نشكركم على زيارة موقع Nature.com. يُعاني متصفحكم من محدودية دعم CSS. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدّث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، سنعرض الموقع بدون أنماط CSS وجافا سكريبت.
ينطوي تطور الطفيليات الميكروبية على تفاعل معاكس بين الانتقاء الطبيعي، الذي يُحسّن من خصائص الطفيليات، والانحراف الوراثي، الذي يُفقدها جيناتٍ ويُراكم طفراتٍ ضارة. لفهم كيفية حدوث هذا التفاعل المعاكس على مستوى جزيءٍ واحد، نصف هنا بنية الريبوسوم في طفيل Encephalitozoon cuniculi، وهو كائن حقيقي النواة يمتلك أحد أصغر الجينومات في الطبيعة، وذلك باستخدام المجهر الإلكتروني فائق البرودة. يترافق الانخفاض الشديد في كمية الحمض النووي الريبوزي (rRNA) في ريبوسومات E. cuniculi مع تغيراتٍ بنيوية غير مسبوقة، مثل ظهور روابط rRNA ملتحمة غير معروفة سابقًا، وظهور rRNA بدون انتفاخات. إضافةً إلى ذلك، نجا ريبوسوم E. cuniculi من فقدان أجزاء rRNA والبروتينات من خلال تطوير قدرته على استخدام جزيئات صغيرة كبدائل بنيوية لأجزاء rRNA والبروتينات المتحللة. بشكل عام، نوضح أن الهياكل الجزيئية التي كان يُعتقد لفترة طويلة أنها مختزلة ومتدهورة وعرضة للطفرات المنهكة لديها عدد من الآليات التعويضية التي تحافظ على نشاطها على الرغم من الانكماشات الجزيئية الشديدة.
نظراً لأن معظم مجموعات الطفيليات الميكروبية تمتلك أدوات جزيئية فريدة لاستغلال عوائلها، فغالباً ما يتعين علينا تطوير علاجات مختلفة لمجموعات مختلفة من الطفيليات^1،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 الميكروبية^{3،4،5،6،7،8،9}.
كشفت دراسات سابقة عن اتجاه تطوري شائع في الطفيليات الميكروبية يُعرف بانخفاض حجم الجينوم أو تدهوره^{10،11،12،13}. وتشير الأبحاث الحالية إلى أنه عندما تتخلى الكائنات الدقيقة عن نمط حياتها الحر وتصبح طفيليات داخلية (أو متعايشات داخلية)، فإن جينوماتها تخضع لتحولات بطيئة ولكنها مذهلة على مدى ملايين السنين^9،11. في عملية تُعرف بتدهور الجينوم، تتراكم في الطفيليات الميكروبية طفرات ضارة تُحوّل العديد من الجينات المهمة سابقًا إلى جينات كاذبة، مما يؤدي إلى فقدان تدريجي للجينات وانهيار طفري^14،15. يمكن لهذا الانهيار أن يُدمر ما يصل إلى 95% من الجينات في أقدم الكائنات الحية داخل الخلايا مقارنةً بالأنواع الحرة المعيشة وثيقة الصلة بها. وهكذا، فإن تطور الطفيليات داخل الخلايا هو صراع بين قوتين متضادتين: الانتقاء الطبيعي الدارويني، الذي يؤدي إلى تحسين الطفيليات، وانهيار الجينوم، الذي يُلقي بالطفيليات في غياهب النسيان. 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 أنها تبدو ناتجة بشكل رئيسي عن الانحراف الوراثي المتكرر. ولأن الطفيليات تعيش في مجموعات صغيرة، لا جنسية، ومحدودة وراثيًا، فإنها لا تستطيع التخلص بفعالية من الطفرات الضارة التي تحدث أحيانًا أثناء تضاعف الحمض النووي. يؤدي هذا إلى تراكم لا رجعة فيه للطفرات الضارة وانخفاض حجم جينوم الطفيلي. ونتيجة لذلك، لا يفقد الطفيلي الجينات التي لم تعد ضرورية لبقائه في البيئة الخلوية فحسب، بل إن عجز مجموعات الطفيليات عن التخلص بفعالية من الطفرات الضارة المتفرقة هو ما يتسبب في تراكم هذه الطفرات في جميع أنحاء الجينوم، بما في ذلك أهم جيناتها.
يعتمد جزء كبير من فهمنا الحالي لاختزال الجينوم على مقارنات تسلسلات الجينوم فقط، مع إيلاء اهتمام أقل للتغيرات في الجزيئات الفعلية التي تؤدي وظائف أساسية وتُعدّ أهدافًا دوائية محتملة. وقد أظهرت الدراسات المقارنة أن عبء الطفرات الميكروبية الضارة داخل الخلايا يُهيئ البروتينات والأحماض النووية للطيّ الخاطئ والتكتل، مما يجعلها أكثر اعتمادًا على البروتينات المرافقة وأكثر حساسية للحرارة^{19،20،21،22،23}. إضافةً إلى ذلك، عانت طفيليات مختلفة - تطورت بشكل مستقل يفصل بينها أحيانًا ما يصل إلى 2.5 مليار سنة - من فقدان مماثل لمراكز مراقبة الجودة في تخليق البروتين^5،6 وآليات إصلاح الحمض النووي²⁴. ومع ذلك، لا يُعرف إلا القليل عن تأثير نمط الحياة داخل الخلايا على جميع الخصائص الأخرى للجزيئات الكبيرة الخلوية، بما في ذلك التكيف الجزيئي مع عبء متزايد من الطفرات الضارة.
في هذا العمل، ولتحسين فهم تطور البروتينات والأحماض النووية للكائنات الدقيقة داخل الخلايا، قمنا بتحديد بنية الريبوسومات في طفيل Encephalitozoon cuniculi. يُعدّ E. cuniculi كائنًا شبيهًا بالفطريات ينتمي إلى مجموعة من الطفيليات الميكروسبوريدية التي تتميز بصغر حجم جينوماتها حقيقية النواة، ولذلك تُستخدم ككائنات نموذجية لدراسة تحلل الجينوم^{25،26،27،28،29،30}. وقد تم مؤخرًا تحديد بنية الريبوسومات باستخدام المجهر الإلكتروني فائق البرودة (cryo-EM) لجينومات مُختزلة نسبيًا من الميكروسبوريديا، Paranosema locustae، وVairimorpha necatrix^31،32 (يبلغ حجم جينومها حوالي 3.2 ميجابايت). تشير هذه البنى إلى أن بعض فقدان تضخيم الحمض النووي الريبوزي (rRNA) يُعوَّض بتكوين روابط جديدة بين البروتينات الريبوسومية المتجاورة أو باكتساب بروتينات ريبوسومية جديدة من نوع msL^13،32. يُظهر نوع Encephalitozoon (يبلغ حجم جينومه حوالي 2.5 مليون زوج قاعدي)، إلى جانب أقرب أقربائه Ordospora، أقصى درجات اختزال الجينوم في حقيقيات النوى؛ إذ يحتوي على أقل من 2000 جين مُشفِّر للبروتين، ومن المتوقع أن تكون ريبوسوماته خالية من أجزاء تمدد الحمض النووي الريبوزي (rRNA) (وهي الأجزاء التي تُميز ريبوسومات حقيقيات النوى عن ريبوسومات البكتيريا)، كما أنها تحتوي على أربعة بروتينات ريبوسومية فقط، وذلك لعدم وجود نظائر لها في جينوم E. cuniculi.^26,27,28 لذلك، استنتجنا أن ريبوسوم E. cuniculi قد يكشف عن استراتيجيات غير معروفة سابقًا للتكيف الجزيئي مع تدهور الجينوم.
يمثل تركيبنا المُحدد بتقنية المجهر الإلكتروني فائق البرودة أصغر ريبوسوم سيتوبلازمي حقيقي النواة تم توصيفه، ويُقدم رؤى ثاقبة حول كيفية تأثير درجة اختزال الجينوم النهائية على بنية وتجميع وتطور الآلية الجزيئية الأساسية للخلية. وجدنا أن ريبوسوم E. cuniculi يُخالف العديد من المبادئ المحفوظة على نطاق واسع لطي الحمض النووي الريبوزي (RNA) وتجميع الريبوسوم، واكتشفنا بروتينًا ريبوسوميًا جديدًا لم يكن معروفًا من قبل. على نحو غير متوقع، أظهرنا أن ريبوسومات الميكروسبوريديا قد طورت القدرة على الارتباط بالجزيئات الصغيرة، ونفترض أن عمليات البتر في الحمض النووي الريبوزي (rRNA) والبروتينات تُحفز ابتكارات تطورية قد تُضفي في نهاية المطاف خصائص مفيدة على الريبوسوم.
لتحسين فهمنا لتطور البروتينات والأحماض النووية في الكائنات الحية داخل الخلايا، قررنا عزل جراثيم E. cuniculi من مزارع خلايا الثدييات المصابة بهدف تنقية الريبوسومات وتحديد بنيتها. من الصعب الحصول على عدد كبير من الميكروسبوريديا الطفيلية لأنها لا تُزرع في وسط غذائي، بل تنمو وتتكاثر داخل الخلية المضيفة فقط. لذلك، وللحصول على كتلة حيوية من E. cuniculi لتنقية الريبوسومات، قمنا بإصابة خط خلايا الكلى RK13 في الثدييات بجراثيم E. cuniculi وزرعنا هذه الخلايا المصابة لعدة أسابيع للسماح لـ E. cuniculi بالنمو والتكاثر. باستخدام طبقة أحادية من الخلايا المصابة بمساحة نصف متر مربع تقريبًا، تمكنا من تنقية حوالي 300 ملغ من جراثيم الميكروسبوريديا واستخدامها لعزل الريبوسومات. ثم قمنا بتفتيت الأبواغ المنقاة باستخدام خرز زجاجي، وعزلنا الريبوسومات الخام باستخدام تجزئة متدرجة للمستخلصات باستخدام بولي إيثيلين جلايكول. وقد مكّننا ذلك من الحصول على ما يقارب 300 ميكروغرام من ريبوسومات E. cuniculi الخام لإجراء التحليل البنيوي.
ثم جمعنا صورًا بتقنية المجهر الإلكتروني فائق البرودة باستخدام عينات الريبوسومات الناتجة، وقمنا بمعالجة هذه الصور باستخدام أقنعة تُطابق الوحدة الريبوسومية الكبيرة، ورأس الوحدة الفرعية الصغيرة، والوحدة الفرعية الصغيرة نفسها. خلال هذه العملية، جمعنا صورًا لحوالي 108,000 جسيم ريبوسومي، وحسبنا صورًا بتقنية المجهر الإلكتروني فائق البرودة بدقة 2.7 أنغستروم (الأشكال التكميلية 1-3). بعد ذلك، استخدمنا صور المجهر الإلكتروني فائق البرودة لنمذجة الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي، والبروتين الريبوسومي، وعامل السبات Mdf1 المرتبط بريبوسومات E. cuniculi (الشكل 1أ، ب).
أ- بنية ريبوسوم E. cuniculi المرتبط بعامل السبات Mdf1 (معرف قاعدة بيانات البروتينات 7QEP). ب- خريطة عامل السبات Mdf1 المرتبط بريبوسوم E. cuniculi. ج- خريطة البنية الثانوية التي تقارن الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA) المستخلص من أنواع الميكروسبوريديا بالبنى الريبوسومية المعروفة. تُظهر اللوحات موقع أجزاء الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي المُضخّمة (ES) والمواقع النشطة للريبوسوم، بما في ذلك موقع فك الشفرة (DC) وحلقة السارسينيسين (SRL) ومركز نقل الببتيديل (PTC). د- تشير كثافة الإلكترون المقابلة لمركز نقل الببتيديل في ريبوسوم E. cuniculi إلى أن هذا الموقع التحفيزي له نفس البنية في طفيل E. cuniculi ومضيفيه، بما في ذلك الإنسان العاقل (H. sapiens). تشير كثافة الإلكترون المقابلة لمركز فك الشفرة (هـ) والبنية التخطيطية لمركز فك الشفرة (و) إلى أن بكتيريا E. cuniculi تحتوي على بقايا U1491 بدلاً من A1491 (ترقيم E. coli) الموجودة في العديد من حقيقيات النوى الأخرى. ويُشير هذا التغيير إلى أن بكتيريا E. cuniculi قد تكون حساسة للمضادات الحيوية التي تستهدف هذا الموقع النشط.
على عكس البنى المعروفة سابقًا لريبوسومات V. necatrix و P. locustae (تمثل كلتا البنيتين نفس عائلة الميكروسبوريديا Nosematidae وتتشابهان كثيرًا)، تخضع ريبوسومات E. cuniculi لعمليات عديدة من تجزئة الحمض النووي الريبوزي (rRNA) والبروتين. وتزداد هذه العمليات سوءًا (انظر الأشكال التكميلية 4-6). في الحمض النووي الريبوزي (rRNA)، شملت أبرز التغيرات الفقدان الكامل لجزء ES12L المُضخّم من الحمض النووي الريبوزي 25S، والتدهور الجزئي للحلزونات h39 و h41 و H18 (الشكل 1c، الشكل التكميلي 4). ومن بين البروتينات الريبوزومية، شملت التغييرات الأكثر وضوحًا الفقدان الكامل لبروتين eS30 وتقصير بروتينات eL8 و eL13 و eL18 و eL22 و eL29 و eL40 و uS3 و uS9 و uS14 و uS17 و eS7 (الشكلان التكميليان 4 و 5).
وهكذا، ينعكس الانخفاض الحاد في جينومات أنواع Encephalotozoon/Ordospora في بنية الريبوسومات: إذ تعاني ريبوسومات E. cuniculi من أكبر فقدان للبروتين مقارنةً بريبوسومات السيتوبلازم حقيقية النواة التي خضعت للدراسة البنيوية، حتى أنها تفتقر إلى أجزاء الحمض النووي الريبوزي (rRNA) والبروتين المحفوظة على نطاق واسع ليس فقط في حقيقيات النوى، بل في نطاقات الحياة الثلاثة. توفر بنية ريبوسوم E. cuniculi أول نموذج جزيئي لهذه التغيرات، وتكشف عن أحداث تطورية أغفلتها كل من الدراسات الجينومية المقارنة ودراسات البنية الجزيئية الحيوية داخل الخلايا (الشكل التكميلي 7). فيما يلي، نصف كل حدث من هذه الأحداث، إلى جانب أصوله التطورية المحتملة وتأثيره المحتمل على وظيفة الريبوسوم.
ثم وجدنا أنه بالإضافة إلى اقتطاعات كبيرة في الحمض النووي الريبوزي (rRNA)، فإن ريبوسومات E. cuniculi تُظهر اختلافات في الحمض النووي الريبوزي في أحد مواقعها النشطة. على الرغم من أن مركز نقل الببتيديل في ريبوسوم E. cuniculi له نفس بنية الريبوسومات حقيقية النواة الأخرى (الشكل 1د)، إلا أن مركز فك الشفرة يختلف بسبب اختلاف التسلسل عند النيوكليوتيد 1491 (ترقيم E. coli، الشكل 1هـ، و). هذه الملاحظة مهمة لأن موقع فك الشفرة في الريبوسومات حقيقية النواة يحتوي عادةً على البقايا G1408 وA1491 مقارنةً بالبقايا A1408 وG1491 في الريبوسومات البكتيرية. هذا الاختلاف هو السبب وراء اختلاف حساسية الريبوسومات البكتيرية وحقيقية النواة لعائلة الأمينوغليكوزيد من المضادات الحيوية الريبوسومية والجزيئات الصغيرة الأخرى التي تستهدف موقع فك الشفرة. في موقع فك الشفرة للريبوسوم في E. cuniculi، استُبدل الحمض الأميني A1491 بالحمض الأميني U1491، مما قد يُنشئ سطح ارتباط فريدًا للجزيئات الصغيرة التي تستهدف هذا الموقع النشط. يوجد نفس المتغير A14901 أيضًا في أنواع أخرى من الميكروسبوريديا مثل P. locustae و V. necatrix، مما يشير إلى انتشاره الواسع بين أنواع الميكروسبوريديا (الشكل 1f).
نظرًا لأن عينات الريبوسومات الخاصة بنا من E. cuniculi قد عُزلت من أبواغ غير نشطة أيضيًا، فقد اختبرنا خريطة المجهر الإلكتروني فائق البرودة (cryo-EM) لـ E. cuniculi للتحقق من ارتباط الريبوسومات الموصوف سابقًا في ظروف الإجهاد أو المجاعة. عوامل السبات 31، 32، 36، 37، 38. طابقنا البنية المعروفة سابقًا للريبوسوم في حالة السبات مع خريطة المجهر الإلكتروني فائق البرودة (cryo-EM) لريبوسوم E. cuniculi. في عملية الالتحام، استُخدمت ريبوسومات S. cerevisiae في مركب مع عامل السبات Stm138، وريبوسومات الجراد في مركب مع العامل Lso232، وريبوسومات V. necatrix في مركب مع العاملين Mdf1 وMdf231. في الوقت نفسه، وجدنا كثافة المجهر الإلكتروني فائق البرودة (cryo-EM) التي تتوافق مع عامل الراحة Mdf1. على غرار ارتباط Mdf1 بالريبوسوم V. necatrix، يرتبط Mdf1 أيضًا بالريبوسوم E. cuniculi، حيث يقوم بحجب الموقع E للريبوسوم، مما قد يساعد في جعل الريبوسومات متاحة عندما تصبح جراثيم الطفيلي غير نشطة استقلابيًا عند تعطيل الجسم (الشكل 2).
يُعيق بروتين Mdf1 موقع E في الريبوسوم، مما يُسهم على ما يبدو في تعطيل الريبوسوم عندما تُصبح أبواغ الطفيلي غير نشطة أيضيًا. في بنية ريبوسوم E. cuniculi، وجدنا أن Mdf1 يُشكّل اتصالًا غير معروف سابقًا مع ساق الريبوسوم L1، وهو الجزء من الريبوسوم الذي يُسهّل إطلاق الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) منزوع الأسيتيل من الريبوسوم أثناء تخليق البروتين. تُشير هذه الاتصالات إلى أن Mdf1 ينفصل عن الريبوسوم باستخدام الآلية نفسها التي ينفصل بها الحمض النووي الريبوزي الناقل منزوع الأسيتيل، مما يُقدّم تفسيرًا مُحتملًا لكيفية إزالة الريبوسوم لـ Mdf1 لإعادة تنشيط تخليق البروتين.
مع ذلك، كشف تحليلنا عن وجود اتصال غير معروف بين Mdf1 وساق الريبوسوم L1 (الجزء من الريبوسوم الذي يُساعد على تحرير الحمض النووي الريبوزي الناقل غير المُؤَسْتَل من الريبوسوم أثناء تخليق البروتين). وبالتحديد، يستخدم Mdf1 نفس نقاط الاتصال التي يستخدمها جزء الكوع من جزيء الحمض النووي الريبوزي الناقل غير المُؤَسْتَل (الشكل 2). أظهر هذا النموذج الجزيئي، الذي لم يكن معروفًا من قبل، أن Mdf1 ينفصل عن الريبوسوم باستخدام نفس آلية انفصال الحمض النووي الريبوزي الناقل غير المُؤَسْتَل، مما يُفسر كيف يُزيل الريبوسوم عامل السكون هذا لإعادة تنشيط تخليق البروتين.
أثناء بناء نموذج الحمض النووي الريبوزي (rRNA)، وجدنا أن ريبوسوم E. cuniculi يحتوي على أجزاء من الحمض النووي الريبوزي مطوية بشكل غير طبيعي، أطلقنا عليها اسم الحمض النووي الريبوزي المندمج (الشكل 3). في الريبوسومات التي تغطي نطاقات الحياة الثلاثة، يطوى الحمض النووي الريبوزي إلى تراكيب تتزاوج فيها معظم قواعد الحمض النووي الريبوزي وتطوي مع بعضها البعض، أو تتفاعل مع البروتينات الريبوسومية^38،39،40. مع ذلك، يبدو أن الحمض النووي الريبوزي في ريبوسومات E. cuniculi يخالف مبدأ الطي هذا بتحويل بعض حلزوناته إلى مناطق غير مطوية من الحمض النووي الريبوزي.
بنية حلزون الحمض النووي الريبوزي H18 25S في الخميرة S. cerevisiae، وV. necatrix، وE. cuniculi. عادةً، في الريبوسومات التي تغطي نطاقات الحياة الثلاثة، يلتف هذا الرابط ليشكل حلزونًا من الحمض النووي الريبوزي يحتوي على 24 إلى 34 حمضًا أمينيًا. في المقابل، في الميكروسبوريديا، يتقلص رابط الحمض النووي الريبوزي تدريجيًا إلى رابطين أحاديي السلسلة غنيين باليوريدين يحتويان على 12 حمضًا أمينيًا فقط. معظم هذه الأحماض الأمينية معرضة للمذيبات. يوضح الشكل أن الميكروسبوريديا الطفيلية تبدو وكأنها تخالف المبادئ العامة لطي الحمض النووي الريبوزي، حيث ترتبط قواعد الحمض النووي الريبوزي عادةً بقواعد أخرى أو تشارك في تفاعلات الحمض النووي الريبوزي مع البروتين. في الميكروسبوريديا، تتخذ بعض شظايا الحمض النووي الريبوزي طيًا غير مرغوب فيه، حيث يتحول حلزون الحمض النووي الريبوزي السابق إلى شظية أحادية السلسلة ممتدة بشكل شبه مستقيم. إن وجود هذه المناطق غير العادية يسمح لـ rRNA الخاص بالميكروسبوريديا بالارتباط بقطع rRNA البعيدة باستخدام الحد الأدنى من قواعد RNA.
يُمكن ملاحظة أبرز مثال على هذا التحول التطوري في حلزون الحمض النووي الريبوزي H18 25S (الشكل 3). في أنواعٍ تتراوح من الإشريكية القولونية إلى الإنسان، تحتوي قواعد هذا الحلزون على 24-32 نيوكليوتيدًا، مُشكّلةً حلزونًا غير منتظمٍ نوعًا ما. في التراكيب الريبوزومية التي تم تحديدها سابقًا من V. necatrix و P. locustae،^31،32 تكون قواعد حلزون H18 غير ملتفة جزئيًا، ولكن يتم الحفاظ على اقتران قواعد النيوكليوتيدات. مع ذلك، في E. cuniculi، يُصبح هذا الجزء من الحمض النووي الريبوزي أقصر الروابط 228UUUGU232 و301UUUUUUUUUU307. على عكس أجزاء الحمض النووي الريبوزي النموذجية، لا تلتف هذه الروابط الغنية باليوريدين ولا تُكوّن اتصالًا واسعًا مع البروتينات الريبوزومية. بدلًا من ذلك، تتخذ تراكيب مفتوحة للمذيب وغير مطوية تمامًا، حيث تمتد خيوط الحمض النووي الريبوزي بشكلٍ مستقيم تقريبًا. يفسر هذا التكوين الممتد كيف يستخدم E. cuniculi 12 قاعدة RNA فقط لملء الفجوة البالغة 33 أنجستروم بين حلزونات H16 و H18 rRNA، بينما تتطلب الأنواع الأخرى ضعف عدد قواعد rRNA على الأقل لملء الفجوة.
وهكذا، يمكننا إثبات أن الميكروسبوريديا الطفيلية، من خلال عملية طي غير مواتية طاقيًا، طورت استراتيجية لتقليص حتى أجزاء الحمض النووي الريبوزي (rRNA) التي لا تزال محفوظة بشكل واسع بين الأنواع في نطاقات الحياة الثلاثة. ويبدو أنه من خلال تراكم الطفرات التي تحول حلزونات الحمض النووي الريبوزي إلى روابط قصيرة متعددة اليوراسيل، تستطيع E. cuniculi تكوين أجزاء غير عادية من الحمض النووي الريبوزي تحتوي على أقل عدد ممكن من النيوكليوتيدات لربط أجزاء الحمض النووي الريبوزي البعيدة. وهذا يساعد في تفسير كيف حققت الميكروسبوريديا انخفاضًا كبيرًا في بنيتها الجزيئية الأساسية دون فقدان سلامتها الهيكلية والوظيفية.
من السمات غير المألوفة الأخرى لـ rRNA الخاص بـ E. cuniculi ظهور rRNA بدون انتفاخات (الشكل 4). الانتفاخات عبارة عن نيوكليوتيدات بدون أزواج قواعد تلتف خارج حلزون RNA بدلاً من أن تختبئ داخله. تعمل معظم نتوءات rRNA كمواد لاصقة جزيئية، مما يساعد على ربط البروتينات الريبوزومية المجاورة أو أجزاء rRNA الأخرى. تعمل بعض الانتفاخات كمفاصل، مما يسمح لحلزون rRNA بالانثناء والانطواء على النحو الأمثل لتخليق البروتين بكفاءة 41.
أ- يغيب نتوء الحمض النووي الريبوزي (rRNA) (ترقيم الخميرة S. cerevisiae) عن بنية الريبوسوم في E. cuniculi، ولكنه موجود في معظم حقيقيات النوى الأخرى. ب- تفتقر الطفيليات، مثل E. coli وS. cerevisiae وH. sapiens وE. cuniculi، إلى العديد من انتفاخات الحمض النووي الريبوزي القديمة والمحفوظة بدرجة عالية. تعمل هذه التثخنات على تثبيت بنية الريبوسوم؛ لذلك، يشير غيابها في الميكروسبوريديا إلى انخفاض استقرار طي الحمض النووي الريبوزي في هذه الطفيليات. تُظهر المقارنة مع سيقان P (سيقان L7/L12 في البكتيريا) أن فقدان نتوءات الحمض النووي الريبوزي يتزامن أحيانًا مع ظهور نتوءات جديدة بجوار النتوءات المفقودة. يحتوي اللولب H42 في الحمض النووي الريبوزي 23S/28S على انتفاخ قديم (U1206 في الخميرة Saccharomyces cerevisiae) يُقدّر عمره بما لا يقل عن 3.5 مليار سنة نظرًا لدوره في حمايتها في ثلاث نطاقات حيوية. في الميكروسبوريديا، يختفي هذا الانتفاخ. مع ذلك، ظهر انتفاخ جديد بجوار الانتفاخ المفقود (A1306 في E. cuniculi).
وجدنا، بشكلٍ لافت، أن ريبوسومات E. cuniculi تفتقر إلى معظم انتفاخات الحمض النووي الريبوزي (rRNA) الموجودة في الأنواع الأخرى، بما في ذلك أكثر من 30 انتفاخًا محفوظة في حقيقيات النوى الأخرى (الشكل 4أ). يؤدي هذا الفقدان إلى إزالة العديد من نقاط التلامس بين الوحدات الفرعية للريبوسوم وحلزونات الحمض النووي الريبوزي المجاورة، مما يُنشئ أحيانًا فراغات كبيرة داخل الريبوسوم، ويجعل ريبوسوم E. cuniculi أكثر مسامية مقارنةً بالريبوسومات التقليدية (الشكل 4ب). والجدير بالذكر أننا وجدنا أن معظم هذه الانتفاخات مفقودة أيضًا في هياكل ريبوسومات V. necatrix و P. locustae التي تم تحديدها سابقًا، والتي أغفلتها التحليلات الهيكلية السابقة^31،32.
أحيانًا، يترافق فقدان انتفاخات الحمض النووي الريبوزي (rRNA) مع ظهور انتفاخات جديدة بجوار الانتفاخ المفقود. على سبيل المثال، يحتوي ساق P الريبوسومي على انتفاخ U1208 (في خميرة Saccharomyces cerevisiae) الذي نجا من بكتيريا E. coli إلى الإنسان، ولذلك يُقدّر عمره بنحو 3.5 مليار سنة. أثناء تخليق البروتين، يُساعد هذا الانتفاخ ساق P على الانتقال بين هيئتي الفتح والإغلاق، مما يسمح للريبوسوم باستقطاب عوامل الترجمة ونقلها إلى الموقع النشط. في ريبوسومات E. cuniculi، يغيب هذا التثخين؛ ومع ذلك، يُمكن لتثخين جديد (G883) يقع في ثلاثة أزواج قاعدية فقط أن يُساهم في استعادة المرونة المثلى لساق P (الشكل 4ج).
تشير بياناتنا المتعلقة بالحمض النووي الريبوزي (rRNA) الخالي من الانتفاخات إلى أن تقليص حجم الحمض النووي الريبوزي لا يقتصر على فقدان عناصر الحمض النووي الريبوزي على سطح الريبوسوم، بل قد يشمل أيضًا نواة الريبوسوم، مما يُحدث خللًا جزيئيًا خاصًا بالطفيليات لم يُوصف في الخلايا الحرة المعيشة.
بعد نمذجة البروتينات الريبوزومية التقليدية و rRNA، وجدنا أن المكونات الريبوزومية التقليدية لا تستطيع تفسير الأجزاء الثلاثة لصورة المجهر الإلكتروني فائق البرودة. اثنان من هذه الأجزاء جزيئات صغيرة الحجم (الشكل 5، الشكل التكميلي 8). يقع الجزء الأول بين البروتينين الريبوزوميين uL15 و eL18 في موضع يشغله عادةً الطرف الكربوكسيلي لـ eL18، والذي يكون أقصر في E. cuniculi. على الرغم من عدم قدرتنا على تحديد هوية هذا الجزيء، إلا أن حجم وشكل هذه الجزيرة الكثيفة يُفسَّر جيدًا بوجود جزيئات السبيرميدين. يتم تثبيت ارتباطه بالريبوزوم بواسطة طفرات خاصة بالميكروسبوريديا في بروتينات uL15 (Asp51 و Arg56)، والتي يبدو أنها تزيد من ألفة الريبوزوم لهذا الجزيء الصغير، حيث تسمح لـ uL15 بتغليف الجزيء الصغير في بنية ريبوزومية. (الشكل التكميلي 2، الشكل التكميلي 8، بيانات إضافية 1، 2).
التصوير المجهري الإلكتروني فائق البرودة يُظهر وجود نيوكليوتيدات خارج الريبوز المرتبط بريبوسوم E. cuniculi. في ريبوسوم E. cuniculi، يشغل هذا النيوكليوتيد نفس موقع النيوكليوتيد A3186 في الحمض النووي الريبوزي 25S (ترقيم Saccharomyces cerevisiae) في معظم الريبوسومات حقيقية النواة الأخرى. ب- في بنية ريبوسوم E. cuniculi، يقع هذا النيوكليوتيد بين البروتينين الريبوسوميين uL9 وeL20، مما يُثبّت الاتصال بينهما. ج- تحليل حفظ تسلسل eL20 بين أنواع الميكروسبوريديا. تُظهر الشجرة التطورية لأنواع الميكروسبوريديا (ج) ومحاذاة التسلسل المتعدد لبروتين eL20 (د) أن بقايا ربط النيوكليوتيدات F170 وK172 محفوظة في معظم أنواع الميكروسبوريديا النموذجية، باستثناء S. lophii، باستثناء أنواع الميكروسبوريديا المتفرعة مبكرًا، التي احتفظت بامتداد ES39L rRNA. يوضح هذا الشكل أن بقايا ربط النيوكليوتيدات F170 وK172 موجودة فقط في eL20 من جينوم الميكروسبوريديا المختزل للغاية، ولكنها غير موجودة في حقيقيات النوى الأخرى. بشكل عام، تشير هذه البيانات إلى أن ريبوسومات الميكروسبوريديا قد طورت موقع ربط نيوكليوتيدات يبدو أنه يرتبط بجزيئات AMP ويستخدمها لتثبيت تفاعلات البروتين-بروتين في بنية الريبوسوم. يشير الحفاظ العالي على موقع الربط هذا في الميكروسبوريديا وغيابه في حقيقيات النوى الأخرى إلى أن هذا الموقع قد يوفر ميزة بقاء انتقائية للميكروسبوريديا. وبالتالي، لا يبدو أن جيب ارتباط النيوكليوتيدات في ريبوسوم الميكروسبوريديا سمة متدهورة أو شكل نهائي لتحلل الحمض النووي الريبوزي كما وُصف سابقًا، بل هو بالأحرى ابتكار تطوري مفيد يسمح لريبوسوم الميكروسبوريديا بالارتباط المباشر بالجزيئات الصغيرة، مستخدمًا إياها كوحدات بناء جزيئية للريبوسومات. هذا الاكتشاف يجعل ريبوسوم الميكروسبوريديا الريبوسوم الوحيد المعروف الذي يستخدم نيوكليوتيدًا واحدًا كوحدة بناء هيكلية. (و) مسار تطوري افتراضي مشتق من ارتباط النيوكليوتيدات.
تقع الكثافة الثانية ذات الوزن الجزيئي المنخفض عند نقطة التقاء البروتينات الريبوزومية uL9 وeL30 (الشكل 5أ). وقد وُصفت هذه النقطة سابقًا في بنية ريبوزوم الخميرة Saccharomyces cerevisiae كموقع ارتباط للنيوكليوتيد 25S من الحمض النووي الريبوزي A3186 (جزء من امتداد الحمض النووي الريبوزي ES39L)³⁸. وقد تبين أنه في ريبوزومات ES39L المتدهورة من P. locustae، ترتبط هذه النقطة بنيوكليوتيد مفرد غير معروف³¹، ويُفترض أن هذا النيوكليوتيد هو شكل نهائي مُختزل من الحمض النووي الريبوزي، حيث يبلغ طوله حوالي 130-230 قاعدة. ويُختزل ES39L إلى نيوكليوتيد مفرد^32.43. وتؤكد صورنا المُلتقطة بتقنية المجهر الإلكتروني فائق البرودة (cryo-EM) فكرة إمكانية تفسير الكثافة بالنيوكليوتيدات. ومع ذلك، أظهرت الدقة الأعلى لبنيتنا أن هذا النيوكليوتيد هو جزيء خارج الريبوسوم، وربما يكون AMP (الشكل 5 أ، ب).
ثم تساءلنا عما إذا كان موقع ارتباط النيوكليوتيد قد ظهر في ريبوسوم E. cuniculi أم أنه كان موجودًا سابقًا. ولأن ارتباط النيوكليوتيد يتم بشكل أساسي بواسطة بقايا Phe170 وLys172 في البروتين الريبوسومي eL30، فقد قمنا بتقييم مدى حفظ هذه البقايا في 4396 من حقيقيات النوى التمثيلية. وكما هو الحال مع uL15 المذكور 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).
تدعم هذه البيانات مجتمعةً فكرة أن طفيل E. cuniculi، وربما غيره من الميكروسبوريديا التقليدية، قد طوّر قدرةً على التقاط أعداد كبيرة من المستقلبات الصغيرة بكفاءة في بنية الريبوسوم، وذلك لتعويض انخفاض مستويات الحمض النووي الريبوزي (rRNA) والبروتين. وبذلك، طوّرت هذه الطفيليات قدرةً فريدةً على ربط النيوكليوتيدات خارج الريبوسوم، مما يُظهر أن البنى الجزيئية الطفيلية تُعوّض ذلك بالتقاط كميات وفيرة من المستقلبات الصغيرة واستخدامها كبدائل بنيوية لشظايا الحمض النووي الريبوزي (RNA) والبروتين المتحللة.
الجزء الثالث غير المُحاكى من خريطتنا المجهرية الإلكترونية التبريدية، يقع في الوحدة الريبوسومية الكبيرة. تشير الدقة العالية نسبيًا (2.6 أنغستروم) لخريطتنا إلى أن هذه الكثافة تنتمي إلى بروتينات ذات تركيبات فريدة من بقايا السلاسل الجانبية الكبيرة، مما سمح لنا بتحديد هذه الكثافة على أنها بروتين ريبوسومي غير معروف سابقًا، أطلقنا عليه اسم msL2 (البروتين L2 الخاص بالميكروسبوريديا) (انظر قسم الطرق، الشكل 6). أظهر بحثنا عن التشابه أن msL2 محفوظ في فرع الميكروسبوريديا من جنسي Encephaliter و Orosporidium، ولكنه غائب في الأنواع الأخرى، بما في ذلك أنواع أخرى من الميكروسبوريديا. في بنية الريبوسوم، يشغل msL2 فجوة ناتجة عن فقدان الحمض النووي الريبوزي ES31L الممتد. في هذه الفجوة، يساعد msL2 على تثبيت طي الحمض النووي الريبوزي ويمكنه التعويض عن فقدان ES31L (الشكل 6).
أ- كثافة الإلكترون ونموذج البروتين الريبوسومي msL2 الخاص بالميكروسبوريديا والموجود في ريبوسومات E. cuniculi. ب- معظم الريبوسومات حقيقية النواة، بما في ذلك الريبوسوم 80S الخاص بـ Saccharomyces cerevisiae، تعاني من فقدان تضخيم ES19L rRNA في معظم أنواع الميكروسبوريديا. يشير التركيب المعروف سابقًا لريبوسوم V. necatrix الخاص بالميكروسبوريديا إلى أن فقدان ES19L في هذه الطفيليات يُعوَّض بتطور البروتين الريبوسومي الجديد msL1. في هذه الدراسة، وجدنا أن ريبوسوم E. cuniculi قد طوّر أيضًا بروتينًا إضافيًا يُحاكي الحمض النووي الريبوسومي كتعويض واضح عن فقدان ES19L. مع ذلك، فإن msL2 (المُصنَّف حاليًا على أنه البروتين الافتراضي ECU06_1135) وmsL1 لهما أصول بنيوية وتطورية مختلفة. يشير هذا الاكتشاف، المتمثل في توليد بروتينات ريبوسومية غير مرتبطة تطوريًا، msL1 وmsL2، إلى أنه في حال تراكمت طفرات ضارة في الحمض النووي الريبوزي (rRNA) الخاص بالريبوسومات، فإنها قد تصل إلى مستويات غير مسبوقة من التنوع التركيبي حتى في مجموعة فرعية صغيرة من الأنواع وثيقة الصلة. ويمكن أن يساعد هذا الاكتشاف في توضيح أصل وتطور الريبوسوم الميتوكوندري، المعروف بانخفاض مستوى الحمض النووي الريبوزي (rRNA) الخاص به وتنوعه غير الطبيعي في التركيب البروتيني بين الأنواع.
ثم قارنّا بروتين msL2 ببروتين msL1 الموصوف سابقًا، وهو البروتين الريبوسومي الوحيد المعروف والمختص بالميكروسبوريديا 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 يمتلكان بنيتين أولية وثلاثية مختلفتين، مما يشير إلى أصلهما التطوري المستقل (الشكل 6). بالتالي، يُقدّم اكتشافنا لبروتين msL2 دليلًا على أن مجموعات من الكائنات حقيقية النواة المدمجة يمكنها تطوير بروتينات ريبوسومية متميزة بنيويًا بشكل مستقل للتعويض عن فقدان أجزاء من الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA). هذه النتيجة جديرة بالملاحظة لأن معظم الريبوسومات السيتوبلازمية في حقيقيات النوى تحتوي على بروتين ثابت، بما في ذلك نفس عائلة البروتينات الريبوسومية البالغ عددها 81 بروتينًا. يشير ظهور msL1 و msL2 في مختلف فروع الميكروسبوريديا استجابةً لفقدان أجزاء rRNA الممتدة 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، قارنّا تركيب الريبوسوم في طفيل E. cuniculi مع التركيب المتوقع من تسلسل الجينوم. كان يُعتقد سابقًا أن العديد من البروتينات الريبوسومية، بما في ذلك eL14 وeL38 وeL41 وeS30، مفقودة من جينوم E. cuniculi نظرًا لغياب نظائرها فيه. كما يُتوقع فقدان العديد من البروتينات الريبوسومية في معظم الطفيليات الداخلية والمتعايشات الداخلية الأخرى شديدة الاختزال. على سبيل المثال، على الرغم من أن معظم البكتيريا الحرة المعيشة تحتوي على نفس عائلة البروتينات الريبوسومية البالغ عددها 54 بروتينًا، إلا أن 11 عائلة بروتينية فقط من هذه العائلات لها نظائر قابلة للكشف في كل جينوم من جينومات البكتيريا المُقيدة بالعائل التي تم تحليلها. ودعماً لهذا المفهوم، لوحظ تجريبياً فقدان البروتينات الريبوزومية في الميكروسبوريديا V. necatrix و P. locustae، والتي تفتقر إلى البروتينات eL38 و eL4131,32.
مع ذلك، تُظهر بنيتنا أن البروتينات eL38 وeL41 وeS30 فقط هي التي فُقدت فعليًا في ريبوسوم E. cuniculi. بينما كان البروتين eL14 محفوظًا، وقد أوضحت بنيتنا سبب عدم العثور عليه في بحث التماثل (الشكل 7). في ريبوسومات E. cuniculi، فُقد معظم موقع ارتباط eL14 نتيجةً لتحلل ES39L المُضخّم بواسطة الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA). في غياب ES39L، فقد eL14 معظم بنيته الثانوية، ولم تكن سوى 18% من تسلسل eL14 متطابقة في كل من E. cuniculi وS. cerevisiae. يُعدّ هذا الحفظ الضعيف للتسلسل أمرًا لافتًا للنظر، لأن حتى Saccharomyces cerevisiae وHomo sapiens - وهما كائنان تطورا بفارق 1.5 مليار سنة - يشتركان في أكثر من 51% من نفس البقايا في eL14. يفسر هذا الفقدان الشاذ للحفظ سبب تصنيف E. cuniculi eL14 حاليًا على أنه البروتين المفترض M970_061160 وليس على أنه البروتين الريبوسومي eL1427.
وفقد ريبوسوم الميكروسبوريديا امتداد الحمض النووي الريبوزي ES39L، مما أدى إلى إزالة جزئية لموقع ارتباط بروتين الريبوسوم eL14. في غياب ES39L، يفقد بروتين eL14 في الميكروسبوريديا بنيته الثانوية، حيث يتحول الحلزون ألفا المرتبط بالحمض النووي الريبوزي إلى حلقة ذات طول أدنى. يُظهر تحليل تسلسل متعدد أن بروتين eL14 محفوظ بدرجة عالية في الكائنات حقيقية النواة (57% تطابق في التسلسل بين نظائر الخميرة والإنسان)، ولكنه ضعيف الحفظ ومتباين في الميكروسبوريديا (حيث لا تتجاوز نسبة البقايا المتطابقة مع نظير eL14 24%). (من الخميرة S. cerevisiae أو الإنسان H. sapiens). يفسر ضعف حفظ التسلسل وتنوع البنية الثانوية هذا سبب عدم العثور على نظير eL14 في E. cuniculi، وسبب الاعتقاد بفقدان هذا البروتين في E. cuniculi. على النقيض من ذلك، سبق تصنيف E. cuniculi eL14 على أنه بروتين M970_061160 افتراضي. تشير هذه الملاحظة إلى أن تنوع جينوم الميكروسبوريديا يُبالغ في تقديره حاليًا: فبعض الجينات التي يُعتقد حاليًا أنها مفقودة في الميكروسبوريديا محفوظة في الواقع، وإن كانت بأشكال شديدة التباين؛ في المقابل، يُعتقد أن بعضها يُشفّر بروتينات خاصة بالديدان (مثل البروتين الافتراضي M970_061160) بينما في الواقع يُشفّر بروتينات شديدة التنوع موجودة في حقيقيات النوى الأخرى.
تشير هذه النتيجة إلى أن تمسخ الحمض النووي الريبوزي (rRNA) قد يؤدي إلى فقدان كبير في حفظ التسلسل في البروتينات الريبوزومية المجاورة، مما يجعل هذه البروتينات غير قابلة للكشف في عمليات البحث عن التشابه. وبالتالي، قد نبالغ في تقدير الدرجة الفعلية للتدهور الجزيئي في الكائنات الحية ذات الجينوم الصغير، حيث أن بعض البروتينات التي يُعتقد أنها فُقدت تبقى في الواقع، وإن كانت بأشكال متغيرة للغاية.
كيف يمكن للطفيليات أن تحتفظ بوظيفة آلاتها الجزيئية في ظل ظروف الاختزال الشديد للجينوم؟ تجيب دراستنا على هذا السؤال من خلال وصف التركيب الجزيئي المعقد (الريبوسوم) لـ E. cuniculi، وهو كائن حي يمتلك أحد أصغر الجينومات حقيقية النواة.
من المعروف منذ ما يقرب من عقدين من الزمن أن جزيئات البروتين والحمض النووي الريبوزي (RNA) في الطفيليات الميكروبية غالبًا ما تختلف عن نظيراتها في الكائنات الحية الحرة، وذلك لافتقارها إلى مراكز مراقبة الجودة، وانخفاض حجمها إلى 50% من حجمها في الميكروبات الحرة، بالإضافة إلى العديد من الطفرات المُضعفة التي تُعيق عملية الطي والوظيفة. على سبيل المثال، من المتوقع أن تفتقر الريبوسومات في الكائنات الحية ذات الجينوم الصغير، بما في ذلك العديد من الطفيليات داخل الخلايا والمتعايشات الداخلية، إلى العديد من البروتينات الريبوسومية وما يصل إلى ثلث نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبوزي (rRNA) مقارنةً بالكائنات الحية الحرة. ومع ذلك، لا تزال طريقة عمل هذه الجزيئات في الطفيليات لغزًا إلى حد كبير، وتُدرس بشكل أساسي من خلال علم الجينوم المقارن.
تُظهر دراستنا أن بنية الجزيئات الكبيرة قادرة على كشف جوانب عديدة من التطور يصعب استخلاصها من الدراسات الجينومية المقارنة التقليدية للطفيليات داخل الخلايا والكائنات الحية الأخرى ذات العائل المحدود (الشكل التكميلي 7). فعلى سبيل المثال، يُبين بروتين eL14 أننا قد نبالغ في تقدير درجة تدهور الجهاز الجزيئي في الأنواع الطفيلية. ويُعتقد حاليًا أن الطفيليات المسببة لالتهاب الدماغ تمتلك مئات الجينات الخاصة بالميكروسبوريديا. ومع ذلك، تُظهر نتائجنا أن بعض هذه الجينات التي تبدو خاصة ليست سوى متغيرات مختلفة تمامًا لجينات شائعة في حقيقيات النوى الأخرى. علاوة على ذلك، يُبين بروتين msL2 كيف نتجاهل بروتينات ريبوسومية جديدة ونقلل من شأن محتوى الآلات الجزيئية الطفيلية. ويُبين مثال الجزيئات الصغيرة كيف يمكننا إغفال الابتكارات الأكثر إبداعًا في البنى الجزيئية الطفيلية التي قد تمنحها نشاطًا بيولوجيًا جديدًا.
تُسهم هذه النتائج مجتمعةً في تحسين فهمنا للاختلافات بين البنى الجزيئية للكائنات الحية المُقيدة بمضيفها ونظيراتها في الكائنات الحية الحرة. ونُبين أن الآلات الجزيئية، التي طالما اعتُقد أنها مُختزلة ومتدهورة وعرضة لطفرات مُنهكة مُختلفة، تمتلك في الواقع مجموعة من السمات البنيوية غير العادية التي تم تجاهلها بشكل منهجي.
من ناحية أخرى، تشير شظايا الحمض النووي الريبوزي غير الضخمة والشظايا المندمجة التي وجدناها في ريبوسومات E. cuniculi إلى أن تقليص 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.
تُعدّ شظايا الحمض النووي الريبوزي (rRNA) الخالية من الانتفاخات والملتحمة في ريبوسومات E. cuniculi ذات أهمية خاصة في ضوء الدراسات السابقة لجزيئات الحمض النووي الريبوزي في البكتيريا التكافلية الداخلية. على سبيل المثال، في بكتيريا Buchnera aphidicola التكافلية الداخلية لحشرة المن، تبيّن أن جزيئات الحمض النووي الريبوزي (rRNA) والحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) لها بنى حساسة لدرجة الحرارة نتيجةً لانحياز تركيب A+T ونسبة عالية من أزواج القواعد غير التقليدية^20،50. يُعتقد الآن أن هذه التغيرات في الحمض النووي الريبوزي، بالإضافة إلى التغيرات في جزيئات البروتين، مسؤولة عن اعتماد الكائنات التكافلية الداخلية المفرط على شركائها وعدم قدرتها على نقل الحرارة^21،23. على الرغم من أن الحمض النووي الريبوزي (rRNA) في الميكروسبوريديا الطفيلية يُظهر تغيرات بنيوية مميزة، إلا أن طبيعة هذه التغيرات تشير إلى أن انخفاض الاستقرار الحراري وزيادة الاعتماد على البروتينات المرافقة قد تكون سمات شائعة لجزيئات الحمض النووي الريبوزي في الكائنات الحية ذات الجينومات المختزلة.
من جهة أخرى، تُظهر هياكلنا أن الطفيليات الميكروسبوريدية قد طورت قدرة فريدة على مقاومة شظايا الحمض النووي الريبوزي (rRNA) والبروتين المحفوظة على نطاق واسع، مما مكنها من استخدام مستقلبات صغيرة وفيرة ومتوفرة بسهولة كبدائل هيكلية لشظايا الحمض النووي الريبوزي (rRNA) والبروتين المتدهورة. يدعم هذا الرأي حقيقة أن الجزيئات الصغيرة التي تعوض فقدان شظايا البروتين في الحمض النووي الريبوزي (rRNA) والريبوسومات في E. cuniculi ترتبط ببقايا خاصة بالميكروسبوريدية في بروتيني uL15 وeL30. يشير هذا إلى أن ارتباط الجزيئات الصغيرة بالريبوسومات قد يكون نتاجًا للانتقاء الإيجابي، حيث تم اختيار طفرات خاصة بالميكروسبوريدية في البروتينات الريبوسومية لقدرتها على زيادة ألفة الريبوسومات للجزيئات الصغيرة، مما قد يؤدي إلى كائنات ريبوسومية أكثر كفاءة. يكشف هذا الاكتشاف عن ابتكار ذكي في البنية الجزيئية للطفيليات الميكروبية، ويمنحنا فهمًا أفضل لكيفية حفاظ البنى الجزيئية للطفيليات على وظائفها على الرغم من التطور الاختزالي.
لا يزال تحديد هذه الجزيئات الصغيرة غير واضح في الوقت الراهن. كما أن سبب اختلاف ظهورها في بنية الريبوسوم بين أنواع الميكروسبوريديا غير واضح. وعلى وجه الخصوص، لا يزال سبب رصد ارتباط النيوكليوتيدات في ريبوسومات E. cuniculi و P. locustae، وعدم رصده في ريبوسومات V. necatrix، على الرغم من وجود بقايا F170 في بروتيني eL20 و K172 في V. necatrix، غير واضح. قد يكون سبب هذا الحذف هو البقايا 43 uL6 (المجاورة لجيب ارتباط النيوكليوتيدات)، والتي هي تيروسين في V. necatrix وليست ثريونين في E. cuniculi و P. locustae. إذ يمكن للسلسلة الجانبية العطرية الضخمة لـ Tyr43 أن تعيق ارتباط النيوكليوتيدات نتيجة للتداخل الفراغي. بدلاً من ذلك، قد يكون حذف النيوكليوتيدات الظاهر ناتجًا عن انخفاض دقة التصوير المجهري الإلكتروني فائق البرودة، مما يعيق نمذجة أجزاء الريبوسوم V. necatrix.
من جهة أخرى، تشير دراستنا إلى أن عملية تحلل الجينوم قد تكون قوة دافعة للابتكار. وعلى وجه الخصوص، يُشير تركيب ريبوسوم E. cuniculi إلى أن فقدان الحمض النووي الريبوزي (rRNA) وشظايا البروتين في ريبوسوم الميكروسبوريديا يُولّد ضغطًا تطوريًا يُحفّز تغييرات في تركيب الريبوسوم. تحدث هذه المتغيرات بعيدًا عن الموقع النشط للريبوسوم، ويبدو أنها تُساعد في الحفاظ على (أو استعادة) التجميع الأمثل للريبوسوم الذي قد يتعطل لولا ذلك بسبب انخفاض مستوى الحمض النووي الريبوزي (rRNA). وهذا يُشير إلى أن ابتكارًا رئيسيًا في ريبوسوم الميكروسبوريديا قد تطور إلى حاجة للتخفيف من تأثير الانحراف الجيني.
لعل أفضل مثال على ذلك هو ارتباط النيوكليوتيدات، الذي لم يُرصد في الكائنات الحية الأخرى حتى الآن. فوجود بقايا ارتباط النيوكليوتيدات في الميكروسبوريديا النموذجية، دون غيرها من حقيقيات النوى، يشير إلى أن مواقع ارتباط النيوكليوتيدات ليست مجرد بقايا تنتظر الزوال، أو الموقع النهائي لاستعادة الحمض النووي الريبوزي (rRNA) إلى شكل النيوكليوتيدات الفردية. بل يبدو هذا الموقع سمةً مفيدةً ربما تطورت عبر عدة جولات من الانتقاء الإيجابي. قد تكون مواقع ارتباط النيوكليوتيدات نتاجًا ثانويًا للانتقاء الطبيعي: فبمجرد تحلل ES39L، تُجبر الميكروسبوريديا على البحث عن تعويض لاستعادة التكوين الحيوي الأمثل للريبوسوم في غياب ES39L. وبما أن هذا النيوكليوتيد يُحاكي التفاعلات الجزيئية للنيوكليوتيد A3186 في ES39L، يصبح جزيء النيوكليوتيد لبنة بناء للريبوسوم، ويتحسن ارتباطه أكثر بفعل طفرة في تسلسل eL30.
فيما يتعلق بالتطور الجزيئي للطفيليات داخل الخلايا، تُظهر دراستنا أن قوى الانتخاب الطبيعي الدارويني والانحراف الوراثي لتدهور الجينوم لا تعمل بالتوازي، بل تتذبذب. أولًا، يُزيل الانحراف الوراثي سماتٍ مهمة من الجزيئات الحيوية، مما يجعل التعويض ضروريًا للغاية. فقط عندما تُلبّي الطفيليات هذه الحاجة من خلال الانتخاب الطبيعي الدارويني، ستتاح لجزيئاتها الكبيرة فرصة تطوير سماتها الأكثر إثارة للإعجاب وابتكارًا. والأهم من ذلك، أن تطور مواقع ارتباط النيوكليوتيدات في ريبوسوم E. cuniculi يُشير إلى أن نمط الخسارة إلى الاكتساب هذا في التطور الجزيئي لا يُخفف من آثار الطفرات الضارة فحسب، بل يُضفي أحيانًا وظائف جديدة تمامًا على الجزيئات الكبيرة الطفيلية.
تتفق هذه الفكرة مع نظرية التوازن المتحرك لسيويل رايت، التي تنص على أن نظامًا صارمًا للانتقاء الطبيعي يحد من قدرة الكائنات الحية على الابتكار^51،52،53. مع ذلك، إذا أدى الانحراف الوراثي إلى تعطيل الانتقاء الطبيعي، فقد تُحدث هذه الانحرافات تغييرات ليست تكيفية في حد ذاتها (أو حتى ضارة)، ولكنها تؤدي إلى تغييرات أخرى تُحسّن اللياقة أو تُنتج نشاطًا بيولوجيًا جديدًا. يدعم إطار عملنا هذه الفكرة من خلال توضيح أن نفس نوع الطفرة التي تُقلل من طي ووظيفة الجزيء الحيوي يبدو أنها المحفز الرئيسي لتحسينه. وتماشيًا مع نموذج التطور الرابح للجميع، تُظهر دراستنا أن تحلل الجينوم، الذي يُنظر إليه تقليديًا على أنه عملية تنكسية، هو أيضًا محرك رئيسي للابتكار، حيث يسمح أحيانًا، وربما غالبًا، للجزيئات الكبيرة باكتساب أنشطة طفيلية جديدة.