شكرًا لزيارتكم موقع Nature.com. إصدار المتصفح الذي تستخدمونه يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدّث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، سنُقدّم الموقع بدون أنماط أو JavaScript.
يتضمن تطور الطفيليات الميكروبية تفاعلًا مضادًا بين الانتقاء الطبيعي، الذي يُحسّن من أداء الطفيليات، والانحراف الجيني، الذي يُؤدي إلى فقدان الطفيليات لجيناتها وتراكم الطفرات الضارة. لفهم كيفية حدوث هذا التفاعل المضاد على نطاق جزيء ضخم واحد، نصف هنا بنية المجهر الإلكتروني بالتبريد لريبوسوم Encephalitozoon cuniculi، وهو كائن حقيقي النواة ذو أحد أصغر الجينومات في الطبيعة. يصاحب الانخفاض الشديد في rRNA في ريبوسومات E. cuniculi تغيرات هيكلية غير مسبوقة، مثل تطور روابط rRNA المندمجة غير المعروفة سابقًا وrRNA بدون انتفاخات. بالإضافة إلى ذلك، نجا ريبوسوم E. cuniculi من فقدان شظايا rRNA والبروتينات من خلال تطوير القدرة على استخدام جزيئات صغيرة كمحاكيات هيكلية لشظايا rRNA والبروتينات المتحللة. وبشكل عام، نُظهِر أن الهياكل الجزيئية التي كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنها مختزلة ومتدهورة وعرضة لطفرة منهكة، تحتوي على عدد من الآليات التعويضية التي تبقيها نشطة على الرغم من الانكماشات الجزيئية الشديدة.
لأن معظم مجموعات الطفيليات الميكروبية تمتلك أدوات جزيئية فريدة لاستغلال عوائلها، فإننا غالبًا ما نضطر إلى تطوير علاجات مختلفة لمجموعات مختلفة من الطفيليات1،2. ومع ذلك، تشير أدلة جديدة إلى أن بعض جوانب تطور الطفيليات متقاربة ويمكن التنبؤ بها إلى حد كبير، مما يشير إلى أساس محتمل لتدخلات علاجية واسعة النطاق في الطفيليات الميكروبية3،4،5،6،7،8،9.
حددت دراسات سابقة اتجاهًا تطوريًا شائعًا في الطفيليات الميكروبية يُسمى انخفاض الجينوم أو تحلل الجينوم 10،11،12،13. تُظهر الأبحاث الحالية أنه عندما تتخلى الكائنات الدقيقة عن نمط حياتها الحر وتصبح طفيليات داخل الخلايا (أو مُتعايشات داخلية)، فإن جينوماتها تخضع لتحولات بطيئة ولكنها مذهلة على مدى ملايين السنين 9،11. في عملية تُعرف باسم تحلل الجينوم، تُراكم الطفيليات الميكروبية طفرات ضارة تُحوّل العديد من الجينات المهمة سابقًا إلى جينات زائفة، مما يؤدي إلى فقدان تدريجي للجينات وانهيار طفري 14،15. يمكن لهذا الانهيار أن يُدمر ما يصل إلى 95% من الجينات في أقدم الكائنات داخل الخلايا مقارنةً بالأنواع الحرة القريبة منها. وبالتالي، فإن تطور الطفيليات داخل الخلايا هو صراع بين قوتين متعارضتين: الانتقاء الطبيعي الدارويني، الذي يؤدي إلى تحسين الطفيليات، وانهيار الجينوم، الذي يُلقي بالطفيليات في غياهب النسيان. ولكن كيف تمكن الطفيلي من الخروج من هذا الصراع والحفاظ على نشاط بنيته الجزيئية لا يزال غير واضح.
على الرغم من أن آلية تدهور الجينوم غير مفهومة تمامًا، إلا أنه يبدو أنه يحدث أساسًا بسبب الانجراف الجيني المتكرر. ولأن الطفيليات تعيش في مجموعات صغيرة، لاجنسية، ومحدودة وراثيًا، فإنها لا تستطيع القضاء على الطفرات الضارة التي تحدث أحيانًا أثناء تضاعف الحمض النووي (DNA) بفعالية. يؤدي هذا إلى تراكم لا رجعة فيه للطفرات الضارة وتقليص جينوم الطفيلي. ونتيجةً لذلك، لا يفقد الطفيلي الجينات التي لم تعد ضرورية لبقائه في البيئة داخل الخلايا فحسب، بل إن عجز مجموعات الطفيليات عن القضاء على الطفرات الضارة المتفرقة بفعالية هو ما يؤدي إلى تراكم هذه الطفرات في جميع أنحاء الجينوم، بما في ذلك جيناتها الأكثر أهمية.
يعتمد فهمنا الحالي لاختزال الجينوم بشكل كبير على مقارنات تسلسلات الجينوم فقط، مع إيلاء اهتمام أقل للتغيرات في الجزيئات الفعلية التي تؤدي وظائف تنظيمية وتُعدّ أهدافًا محتملة للأدوية. وقد أظهرت الدراسات المقارنة أن عبء الطفرات الميكروبية الضارة داخل الخلايا يُهيئ البروتينات والأحماض النووية للانثناء والتجمع بشكل خاطئ، مما يجعلها أكثر اعتمادًا على المرافق وأكثر حساسية للحرارة19،20،21،22،23. بالإضافة إلى ذلك، شهدت طفيليات مختلفة - تطور مستقل يفصل بينها أحيانًا ما يصل إلى 2.5 مليار سنة - فقدانًا مماثلًا لمراكز مراقبة الجودة في تخليق البروتينات5،6 وآليات إصلاح الحمض النووي24. ومع ذلك، لا يُعرف الكثير عن تأثير نمط الحياة داخل الخلايا على جميع الخصائص الأخرى للجزيئات الخلوية الكبيرة، بما في ذلك التكيف الجزيئي مع العبء المتزايد للطفرات الضارة.
في هذا العمل، ولفهم تطور البروتينات والأحماض النووية للكائنات الدقيقة داخل الخلايا بشكل أفضل، حددنا بنية الريبوسومات للطفيلي داخل الخلايا Encephalitozoon cuniculi. E. cuniculi كائن حي شبيه بالفطريات ينتمي إلى مجموعة من الميكروسبوريديا الطفيلية ذات جينومات حقيقية النواة صغيرة الحجم بشكل غير عادي، ولذلك تُستخدم ككائنات نموذجية لدراسة تحلل الجينوم25،26،27،28،29،30. مؤخرًا، تم تحديد بنية الريبوسوم باستخدام المجهر الإلكتروني بالتبريد لجينومات مخفضة بشكل معتدل لكل من الميكروسبوريديا، والبارانوسيما لوكوستاي، وفايمورفا نيكاتريكس31،32 (جينوم بحجم حوالي 3.2 ميجا بايت). تشير هذه التركيبات إلى أن بعض فقدان تضخيم الرنا الريبوسومي يُعوّض بتطور اتصالات جديدة بين بروتينات الريبوسوم المجاورة أو اكتساب بروتينات ريبوسومية جديدة من نوع msL131،32. يُظهر نوع إنسيفاليتوسون (جينومه حوالي 2.5 مليون زوج قاعدي)، إلى جانب أقرب أقاربه أوردوسبورا، أقصى درجات انكماش الجينوم في حقيقيات النوى - إذ يحتوي على أقل من 2000 جين مُرمِّز للبروتين، ومن المتوقع أن ريبوسوماته لا تخلو فقط من شظايا توسع الرنا الريبوسومي (شظايا الرنا الريبوسومي التي تُميز الريبوسومات حقيقية النوى عن الريبوسومات البكتيرية)، بل تحتوي أيضًا على أربعة بروتينات ريبوسومية نظرًا لافتقارها إلى نظائر في جينوم إي. كونيكولي.26،27،28. لذلك، استنتجنا أن ريبوسوم إي. كونيكولي يُمكن أن يكشف عن استراتيجيات غير معروفة سابقًا للتكيف الجزيئي مع تآكل الجينوم.
يمثل هيكل المجهر الإلكتروني بالتبريد لدينا أصغر ريبوسوم سيتوبلازمي حقيقي النواة يتم وصفه، ويوفر فهمًا أعمق لكيفية تأثير الدرجة النهائية لاختزال الجينوم على بنية وتجميع وتطور الآلية الجزيئية الأساسية للخلية. وجدنا أن ريبوسوم E. cuniculi ينتهك العديد من المبادئ المحفوظة على نطاق واسع لطي الحمض النووي الريبوزي (RNA) وتجميع الريبوسوم، واكتشفنا بروتينًا ريبوسوميًا جديدًا لم يكن معروفًا من قبل. وبشكل غير متوقع، أظهرنا أن ريبوسومات الميكروسبوريديا قد طورت القدرة على ربط الجزيئات الصغيرة، وافترضنا أن عمليات القطع في الحمض النووي الريبوزي الريبوزي (rRNA) والبروتينات تُحفز ابتكارات تطورية قد تُضفي في النهاية خصائص مفيدة على الريبوسوم.
لتحسين فهمنا لتطور البروتينات والأحماض النووية في الكائنات الحية داخل الخلايا، قررنا عزل أبواغ بكتيريا E. cuniculi من مزارع خلايا الثدييات المصابة لتنقية ريبوسوماتها وتحديد بنيتها. من الصعب الحصول على عدد كبير من الميكروسبوريديا الطفيلية لأنه لا يمكن زراعتها في وسط غذائي. بدلاً من ذلك، تنمو وتتكاثر داخل الخلية المضيفة فقط. لذلك، للحصول على الكتلة الحيوية لبكتيريا E. cuniculi لتنقية الريبوسوم، قمنا بإصابة خط خلايا الكلى الثديية RK13 بأبواغ بكتيريا E. cuniculi وزرعنا هذه الخلايا المصابة لعدة أسابيع للسماح لبكتيريا E. cuniculi بالنمو والتكاثر. باستخدام طبقة أحادية من الخلايا المصابة تبلغ مساحتها حوالي نصف متر مربع، تمكنا من تنقية حوالي 300 ملغ من أبواغ ميكروسبوريديا واستخدامها لعزل الريبوسومات. بعد ذلك، قمنا بتفكيك الأبواغ النقية باستخدام حبيبات زجاجية، وعزلنا الريبوسومات الخام باستخدام تجزئة البولي إيثيلين جليكول للمحاليل تدريجيًا. سمح لنا هذا بالحصول على حوالي 300 ميكروغرام من ريبوسومات E. cuniculi الخام للتحليل البنيوي.
جمعنا بعد ذلك صورًا مجهرًا إلكترونيًا مُبَرِّدًا باستخدام عينات الريبوسوم الناتجة، وعالجناها باستخدام أقنعة تُطابق الوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة، ورأس الوحدة الفرعية الصغيرة، والوحدة الفرعية الصغيرة. خلال هذه العملية، جمعنا صورًا لحوالي 108,000 جسيم ريبوسومي، وحسابنا صورًا مجهرًا إلكترونيًا مُبَرِّدًا بدقة 2.7 أنجستروم (الأشكال التكميلية 1-3). ثم استخدمنا صور المجهر الإلكتروني المُبَرِّد لنمذجة الرنا الريبوسومي، وبروتين الريبوسوم، وعامل السبات Mdf1 المرتبط بريبوسومات E. cuniculi (الشكل 1أ، ب).
أ- بنية ريبوسوم E. cuniculi في مركب مع عامل السبات Mdf1 (معرف قاعدة بيانات البروتين 7QEP). ب- خريطة لعامل السبات Mdf1 المرتبط بريبوسوم E. cuniculi. ج- خريطة بنية ثانوية تُقارن الرنا الريبوسومي المُستعاد في أنواع الميكروسبوريديا بالبنى الريبوسومية المعروفة. تُظهر الألواح موقع شظايا الرنا الريبوسومي المُضخّمة (ES) والمواقع النشطة للريبوسوم، بما في ذلك موقع فك التشفير (DC)، وحلقة السارسينيسين (SRL)، ومركز ناقل الببتيديل (PTC). د- تُشير كثافة الإلكترونات المقابلة لمركز ناقل الببتيديل في ريبوسوم E. cuniculi إلى أن هذا الموقع التحفيزي له نفس البنية في طفيلي E. cuniculi ومضيفيه، بما في ذلك الإنسان العاقل. هـ، و. تشير كثافة الإلكترونات المقابلة لمركز فك التشفير (هـ) والبنية التخطيطية لمركز فك التشفير (و) إلى أن بكتيريا E. cuniculi تحتوي على بقايا U1491 بدلاً من A1491 (ترقيم E. coli) في العديد من حقيقيات النوى الأخرى. يشير هذا التغيير إلى أن بكتيريا E. cuniculi قد تكون حساسة للمضادات الحيوية التي تستهدف هذا الموقع النشط.
على عكس التركيبات السابقة لريبوسومات V. necatrix وP. locustae (كلا التركيبين يمثلان نفس عائلة الميكروسبوريديا Nosematidae، ويتشابهان إلى حد كبير)، تخضع ريبوسومات E. cuniculi لعمليات عديدة من تجزئة الرنا الريبوسومي والبروتين. مزيد من التحلل (الأشكال التكميلية 4-6). في الرنا الريبوسومي، شملت أبرز التغيرات فقدانًا كاملًا لشظية الرنا الريبوسومي 25S المُضخّمة ES12L، وانحلالًا جزئيًا في حلزونات h39 وh41 وH18 (الشكل 1ج، الشكل التكميلي 4). ومن بين البروتينات الريبوسومية، تضمنت التغييرات الأكثر لفتًا للانتباه فقدانًا كاملاً لبروتين eS30 وتقصير البروتينات eL8 وeL13 وeL18 وeL22 وeL29 وeL40 وuS3 وuS9 وuS14 وuS17 وeS7 (الأشكال التكميلية 4 و5).
وهكذا، ينعكس الانخفاض الشديد في جينومات أنواع إنسيفالوتوزون/أوردوسبورا في بنية ريبوسوماتها: تشهد ريبوسومات إي. كونيكولي أكبر فقدان في محتوى البروتين في الريبوسومات السيتوبلازمية حقيقية النواة الخاضعة للتوصيف الهيكلي، كما أنها لا تحتوي حتى على جزيئات الرنا الريبوسومي (rRNA) وشظايا البروتين المحفوظة على نطاق واسع، ليس فقط في حقيقيات النواة، بل أيضًا في مجالات الحياة الثلاثة. يوفر هيكل ريبوسوم إي. كونيكولي أول نموذج جزيئي لهذه التغيرات، ويكشف عن أحداث تطورية أغفلتها كل من الجينوميات المقارنة ودراسات البنية الجزيئية الحيوية داخل الخلايا (الشكل التكميلي 7). فيما يلي، نصف كل حدث من هذه الأحداث، إلى جانب أصولها التطورية المحتملة وتأثيرها المحتمل على وظيفة الريبوسوم.
وجدنا بعد ذلك أنه بالإضافة إلى عمليات القطع الكبيرة في الرنا الريبوسومي، فإن ريبوسومات E. cuniculi تحتوي على اختلافات في الرنا الريبوسومي في أحد مواقعها النشطة. على الرغم من أن مركز ناقل الببتيديل في ريبوسوم E. cuniculi له نفس بنية الريبوسومات حقيقية النواة الأخرى (الشكل 1د)، إلا أن مركز فك التشفير يختلف بسبب اختلاف التسلسل عند النوكليوتيد 1491 (ترقيم الإشريكية القولونية، الشكل 1هـ، و). تُعد هذه الملاحظة مهمة لأن موقع فك التشفير في الريبوسومات حقيقية النواة يحتوي عادةً على البقايا G1408 وA1491 مقارنةً بالبقايا البكتيرية A1408 وG1491. يكمن هذا الاختلاف في اختلاف حساسية الريبوسومات البكتيرية والحقيقية النواة لعائلة الأمينوغليكوزيد من المضادات الحيوية الريبوسومية والجزيئات الصغيرة الأخرى التي تستهدف موقع فك التشفير. في موقع فك تشفير ريبوسوم E. cuniculi، استُبدلت البقايا A1491 بـ U1491، مما قد يُنشئ واجهة ارتباط فريدة للجزيئات الصغيرة التي تستهدف هذا الموقع النشط. يوجد نفس المتغير A14901 في أنواع أخرى من الميكروسبوريديا، مثل P. locustae وV. necatrix، مما يشير إلى انتشاره بين أنواع الميكروسبوريديا (الشكل 1و).
لأن عينات ريبوسوم E. cuniculi الخاصة بنا عُزلت من أبواغ غير نشطة أيضيًا، فقد اختبرنا خريطة المجهر الإلكتروني بالتبريد لـ E. cuniculi للتحقق من ارتباط الريبوسوم الموصوف سابقًا تحت ظروف الإجهاد أو الجوع. عوامل السبات 31، 32، 36، 37، 38. طابقنا البنية المحددة سابقًا للريبوسوم السباتي مع خريطة المجهر الإلكتروني بالتبريد لريبوسوم E. cuniculi. للالتحام، استُخدمت ريبوسومات S. cerevisiae في مركب مع عامل السبات Stm138، وريبوسومات locust في مركب مع عامل Lso232، وريبوسومات V. necatrix في مركب مع عاملي Mdf1 وMdf231. في الوقت نفسه، وجدنا كثافة المجهر الإلكتروني بالتبريد المقابلة لعامل السكون Mdf1. على غرار ارتباط Mdf1 بريبوسوم V. necatrix، يرتبط Mdf1 أيضًا بريبوسوم E. cuniculi، حيث يحجب موقع E في الريبوسوم، مما قد يساعد في جعل الريبوسومات متاحة عندما تصبح جراثيم الطفيليات غير نشطة أيضيًا عند تعطيل الجسم (الشكل 2).
يحجب Mdf1 موقع E في الريبوسوم، مما يساعد على تعطيل الريبوسوم عندما تصبح جراثيم الطفيليات غير نشطة أيضيًا. في بنية ريبوسوم E. cuniculi، وجدنا أن Mdf1 يُشكّل اتصالًا غير معروف سابقًا مع جذع الريبوسوم L1، وهو جزء الريبوسوم الذي يُسهّل إطلاق الحمض النووي الريبوزي الناقل منزوع الأسيتيل من الريبوسوم أثناء تخليق البروتين. تشير هذه الاتصالات إلى أن Mdf1 ينفصل عن الريبوسوم باستخدام نفس آلية انفصال الحمض النووي الريبوزي الناقل منزوع الأسيتيل، مما يُقدّم تفسيرًا مُحتملًا لكيفية إزالة الريبوسوم لـ Mdf1 لإعادة تنشيط تخليق البروتين.
ومع ذلك، كشف تركيبنا عن اتصال غير معروف بين Mdf1 وساق الريبوسوم L1 (الجزء من الريبوسوم الذي يساعد على إطلاق الحمض النووي الريبوزي الناقل منزوع الأسيتيل من الريبوسوم أثناء تخليق البروتين). وتحديدًا، يستخدم Mdf1 نفس نقاط الاتصال التي يستخدمها جزء الكوع من جزيء الحمض النووي الريبوزي الناقل منزوع الأسيتيل (الشكل 2). أظهرت هذه النمذجة الجزيئية، التي لم تكن معروفة سابقًا، أن Mdf1 ينفصل عن الريبوسوم باستخدام نفس آلية انفصال الحمض النووي الريبوزي الناقل منزوع الأسيتيل، مما يفسر كيفية إزالة الريبوسوم لعامل السبات هذا لإعادة تنشيط تخليق البروتين.
عند بناء نموذج الرنا الريبوسومي، وجدنا أن ريبوسوم E. cuniculi يحتوي على شظايا رنا ريبوسومي مطوية بشكل غير طبيعي، والتي أطلقنا عليها اسم الرنا الريبوسومي المندمج (الشكل 3). في الريبوسومات التي تمتد عبر مجالات الحياة الثلاثة، ينطوي الرنا الريبوسومي في هياكل تتحد فيها معظم قواعده مع بعضها البعض وتنطوي، أو تتفاعل مع بروتينات الريبوسوم 38،39،40. ومع ذلك، في ريبوسومات E. cuniculi، يبدو أن الرنا الريبوسومي ينتهك مبدأ الطي هذا بتحويل بعض حلزوناته إلى مناطق رنا ريبوسومي غير مطوية.
بنية حلزون الرنا الريبوسومي H18 25S في خميرة S. cerevisiae، وخميرة V. necatrix، وخميرة E. cuniculi. عادةً، في الريبوسومات التي تغطي نطاقات الحياة الثلاثة، يلتف هذا الرابط ليشكل حلزون رنا يحتوي على 24 إلى 34 بقايا. أما في الميكروسبوريديا، فيتقلص هذا الرابط تدريجيًا إلى رابطين غنيين باليوريدين أحاديي السلسلة يحتويان على 12 بقايا فقط. معظم هذه البقايا معرضة للمذيبات. يوضح الشكل أن الميكروسبوريديا الطفيلية تبدو وكأنها تنتهك المبادئ العامة لطي الرنا الريبوسومي، حيث ترتبط قواعد الرنا الريبوسومي عادةً بقواعد أخرى أو تشارك في تفاعلات الرنا الريبوسومي مع البروتين. في الميكروسبوريديا، تتخذ بعض شظايا الرنا الريبوسومي طيًا غير ملائم، حيث يصبح حلزون الرنا الريبوسومي السابق شظية أحادية السلسلة ممدودة تقريبًا في خط مستقيم. يسمح وجود هذه المناطق غير العادية لـ rRNA في الميكروسبوريديا بالارتباط بأجزاء rRNA البعيدة باستخدام عدد ضئيل من قواعد RNA.
يمكن ملاحظة أبرز مثال على هذا التحول التطوري في حلزون الرنا الريبوسومي H18 25S (الشكل 3). في الأنواع من الإشريكية القولونية إلى البشر، تحتوي قواعد حلزون الرنا الريبوسومي هذا على 24-32 نيوكليوتيدًا، مما يُشكل حلزونًا غير منتظم بعض الشيء. في البنى الريبوسومية المُحددة سابقًا من V. necatrix وP. locustae،31،32 تكون قواعد حلزون H18 غير ملتفة جزئيًا، ولكن يتم الحفاظ على اقتران القواعد النيوكليوتيدية. ومع ذلك، في E. cuniculi، تُصبح قطعة الرنا الريبوسومي هذه أقصر الروابط 228UUUGU232 و301UUUUUUUU307. وعلى عكس قطع الرنا الريبوسومي النموذجية، لا تلتف هذه الروابط الغنية باليوريدين أو تتلامس بشكل مكثف مع بروتينات الريبوسوم. وبدلاً من ذلك، فإنها تتخذ بنى مفتوحة بالمذيبات وغير مطوية بالكامل حيث تمتد خيوط الرنا الريبوسومي بشكل مستقيم تقريبًا. يوضح هذا التكوين الممتد كيف تستخدم E. cuniculi 12 قاعدة RNA فقط لملء الفجوة 33 Å بين حلزونات rRNA H16 و H18، بينما تتطلب الأنواع الأخرى ضعف عدد قواعد rRNA على الأقل لملء الفجوة.
وهكذا، يمكننا إثبات أن الميكروسبوريديا الطفيلية، من خلال الطي غير المُلائم للطاقة، قد طورت استراتيجيةً لتقليص حتى أجزاء الرنا الريبوسومي التي لا تزال محفوظةً على نطاق واسع لدى الأنواع في مجالات الحياة الثلاثة. ويبدو أنه من خلال تراكم الطفرات التي تُحوّل حلزونات الرنا الريبوسومي إلى روابط قصيرة متعددة اليورانيوم، تستطيع الميكروسبوريديا تكوين شظايا رنا ريبوسومي غير عادية تحتوي على أقل عدد ممكن من النيوكليوتيدات لربط شظايا الرنا الريبوسومي البعيدة. وهذا يُساعد في تفسير كيف حققت الميكروسبوريديا انخفاضًا كبيرًا في بنيتها الجزيئية الأساسية دون فقدان سلامتها البنيوية والوظيفية.
من السمات غير المعتادة الأخرى لـ rRNA في E. cuniculi ظهور rRNA بدون تكثّف (الشكل 4). النتوءات هي نيوكليوتيدات بدون أزواج قواعد، تلتف خارج حلزون rRNA بدلًا من الاختباء فيه. تعمل معظم نتوءات rRNA كلصقات جزيئية، مما يساعد على ربط بروتينات الريبوسوم المجاورة أو شظايا rRNA الأخرى. تعمل بعض النتوءات كمفصلات، مما يسمح لحلزون rRNA بالانثناء والانثناء بشكل مثالي لتخليق بروتينات فعال 41.
أ- بروز الرنا الريبوسومي (ترقيم S. cerevisiae) غائب عن بنية ريبوسوم E. cuniculi، ولكنه موجود في معظم حقيقيات النوى الأخرى. ب- الريبوسومات الداخلية لكل من E. coli وS. cerevisiae وH. sapiens وE. cuniculi. تفتقر الطفيليات إلى العديد من انتفاخات الرنا الريبوسومي القديمة والمحفوظة جيدًا. تُثبّت هذه التكثّفات بنية الريبوسوم؛ ولذلك، فإن غيابها في الميكروسبوريديا يُشير إلى انخفاض استقرار طيّ الرنا الريبوسومي في الطفيليات الميكروسبوريديا. تُظهر المقارنة مع سيقان P (سيقان L7/L12 في البكتيريا) أن فقدان نتوءات الرنا الريبوسومي يتزامن أحيانًا مع ظهور نتوءات جديدة بجوار النتوءات المفقودة. يحتوي حلزون H42 في الرنا الريبوسومي 23S/28S على انتفاخ قديم (U1206 في خميرة الخباز) يُقدر عمره بـ 3.5 مليار سنة على الأقل، وذلك لحمايته في ثلاثة مجالات حيوية. في الميكروسبوريديا، يُزال هذا الانتفاخ. ومع ذلك، ظهر انتفاخ جديد بجوار الانتفاخ المفقود (A1306 في خميرة الكينيكو).
من اللافت للنظر أننا وجدنا أن ريبوسومات E. cuniculi تفتقر إلى معظم انتفاخات الرنا الريبوسومي الموجودة في الأنواع الأخرى، بما في ذلك أكثر من 30 انتفاخًا محفوظًا في حقيقيات النوى الأخرى (الشكل 4أ). يُلغي هذا الفقدان العديد من نقاط الاتصال بين الوحدات الفرعية الريبوسومية وحلزونات الرنا الريبوسومي المجاورة، مما يُؤدي أحيانًا إلى تكوين فجوات كبيرة داخل الريبوسوم، مما يجعل ريبوسوم E. cuniculi أكثر مسامية مقارنةً بالريبوسومات التقليدية (الشكل 4ب). والجدير بالذكر أننا وجدنا أن معظم هذه الانتفاخات فُقدت أيضًا في هياكل ريبوسومات V. necatrix وP. locustae المُحددة سابقًا، والتي أغفلتها التحليلات البنيوية السابقة31،32.
أحيانًا يصاحب فقدان انتفاخات الرنا الريبوسومي ظهور انتفاخات جديدة بجوار الانتفاخ المفقود. على سبيل المثال، يحتوي جذع P الريبوسومي على انتفاخ U1208 (في خميرة الخباز) الذي انتقل من الإشريكية القولونية إلى البشر، ويُقدر عمره بـ 3.5 مليار سنة. أثناء تخليق البروتين، يساعد هذا الانتفاخ جذع P على التنقل بين التكوينات المفتوحة والمغلقة، مما يسمح للريبوسوم بتجنيد عوامل الترجمة وتوصيلها إلى الموقع النشط. في ريبوسومات E. cuniculi، لا يوجد هذا التثخين؛ ومع ذلك، يمكن أن يُسهم تثخين جديد (G883) موجود فقط في ثلاثة أزواج قاعدية في استعادة المرونة المثلى لجذع P (الشكل 4ج).
تشير بياناتنا عن rRNA بدون انتفاخات إلى أن تقليل rRNA لا يقتصر على فقدان عناصر rRNA على سطح الريبوسوم، بل قد يشمل أيضًا نواة الريبوسوم، مما يخلق عيبًا جزيئيًا خاصًا بالطفيليات لم يتم وصفه في الخلايا الحرة.
بعد نمذجة بروتينات الريبوسومات التقليدية وrRNA، وجدنا أن مكونات الريبوسوم التقليدية لا تفسر الأجزاء الثلاثة لصورة المجهر الإلكتروني بالتبريد. اثنتان من هذه القطع جزيئيتان صغيرتان الحجم (الشكل 5، الشكل التكميلي 8). يقع الجزء الأول بين بروتيني الريبوسوم uL15 وeL18 في موضع يشغله عادةً الطرف الكربوكسيلي لـ eL18، والذي يكون مختصرًا في E. cuniculi. على الرغم من عدم قدرتنا على تحديد هوية هذا الجزيء، إلا أن حجم وشكل جزيرة الكثافة هذه يُفسران جيدًا بوجود جزيئات السبيرميدين. يُثبت ارتباطه بالريبوسوم من خلال طفرات خاصة بالميكروسبوريديا في بروتيني uL15 (Asp51 وArg56)، والتي يبدو أنها تزيد من ألفة الريبوسوم لهذا الجزيء الصغير، حيث تسمح لـ uL15 بتغليف الجزيء الصغير في بنية ريبوسومية. الشكل التكميلي 2). 8، بيانات إضافية 1، 2).
تصوير المجهر الإلكتروني بالتبريد يُظهر وجود نيوكليوتيدات خارج الريبوز المرتبط بريبوسوم E. cuniculi. في ريبوسوم E. cuniculi، يشغل هذا النيوكليوتيد نفس مكان نيوكليوتيد 25S rRNA A3186 (ترقيم Saccharomyces cerevisiae) في معظم ريبوسومات حقيقية النواة الأخرى. ب. في التركيب الريبوسومي لـ E. cuniculi، يقع هذا النيوكليوتيد بين بروتيني الريبوسوم uL9 وeL20، مما يُثبّت الاتصال بينهما. cd تحليل حفظ تسلسل eL20 بين أنواع الميكروسبوريديا. تُظهر الشجرة التطورية لأنواع الميكروسبوريديا (ج) ومحاذاة التسلسلات المتعددة لبروتين eL20 (د) أن بقايا ربط النوكليوتيدات F170 وK172 محفوظة في معظم الميكروسبوريديا النموذجية، باستثناء S. lophii، باستثناء الميكروسبوريديا المتفرعة مبكرًا، والتي احتفظت بامتداد ES39L rRNA. هـ يوضح هذا الشكل أن بقايا ربط النوكليوتيدات F170 وK172 موجودة فقط في eL20 من جينوم الميكروسبوريديا شديد الاختزال، ولكنها غير موجودة في حقيقيات النوى الأخرى. بشكل عام، تشير هذه البيانات إلى أن ريبوسومات الميكروسبوريديا قد طورت موقع ربط للنوكليوتيدات يبدو أنه يرتبط بجزيئات AMP ويستخدمها لتثبيت تفاعلات البروتين-البروتين في البنية الريبوسومية. يشير الحفاظ العالي على هذا الموقع في الميكروسبوريديا وغيابه في حقيقيات النوى الأخرى إلى أن هذا الموقع قد يوفر ميزة بقاء انتقائية للميكروسبوريديا. وهكذا، لا يبدو أن جيب ربط النوكليوتيدات في ريبوسوم الميكروسبوريديا سمة متدهورة أو شكل نهائي من أشكال تحلل الرنا الريبوسومي كما وُصف سابقًا، بل هو ابتكار تطوري مفيد يسمح لريبوسوم الميكروسبوريديا بالارتباط المباشر بالجزيئات الصغيرة، واستخدامها كوحدات بناء جزيئية. يجعل هذا الاكتشاف ريبوسوم الميكروسبوريديا الريبوسوم الوحيد المعروف الذي يستخدم نوكليوتيدًا واحدًا كوحدة بناء هيكلية. مسار تطوري افتراضي مشتق من ربط النوكليوتيدات.
تقع الكثافة الجزيئية المنخفضة الثانية عند الحد الفاصل بين بروتيني الريبوسوم uL9 وeL30 (الشكل 5أ). وُصفت هذه الكثافة سابقًا في بنية ريبوسوم خميرة الخباز Saccharomyces cerevisiae كموقع ارتباط لنيوكليوتيد 25S من rRNA A3186 (جزء من امتداد ES39L rRNA)38. وقد تبين أنه في ريبوسومات P. locustae ES39L المتحللة، ترتبط هذه الكثافة بنيوكليوتيد مفرد غير معروف 31، ويُفترض أن هذا النيوكليوتيد هو شكل نهائي مُختزل من rRNA، حيث يتراوح طول rRNA بين 130 و230 قاعدة. يُختزل ES39L إلى نيوكليوتيد مفرد 32.43. تدعم صور المجهر الإلكتروني بالتبريد لدينا فكرة إمكانية تفسير الكثافة بالنيوكليوتيدات. ومع ذلك، أظهرت الدقة الأعلى لبنيتنا أن هذا النوكليوتيد هو جزيء خارج الريبوسوم، وربما يكون AMP (الشكل 5أ، ب).
ثم سألنا عما إذا كان موقع ربط النوكليوتيدات موجودًا في ريبوسوم E. cuniculi أم أنه كان موجودًا سابقًا. وبما أن ارتباط النوكليوتيدات يتم بشكل رئيسي بواسطة بقايا Phe170 وLys172 في بروتين الريبوسوم eL30، فقد قمنا بتقييم حفظ هذه البقايا في 4396 من حقيقيات النوى التمثيلية. وكما في حالة uL15 أعلاه، وجدنا أن بقايا Phe170 وLys172 محفوظة بشكل كبير فقط في الميكروسبوريديا النموذجية، ولكنها غائبة في حقيقيات النوى الأخرى، بما في ذلك الميكروسبوريديا غير النموذجية Mitosporidium وAmphiamblys، حيث لا يتم اختزال جزء ES39L rRNA 44، 45، 46 (الشكل 5ج-هـ).
عند النظر إلى هذه البيانات مجتمعةً، فإنها تدعم فكرة أن بكتيريا E. cuniculi، وربما غيرها من الميكروسبوريديا التقليدية، قد طورت القدرة على التقاط أعداد كبيرة من المستقلبات الصغيرة بكفاءة في بنية الريبوسوم لتعويض انخفاض مستويات الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA) والبروتين. وبذلك، طورت قدرة فريدة على ربط النيوكليوتيدات خارج الريبوسوم، مما يُظهر أن البنى الجزيئية الطفيلية تُعوّض عن طريق التقاط كميات وفيرة من المستقلبات الصغيرة واستخدامها كمحاكاة هيكلية لأجزاء الحمض النووي الريبوزي (RNA) والبروتين المتحللة.
الجزء الثالث غير المُحاكي من خريطة المجهر الإلكتروني بالتبريد، الموجود في الوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة. تشير الدقة العالية نسبيًا (2.6 Å) لخريطتنا إلى أن هذه الكثافة تنتمي إلى بروتينات ذات تركيبات فريدة من بقايا السلسلة الجانبية الكبيرة، مما سمح لنا بتحديد هذه الكثافة على أنها بروتين ريبوسومي غير معروف سابقًا حددناه باسم msL2 (بروتين L2 الخاص بالميكروسبوريديا) (الطرق، الشكل 6). أظهر بحثنا عن التماثل أن msL2 محفوظ في فرع ميكروسبوريديا من جنس Encephaliter و Orosporidium، ولكنه غائب في أنواع أخرى، بما في ذلك ميكروسبوريديا أخرى. في بنية الريبوسوم، يشغل msL2 فجوة تشكلت بسبب فقدان rRNA ES31L الممتد. في هذا الفراغ، يساعد msL2 على استقرار طي rRNA ويمكنه تعويض فقدان ES31L (الشكل 6).
أ- كثافة الإلكترونات ونموذج البروتين الريبوسومي msL2 الخاص بالميكروسبوريديا والموجود في ريبوسومات E. cuniculi. ب- معظم الريبوسومات حقيقية النواة، بما في ذلك ريبوسوم 80S لخميرة Saccharomyces cerevisiae، تفقد تضخيم ES19L rRNA في معظم أنواع الميكروسبوريديا. يشير التركيب المُحدد سابقًا لريبوسوم V. necatrix microsporidia إلى أن فقدان ES19L في هذه الطفيليات يُعوّض بتطور البروتين الريبوسومي الجديد msL1. في هذه الدراسة، وجدنا أن ريبوسوم E. cuniculi طوّر أيضًا بروتينًا إضافيًا يُحاكي RNA الريبوسومي كتعويض واضح عن فقدان ES19L. ومع ذلك، فإن msL2 (المُشار إليه حاليًا باسم البروتين الافتراضي ECU06_1135) وmsL1 لهما أصول هيكلية وتطورية مختلفة. يشير هذا الاكتشاف المتعلق بتولد بروتينات ريبوسومية غير مرتبطة تطوريًا من نوعي msL1 وmsL2 إلى أنه إذا تراكمت طفرات ضارة في الريبوسومات في حمضها النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA)، فإنها قد تحقق مستويات غير مسبوقة من التنوع التركيبي حتى في مجموعة فرعية صغيرة من الأنواع وثيقة الصلة. قد يساعد هذا الاكتشاف في توضيح أصل وتطور ريبوسوم الميتوكوندريا، المعروف بانخفاض مستوى حمضه النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA) بشكل كبير واختلاف غير طبيعي في تركيب البروتين بين الأنواع.
ثم قارنا بروتين msL2 ببروتين msL1 الموصوف سابقًا، وهو البروتين الريبوسومي الوحيد المعروف والمخصص للأبواغ الدقيقة والموجود في ريبوسوم V. necatrix. أردنا اختبار ما إذا كان msL1 وmsL2 مرتبطين تطوريًا. أظهر تحليلنا أن msL1 وmsL2 يشغلان نفس التجويف في بنية الريبوسوم، لكنهما يختلفان في بنيتهما الأولية والثالثية، مما يشير إلى أصلهما التطوري المستقل (الشكل 6). وبالتالي، فإن اكتشافنا لبروتين msL2 يقدم دليلًا على أن مجموعات من الأنواع حقيقية النواة المدمجة يمكنها تطوير بروتينات ريبوسومية متميزة هيكليًا بشكل مستقل للتعويض عن فقدان شظايا الرنا الريبوسومي. تكمن أهمية هذه النتيجة في أن معظم الريبوسومات حقيقية النواة السيتوبلازمية تحتوي على بروتين ثابت، بما في ذلك نفس عائلة البروتينات الريبوسومية البالغ عددها 81 بروتينًا. يشير ظهور msL1 وmsL2 في مختلف مجموعات الميكروسبوريديا استجابة لفقدان أجزاء ممتدة من rRNA إلى أن تدهور البنية الجزيئية للطفيلي يدفع الطفيليات إلى البحث عن طفرات تعويضية، مما قد يؤدي في النهاية إلى اكتسابها في مجموعات طفيلية مختلفة.
أخيرًا، بعد اكتمال نموذجنا، قارنا تركيب ريبوسوم E. cuniculi بالتركيب المتوقع من تسلسل الجينوم. كان يُعتقد سابقًا أن العديد من بروتينات الريبوسوم، بما في ذلك eL14 وeL38 وeL41 وeS30، مفقودة من جينوم E. cuniculi بسبب الغياب الواضح لنظائرها منه. كما يُتوقع فقدان العديد من بروتينات الريبوسوم في معظم الطفيليات داخل الخلايا الأخرى شديدة الاختزال والمتعايشات الداخلية. على سبيل المثال، على الرغم من أن معظم البكتيريا حرة المعيشة تحتوي على نفس عائلة بروتينات الريبوسوم المكونة من 54 بروتينًا، إلا أن 11 عائلة فقط من هذه العائلات البروتينية لديها نظائر قابلة للكشف في كل جينوم مُحلل للبكتيريا المُقيدة بالمضيف. ودعمًا لهذه الفكرة، تمت ملاحظة فقدان البروتينات الريبوسومية تجريبيًا في ميكروسبوريديا V. necatrix وP. locustae، التي تفتقر إلى بروتينات eL38 وeL4131,32.
ومع ذلك، تُظهر هياكلنا أن بروتينات eL38 وeL41 وeS30 فقط هي المفقودة فعليًا في ريبوسوم E. cuniculi. وقد حُفظ بروتين eL14، وأظهر هيكلنا سبب عدم العثور عليه في بحث التماثل (الشكل 7). في ريبوسومات E. cuniculi، يُفقد معظم موقع ارتباط eL14 بسبب تحلل ES39L المُضخَّم بالرنا الريبوسومي. في غياب ES39L، فقد eL14 معظم بنيته الثانوية، ولم يكن سوى 18% من تسلسل eL14 متطابقًا في E. cuniculi وS. cerevisiae. يُعدّ ضعف حفظ التسلسل أمرًا ملحوظًا، لأنه حتى خميرة الخباز والإنسان العاقل - وهما كائنان تطورا بفارق 1.5 مليار سنة - يتشاركان أكثر من 51% من البقايا نفسها في eL14. يفسر هذا الفقد الشاذ للحفظ سبب تصنيف E. cuniculi eL14 حاليًا باعتباره البروتين المفترض M970_061160 وليس باعتباره بروتين الريبوسوم eL1427.
وفقد ريبوسوم الميكروسبوريديا امتداد ES39L rRNA، مما أدى إلى القضاء جزئيًا على موقع ارتباط بروتين الريبوسوم eL14. في غياب ES39L، يتعرض بروتين الميكروسبوري eL14 لفقدان بنيته الثانوية، حيث يتحلل حلزون ألفا الرابط السابق للـ rRNA إلى حلقة ذات طول ضئيل. (ب) يُظهر محاذاة التسلسلات المتعددة أن بروتين eL14 محفوظ بدرجة عالية في الأنواع حقيقية النواة (57% تطابق تسلسلي بين الخميرة ونظائرها البشرية)، ولكنه محفوظ بدرجة ضعيفة ومتباعد في الميكروسبوريديا (حيث لا تتطابق أكثر من 24% من البقايا مع نظير eL14). من S. cerevisiae أو H. sapiens. يُفسر هذا الحفظ الضعيف للتسلسل وتباين البنية الثانوية سبب عدم العثور على نظير eL14 في E. cuniculi ولماذا يُعتقد أن هذا البروتين قد فُقد في E. cuniculi. في المقابل، شُرح سابقًا بروتين E. cuniculi eL14 كبروتين M970_061160 مُفترض. تُشير هذه الملاحظة إلى أن تقدير تنوع جينوم الميكروسبوريديا مُبالغ فيه حاليًا: فبعض الجينات التي يُعتقد حاليًا أنها مفقودة في الميكروسبوريديا محفوظة في الواقع، وإن كانت بأشكال شديدة التمايز؛ بل يُعتقد أن بعضها يُشفر جينات الميكروسبوريديا لبروتينات خاصة بالديدان (على سبيل المثال، البروتين الافتراضي M970_061160) يُشفر في الواقع البروتينات شديدة التنوع الموجودة في حقيقيات النوى الأخرى.
تشير هذه النتيجة إلى أن تمسخ الرنا الريبوسومي (rRNA) قد يؤدي إلى فقدان كبير في حفظ التسلسل في بروتينات الريبوسوم المجاورة، مما يجعل هذه البروتينات غير قابلة للكشف في عمليات البحث عن التماثل. وبالتالي، قد نبالغ في تقدير الدرجة الفعلية للتدهور الجزيئي في الكائنات الجينومية الصغيرة، لأن بعض البروتينات التي يُعتقد أنها فُقدت تبقى في الواقع، وإن كانت بأشكال شديدة التغير.
كيف يمكن للطفيليات الحفاظ على وظائف آلياتها الجزيئية في ظل ظروف التقلص الشديد للجينوم؟ تُجيب دراستنا على هذا السؤال بوصف البنية الجزيئية المعقدة (الريبوسوم) لـ E. cuniculi، وهو كائن حيّ يمتلك أحد أصغر جينومات حقيقيات النوى.
من المعروف منذ ما يقرب من عقدين من الزمن أن جزيئات البروتين والحمض النووي الريبوزي (RNA) في الطفيليات الميكروبية غالبًا ما تختلف عن جزيئاتها المتماثلة في الأنواع حرة المعيشة، وذلك لافتقارها إلى مراكز مراقبة الجودة، وتقلص حجمها إلى 50% من حجمها في الميكروبات حرة المعيشة، وما إلى ذلك. كما أن هناك العديد من الطفرات المنهكة التي تُضعف الطي والوظيفة. على سبيل المثال، من المتوقع أن تفتقر ريبوسومات الكائنات الجينومية الصغيرة، بما في ذلك العديد من الطفيليات داخل الخلايا والمتعايشات الداخلية، إلى العديد من بروتينات الريبوسوم وما يصل إلى ثلث نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبوزي الريبوزي مقارنةً بالأنواع حرة المعيشة 27، 29، 30، 49. ومع ذلك، لا تزال طريقة عمل هذه الجزيئات في الطفيليات غامضة إلى حد كبير، وتُدرس بشكل رئيسي من خلال علم الجينوم المقارن.
تُظهر دراستنا أن بنية الجزيئات الكبيرة يمكن أن تكشف عن جوانب عديدة من التطور يصعب استخلاصها من الدراسات الجينومية المقارنة التقليدية للطفيليات داخل الخلايا وغيرها من الكائنات الحية المقيدة بالمضيف (الشكل التكميلي 7). على سبيل المثال، يُظهر مثال بروتين eL14 أنه يمكننا المبالغة في تقدير الدرجة الفعلية لتدهور الجهاز الجزيئي في الأنواع الطفيلية. يُعتقد الآن أن الطفيليات الدماغية تحتوي على مئات الجينات الخاصة بالميكروسبوريديا. ومع ذلك، تُظهر نتائجنا أن بعض هذه الجينات التي تبدو محددة هي في الواقع مجرد متغيرات مختلفة جدًا من الجينات الشائعة في حقيقيات النوى الأخرى. علاوة على ذلك، يُظهر مثال بروتين msL2 كيف نتجاهل بروتينات الريبوسوم الجديدة ونقلل من شأن محتوى الآلات الجزيئية الطفيلية. يُظهر مثال الجزيئات الصغيرة كيف يمكننا تجاهل أكثر الابتكارات براعة في الهياكل الجزيئية الطفيلية التي يمكن أن تمنحها نشاطًا بيولوجيًا جديدًا.
تُحسّن هذه النتائج، مجتمعةً، فهمنا للاختلافات بين البنى الجزيئية للكائنات المُقيّدة بمضيف ونظيراتها في الكائنات الحية الحرة. نُظهر أن الآلات الجزيئية، التي لطالما اعتُقد أنها مُختزلة، ومتدهورة، وعرضة لطفرات مُنهكة مُختلفة، تمتلك بدلاً من ذلك مجموعة من السمات البنيوية غير العادية التي يتم تجاهلها بشكل منهجي.
ومن ناحية أخرى، تشير شظايا rRNA غير الضخمة والأجزاء المندمجة التي وجدناها في الريبوسومات في E. cuniculi إلى أن اختزال الجينوم يمكن أن يغير حتى تلك الأجزاء من الآلية الجزيئية الأساسية التي تم الحفاظ عليها في المجالات الثلاثة للحياة - بعد ما يقرب من 3.5 مليار سنة من التطور المستقل للأنواع.
إن شظايا الرنا الريبوسومي الخالية من الانتفاخات والملتحمة في ريبوسومات E. cuniculi ذات أهمية خاصة في ضوء الدراسات السابقة لجزيئات الرنا في البكتيريا التكافلية الداخلية. على سبيل المثال، في المتعايش الداخلي للمن Buchnera aphidicola، فقد ثبت أن جزيئات الرنا الريبوسومي والحمض النووي الريبوزي الناقل لها هياكل حساسة للحرارة بسبب تحيز تكوين A + T ونسبة عالية من أزواج القواعد غير التقليدية 20،50. يُعتقد الآن أن هذه التغييرات في الرنا، وكذلك التغييرات في جزيئات البروتين، مسؤولة عن الاعتماد المفرط للمتعايشين الداخليين على الشركاء وعدم قدرتهم على نقل الحرارة 21، 23. على الرغم من أن الرنا الريبوسومي للميكروسبوريديا الطفيلية له تغيرات هيكلية مميزة، فإن طبيعة هذه التغيرات تشير إلى أن انخفاض الاستقرار الحراري والاعتماد الأكبر على بروتينات المرافق قد يكونان من السمات المشتركة لجزيئات الرنا في الكائنات الحية ذات الجينومات المخفضة.
من ناحية أخرى، تُظهر هياكلنا أن الميكروسبوريديا الطفيلية قد طورت قدرة فريدة على مقاومة جزيئات الرنا الريبوسومي (rRNA) والبروتينات المحفوظة على نطاق واسع، مما أدى إلى تطوير القدرة على استخدام مستقلبات صغيرة وفيرة ومتاحة بسهولة كمحاكاة هيكلية لجزيئات الرنا الريبوسومي والبروتينات المتحللة. تدهور البنية الجزيئية. يدعم هذا الرأي حقيقة أن الجزيئات الصغيرة التي تعوّض عن فقدان جزيئات البروتين في الرنا الريبوسومي والريبوسومات في E. cuniculi ترتبط ببقايا الميكروسبوريديا الخاصة في بروتيني uL15 وeL30. يشير هذا إلى أن ارتباط الجزيئات الصغيرة بالريبوسومات قد يكون نتاجًا للانتقاء الإيجابي، حيث تم اختيار الطفرات الخاصة بالميكروسبوريديا في بروتينات الريبوسوم لقدرتها على زيادة ألفة الريبوسومات للجزيئات الصغيرة، مما قد يؤدي إلى كائنات ريبوسومية أكثر كفاءة. يكشف الاكتشاف عن ابتكار ذكي في البنية الجزيئية للطفيليات الميكروبية ويمنحنا فهمًا أفضل لكيفية الحفاظ على البنية الجزيئية للطفيليات لوظيفتها على الرغم من التطور الاختزالي.
في الوقت الحالي، لا يزال تحديد هذه الجزيئات الصغيرة غير واضح. وليس من الواضح سبب اختلاف ظهور هذه الجزيئات الصغيرة في بنية الريبوسوم بين أنواع الميكروسبوريديا. وعلى وجه الخصوص، ليس من الواضح سبب ملاحظة ارتباط النوكليوتيدات في ريبوسومات E. cuniculi وP. locustae، وليس في ريبوسومات V. necatrix، على الرغم من وجود بقايا F170 في بروتيني eL20 وK172 في V. necatrix. قد يكون سبب هذا الحذف هو البقايا 43 uL6 (الموجودة بجوار جيب ارتباط النوكليوتيدات)، وهي التيروزين في V. necatrix وليست الثريونين في E. cuniculi وP. locustae. يمكن أن تتداخل السلسلة الجانبية العطرية الضخمة لـ Tyr43 مع ارتباط النوكليوتيدات بسبب التداخل الفراغي. وبدلاً من ذلك، قد يكون حذف النوكليوتيدات الواضح ناتجًا عن الدقة المنخفضة للتصوير المجهري الإلكتروني بالتبريد، مما يعيق نمذجة شظايا الريبوسوم V. necatrix.
من ناحية أخرى، يشير عملنا إلى أن عملية تحلل الجينوم قد تكون قوةً ابتكارية. على وجه الخصوص، تشير بنية ريبوسوم E. cuniculi إلى أن فقدان الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA) وشظايا البروتين في ريبوسوم الميكروسبوريديا يُحدث ضغطًا تطوريًا يُعزز التغيرات في بنية الريبوسوم. تحدث هذه المتغيرات بعيدًا عن الموقع النشط للريبوسوم، ويبدو أنها تُساعد في الحفاظ على (أو استعادة) التركيب الأمثل للريبوسوم الذي قد يُعطله انخفاض الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي. هذا يُشير إلى أن أحد الابتكارات الرئيسية في ريبوسوم الميكروسبوريديا قد تطور إلى الحاجة إلى موازنة انجراف الجينات.
ربما يكون أفضل مثال على ذلك هو ارتباط النوكليوتيدات، والذي لم يُلاحظ في الكائنات الحية الأخرى حتى الآن. تشير حقيقة وجود بقايا ارتباط النوكليوتيدات في الميكروسبوريديا النموذجية، ولكن ليس في حقيقيات النوى الأخرى، إلى أن مواقع ارتباط النوكليوتيدات ليست مجرد بقايا تنتظر الاختفاء، أو الموقع النهائي لاستعادة الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA) إلى شكل النيوكليوتيدات الفردية. بدلاً من ذلك، يبدو هذا الموقع وكأنه ميزة مفيدة ربما تكون قد تطورت على مدار عدة جولات من الانتقاء الإيجابي. قد تكون مواقع ارتباط النوكليوتيدات نتيجة ثانوية للانتقاء الطبيعي: بمجرد تدهور ES39L، تُجبر الميكروسبوريديا على البحث عن تعويض لاستعادة التكوين الحيوي الأمثل للريبوسوم في غياب ES39L. ونظرًا لأن هذا النوكليوتيد يمكن أن يحاكي الاتصالات الجزيئية لنيوكليوتيد A3186 في ES39L، فإن جزيء النوكليوتيد يصبح لبنة بناء للريبوسوم، ويتحسن ارتباطه بشكل أكبر عن طريق طفرة في تسلسل eL30.
فيما يتعلق بالتطور الجزيئي للطفيليات داخل الخلايا، تُظهر دراستنا أن قوى الانتخاب الطبيعي الدارويني والانحراف الجيني لتحلل الجينوم لا تعملان بالتوازي، بل تتذبذبان. أولًا، يُلغي الانحراف الجيني سمات مهمة للجزيئات الحيوية، مما يجعل التعويض ضروريًا للغاية. فقط عندما تُلبي الطفيليات هذه الحاجة من خلال الانتخاب الطبيعي الدارويني، ستتاح لجزيئاتها الكبيرة فرصة تطوير سماتها الأكثر إثارة للإعجاب والابتكار. والأهم من ذلك، أن تطور مواقع ربط النوكليوتيدات في ريبوسوم E. cuniculi يشير إلى أن نمط "الخسارة مقابل الكسب" للتطور الجزيئي لا يُخفف الطفرات الضارة فحسب، بل يُضفي أحيانًا وظائف جديدة تمامًا على الجزيئات الكبيرة الطفيلية.
تتوافق هذه الفكرة مع نظرية التوازن المتحرك لسيويل رايت، والتي تنص على أن نظامًا صارمًا للانتقاء الطبيعي يحد من قدرة الكائنات الحية على الابتكار51،52،53. ومع ذلك، إذا عطل الانحراف الجيني الانتقاء الطبيعي، فقد تُحدث هذه الانحرافات تغيرات ليست في حد ذاتها تكيفية (أو حتى ضارة)، ولكنها تؤدي إلى تغيرات أخرى توفر لياقة بدنية أعلى أو نشاطًا بيولوجيًا جديدًا. يدعم إطار عملنا هذه الفكرة من خلال توضيح أن نفس نوع الطفرة التي تقلل من طي ووظيفة الجزيء الحيوي يبدو أنه المحفز الرئيسي لتحسينه. وتماشيًا مع نموذج التطور المربح للجانبين، تُظهر دراستنا أن تحلل الجينوم، الذي يُنظر إليه تقليديًا على أنه عملية تنكسية، هو أيضًا محرك رئيسي للابتكار، مما يسمح أحيانًا وربما في كثير من الأحيان للجزيئات الكبيرة باكتساب أنشطة طفيلية جديدة.