид бәйләнеше Э. cuniculi һәм P. locustae рибосомаларында күзәтелә, һәм V. nekatrix рибосомаларында түгел, eL20 һәм V.17 некатриксының K172 белгечләрендә F170 калдыклары булуына карамастан.Бу бетерү 43 uL6 калдыклары аркасында булырга мөмкин (нуклеотид бәйләү кесәсенә янәшә урнашкан), ул V. некатриксындагы тиросин һәм Э. cuniculi һәм P. locustaeда тронин түгел.Tyr43-ның зур хуш исле чылбыры стерик каплану аркасында нуклеотид бәйләнешенә комачаулый ала.Альтернатив рәвештә, күренгән нуклеотидны бетерү крио-ЭМ картинасының түбән резолюциясе аркасында булырга мөмкин, бу V. некатрикс рибосомаль фрагментларын модельләштерүгә комачаулый.
Икенче яктан, безнең эш геномның бозылу процессы уйлап табучы көч булырга мөмкинлеген күрсәтә.Аерым алганда, E. cuniculi рибосомасы структурасы микроспоридия рибосомасында RRNA һәм белок фрагментларының югалуы рибосома структурасында үзгәрешләр кертүче эволюцион басым тудыруын күрсәтә.Бу вариантлар рибосоманың актив сайтыннан ерак урнашкан һәм оптималь рибосома җыюны сакларга (яки торгызырга) ярдәм итә кебек, бу RRNAның кимүе белән өзеләчәк.Бу микроспоридия рибосомасының төп яңалыгы ген дрифтын буферлау ихтыяҗына әверелгәнен күрсәтә.
Мөгаен, моны нуклеотид белән бәйләү иң яхшы күрсәтә, ул әле башка организмнарда күзәтелмәгән.Нуклеотид бәйләүче калдыкларның типик микроспоридиядә булуы, ләкин башка эукариотларда булмавы, нуклеотид бәйләүче урыннарның юкка чыгуын көткән әйберләр генә түгел, яисә RRNA өчен аерым нуклеотидлар формасында торгызылу өчен соңгы мәйдан булуын күрсәтә.Киресенчә, бу сайт файдалы үзенчәлек кебек тоела, ул берничә тур уңай сайлауда үсә алыр иде.Нуклеотид бәйләүче урыннар табигый сайлау продукты булырга мөмкин: ES39L бозылганнан соң, микроспоридия ES39L булмаганда оптималь рибосома биогенезын торгызу өчен компенсация эзләргә мәҗбүр.Бу нуклеотид ES39Lдагы A3186 нуклеотидының молекуляр контактларын охшата алганлыктан, нуклеотид молекуласы рибосоманың төзелеш блокына әверелә, аның бәйләнеше eL30 эзлеклелеге мутациясе ярдәмендә тагын да яхшыра.
Күзәнә күзәнәк паразитларының молекуляр эволюциясенә килгәндә, безнең тикшерү шуны күрсәтә: Дарвинның табигый сайлау көче һәм геномның бозылуының генетик дрифты параллель эшләми, ә осли.Беренчедән, генетик дрифт биомолекулаларның мөһим үзенчәлекләрен юкка чыгара, компенсация бик кирәк.Паразитлар бу ихтыяҗны Дарвин табигый сайлау аша канәгатьләндергәндә генә, аларның макромолекулалары иң тәэсирле һәм инновацион сыйфатларын үстерергә мөмкинлек алачак.Иң мөһиме, Э.Куникули рибосомасында нуклеотид бәйләүче урыннар эволюциясе шуны күрсәтә: молекуляр эволюциянең югалып калу үрнәге юкка чыккан мутацияләрне амортизацияләп кенә калмый, ә кайвакыт паразитик макромолекулаларда бөтенләй яңа функцияләр бирә.
Бу идея Сьюэлл Райтның хәрәкәтчән тигезлек теориясенә туры килә, ул катгый табигый сайлау системасы организмнарның инновацияләр мөмкинлеген чикли дип әйтә 51,52,53.Ләкин, генетик дрифт табигый сайлануны бозса, бу дрифтлар үзләрендә адаптив булмаган (яки хәтта зарарлы) булмаган үзгәрешләр китерергә мөмкин, ләкин югары фитнес яки яңа биологик активлык тәэмин итүче алга таба үзгәрешләргә китерә.Безнең база бу идеяны хуплый, биомолекуланың катламын һәм функциясен киметүче шул ук мутация аны яхшырту өчен төп этәргеч булып күренә.Win-win эволюцион модельгә туры китереп, безнең тикшерү шуны күрсәтә: традицион рәвештә дегератив процесс дип саналган геномның бозылуы, шулай ук, инновациянең төп йөртүчесе булып тора, кайвакыт һәм хәтта макромолекулаларга яңа паразитик чаралар алырга мөмкинлек бирә.куллана ала.