Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Sự tiến hóa của ký sinh trùng vi sinh vật liên quan đến sự đối kháng giữa chọn lọc tự nhiên, khiến ký sinh trùng cải thiện và trôi dạt di truyền, khiến ký sinh trùng mất gen và tích lũy các đột biến có hại.Ở đây, để hiểu làm thế nào phản ứng này xảy ra trên quy mô của một đại phân tử duy nhất, chúng tôi mô tả cấu trúc cryo-EM của ribosome của Encephalitozoon cuniculi, một sinh vật nhân chuẩn có một trong những bộ gen nhỏ nhất trong tự nhiên.Sự giảm mạnh rRNA trong các ribosome của E. cuniculi đi kèm với những thay đổi cấu trúc chưa từng có, chẳng hạn như sự tiến hóa của các trình tự liên kết rRNA hợp nhất chưa biết trước đó và rRNA không có chỗ phình ra.Ngoài ra, ribosome của E. cuniculi đã sống sót sau khi mất các đoạn rRNA và protein bằng cách phát triển khả năng sử dụng các phân tử nhỏ làm mô phỏng cấu trúc của các đoạn rRNA và protein bị thoái hóa.Nhìn chung, chúng tôi chỉ ra rằng các cấu trúc phân tử từ lâu được cho là bị suy giảm, thoái hóa và chịu các đột biến làm suy nhược có một số cơ chế bù trừ giúp chúng hoạt động bất chấp các cơn co thắt phân tử cực độ.
Bởi vì hầu hết các nhóm vi sinh vật ký sinh đều có các công cụ phân tử độc đáo để khai thác vật chủ của chúng, nên chúng ta thường phải phát triển các phương pháp trị liệu khác nhau cho các nhóm ký sinh trùng khác nhau1,2.Tuy nhiên, bằng chứng mới cho thấy rằng một số khía cạnh của sự tiến hóa của ký sinh trùng là hội tụ và phần lớn có thể dự đoán được, cho thấy cơ sở tiềm năng cho các can thiệp điều trị rộng rãi đối với ký sinh trùng vi khuẩn3,4,5,6,7,8,9.
Công việc trước đây đã xác định một xu hướng tiến hóa phổ biến ở ký sinh trùng vi sinh vật được gọi là giảm bộ gen hoặc phân rã bộ gen10,11,12,13.Nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng khi các vi sinh vật từ bỏ lối sống tự do và trở thành ký sinh trùng nội bào (hoặc nội cộng sinh), bộ gen của chúng trải qua những biến đổi chậm nhưng đáng kinh ngạc trong hàng triệu năm9,11.Trong một quá trình được gọi là phân rã bộ gen, vi sinh vật ký sinh tích lũy các đột biến có hại biến nhiều gen quan trọng trước đây thành gen giả, dẫn đến mất dần gen và sụp đổ đột biến14,15.Sự sụp đổ này có thể phá hủy tới 95% gen trong các sinh vật nội bào lâu đời nhất so với các loài sống tự do có quan hệ họ hàng gần.Do đó, sự tiến hóa của ký sinh trùng nội bào là một cuộc giằng co giữa hai thế lực đối lập: chọn lọc tự nhiên của Darwin, dẫn đến sự cải thiện của ký sinh trùng, và sự sụp đổ của bộ gen, ném ký sinh trùng vào quên lãng.Làm thế nào ký sinh trùng có thể thoát ra khỏi cuộc chiến giằng co này và duy trì hoạt động của cấu trúc phân tử của nó vẫn chưa rõ ràng.
Mặc dù cơ chế phân rã bộ gen vẫn chưa được hiểu đầy đủ, nhưng dường như nó xảy ra chủ yếu do sự trôi dạt di truyền thường xuyên.Vì ký sinh trùng sống trong các quần thể nhỏ, vô tính và hạn chế về mặt di truyền nên chúng không thể loại bỏ hiệu quả các đột biến có hại đôi khi xảy ra trong quá trình sao chép DNA.Điều này dẫn đến sự tích tụ không thể đảo ngược của các đột biến có hại và giảm bộ gen của ký sinh trùng.Kết quả là, ký sinh trùng không chỉ mất đi những gen không còn cần thiết cho sự tồn tại của nó trong môi trường nội bào.Việc các quần thể ký sinh trùng không có khả năng loại bỏ hiệu quả các đột biến có hại lẻ tẻ khiến các đột biến này tích tụ trong toàn bộ bộ gen, bao gồm cả các gen quan trọng nhất của chúng.
Phần lớn sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về việc giảm thiểu bộ gen chỉ dựa trên sự so sánh trình tự bộ gen, ít chú ý đến những thay đổi trong các phân tử thực tế thực hiện các chức năng vệ sinh và đóng vai trò là mục tiêu thuốc tiềm năng.Các nghiên cứu so sánh đã chỉ ra rằng gánh nặng của các đột biến vi sinh vật nội bào có hại dường như khiến protein và axit nucleic sắp xếp sai và tổng hợp lại, khiến chúng phụ thuộc nhiều hơn vào người đi kèm và quá nhạy cảm với nhiệt19,20,21,22,23.Ngoài ra, nhiều loại ký sinh trùng khác nhau—sự tiến hóa độc lập đôi khi cách nhau tới 2,5 tỷ năm—đã trải qua sự mất mát tương tự đối với các trung tâm kiểm soát chất lượng trong cơ chế tổng hợp protein5,6 và sửa chữa DNA24 của chúng.Tuy nhiên, người ta biết rất ít về tác động của lối sống nội bào đối với tất cả các đặc tính khác của các đại phân tử tế bào, bao gồm cả sự thích nghi của phân tử đối với gánh nặng ngày càng tăng của các đột biến có hại.
Trong công trình này, để hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa protein và axit nucleic của vi sinh vật nội bào, chúng tôi đã xác định cấu trúc ribosome của ký sinh trùng nội bào Encephalitozoon cuniculi.E. cuniculi là một sinh vật giống như nấm thuộc nhóm microsporidia ký sinh có bộ gen của sinh vật nhân chuẩn nhỏ bất thường và do đó được sử dụng làm sinh vật mẫu để nghiên cứu sự phân rã của bộ gen25,26,27,28,29,30.Gần đây, cấu trúc ribosome cryo-EM đã được xác định cho các bộ gen giảm vừa phải của Microsporidia, Paranosema locustae và Vairimorpha necatrix31,32 (bộ gen ~ 3,2 Mb).Những cấu trúc này cho thấy rằng một số mất mát trong quá trình khuếch đại rRNA được bù đắp bằng sự phát triển của các tiếp xúc mới giữa các protein ribosome lân cận hoặc thu nhận các protein ribosome msL131,32 mới.Loài Encephalitozoon (bộ gen ~2,5 triệu bp), cùng với họ hàng gần nhất Ordospora của chúng, chứng minh mức độ giảm thiểu tối đa của bộ gen ở sinh vật nhân chuẩn – chúng có ít hơn 2000 gen mã hóa protein, và người ta cho rằng các ribosome của chúng không chỉ không có các đoạn mở rộng rRNA (các đoạn rRNA giúp phân biệt ribosome của sinh vật nhân chuẩn với ribosome của vi khuẩn) mà còn có bốn protein ribosome do thiếu tương đồng trong bộ gen của E. cuniculi26 ,27,28.Do đó, chúng tôi đã kết luận rằng ribosome của E. cuniculi có thể tiết lộ các chiến lược chưa biết trước đây để thích ứng phân tử với sự phân rã của bộ gen.
Cấu trúc cryo-EM của chúng tôi đại diện cho ribosome tế bào chất của sinh vật nhân chuẩn nhỏ nhất được đặc trưng và cung cấp cái nhìn sâu sắc về mức độ cuối cùng của việc giảm bộ gen ảnh hưởng đến cấu trúc, sự lắp ráp và sự tiến hóa của bộ máy phân tử không thể thiếu đối với tế bào.Chúng tôi phát hiện ra rằng ribosome của E. cuniculi vi phạm nhiều nguyên tắc gấp ARN và lắp ráp ribosome được bảo tồn rộng rãi, đồng thời phát hiện ra một loại protein ribosome mới chưa từng được biết đến trước đây.Khá bất ngờ, chúng tôi chỉ ra rằng các ribosome microsporidia đã phát triển khả năng liên kết các phân tử nhỏ và đưa ra giả thuyết rằng các đoạn cắt ngắn trong rRNA và protein kích hoạt những đổi mới tiến hóa mà cuối cùng có thể mang lại những phẩm chất hữu ích cho ribosome.
Để nâng cao hiểu biết của chúng tôi về quá trình tiến hóa của protein và axit nucleic trong các sinh vật nội bào, chúng tôi đã quyết định phân lập bào tử E. cuniculi từ môi trường nuôi cấy của các tế bào động vật có vú bị nhiễm bệnh nhằm tinh chế các ribosome của chúng và xác định cấu trúc của các ribosome này.Rất khó để có được một số lượng lớn microsporidia ký sinh vì microsporidia không thể nuôi cấy trong môi trường dinh dưỡng.Thay vào đó, chúng chỉ phát triển và sinh sản bên trong tế bào chủ.Do đó, để thu được sinh khối E. cuniculi để tinh chế ribosome, chúng tôi đã nhiễm bào tử E. cuniculi vào dòng tế bào thận của động vật có vú RK13 và nuôi cấy các tế bào bị nhiễm này trong vài tuần để cho phép E. cuniculi phát triển và nhân lên.Sử dụng một lớp đơn lớp tế bào bị nhiễm rộng khoảng nửa mét vuông, chúng tôi có thể tinh chế khoảng 300 mg bào tử Microsporidia và sử dụng chúng để phân lập các ribosome.Sau đó, chúng tôi đã phá vỡ các bào tử tinh khiết bằng các hạt thủy tinh và phân lập các ribosome thô bằng cách sử dụng phân đoạn polyetylen glycol từng bước của các dung dịch ly giải.Điều này cho phép chúng tôi thu được khoảng 300 µg ribosome E. cuniculi thô để phân tích cấu trúc.
Sau đó, chúng tôi đã thu thập các hình ảnh cryo-EM bằng cách sử dụng các mẫu ribosome thu được và xử lý những hình ảnh này bằng cách sử dụng mặt nạ tương ứng với tiểu đơn vị ribosome lớn, đầu tiểu đơn vị nhỏ và tiểu đơn vị nhỏ.Trong quá trình này, chúng tôi đã thu thập hình ảnh của khoảng 108.000 hạt ribosome và tính toán hình ảnh cryo-EM với độ phân giải 2,7 Å (Hình bổ sung 1-3).Sau đó, chúng tôi đã sử dụng hình ảnh cryoEM để lập mô hình rRNA, protein ribosome và yếu tố ngủ đông Mdf1 liên quan đến các ribosome của E. cuniculi (Hình 1a, b).
Cấu trúc của ribosome E. cuniculi phức tạp với yếu tố ngủ đông Mdf1 (pdb id 7QEP).b Bản đồ của yếu tố ngủ đông Mdf1 được liên kết với E. cuniculi ribosome.c Bản đồ cấu trúc thứ cấp so sánh rRNA đã phục hồi ở các loài Microsporidian với các cấu trúc ribosome đã biết.Các bảng hiển thị vị trí của các đoạn rRNA được khuếch đại (ES) và các vị trí hoạt động của ribosome, bao gồm vị trí giải mã (DC), vòng lặp sarcinicin (SRL) và trung tâm peptidyl transferase (PTC).d Mật ​​độ điện tử tương ứng với trung tâm peptidyl transferase của ribosome E. cuniculi gợi ý rằng vị trí xúc tác này có cấu trúc tương tự ở ký sinh trùng E. cuniculi và các vật chủ của nó, bao gồm cả H. sapiens.e, f Mật độ electron tương ứng của trung tâm giải mã (e) và sơ đồ cấu trúc của trung tâm giải mã (f) cho thấy E. cuniculi có dư lượng U1491 thay vì A1491 (đánh số E. coli) ở nhiều sinh vật nhân chuẩn khác.Sự thay đổi này cho thấy E. cuniculi có thể nhạy cảm với kháng sinh nhắm vào vị trí hoạt động này.
Trái ngược với cấu trúc đã được thiết lập trước đó của ribosome V. necatrix và P. locusae (cả hai cấu trúc đại diện cho cùng một họ microsporidia Nosematidae và rất giống nhau), 31,32 ribosome của E. cuniculi trải qua nhiều quá trình phân mảnh rRNA và protein.Biến tính hơn nữa (Hình bổ sung 4-6).Trong rRNA, những thay đổi nổi bật nhất bao gồm mất hoàn toàn đoạn 25S rRNA ES12L được khuếch đại và thoái hóa một phần các vòng xoắn h39, h41 và H18 (Hình 1c, Hình bổ sung 4).Trong số các protein ribosome, những thay đổi nổi bật nhất bao gồm mất hoàn toàn protein eS30 và rút ngắn các protein eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 và eS7 (Hình bổ sung 4, 5).
Do đó, sự suy giảm nghiêm trọng bộ gen của các loài Encephalotozoon/Ordospora được phản ánh trong cấu trúc ribosome của chúng: Các ribosome của E. cuniculi trải qua sự mất mát nghiêm trọng nhất về hàm lượng protein trong các ribosome tế bào chất của sinh vật nhân chuẩn tùy thuộc vào đặc điểm cấu trúc và chúng thậm chí không có các đoạn rRNA và protein được bảo tồn rộng rãi không chỉ ở sinh vật nhân chuẩn mà còn trong ba lĩnh vực của sự sống.Cấu trúc của ribosome E. cuniculi cung cấp mô hình phân tử đầu tiên cho những thay đổi này và tiết lộ các sự kiện tiến hóa đã bị bỏ qua bởi cả bộ gen so sánh và nghiên cứu về cấu trúc phân tử sinh học nội bào (Hình bổ sung 7).Dưới đây, chúng tôi mô tả từng sự kiện này cùng với nguồn gốc tiến hóa có thể có của chúng và tác động tiềm ẩn của chúng đối với chức năng của ribosome.
Sau đó, chúng tôi phát hiện ra rằng, ngoài các đoạn cắt ngắn rRNA lớn, các ribosome của E. cuniculi còn có các biến thể rRNA tại một trong các vị trí hoạt động của chúng.Mặc dù trung tâm peptidyl transferase của ribosome E. cuniculi có cấu trúc giống như các ribosome sinh vật nhân thực khác (Hình 1d), nhưng trung tâm giải mã lại khác do sự biến đổi trình tự ở nucleotide 1491 (đánh số E. coli, Hình 1e, f).Quan sát này rất quan trọng vì vị trí giải mã của các ribosome nhân chuẩn thường chứa các gốc G1408 và A1491 so với các gốc A1408 và G1491 của loại vi khuẩn.Biến thể này làm cơ sở cho sự nhạy cảm khác nhau của các ribosome vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn đối với họ kháng sinh ribosome aminoglycoside và các phân tử nhỏ khác nhắm vào vị trí giải mã.Tại vị trí giải mã của ribosome E. cuniculi, phần dư A1491 được thay thế bằng U1491, có khả năng tạo ra một giao diện liên kết duy nhất cho các phân tử nhỏ nhắm vào vị trí hoạt động này.Biến thể A14901 tương tự cũng có ở các loài microsporidia khác như P. locustae và V. necatrix, cho thấy rằng nó phổ biến ở các loài microsporidia (Hình 1f).
Do các mẫu ribosome E. cuniculi của chúng tôi được phân lập từ các bào tử không hoạt động về mặt trao đổi chất, nên chúng tôi đã thử nghiệm bản đồ cryo-EM của E. cuniculi để tìm liên kết ribosome được mô tả trước đây trong điều kiện căng thẳng hoặc đói.Các yếu tố ngủ đông 31,32,36,37, 38. Chúng tôi khớp cấu trúc đã được thiết lập trước đó của ribosome ngủ đông với bản đồ cryo-EM của ribosome E. cuniculi.Để lắp ghép, các ribosome của S. cerevisiae được sử dụng kết hợp với yếu tố ngủ đông Stm138, các ribosome châu chấu kết hợp với yếu tố Lso232 và các ribosome V. necatrix kết hợp với các yếu tố Mdf1 và Mdf231.Đồng thời, chúng tôi đã tìm thấy mật độ cryo-EM tương ứng với hệ số nghỉ Mdf1.Tương tự như việc Mdf1 liên kết với ribosome của V. necatrix, Mdf1 cũng liên kết với ribosome của E. cuniculi, nơi nó chặn vị trí E của ribosome, có thể giúp tạo ra các ribosome khi các bào tử ký sinh trở nên bất hoạt về mặt chuyển hóa khi cơ thể bất hoạt (Hình 2).).
Mdf1 chặn vị trí E của ribosome, có vẻ như giúp vô hiệu hóa ribosome khi bào tử ký sinh trùng không hoạt động về mặt trao đổi chất.Trong cấu trúc của ribosome E. cuniculi, chúng tôi nhận thấy rằng Mdf1 hình thành một liên hệ chưa từng được biết đến trước đây với thân ribosome L1, một phần của ribosome tạo điều kiện giải phóng tRNA đã khử hoạt tính từ ribosome trong quá trình tổng hợp protein.Những liên hệ này gợi ý rằng Mdf1 tách khỏi ribosome bằng cách sử dụng cơ chế tương tự như tRNA khử acetyl, đưa ra lời giải thích khả dĩ về cách ribosome loại bỏ Mdf1 để kích hoạt lại quá trình tổng hợp protein.
Tuy nhiên, cấu trúc của chúng tôi đã tiết lộ một liên hệ chưa biết giữa Mdf1 và chân ribosome L1 (phần của ribosome giúp giải phóng tRNA đã khử hoạt tính khỏi ribosome trong quá trình tổng hợp protein).Cụ thể, Mdf1 sử dụng các điểm tiếp xúc giống như đoạn khuỷu tay của phân tử tRNA đã khử hoạt tính (Hình 2).Mô hình phân tử chưa biết trước đây này cho thấy Mdf1 tách khỏi ribosome bằng cơ chế tương tự như tRNA khử acetyl, giải thích cách ribosome loại bỏ yếu tố ngủ đông này để kích hoạt lại quá trình tổng hợp protein.
Khi xây dựng mô hình rRNA, chúng tôi nhận thấy rằng ribosome của E. cuniculi có các đoạn rRNA được gấp lại một cách bất thường, mà chúng tôi gọi là rRNA hợp nhất (Hình 3).Trong các ribosome trải dài trong ba lĩnh vực của sự sống, rRNA gấp lại thành các cấu trúc trong đó hầu hết các bazơ rRNA hoặc là cặp bazơ và gấp nếp với nhau hoặc tương tác với các protein của ribosome38,39,40.Tuy nhiên, trong các ribosome của E. cuniculi, các rRNA dường như vi phạm nguyên tắc gấp nếp này bằng cách chuyển đổi một số vòng xoắn của chúng thành các vùng rRNA mở ra.
Cấu trúc của chuỗi xoắn H18 25S rRNA ở S. cerevisiae, V. necatrix và E. cuniculi.Thông thường, trong các ribosome trải dài trong ba miền sự sống, trình liên kết này cuộn thành một chuỗi xoắn RNA chứa 24 đến 34 gốc.Ngược lại, ở Microsporidia, trình tự liên kết rRNA này giảm dần thành hai trình tự liên kết giàu uridine chuỗi đơn chỉ chứa 12 gốc.Hầu hết các cặn này được tiếp xúc với dung môi.Hình này cho thấy rằng microsporidia ký sinh dường như vi phạm các nguyên tắc chung của sự cuộn gấp rRNA, trong đó các base rRNA thường được ghép nối với các base khác hoặc tham gia vào các tương tác rRNA-protein.Ở microsporidia, một số đoạn rRNA có một nếp gấp không thuận lợi, trong đó chuỗi xoắn rRNA trước đây trở thành một đoạn chuỗi đơn kéo dài gần như theo một đường thẳng.Sự hiện diện của các vùng bất thường này cho phép rRNA của microsporidia liên kết các đoạn rRNA ở xa bằng cách sử dụng số lượng cơ sở RNA tối thiểu.
Ví dụ nổi bật nhất về quá trình chuyển đổi tiến hóa này có thể được quan sát thấy trong chuỗi xoắn H18 25S rRNA (Hình 3).Ở các loài từ E. coli đến con người, các gốc của chuỗi xoắn rRNA này chứa 24-32 nucleotide, tạo thành một chuỗi xoắn hơi không đều.Trong các cấu trúc ribosom đã được xác định trước đó từ V. necatrix và P. locusae,31,32 các bazơ của chuỗi xoắn H18 được tháo xoắn một phần, nhưng sự ghép cặp bazơ nucleotide được bảo toàn.Tuy nhiên, ở E. cuniculi, đoạn rRNA này trở thành trình tự liên kết ngắn nhất 228UUUUGU232 và 301UUUUUUUUUU307.Không giống như các đoạn rRNA điển hình, các trình tự liên kết giàu uridine này không cuộn lại hoặc tiếp xúc rộng rãi với các protein ribosome.Thay vào đó, chúng áp dụng các cấu trúc mở và mở hoàn toàn bằng dung môi trong đó các chuỗi rRNA được kéo dài gần như thẳng.Cấu trúc kéo dài này giải thích cách E. cuniculi chỉ sử dụng 12 base RNA để lấp đầy khoảng trống 33 Å giữa các vòng xoắn rRNA H16 và H18, trong khi các loài khác cần ít nhất gấp đôi số base rRNA để lấp đầy khoảng trống.
Do đó, chúng ta có thể chứng minh rằng, thông qua việc gấp nếp không thuận lợi về mặt năng lượng, microsporidia ký sinh đã phát triển một chiến lược để thu hẹp ngay cả những đoạn rRNA vẫn được bảo tồn rộng rãi giữa các loài trong ba lĩnh vực của sự sống.Rõ ràng, bằng cách tích lũy các đột biến biến đổi các vòng xoắn rRNA thành các trình liên kết poly-U ngắn, E. cuniculi có thể tạo thành các đoạn rRNA bất thường chứa càng ít nucleotide càng tốt để thắt các đoạn rRNA ở xa.Điều này giúp giải thích làm thế nào microsporidia đạt được sự giảm đáng kể cấu trúc phân tử cơ bản mà không làm mất tính toàn vẹn về cấu trúc và chức năng của chúng.
Một đặc điểm bất thường khác của rRNA của E. cuniculi là sự xuất hiện của rRNA mà không bị dày lên (Hình 4).Các chỗ phình ra là các nucleotide không có cặp bazơ xoắn ra khỏi chuỗi xoắn RNA thay vì ẩn trong đó.Hầu hết các phần lồi của rRNA hoạt động như chất kết dính phân tử, giúp liên kết các protein ribosome liền kề hoặc các đoạn rRNA khác.Một số chỗ phình đóng vai trò như bản lề, cho phép chuỗi xoắn rRNA uốn cong và gấp lại một cách tối ưu để tổng hợp protein hiệu quả 41 .
a Phần nhô ra của rRNA (đánh số S. cerevisiae) không có trong cấu trúc ribosome của E. cuniculi, nhưng có ở hầu hết các sinh vật nhân chuẩn khác b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens và E. cuniculi.ký sinh trùng thiếu nhiều rRNA cổ xưa, được bảo tồn cao.Những lớp dày này ổn định cấu trúc ribosome;do đó, sự vắng mặt của chúng trong microsporidia cho thấy sự giảm độ ổn định của rRNA trong ký sinh trùng microsporidia.So sánh với thân P (thân L7/L12 ở vi khuẩn) cho thấy rằng sự mất đi các nốt rRNA đôi khi trùng hợp với sự xuất hiện của các nốt sần mới bên cạnh các nốt sần đã mất.Chuỗi xoắn H42 trong rRNA 23S/28S có một chỗ phình cổ xưa (U1206 ở Saccharomyces cerevisiae) được ước tính là ít nhất 3,5 tỷ năm tuổi do được bảo vệ trong ba lĩnh vực của sự sống.Ở microsporidia, chỗ phình này bị loại bỏ.Tuy nhiên, một chỗ phình mới xuất hiện bên cạnh chỗ phình đã mất (A1306 ở E. cuniculi).
Đáng chú ý, chúng tôi thấy rằng các ribosome của E. cuniculi thiếu hầu hết các chỗ phình rRNA được tìm thấy ở các loài khác, bao gồm hơn 30 chỗ phình được bảo tồn ở các sinh vật nhân chuẩn khác (Hình 4a).Sự mất mát này loại bỏ nhiều tiếp xúc giữa các tiểu đơn vị ribosome và các vòng xoắn rRNA liền kề, đôi khi tạo ra các khoảng rỗng lớn bên trong ribosome, làm cho ribosome của E. cuniculi trở nên xốp hơn so với các ribosome truyền thống hơn (Hình 4b).Đáng chú ý, chúng tôi thấy rằng hầu hết các chỗ phình này cũng bị mất trong cấu trúc ribosome của V. necatrix và P. locustae đã được xác định trước đó, vốn đã bị bỏ qua bởi các phân tích cấu trúc trước đó31,32.
Đôi khi sự mất chỗ phình rRNA đi kèm với sự phát triển của chỗ phình mới bên cạnh chỗ phình bị mất.Ví dụ, thân P của ribosome chứa chỗ phình U1208 (ở Saccharomyces cerevisiae) sống sót từ E. coli sang người và do đó được ước tính là 3,5 tỷ năm tuổi.Trong quá trình tổng hợp protein, chỗ phình ra này giúp thân P di chuyển giữa các dạng đóng và mở để ribosome có thể tuyển dụng các nhân tố dịch mã và đưa chúng đến vị trí hoạt động.Ở E. cuniculi ribosome, sự dày lên này không có;tuy nhiên, một lớp dày mới (G883) chỉ nằm trong ba cặp cơ sở có thể góp phần khôi phục tính linh hoạt tối ưu của thân P (Hình 4c).
Dữ liệu của chúng tôi về rRNA không có chỗ phình cho thấy rằng việc giảm thiểu rRNA không chỉ giới hạn ở việc làm mất các phần tử rRNA trên bề mặt của ribosome, mà còn có thể liên quan đến nhân ribosome, tạo ra một khiếm khuyết phân tử đặc hiệu cho ký sinh trùng chưa được mô tả trong các tế bào sống tự do.các loài sống được quan sát.
Sau khi mô hình hóa các protein và rRNA của ribosome chính tắc, chúng tôi thấy rằng các thành phần ribosome thông thường không thể giải thích ba phần của hình ảnh cryo-EM.Hai trong số các mảnh này có kích thước phân tử nhỏ (Hình 5, Hình bổ sung 8).Đoạn đầu tiên được kẹp giữa các protein ribosome uL15 và eL18 ở vị trí thường được chiếm giữ bởi đầu C của eL18, đoạn này được rút ngắn ở E. cuniculi.Mặc dù chúng ta không thể xác định danh tính của phân tử này, nhưng kích thước và hình dạng của đảo mật độ này được giải thích rõ bằng sự hiện diện của các phân tử Spermidine.Liên kết của nó với ribosome được ổn định nhờ các đột biến đặc hiệu của microsporidia trong các protein uL15 (Asp51 và Arg56), dường như làm tăng ái lực của ribosome đối với phân tử nhỏ này, vì chúng cho phép uL15 bao bọc phân tử nhỏ thành cấu trúc ribosome.Bổ sung Hình 2).8, dữ liệu bổ sung 1, 2).
Hình ảnh Cryo-EM cho thấy sự hiện diện của các nucleotide bên ngoài ribose liên kết với ribosome E. cuniculi.Trong ribosome của E. cuniculi, nucleotide này chiếm cùng vị trí với nucleotide 25S rRNA A3186 (đánh số của Saccharomyces cerevisiae) trong hầu hết các ribosome của sinh vật nhân chuẩn khác.b Trong cấu trúc ribosome của E. cuniculi, nucleotide này nằm giữa protein ribosome uL9 và eL20, do đó ổn định sự tiếp xúc giữa hai protein.phân tích bảo tồn trình tự cd eL20 giữa các loài microsporidia.Cây phát sinh loài của các loài Microsporidia (c) và nhiều trình tự liên kết của protein eL20 (d) cho thấy các gốc liên kết nucleotide F170 và K172 được bảo tồn trong hầu hết các Microsporidia điển hình, ngoại trừ S. lophii, ngoại trừ Microsporidia phân nhánh sớm, giữ lại phần mở rộng ES39L rRNA.e Hình này cho thấy các gốc liên kết nucleotide F170 và K172 chỉ hiện diện trong eL20 của bộ gen microsporidia giảm mạnh, nhưng không có trong các sinh vật nhân thực khác.Nhìn chung, những dữ liệu này cho thấy rằng các ribosome Microsporidian đã phát triển một vị trí liên kết nucleotide dường như để liên kết các phân tử AMP và sử dụng chúng để ổn định các tương tác protein-protein trong cấu trúc ribosome.Tính bảo tồn cao của vị trí liên kết này ở Microsporidia và sự vắng mặt của nó ở các sinh vật nhân chuẩn khác cho thấy rằng vị trí này có thể mang lại lợi thế sinh tồn có chọn lọc cho Microsporidia.Do đó, túi liên kết nucleotide trong ribosome của microsporidia dường như không phải là một đặc điểm thoái hóa hoặc dạng kết thúc của quá trình thoái hóa rRNA như đã mô tả trước đây, mà là một cải tiến tiến hóa hữu ích cho phép ribosome của microsporidia liên kết trực tiếp các phân tử nhỏ, sử dụng chúng làm khối xây dựng phân tử.các khối xây dựng cho ribosome.Khám phá này làm cho microsporidia ribosome trở thành ribosome duy nhất được biết là sử dụng một nucleotide đơn làm khối xây dựng cấu trúc của nó.f Con đường tiến hóa giả thuyết bắt nguồn từ liên kết nucleotide.
Mật độ trọng lượng phân tử thấp thứ hai nằm ở giao diện giữa các protein ribosome uL9 và eL30 (Hình 5a).Giao diện này trước đây đã được mô tả trong cấu trúc của ribosome Saccharomyces cerevisiae như một vị trí liên kết cho nucleotide 25S của rRNA A3186 (một phần của phần mở rộng ES39L rRNA)38.Nó đã chỉ ra rằng trong các ribosome P. locustae ES39L thoái hóa, giao diện này liên kết với một nucleotide đơn chưa biết 31 và người ta cho rằng nucleotide này là một dạng rRNA cuối cùng được rút gọn, trong đó chiều dài của rRNA là ~130-230 base.ES39L bị khử thành nucleotide đơn 32,43.Hình ảnh cryo-EM của chúng tôi ủng hộ ý tưởng rằng mật độ có thể được giải thích bằng các nucleotide.Tuy nhiên, độ phân giải cao hơn của cấu trúc của chúng tôi cho thấy rằng nucleotide này là một phân tử ngoại bào, có thể là AMP (Hình 5a, b).
Sau đó, chúng tôi đã hỏi liệu vị trí liên kết nucleotide có xuất hiện trong ribosome của E. cuniculi hay liệu nó đã tồn tại trước đó hay chưa.Do liên kết nucleotide chủ yếu được trung gian bởi các gốc Phe170 và Lys172 trong protein eL30 ribosome, nên chúng tôi đã đánh giá khả năng bảo tồn của các gốc này trong 4396 sinh vật nhân chuẩn đại diện.Như trong trường hợp uL15 ở trên, chúng tôi thấy rằng dư lượng Phe170 và Lys172 chỉ được bảo tồn cao ở Microsporidia điển hình, nhưng không có ở các sinh vật nhân chuẩn khác, bao gồm cả Microsporidia Mitosporidium và Amphiamblys không điển hình, trong đó đoạn ES39L rRNA không bị giảm 44, 45, 46 (Hình 5c).-e).
Kết hợp lại với nhau, những dữ liệu này ủng hộ ý tưởng rằng E. cuniculi và có thể là các microsporidia chính tắc khác đã phát triển khả năng thu giữ hiệu quả số lượng lớn các chất chuyển hóa nhỏ trong cấu trúc ribosome để bù đắp cho sự suy giảm nồng độ rRNA và protein.Khi làm như vậy, họ đã phát triển một khả năng duy nhất để liên kết các nucleotide bên ngoài ribosome, cho thấy rằng các cấu trúc phân tử ký sinh bù đắp bằng cách thu giữ các chất chuyển hóa nhỏ dồi dào và sử dụng chúng làm mô phỏng cấu trúc của các đoạn RNA và protein bị thoái hóa..
Phần chưa được mô phỏng thứ ba của bản đồ cryo-EM của chúng tôi, được tìm thấy trong tiểu đơn vị lớn của ribosome.Độ phân giải tương đối cao (2,6 Å) của bản đồ của chúng tôi cho thấy rằng mật độ này thuộc về các protein có sự kết hợp độc đáo của các gốc chuỗi bên lớn, cho phép chúng tôi xác định mật độ này là một protein ribosome chưa biết trước đây mà chúng tôi đã xác định là Nó được đặt tên là msL2 (protein L2 đặc hiệu của Microsporidia) (các phương pháp, hình 6).Tìm kiếm tương đồng của chúng tôi cho thấy rằng msL2 được bảo tồn trong nhánh Microsporidia của chi Encephaliter và Orosporidium, nhưng không có ở các loài khác, bao gồm cả Microsporidia khác.Trong cấu trúc ribosome, msL2 chiếm một khoảng trống được hình thành do mất rRNA ES31L mở rộng.Trong khoảng trống này, msL2 giúp ổn định quá trình gấp rRNA và có thể bù đắp cho việc mất ES31L (Hình 6).
mật độ điện tử và mô hình của protein msL2 đặc trưng cho ribosome của Microsporidia được tìm thấy trong các ribosome của E. cuniculi.b Hầu hết các ribosome của sinh vật nhân thực, bao gồm cả ribosome 80S của Saccharomyces cerevisiae, mất khả năng khuếch đại ES19L rRNA ở hầu hết các loài Microsporidian.Cấu trúc đã được thiết lập trước đó của ribosome V. necatrix microsporidia cho thấy rằng sự mất mát ES19L ở những ký sinh trùng này được bù đắp bằng sự tiến hóa của protein ribosome msL1 mới.Trong nghiên cứu này, chúng tôi phát hiện ra rằng ribosome của E. cuniculi cũng phát triển thêm một protein bắt chước RNA của ribosome như một sự bù đắp rõ ràng cho việc mất ES19L.Tuy nhiên, msL2 (hiện được chú thích là protein ECU06_1135 giả định) và msL1 có nguồn gốc tiến hóa và cấu trúc khác nhau.c Phát hiện này về việc tạo ra các protein ribosome msL1 và msL2 không liên quan về mặt tiến hóa cho thấy rằng nếu các ribosome tích lũy các đột biến bất lợi trong rRNA của chúng, thì chúng có thể đạt được mức độ đa dạng thành phần chưa từng có trong ngay cả một tập hợp con nhỏ của các loài có quan hệ gần gũi.Phát hiện này có thể giúp làm sáng tỏ nguồn gốc và sự tiến hóa của ribosome ty thể, được biết đến với rRNA giảm mạnh và sự biến đổi bất thường trong thành phần protein giữa các loài.
Sau đó, chúng tôi so sánh protein msL2 với protein msL1 được mô tả trước đây, protein ribosome đặc hiệu của microsporidia duy nhất được biết đến có trong ribosome của V. necatrix.Chúng tôi muốn kiểm tra xem liệu msL1 và msL2 có liên quan về mặt tiến hóa hay không.Phân tích của chúng tôi cho thấy msL1 và msL2 chiếm cùng một khoang trong cấu trúc ribosome, nhưng có cấu trúc bậc một và bậc ba khác nhau, điều này cho thấy nguồn gốc tiến hóa độc lập của chúng (Hình 6).Do đó, phát hiện của chúng tôi về msL2 cung cấp bằng chứng cho thấy các nhóm sinh vật nhân chuẩn nhỏ gọn có thể tiến hóa độc lập các protein ribosome khác biệt về cấu trúc để bù đắp cho việc mất các đoạn rRNA.Phát hiện này đáng chú ý ở chỗ hầu hết các ribosome của sinh vật nhân thực trong tế bào chất đều chứa một loại protein bất biến, bao gồm cùng một họ gồm 81 protein ribosome.Sự xuất hiện của msL1 và msL2 trong các nhánh khác nhau của microsporidia để đáp ứng với việc mất các phân đoạn rRNA mở rộng cho thấy rằng sự thoái hóa cấu trúc phân tử của ký sinh trùng khiến ký sinh trùng tìm kiếm các đột biến bù trừ, điều này cuối cùng có thể dẫn đến việc chúng bị nhiễm vào các quần thể ký sinh trùng khác nhau.cấu trúc.
Cuối cùng, khi mô hình của chúng tôi hoàn thành, chúng tôi đã so sánh thành phần của ribosome E. cuniculi với thành phần được dự đoán từ trình tự bộ gen.Một số protein ribosome, bao gồm eL14, eL38, eL41 và eS30, trước đây được cho là không có trong bộ gen của E. cuniculi do không có sự tương đồng rõ ràng của chúng trong bộ gen của E. cuniculi.Mất nhiều protein ribosome cũng được dự đoán ở hầu hết các ký sinh trùng nội bào và nội cộng sinh giảm mạnh khác.Ví dụ, mặc dù hầu hết các vi khuẩn sống tự do đều chứa cùng một họ gồm 54 protein ribosome, nhưng chỉ có 11 trong số các họ protein này có điểm tương đồng có thể phát hiện được trong mỗi bộ gen của vi khuẩn hạn chế vật chủ được phân tích.Để hỗ trợ cho quan điểm này, sự mất protein ribosom đã được quan sát bằng thực nghiệm ở V. necatrix và P. locustae microsporidia thiếu protein eL38 và eL4131,32.
Tuy nhiên, cấu trúc của chúng tôi cho thấy rằng chỉ eL38, eL41 và eS30 thực sự bị mất trong ribosome của E. cuniculi.Protein eL14 được bảo tồn và cấu trúc của chúng tôi cho thấy tại sao không thể tìm thấy protein này trong quá trình tìm kiếm tương đồng (Hình 7).Trong các ribosome của E. cuniculi, hầu hết vị trí gắn kết eL14 bị mất do ES39L được khuếch đại bằng rRNA bị thoái hóa.Khi không có ES39L, eL14 đã mất hầu hết cấu trúc thứ cấp và chỉ 18% trình tự eL14 giống hệt nhau ở E. cuniculi và S. cerevisiae.Sự bảo tồn trình tự kém này rất đáng chú ý bởi vì ngay cả Saccharomyces cerevisiae và Homo sapiens—những sinh vật tiến hóa cách nhau 1,5 tỷ năm—chia sẻ hơn 51% dư lượng giống nhau trong eL14.Sự mất khả năng bảo tồn bất thường này giải thích tại sao E. cuniculi eL14 hiện được chú thích là protein giả định M970_061160 chứ không phải là protein ribosome eL1427.
và Riboxom của Microsporidia bị mất phần mở rộng ES39L rRNA, phần mở rộng này đã loại bỏ một phần vị trí liên kết với protein của ribosome eL14.Khi không có ES39L, protein vi bào tử eL14 bị mất cấu trúc thứ cấp, trong đó chuỗi xoắn α liên kết với rRNA trước đây thoái hóa thành một vòng có chiều dài tối thiểu.b Sự liên kết nhiều trình tự cho thấy protein eL14 được bảo tồn cao ở các loài sinh vật nhân chuẩn (57% trình tự đồng nhất giữa nấm men và tương đồng của con người), nhưng được bảo tồn kém và phân kỳ trong microsporidia (trong đó không quá 24% dư lượng giống với tương đồng eL14).từ S. cerevisiae hoặc H. sapiens).Khả năng bảo tồn trình tự kém và khả năng biến đổi cấu trúc thứ cấp giải thích tại sao chất tương đồng eL14 chưa bao giờ được tìm thấy ở E. cuniculi và tại sao protein này được cho là đã bị mất ở E. cuniculi.Ngược lại, E. cuniculi eL14 trước đây được chú thích là protein M970_061160 giả định.Quan sát này cho thấy rằng sự đa dạng bộ gen của microsporidia hiện đang được đánh giá quá cao: một số gen hiện được cho là đã biến mất trong microsporidia trên thực tế vẫn được bảo tồn, mặc dù ở dạng khác biệt cao;thay vào đó, một số được cho là mã hóa các gen microsporidia cho các protein đặc hiệu của giun (ví dụ: protein giả thuyết M970_061160) thực sự mã hóa cho các protein rất đa dạng được tìm thấy ở các sinh vật nhân chuẩn khác.
Phát hiện này cho thấy rằng sự biến tính rRNA có thể dẫn đến sự mất mát đáng kể về bảo tồn trình tự trong các protein ribosome liền kề, khiến các protein này không thể phát hiện được khi tìm kiếm tương đồng.Do đó, chúng ta có thể đánh giá quá cao mức độ thoái hóa phân tử thực tế ở các sinh vật có bộ gen nhỏ, vì một số protein được cho là đã mất thực sự vẫn tồn tại, mặc dù ở dạng biến đổi cao.
Làm thế nào ký sinh trùng có thể duy trì chức năng của bộ máy phân tử của chúng trong điều kiện giảm thiểu bộ gen?Nghiên cứu của chúng tôi trả lời câu hỏi này bằng cách mô tả cấu trúc phân tử phức tạp (ribosome) của E. cuniculi, một sinh vật có một trong những bộ gen của sinh vật nhân chuẩn nhỏ nhất.
Gần hai thập kỷ qua, người ta đã biết rằng các phân tử protein và RNA trong ký sinh trùng vi sinh vật thường khác với các phân tử tương đồng của chúng ở các loài sống tự do vì chúng thiếu các trung tâm kiểm soát chất lượng, kích thước giảm xuống 50% ở các vi khuẩn sống tự do, v.v. .nhiều đột biến gây suy nhược làm giảm khả năng gấp và hoạt động.Ví dụ, các ribosome của các sinh vật có bộ gen nhỏ, bao gồm nhiều ký sinh trùng nội bào và nội cộng sinh, dự kiến ​​sẽ thiếu một số protein ribosome và tới một phần ba số nucleotide rRNA so với các loài sống tự do 27, 29, 30, 49. Tuy nhiên, cách thức hoạt động của các phân tử này trong ký sinh trùng phần lớn vẫn còn là một bí ẩn, được nghiên cứu chủ yếu thông qua bộ gen so sánh.
Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy cấu trúc của các đại phân tử có thể tiết lộ nhiều khía cạnh của quá trình tiến hóa khó rút ra từ các nghiên cứu bộ gen so sánh truyền thống về ký sinh trùng nội bào và các sinh vật bị hạn chế ký chủ khác (Hình bổ sung 7).Ví dụ, ví dụ về protein eL14 cho thấy chúng ta có thể đánh giá quá cao mức độ thoái hóa thực tế của bộ máy phân tử ở các loài ký sinh.Ký sinh trùng não hiện được cho là có hàng trăm gen đặc hiệu của microsporidia.Tuy nhiên, kết quả của chúng tôi cho thấy rằng một số gen có vẻ cụ thể này thực ra chỉ là những biến thể rất khác nhau của gen phổ biến ở các sinh vật nhân chuẩn khác.Hơn nữa, ví dụ về protein msL2 cho thấy cách chúng ta bỏ qua các protein ribosome mới và đánh giá thấp hàm lượng của các cỗ máy phân tử ký sinh.Ví dụ về các phân tử nhỏ cho thấy làm thế nào chúng ta có thể bỏ qua những đổi mới tài tình nhất trong cấu trúc phân tử ký sinh có thể mang lại cho chúng hoạt động sinh học mới.
Kết hợp lại với nhau, những kết quả này cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về sự khác biệt giữa cấu trúc phân tử của các sinh vật bị hạn chế ký chủ và các đối tác của chúng trong các sinh vật sống tự do.Chúng tôi chỉ ra rằng các cỗ máy phân tử, từ lâu được cho là đã bị suy giảm, thoái hóa và chịu nhiều đột biến gây suy nhược khác nhau, thay vào đó lại có một tập hợp các đặc điểm cấu trúc bất thường bị bỏ qua một cách có hệ thống.
Mặt khác, các đoạn rRNA không cồng kềnh và các đoạn hợp nhất mà chúng tôi tìm thấy trong các ribosome của E. cuniculi cho thấy rằng quá trình giảm bộ gen có thể thay đổi ngay cả những bộ phận của bộ máy phân tử cơ bản được bảo tồn trong ba lĩnh vực của sự sống – sau gần 3,5 tỷ năm .tiến hóa độc lập của loài.
Các đoạn rRNA không phình ra và hợp nhất trong các ribosome của E. cuniculi được đặc biệt quan tâm dưới ánh sáng của các nghiên cứu trước đây về các phân tử RNA ở vi khuẩn nội cộng sinh.Ví dụ, trong loài rệp nội cộng sinh Buchnera aphidicola, các phân tử rRNA và tRNA đã được chứng minh là có cấu trúc nhạy cảm với nhiệt độ do sai lệch thành phần A+T và tỷ lệ cao các cặp bazơ không chính tắc20,50.Những thay đổi này trong RNA, cũng như những thay đổi trong phân tử protein, hiện được cho là nguyên nhân dẫn đến sự phụ thuộc quá mức của các sinh vật nội cộng sinh vào các đối tác và việc các sinh vật nội cộng sinh không có khả năng truyền nhiệt 21, 23 .Mặc dù rRNA của microsporidia ký sinh có những thay đổi khác biệt về cấu trúc, nhưng bản chất của những thay đổi này cho thấy rằng giảm độ ổn định nhiệt và phụ thuộc nhiều hơn vào protein chaperone có thể là đặc điểm chung của các phân tử RNA trong các sinh vật có bộ gen bị suy giảm.
Mặt khác, các cấu trúc của chúng tôi cho thấy microsporidia của ký sinh trùng đã phát triển một khả năng duy nhất để chống lại các đoạn rRNA và protein được bảo tồn rộng rãi, phát triển khả năng sử dụng các chất chuyển hóa nhỏ dồi dào và sẵn có như các mô phỏng cấu trúc của các đoạn rRNA và protein thoái hóa.Suy thoái cấu trúc phân tử..Ý kiến ​​này được ủng hộ bởi thực tế là các phân tử nhỏ bù đắp cho sự mất mát của các đoạn protein trong rRNA và ribosome của E. cuniculi liên kết với các gốc đặc hiệu của microsporidia trong protein uL15 và eL30.Điều này gợi ý rằng sự gắn kết của các phân tử nhỏ với ribosome có thể là sản phẩm của quá trình chọn lọc tích cực, trong đó các đột biến đặc hiệu của Microsporidia trong protein ribosome đã được chọn lọc vì khả năng làm tăng ái lực của ribosome đối với các phân tử nhỏ, điều này có thể dẫn đến các sinh vật có ribosome hoạt động hiệu quả hơn.Phát hiện này cho thấy một sự đổi mới thông minh trong cấu trúc phân tử của ký sinh trùng vi sinh vật và giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách cấu trúc phân tử ký sinh trùng duy trì chức năng của chúng bất chấp quá trình tiến hóa khử.
Hiện tại, việc xác định các phân tử nhỏ này vẫn chưa rõ ràng.Không rõ tại sao sự xuất hiện của các phân tử nhỏ này trong cấu trúc ribosome lại khác nhau giữa các loài microsporidia.Cụ thể, không rõ tại sao liên kết nucleotide được quan sát thấy trong các ribosome của E. cuniculi và P. locustae, mà không phải trong các ribosome của V. necatrix, mặc dù có sự hiện diện của gốc F170 trong các protein eL20 và K172 của V. necatrix.Việc xóa này có thể do dư lượng 43 uL6 (nằm liền kề với túi liên kết nucleotide), là tyrosine trong V. necatrix chứ không phải threonine trong E. cuniculi và P. locustae.Chuỗi bên thơm cồng kềnh của Tyr43 có thể cản trở liên kết nucleotide do sự chồng chéo không gian.Ngoài ra, việc xóa nucleotide rõ ràng có thể là do hình ảnh cryo-EM có độ phân giải thấp, điều này cản trở việc mô hình hóa các đoạn ribosome của V. necatrix.
Mặt khác, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng quá trình phân rã bộ gen có thể là một lực lượng sáng tạo.Đặc biệt, cấu trúc của ribosome E. cuniculi cho thấy rằng việc mất các đoạn rRNA và protein trong ribosome microsporidia tạo ra áp lực tiến hóa thúc đẩy những thay đổi trong cấu trúc ribosome.Các biến thể này xảy ra cách xa vị trí hoạt động của ribosome và dường như giúp duy trì (hoặc khôi phục) quá trình lắp ráp ribosome tối ưu mà nếu không sẽ bị phá vỡ bởi rRNA giảm.Điều này cho thấy rằng một sự đổi mới lớn của microsporidia ribosome dường như đã phát triển thành một nhu cầu đệm cho sự trôi dạt gen.
Có lẽ điều này được minh họa rõ nhất bằng liên kết nucleotide, điều chưa từng được quan sát thấy ở các sinh vật khác cho đến nay.Thực tế là các gốc liên kết nucleotide hiện diện trong microsporidia điển hình, nhưng không có ở các sinh vật nhân chuẩn khác, cho thấy rằng các vị trí liên kết nucleotide không chỉ là di tích chờ biến mất, hoặc vị trí cuối cùng để rRNA được phục hồi thành dạng các nucleotide riêng lẻ.Thay vào đó, trang web này có vẻ như là một tính năng hữu ích có thể đã phát triển qua nhiều vòng lựa chọn tích cực.Các vị trí liên kết nucleotide có thể là sản phẩm phụ của quá trình chọn lọc tự nhiên: một khi ES39L bị suy giảm, microsporidia buộc phải tìm kiếm sự bù đắp để khôi phục quá trình sinh học ribosome tối ưu khi không có ES39L.Vì nucleotide này có thể bắt chước các tiếp xúc phân tử của nucleotide A3186 trong ES39L, nên phân tử nucleotide này trở thành một khối xây dựng của ribosome, liên kết của nó được cải thiện hơn nữa bằng cách đột biến trình tự eL30.
Liên quan đến sự tiến hóa phân tử của ký sinh trùng nội bào, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng các lực chọn lọc tự nhiên của Darwin và sự trôi dạt di truyền của sự phân rã bộ gen không hoạt động song song mà dao động.Đầu tiên, sự trôi dạt di truyền loại bỏ các tính năng quan trọng của các phân tử sinh học, khiến cho việc đền bù trở nên vô cùng cần thiết.Chỉ khi các ký sinh trùng thỏa mãn nhu cầu này thông qua chọn lọc tự nhiên của Darwin thì các đại phân tử của chúng mới có cơ hội phát triển những đặc điểm sáng tạo và ấn tượng nhất của chúng.Điều quan trọng là, sự tiến hóa của các vị trí liên kết nucleotide trong ribosome của E. cuniculi cho thấy rằng mô hình tiến hóa phân tử từ mất đến được này không chỉ khấu hao các đột biến có hại mà đôi khi còn tạo ra các chức năng hoàn toàn mới cho các đại phân tử ký sinh.
Ý tưởng này phù hợp với lý thuyết cân bằng chuyển động của Sewell Wright, trong đó nói rằng một hệ thống chọn lọc tự nhiên nghiêm ngặt sẽ hạn chế khả năng đổi mới của các sinh vật51,52,53.Tuy nhiên, nếu sự trôi dạt di truyền làm gián đoạn quá trình chọn lọc tự nhiên, thì những sự trôi dạt này có thể tạo ra những thay đổi mà bản thân chúng không thích nghi (hoặc thậm chí gây bất lợi) mà dẫn đến những thay đổi tiếp theo mang lại khả năng thích nghi cao hơn hoặc hoạt động sinh học mới.Khung của chúng tôi hỗ trợ ý tưởng này bằng cách minh họa rằng cùng một loại đột biến làm giảm nếp gấp và chức năng của một phân tử sinh học dường như là tác nhân chính để cải thiện nó.Phù hợp với mô hình tiến hóa đôi bên cùng có lợi, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng sự phân rã bộ gen, theo truyền thống được coi là một quá trình thoái hóa, cũng là động lực chính của sự đổi mới, đôi khi và thậm chí có thể thường xuyên cho phép các đại phân tử có được các hoạt động ký sinh mới.có thể sử dụng chúng.