Diolch i chi am ymweld â Nature.com. Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig. I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod chi'n defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu'n analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, byddwn yn rendro'r wefan heb arddulliau a JavaScript.
Mae esblygiad parasitiaid microbaidd yn cynnwys gwrthweithio rhwng detholiad naturiol, sy'n achosi i barasitiaid wella, a drifft genetig, sy'n achosi i barasitiaid golli genynnau a chronni mwtaniadau niweidiol. Yma, er mwyn deall sut mae'r gwrthweithio hwn yn digwydd ar raddfa un macromoleciwl, rydym yn disgrifio strwythur cryo-EM ribosom Encephalitozoon cuniculi, organeb ewcariotig gydag un o'r genom lleiaf mewn natur. Mae'r gostyngiad eithafol mewn rRNA mewn ribosomau E. cuniculi yn cyd-fynd â newidiadau strwythurol digynsail, megis esblygiad cysylltwyr rRNA wedi'u hasio a rRNA heb fwlchiadau o'r blaen. Yn ogystal, goroesodd ribosom E. cuniculi golled darnau a phroteinau rRNA trwy ddatblygu'r gallu i ddefnyddio moleciwlau bach fel dynwaredwyr strwythurol o ddarnau a phroteinau rRNA wedi'u diraddio. At ei gilydd, rydym yn dangos bod gan strwythurau moleciwlaidd y credwyd ers amser maith eu bod wedi'u lleihau, wedi dirywio, ac yn destun mwtaniadau llethol nifer o fecanweithiau digolledu sy'n eu cadw'n weithredol er gwaethaf crebachiadau moleciwlaidd eithafol.
Gan fod gan y rhan fwyaf o grwpiau o barasitiaid microbaidd offer moleciwlaidd unigryw i fanteisio ar eu gwesteiwyr, yn aml mae'n rhaid i ni ddatblygu gwahanol therapïau ar gyfer gwahanol grwpiau o barasitiaid1,2. Fodd bynnag, mae tystiolaeth newydd yn awgrymu bod rhai agweddau ar esblygiad parasitiaid yn gydgyfeiriol ac yn rhagweladwy i raddau helaeth, gan nodi sail bosibl ar gyfer ymyriadau therapiwtig eang mewn parasitiaid microbaidd3,4,5,6,7,8,9.
Mae gwaith blaenorol wedi nodi tuedd esblygiadol gyffredin mewn parasitiaid microbaidd o'r enw lleihau genom neu bydredd genom10,11,12,13. Mae ymchwil gyfredol yn dangos pan fydd micro-organebau'n rhoi'r gorau i'w ffordd o fyw byw'n rhydd ac yn dod yn barasitiaid mewngellol (neu endosymbiontau), mae eu genom yn mynd trwy fetamorffosisau araf ond anhygoel dros filiynau o flynyddoedd9,11. Mewn proses a elwir yn bydredd genom, mae parasitiaid microbaidd yn cronni mwtaniadau niweidiol sy'n troi llawer o enynnau a oedd yn bwysig o'r blaen yn ffug-genynnau, gan arwain at golli genynnau'n raddol a chwymp mwtaniadol14,15. Gall y cwymp hwn ddinistrio hyd at 95% o'r genynnau yn yr organebau mewngellol hynaf o'i gymharu â rhywogaethau byw'n rhydd sy'n perthyn yn agos. Felly, mae esblygiad parasitiaid mewngellol yn frwydr tynnu rhyfel rhwng dau rym gwrthwynebol: detholiad naturiol Darwinaidd, sy'n arwain at wella parasitiaid, a chwymp y genom, gan daflu parasitiaid i ebargofiant. Mae sut y llwyddodd y parasit i ddod allan o'r frwydr tynnu rhyfel hon a chadw gweithgaredd ei strwythur moleciwlaidd yn parhau i fod yn aneglur.
Er nad yw mecanwaith pydredd y genom wedi'i ddeall yn llawn, ymddengys ei fod yn digwydd yn bennaf oherwydd drifft genetig mynych. Gan fod parasitiaid yn byw mewn poblogaethau bach, anrhywiol, ac sydd wedi'u cyfyngu'n enetig, ni allant ddileu mwtaniadau niweidiol yn effeithiol sydd weithiau'n digwydd yn ystod atgynhyrchu DNA. Mae hyn yn arwain at gronni mwtaniadau niweidiol yn anghildroadwy a lleihau genom y parasit. O ganlyniad, nid yn unig y mae'r parasit yn colli genynnau nad ydynt bellach yn angenrheidiol ar gyfer ei oroesiad yn yr amgylchedd mewngellol. Anallu poblogaethau parasitiaid i ddileu mwtaniadau niweidiol ysbeidiol yn effeithiol sy'n achosi i'r mwtaniadau hyn gronni ledled y genom, gan gynnwys eu genynnau pwysicaf.
Mae llawer o'n dealltwriaeth gyfredol o leihau genom yn seiliedig yn unig ar gymhariaethau o ddilyniannau genom, gyda llai o sylw i newidiadau mewn moleciwlau gwirioneddol sy'n cyflawni swyddogaethau cadw tŷ ac yn gwasanaethu fel targedau cyffuriau posibl. Mae astudiaethau cymharol wedi dangos bod baich mwtaniadau microbaidd mewngellol niweidiol yn ymddangos yn rhagdueddu proteinau ac asidau niwclëig i gamblygu ac agregu, gan eu gwneud yn fwy dibynnol ar chaperones ac yn or-sensitif i wres19,20,21,22,23. Yn ogystal, profodd parasitiaid amrywiol—esblygiad annibynnol weithiau wedi'i wahanu gan gymaint â 2.5 biliwn o flynyddoedd—golled debyg o ganolfannau rheoli ansawdd yn eu synthesis protein5,6 a mecanweithiau atgyweirio DNA24. Fodd bynnag, ychydig a wyddys am effaith ffordd o fyw mewngellol ar holl briodweddau eraill macromoleciwlau cellog, gan gynnwys addasiad moleciwlaidd i faich cynyddol mwtaniadau niweidiol.
Yn y gwaith hwn, er mwyn deall esblygiad proteinau ac asidau niwclëig micro-organebau mewngellol yn well, fe wnaethom bennu strwythur ribosomau'r parasit mewngellol Encephalitozoon cuniculi. Mae E. cuniculi yn organeb debyg i ffwng sy'n perthyn i grŵp o ficrosporidia parasitig sydd â genom ewcariotig anarferol o fach ac felly fe'u defnyddir fel organebau model i astudio pydredd genom25,26,27,28,29,30. Yn ddiweddar, penderfynwyd strwythur ribosom cryo-EM ar gyfer genom Microsporidia, Paranosema locustae, a Vairimorpha necatrix31,32 (~3.2 Mb o genom) wedi'u lleihau'n gymedrol. Mae'r strwythurau hyn yn awgrymu bod rhywfaint o golled o ymhelaethiad rRNA yn cael ei gwneud iawn am ddatblygu cysylltiadau newydd rhwng proteinau ribosom cyfagos neu gaffael proteinau ribosom msL131,32 newydd. Mae Encephalitosoon rhywogaethau (genom ~2.5 miliwn bp), ynghyd â'u perthynas agosaf Ordospora, yn dangos y radd eithaf o leihau genom mewn ewcaryotau – mae ganddynt lai na 2000 o enynnau sy'n codio protein, a disgwylir nad yn unig bod eu ribosomau yn rhydd o ddarnau ehangu rRNA (darnau rRNA sy'n gwahaniaethu ribosomau ewcariotig oddi wrth ribosomau bacteriol) ond hefyd bod ganddynt bedwar protein ribosom oherwydd eu diffyg homologau yng ngenom E. cuniculi26,27,28. Felly, daethom i'r casgliad y gall ribosom E. cuniculi ddatgelu strategaethau anhysbys o'r blaen ar gyfer addasu moleciwlaidd i bydredd genom.
Mae ein strwythur cryo-EM yn cynrychioli'r ribosom cytoplasmig ewcariotig lleiaf i'w nodweddu ac yn rhoi cipolwg ar sut mae'r radd eithaf o leihau'r genom yn effeithio ar strwythur, cydosodiad ac esblygiad y peirianwaith moleciwlaidd sy'n rhan annatod o'r gell. Fe wnaethon ni ganfod bod ribosom E. cuniculi yn torri llawer o egwyddorion plygu RNA a chydosod ribosom sydd wedi'u cadw'n eang, a darganfod protein ribosom newydd, nad oedd yn hysbys o'r blaen. Yn hollol annisgwyl, rydym yn dangos bod ribosomau microsporidia wedi esblygu'r gallu i rwymo moleciwlau bach, ac yn rhagdybio bod cwtogi mewn rRNA a phroteinau yn sbarduno arloesiadau esblygiadol a all yn y pen draw roi rhinweddau defnyddiol i'r ribosom.
Er mwyn gwella ein dealltwriaeth o esblygiad proteinau ac asidau niwclëig mewn organebau mewngellol, penderfynon ni ynysu sborau E. cuniculi o ddiwylliannau celloedd mamalaidd heintiedig er mwyn puro eu ribosomau a phennu strwythur y ribosomau hyn. Mae'n anodd cael nifer fawr o ficrosporidia parasitig oherwydd na ellir meithrin microsporidia mewn cyfrwng maetholion. Yn lle hynny, maent yn tyfu ac yn atgenhedlu y tu mewn i'r gell letyol yn unig. Felly, er mwyn cael biomas E. cuniculi ar gyfer puro ribosomau, fe wnaethon ni heintio'r llinell gelloedd aren famalaidd RK13 â sborau E. cuniculi a meithrin y celloedd heintiedig hyn am sawl wythnos i ganiatáu i E. cuniculi dyfu a lluosi. Gan ddefnyddio monohaen celloedd heintiedig o tua hanner metr sgwâr, roedden ni'n gallu puro tua 300 mg o sborau Microsporidia a'u defnyddio i ynysu ribosomau. Yna fe wnaethon ni dorri'r sborau wedi'u puro gyda gleiniau gwydr ac ynysu'r ribosomau crai gan ddefnyddio ffracsiynu polyethylen glycol cam wrth gam o'r lysadau. Caniataodd hyn inni gael tua 300 µg o ribosomau E. cuniculi crai ar gyfer dadansoddiad strwythurol.
Yna fe gasglon ni ddelweddau cryo-EM gan ddefnyddio'r samplau ribosom canlyniadol a phrosesu'r delweddau hyn gan ddefnyddio masgiau sy'n cyfateb i'r is-uned ribosom fawr, pen yr is-uned fach, a'r is-uned fach. Yn ystod y broses hon, fe gasglon ni ddelweddau o tua 108,000 o ronynnau ribosom a chyfrifo delweddau cryo-EM gyda datrysiad o 2.7 Å (Ffigurau Atodol 1-3). Yna fe ddefnyddion ni ddelweddau cryoEM i fodelu rRNA, protein ribosom, a ffactor gaeafgysgu Mdf1 sy'n gysylltiedig â ribosomau E. cuniculi (Ffig. 1a, b).
a Strwythur ribosom E. cuniculi mewn cymhleth â'r ffactor gaeafgysgu Mdf1 (pdb id 7QEP). b Map o'r ffactor gaeafgysgu Mdf1 sy'n gysylltiedig â ribosom E. cuniculi. c Map strwythur eilaidd sy'n cymharu rRNA wedi'i adfer mewn rhywogaethau Microsporidian â strwythurau ribosom hysbys. Mae'r paneli'n dangos lleoliad y darnau rRNA wedi'u mwyhau (ES) a safleoedd gweithredol y ribosom, gan gynnwys y safle datgodio (DC), y ddolen sarcinicin (SRL), a'r ganolfan peptidyl transferase (PTC). d Mae'r dwysedd electronau sy'n cyfateb i ganolfan peptidyl transferase ribosom E. cuniculi yn awgrymu bod gan y safle catalytig hwn yr un strwythur yn y parasit E. cuniculi a'i westeion, gan gynnwys H. sapiens. e, f Mae dwysedd electronau cyfatebol y ganolfan ddatgodio (e) a strwythur sgematig y ganolfan ddatgodio (f) yn dangos bod gan E. cuniculi weddillion U1491 yn lle A1491 (rhifo E. coli) mewn llawer o ewcariotau eraill. Mae'r newid hwn yn awgrymu y gallai E. cuniculi fod yn sensitif i wrthfiotigau sy'n targedu'r safle gweithredol hwn.
Mewn cyferbyniad â strwythurau a sefydlwyd yn flaenorol ar gyfer ribosomau V. necatrix a P. locustae (mae'r ddau strwythur yn cynrychioli'r un teulu microsporidia Nosematidae ac yn debyg iawn i'w gilydd), mae ribosomau 31,32 E. cuniculi yn mynd trwy nifer o brosesau o ddarnio rRNA a phrotein. Dadnatureiddio pellach (Ffigurau Atodol 4-6). Yn rRNA, roedd y newidiadau mwyaf trawiadol yn cynnwys colli'r darn rRNA 25S wedi'i fwyhau ES12L yn llwyr a dirywiad rhannol helices h39, h41, a H18 (Ffig. 1c, Ffig. Atodol 4). Ymhlith proteinau ribosom, roedd y newidiadau mwyaf trawiadol yn cynnwys colli'r protein eS30 yn llwyr a byrhau'r proteinau eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17, ac eS7 (Ffigurau Atodol 4, 5).
Felly, mae'r gostyngiad eithafol yng ngenom rhywogaethau Encephalotozoon/Ordospora yn cael ei adlewyrchu yn strwythur eu ribosom: mae ribosomau E. cuniculi yn profi'r golled fwyaf dramatig o gynnwys protein mewn ribosomau cytoplasmig ewcariotig sy'n amodol ar nodweddu strwythurol, ac nid oes ganddynt hyd yn oed y darnau rRNA a phrotein hynny sydd wedi'u cadw'n eang nid yn unig mewn ewcariotau, ond hefyd yn nhri pharth bywyd. Mae strwythur ribosom E. cuniculi yn darparu'r model moleciwlaidd cyntaf ar gyfer y newidiadau hyn ac yn datgelu digwyddiadau esblygiadol sydd wedi'u hanwybyddu gan genomeg gymharol ac astudiaethau o strwythur biofoleciwlaidd mewngellol (Ffig. Atodol 7). Isod, rydym yn disgrifio pob un o'r digwyddiadau hyn ynghyd â'u tarddiad esblygiadol tebygol a'u heffaith bosibl ar swyddogaeth ribosom.
Yna gwelsom, yn ogystal â thoriadau mawr o rRNA, fod gan ribosomau E. cuniculi amrywiadau rRNA yn un o'u safleoedd gweithredol. Er bod gan ganolfan peptidyl transferase ribosom E. cuniculi yr un strwythur â ribosomau ewcariotig eraill (Ffig. 1d), mae'r ganolfan ddatgodio yn wahanol oherwydd amrywiad dilyniant ar niwcleotid 1491 (rhifo E. coli, Ffig. 1e, f). Mae'r arsylwad hon yn bwysig oherwydd bod safle datgodio ribosomau ewcariotig fel arfer yn cynnwys gweddillion G1408 ac A1491 o'i gymharu â gweddillion math bacteriol A1408 a G1491. Mae'r amrywiad hwn yn sail i sensitifrwydd gwahanol ribosomau bacteriol ac ewcariotig i'r teulu aminoglycosid o wrthfiotigau ribosomol a moleciwlau bach eraill sy'n targedu'r safle datgodio. Yn safle datgodio ribosom E. cuniculi, disodlwyd gweddillion A1491 ag U1491, gan greu rhyngwyneb rhwymo unigryw o bosibl ar gyfer moleciwlau bach sy'n targedu'r safle gweithredol hwn. Mae'r un amrywiad A14901 hefyd yn bresennol mewn microsporidia eraill fel P. locustae a V. necatrix, sy'n awgrymu ei fod yn gyffredin ymhlith rhywogaethau microsporidia (Ffig. 1f).
Gan fod ein samplau ribosom E. cuniculi wedi'u hynysu o sborau anactif yn fetabolig, fe wnaethom brofi map cryo-EM E. cuniculi am rwymo ribosom a ddisgrifiwyd yn flaenorol o dan amodau straen neu newyn. Ffactorau gaeafgysgu 31,32,36,37, 38. Fe wnaethom baru strwythur y ribosom gaeafgysgu a sefydlwyd yn flaenorol â map cryo-EM ribosom E. cuniculi. Ar gyfer docio, defnyddiwyd ribosomau S. cerevisiae mewn cymhleth gyda'r ffactor gaeafgysgu Stm138, ribosomau locust mewn cymhleth gyda'r ffactor Lso232, a ribosomau V. necatrix mewn cymhleth gyda ffactorau Mdf1 a Mdf231. Ar yr un pryd, fe wnaethom ganfod bod y dwysedd cryo-EM yn cyfateb i'r ffactor gorffwys Mdf1. Yn debyg i rwymo Mdf1 i ribosom V. necatrix, mae Mdf1 hefyd yn rhwymo i ribosom E. cuniculi, lle mae'n blocio safle E y ribosom, gan helpu o bosibl i wneud ribosomau ar gael pan fydd sborau parasitiaid yn dod yn anactif yn fetabolig ar ôl anactifadu'r corff (Ffigur 2).
Mae Mdf1 yn blocio safle E y ribosom, sy'n ymddangos yn helpu i ddadactifadu'r ribosom pan fydd sborau parasit yn dod yn anactif yn fetabolig. Yn strwythur ribosom E. cuniculi, gwelsom fod Mdf1 yn ffurfio cyswllt anhysbys o'r blaen â choesyn ribosom L1, y rhan o'r ribosom sy'n hwyluso rhyddhau tRNA dadasetyleiddiedig o'r ribosom yn ystod synthesis protein. Mae'r cysylltiadau hyn yn awgrymu bod Mdf1 yn daduno o'r ribosom gan ddefnyddio'r un mecanwaith â tRNA dadasetyleiddiedig, gan ddarparu esboniad posibl am sut mae'r ribosom yn tynnu Mdf1 i ailactifadu synthesis protein.
Fodd bynnag, datgelodd ein strwythur gyswllt anhysbys rhwng Mdf1 a choes ribosom L1 (y rhan o'r ribosom sy'n helpu i ryddhau tRNA dadasetyleiddiedig o'r ribosom yn ystod synthesis protein). Yn benodol, mae Mdf1 yn defnyddio'r un cysylltiadau â segment penelin y moleciwl tRNA dadasetyleiddiedig (Ffig. 2). Dangosodd y modelu moleciwlaidd hwn, a oedd yn anhysbys o'r blaen, fod Mdf1 yn daduno o'r ribosom gan ddefnyddio'r un mecanwaith â tRNA dadasetyleiddiedig, sy'n egluro sut mae'r ribosom yn tynnu'r ffactor gaeafgysgu hwn i ail-actifadu synthesis protein.
Wrth lunio'r model rRNA, gwelsom fod gan ribosom E. cuniculi ddarnau rRNA wedi'u plygu'n annormal, a alwom yn rRNA wedi'i asio (Ffig. 3). Mewn ribosomau sy'n cwmpasu tair parth bywyd, mae rRNA yn plygu i mewn i strwythurau lle mae'r rhan fwyaf o fasau rRNA naill ai'n paru basau ac yn plygu gyda'i gilydd neu'n rhyngweithio â phroteinau ribosomaidd38,39,40. Fodd bynnag, mewn ribosomau E. cuniculi, mae'n ymddangos bod rRNAau yn torri'r egwyddor blygu hon trwy drosi rhai o'u helices yn rhanbarthau rRNA heb eu plygu.
Strwythur yr helics rRNA H18 25S yn S. cerevisiae, V. necatrix, ac E. cuniculi. Yn nodweddiadol, mewn ribosomau sy'n rhychwantu'r tair parth bywyd, mae'r cysylltydd hwn yn troi'n helics RNA sy'n cynnwys 24 i 34 o weddillion. Mewn Microsporidia, i'r gwrthwyneb, mae'r cysylltydd rRNA hwn yn cael ei leihau'n raddol i ddau gysylltydd unllinyn sy'n gyfoethog mewn wridin sy'n cynnwys dim ond 12 gweddillion. Mae'r rhan fwyaf o'r gweddillion hyn yn agored i doddyddion. Mae'r ffigur yn dangos bod microsporidia parasitig yn ymddangos yn torri egwyddorion cyffredinol plygu rRNA, lle mae basau rRNA fel arfer yn cael eu cyplysu â basau eraill neu'n ymwneud â rhyngweithiadau rRNA-protein. Mewn microsporidia, mae rhai darnau rRNA yn cymryd plyg anffafriol, lle mae'r helics rRNA blaenorol yn dod yn ddarn unllinyn wedi'i ymestyn bron mewn llinell syth. Mae presenoldeb y rhanbarthau anarferol hyn yn caniatáu i rRNA microsporidia rwymo darnau rRNA pell gan ddefnyddio nifer fach iawn o fasau RNA.
Gellir gweld yr enghraifft fwyaf trawiadol o'r trawsnewidiad esblygiadol hwn yn yr helics rRNA H18 25S (Ffig. 3). Mewn rhywogaethau o E. coli i fodau dynol, mae basau'r helics rRNA hwn yn cynnwys 24-32 niwcleotid, gan ffurfio helics ychydig yn afreolaidd. Mewn strwythurau ribosomal a nodwyd yn flaenorol o V. necatrix a P. locustae,31,32 mae basau'r helics H18 wedi'u dad-goilio'n rhannol, ond mae paru basau niwcleotid wedi'i gadw. Fodd bynnag, yn E. cuniculi mae'r darn rRNA hwn yn dod yn gysylltwyr byrraf 228UUUUGU232 a 301UUUUUUUUUU307. Yn wahanol i ddarnau rRNA nodweddiadol, nid yw'r cysylltwyr cyfoethog mewn wridin hyn yn coilio nac yn gwneud cysylltiad helaeth â phroteinau ribosomal. Yn lle hynny, maent yn mabwysiadu strwythurau agored o ran doddydd ac wedi'u plygu'n llawn lle mae'r llinynnau rRNA wedi'u hymestyn bron yn syth. Mae'r cyfluniad estynedig hwn yn esbonio sut mae E. cuniculi yn defnyddio dim ond 12 sylfaen RNA i lenwi'r bwlch 33 Å rhwng yr helices rRNA H16 a H18, tra bod angen o leiaf ddwywaith cymaint o sylfaeni rRNA ar rywogaethau eraill i lenwi'r bwlch.
Felly, gallwn ddangos, trwy blygu anffafriol yn egnïol, bod microsporidia parasitig wedi datblygu strategaeth i gyfangu hyd yn oed y segmentau rRNA hynny sy'n parhau i fod wedi'u cadw'n fras ar draws rhywogaethau yn nhri pharth bywyd. Yn ôl pob golwg, trwy gronni mwtaniadau sy'n trawsnewid helices rRNA yn gysylltwyr poly-U byr, gall E. cuniculi ffurfio darnau rRNA anarferol sy'n cynnwys cyn lleied o niwcleotidau â phosibl ar gyfer clymu darnau rRNA distal. Mae hyn yn helpu i esbonio sut y cyflawnodd microsporidia ostyngiad dramatig yn eu strwythur moleciwlaidd sylfaenol heb golli eu cyfanrwydd strwythurol a swyddogaethol.
Nodwedd anarferol arall o rRNA E. cuniculi yw ymddangosiad rRNA heb dewychiadau (Ffig. 4). Mae chwyddiadau yn niwcleotidau heb barau sylfaen sy'n troelli allan o'r helics RNA yn lle cuddio ynddo. Mae'r rhan fwyaf o allwthiadau rRNA yn gweithredu fel gludyddion moleciwlaidd, gan helpu i rwymo proteinau ribosom cyfagos neu ddarnau eraill o rRNA. Mae rhai o'r chwyddiadau'n gweithredu fel colfachau, gan ganiatáu i'r helics rRNA blygu a phlygu'n optimaidd ar gyfer synthesis protein cynhyrchiol 41.
a Mae allwthiad rRNA (rhifo S. cerevisiae) yn absennol o strwythur ribosom E. cuniculi, ond yn bresennol yn y rhan fwyaf o ewcaryotau eraill b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens, ac E. cuniculi ribosomau mewnol. Mae parasitiaid yn brin o lawer o'r chwyddiadau rRNA hynafol, sydd wedi'u cadw'n fawr. Mae'r tewychiadau hyn yn sefydlogi strwythur y ribosom; felly, mae eu habsenoldeb mewn microsporidia yn dynodi sefydlogrwydd is o ran plygu rRNA mewn parasitiaid microsporidia. Mae cymhariaeth â choesynnau P (coesynnau L7/L12 mewn bacteria) yn dangos bod colli lympiau rRNA weithiau'n cyd-daro ag ymddangosiad lympiau newydd wrth ymyl y lympiau coll. Mae gan yr helics H42 yn yr rRNA 23S/28S chwydd hynafol (U1206 yn Saccharomyces cerevisiae) a amcangyfrifir i fod o leiaf 3.5 biliwn o flynyddoedd oed oherwydd ei amddiffyniad mewn tri pharth bywyd. Mewn microsporidia, mae'r chwydd hwn wedi'i ddileu. Fodd bynnag, ymddangosodd chwydd newydd wrth ymyl y chwydd coll (A1306 yn E. cuniculi).
Yn drawiadol, gwelsom fod ribosomau E. cuniculi yn brin o'r rhan fwyaf o'r chwyddiadau rRNA a geir mewn rhywogaethau eraill, gan gynnwys mwy na 30 o chwyddiadau sydd wedi'u cadw mewn ewcariotau eraill (Ffig. 4a). Mae'r golled hon yn dileu llawer o gysylltiadau rhwng is-unedau ribosomaidd a helices rRNA cyfagos, gan greu bylchau gwag mawr weithiau o fewn y ribosom, gan wneud ribosom E. cuniculi yn fwy mandyllog o'i gymharu â ribosomau mwy traddodiadol (Ffig. 4b). Yn nodedig, gwelsom fod y rhan fwyaf o'r chwyddiadau hyn hefyd wedi'u colli yn strwythurau ribosom V. necatrix a P. locustae a nodwyd yn flaenorol, a gafodd eu hanwybyddu gan ddadansoddiadau strwythurol blaenorol31,32.
Weithiau mae colli chwyddiadau rRNA yn cyd-fynd â datblygiad chwyddiadau newydd wrth ymyl y chwyddiad coll. Er enghraifft, mae coesyn P ribosomaidd yn cynnwys chwyddiad U1208 (yn Saccharomyces cerevisiae) a oroesodd o E. coli i fodau dynol ac felly amcangyfrifir ei fod yn 3.5 biliwn o flynyddoedd oed. Yn ystod synthesis protein, mae'r chwyddiad hwn yn helpu coesyn P i symud rhwng cyfluniadau agored a chaeedig fel y gall y ribosom recriwtio ffactorau cyfieithu a'u cyflwyno i'r safle gweithredol. Mewn ribosomau E. cuniculi, mae'r tewychu hwn yn absennol; fodd bynnag, gall tewychu newydd (G883) sydd wedi'i leoli mewn tair pâr sylfaen yn unig gyfrannu at adfer hyblygrwydd gorau posibl coesyn P (Ffig. 4c).
Mae ein data ar rRNA heb fwlchiadau yn awgrymu nad yw lleihau rRNA yn gyfyngedig i golli elfennau rRNA ar wyneb y ribosom, ond gall hefyd gynnwys niwclews y ribosom, gan greu diffyg moleciwlaidd penodol i barasitiaid nad yw wedi'i ddisgrifio mewn celloedd byw rhydd. Mae rhywogaethau byw yn cael eu harsylwi.
Ar ôl modelu proteinau ribosomaidd canonaidd ac rRNA, gwelsom nad yw cydrannau ribosomaidd confensiynol yn gallu esbonio tair rhan y ddelwedd cryo-EM. Mae dau o'r darnau hyn yn foleciwlau bach o ran maint (Ffig. 5, Ffig. Atodol 8). Mae'r segment cyntaf wedi'i osod rhwng y proteinau ribosomaidd uL15 ac eL18 mewn safle sydd fel arfer yn cael ei feddiannu gan derfynfa-C eL18, sydd wedi'i fyrhau yn E. cuniculi. Er na allwn bennu hunaniaeth y moleciwl hwn, mae maint a siâp yr ynys ddwysedd hon wedi'i egluro'n dda gan bresenoldeb moleciwlau spermidine. Mae ei rwymo i'r ribosom yn cael ei sefydlogi gan dreigladau penodol i ficrosporidia yn y proteinau uL15 (Asp51 ac Arg56), sy'n ymddangos yn cynyddu affinedd y ribosomaidd ar gyfer y moleciwl bach hwn, gan eu bod yn caniatáu i uL15 lapio'r moleciwl bach i mewn i strwythur ribosomaidd. Ffigur Atodol 2). 8, data ychwanegol 1, 2).
Delweddu cryo-EM yn dangos presenoldeb niwcleotidau y tu allan i'r ribos sydd wedi'i rwymo i ribosom E. cuniculi. Yn ribosom E. cuniculi, mae'r niwcleotid hwn yn meddiannu'r un lle â'r niwcleotid 25S rRNA A3186 (rhifo Saccharomyces cerevisiae) yn y rhan fwyaf o ribosomau ewcariotig eraill. b Yn strwythur ribosom E. cuniculi, mae'r niwcleotid hwn wedi'i leoli rhwng y proteinau ribosom uL9 ac eL20, gan sefydlogi'r cyswllt rhwng y ddau brotein. cd dadansoddiad cadwraeth dilyniant eL20 ymhlith rhywogaethau microsporidia. Mae coeden ffylogenetig rhywogaethau Microsporidia (c) ac aliniad dilyniant lluosog y protein eL20 (d) yn dangos bod gweddillion rhwymo niwcleotid F170 a K172 wedi'u cadw yn y rhan fwyaf o Microsporidia nodweddiadol, ac eithrio S. lophii, ac eithrio Microsporidia canghennog cynnar, a gadwodd estyniad rRNA ES39L. e Mae'r ffigur hwn yn dangos mai dim ond yn eL20 o genom microsporidia sydd wedi'i leihau'n fawr y mae gweddillion rhwymo niwcleotid F170 a K172 yn bresennol, ond nid mewn ewcaryotau eraill. At ei gilydd, mae'r data hyn yn awgrymu bod ribosomau Microsporidian wedi datblygu safle rhwymo niwcleotid sy'n ymddangos yn rhwymo moleciwlau AMP ac yn eu defnyddio i sefydlogi rhyngweithiadau protein-protein yn strwythur y ribosom. Mae cadwraeth uchel y safle rhwymo hwn mewn Microsporidia a'i absenoldeb mewn ewcaryotau eraill yn awgrymu y gallai'r safle hwn ddarparu mantais goroesi ddetholus i Microsporidia. Felly, nid yw'n ymddangos bod y poced rhwymo niwcleotid yn ribosom microsporidia yn nodwedd ddirywiedig nac yn ffurf derfynol o ddiraddio rRNA fel y disgrifiwyd yn flaenorol, ond yn hytrach yn arloesedd esblygiadol defnyddiol sy'n caniatáu i ribosom microsporidia rwymo moleciwlau bach yn uniongyrchol, gan eu defnyddio fel blociau adeiladu moleciwlaidd. blociau adeiladu ar gyfer ribosomau. Mae'r darganfyddiad hwn yn golygu mai ribosom microsporidia yw'r unig ribosom y gwyddys ei fod yn defnyddio un niwcleotid fel ei floc adeiladu strwythurol. f Llwybr esblygiadol damcaniaethol yn deillio o rwymo niwcleotid.
Mae'r ail ddwysedd pwysau moleciwlaidd isel wedi'i leoli ar y rhyngwyneb rhwng proteinau ribosomaidd uL9 ac eL30 (Ffig. 5a). Disgrifiwyd y rhyngwyneb hwn yn flaenorol yn strwythur ribosom Saccharomyces cerevisiae fel safle rhwymo ar gyfer niwcleotid 25S rRNA A3186 (rhan o estyniad rRNA ES39L)38. Dangoswyd, mewn ribosomau P. locustae ES39L dirywiedig, fod y rhyngwyneb hwn yn rhwymo niwcleotid sengl anhysbys 31, a thybir bod y niwcleotid hwn yn ffurf derfynol ostyngedig o rRNA, lle mae hyd yr rRNA yn ~130-230 bas. Mae ES39L wedi'i leihau i niwcleotid sengl 32.43. Mae ein delweddau cryo-EM yn cefnogi'r syniad y gellir esbonio dwysedd gan niwcleotidau. Fodd bynnag, dangosodd y datrysiad uwch o'n strwythur fod y niwcleotid hwn yn foleciwl allribosomaidd, o bosibl AMP (Ffig. 5a, b).
Yna gofynnwyd a oedd y safle rhwymo niwcleotid yn ymddangos yn ribosom E. cuniculi neu a oedd yn bodoli o'r blaen. Gan fod rhwymo niwcleotid yn cael ei gyfryngu'n bennaf gan weddillion Phe170 a Lys172 yn y protein ribosom eL30, fe wnaethom asesu cadwraeth y gweddillion hyn mewn 4396 o ewcaryotau cynrychioliadol. Fel yn achos uL15 uchod, gwelsom fod gweddillion Phe170 a Lys172 wedi'u cadw'n fawr mewn Microsporidia nodweddiadol yn unig, ond yn absennol mewn ewcariotau eraill, gan gynnwys Microsporidia annodweddiadol Mitosporidium ac Amphiamblys, lle nad yw'r darn rRNA ES39L wedi'i leihau 44, 45, 46 (Ffig. 5c). -e).
Gyda'i gilydd, mae'r data hyn yn cefnogi'r syniad bod E. cuniculi ac o bosibl microsporidia canonaidd eraill wedi esblygu'r gallu i ddal nifer fawr o fetabolion bach yn effeithlon yn strwythur y ribosom i wneud iawn am y dirywiad mewn lefelau rRNA a phrotein. Wrth wneud hynny, maent wedi datblygu gallu unigryw i rwymo niwcleotidau y tu allan i'r ribosom, gan ddangos bod strwythurau moleciwlaidd parasitig yn gwneud iawn trwy ddal metabolion bach toreithiog a'u defnyddio fel dynwaredwyr strwythurol o ddarnau RNA a phrotein wedi'u diraddio.
Y drydedd ran heb ei efelychu o'n map cryo-EM, a geir yn yr is-uned ribosom fawr. Mae cydraniad cymharol uchel (2.6 Å) ein map yn awgrymu bod y dwysedd hwn yn perthyn i broteinau â chyfuniadau unigryw o weddillion cadwyn ochr mawr, a ganiataodd inni adnabod y dwysedd hwn fel protein ribosom anhysbys o'r blaen a nodwyd gennym fel Fe'i gelwir yn msL2 (protein penodol i Microsporidia L2) (dulliau, ffigur 6). Dangosodd ein chwiliad homologi fod msL2 wedi'i gadw yng nghlad Microsporidia o'r genws Encephaliter ac Orosporidium, ond yn absennol mewn rhywogaethau eraill, gan gynnwys Microsporidia eraill. Yn y strwythur ribosom, mae msL2 yn meddiannu bwlch a ffurfiwyd gan golli'r rRNA ES31L estynedig. Yn y gwagle hwn, mae msL2 yn helpu i sefydlogi plygu rRNA a gall wneud iawn am golli ES31L (Ffigur 6).
a Dwysedd electronau a model o'r protein ribosomal penodol i Microsporidia msL2 a geir mewn ribosomau E. cuniculi. b Mae gan y rhan fwyaf o ribosomau ewcariotig, gan gynnwys ribosom 80S Saccharomyces cerevisiae, fwyhadur rRNA ES19L ar goll yn y rhan fwyaf o rywogaethau Microsporidian. Mae strwythur a sefydlwyd yn flaenorol ar gyfer ribosom microsporidia V. necatrix yn awgrymu bod colli ES19L yn y parasitiaid hyn yn cael ei ddigolledu gan esblygiad y protein ribosomal newydd msL1. Yn yr astudiaeth hon, gwelsom fod ribosom E. cuniculi hefyd wedi datblygu protein dynwared RNA ribosomal ychwanegol fel iawndal ymddangosiadol am golli ES19L. Fodd bynnag, mae gan msL2 (a nodir ar hyn o bryd fel y protein ECU06_1135 damcaniaethol) a msL1 darddiadau strwythurol ac esblygiadol gwahanol. c Mae'r darganfyddiad hwn o gynhyrchu proteinau ribosomaidd msL1 ac msL2 sydd heb gysylltiad esblygiadol yn awgrymu, os yw ribosomau'n cronni mwtaniadau niweidiol yn eu rRNA, y gallant gyflawni lefelau digynsail o amrywiaeth gyfansoddiadol hyd yn oed mewn is-set fach o rywogaethau sy'n perthyn yn agos. Gallai'r darganfyddiad hwn helpu i egluro tarddiad ac esblygiad y ribosom mitocondriaidd, sy'n adnabyddus am ei rRNA sydd wedi'i leihau'n fawr a'i amrywioldeb annormal yng nghyfansoddiad protein ar draws rhywogaethau.
Yna fe wnaethom gymharu'r protein msL2 â'r protein msL1 a ddisgrifiwyd yn flaenorol, yr unig brotein ribosom penodol i ficrosporidia a geir yn y ribosom V. necatrix. Roeddem am brofi a yw msL1 a msL2 yn gysylltiedig yn esblygiadol. Dangosodd ein dadansoddiad fod msL1 a msL2 yn meddiannu'r un ceudod yn y strwythur ribosom, ond bod ganddynt strwythurau cynradd a thrydyddol gwahanol, sy'n dynodi eu tarddiad esblygiadol annibynnol (Ffig. 6). Felly, mae ein darganfyddiad o msL2 yn darparu tystiolaeth y gall grwpiau o rywogaethau ewcariotig cryno esblygu proteinau ribosom sy'n wahanol yn strwythurol yn annibynnol i wneud iawn am golli darnau rRNA. Mae'r canfyddiad hwn yn nodedig gan fod y rhan fwyaf o ribosomau ewcariotig cytoplasmig yn cynnwys protein sefydlog, gan gynnwys yr un teulu o 81 o broteinau ribosom. Mae ymddangosiad msL1 a msL2 mewn gwahanol glades o ficrosporidia mewn ymateb i golli segmentau rRNA estynedig yn awgrymu bod dirywiad pensaernïaeth foleciwlaidd y parasit yn achosi i barasitiaid geisio mwtaniadau digolledu, a all yn y pen draw arwain at eu caffael mewn gwahanol boblogaethau o barasitiaid. strwythurau.
Yn olaf, pan gwblhawyd ein model, fe wnaethom gymharu cyfansoddiad ribosom E. cuniculi â'r hyn a ragfynegwyd o ddilyniant y genom. Yn flaenorol, tybiwyd bod nifer o broteinau ribosom, gan gynnwys eL14, eL38, eL41, ac eS30, ar goll o genom E. cuniculi oherwydd absenoldeb ymddangosiadol eu homologau o genom E. cuniculi. Rhagwelir colli llawer o broteinau ribosom hefyd yn y rhan fwyaf o barasitiaid mewngellol ac endosymbiontau eraill sydd wedi'u lleihau'n fawr. Er enghraifft, er bod y rhan fwyaf o facteria byw rhydd yn cynnwys yr un teulu o 54 o broteinau ribosom, dim ond 11 o'r teuluoedd protein hyn sydd â homologau canfyddadwy ym mhob genom a ddadansoddwyd o facteria cyfyngedig gan westeiwr. I gefnogi'r syniad hwn, mae colli proteinau ribosom wedi'i arsylwi'n arbrofol mewn microsporidia V. necatrix a P. locustae, sydd heb y proteinau eL38 ac eL4131,32.
Fodd bynnag, mae ein strwythurau'n dangos mai dim ond eL38, eL41, ac eS30 sydd wedi'u colli mewn gwirionedd yn ribosom E. cuniculi. Cafodd y protein eL14 ei gadw a dangosodd ein strwythur pam na ellid dod o hyd i'r protein hwn yn y chwiliad homologi (Ffig. 7). Yn ribosomau E. cuniculi, mae'r rhan fwyaf o'r safle rhwymo eL14 yn cael ei golli oherwydd diraddio'r ES39L wedi'i ymhelaethu ag rRNA. Yn absenoldeb ES39L, collodd eL14 y rhan fwyaf o'i strwythur eilaidd, a dim ond 18% o ddilyniant eL14 oedd yn union yr un fath yn E. cuniculi ac S. cerevisiae. Mae'r cadwraeth dilyniant gwael hon yn rhyfeddol oherwydd mae hyd yn oed Saccharomyces cerevisiae a Homo sapiens—organebau a esblygodd 1.5 biliwn o flynyddoedd ar wahân—yn rhannu mwy na 51% o'r un gweddillion yn eL14. Mae'r golled anarferol hon o gadwraeth yn egluro pam mae E. cuniculi eL14 wedi'i anodi ar hyn o bryd fel y protein M970_061160 tybiedig ac nid fel y protein ribosomal eL1427.
a Chollodd ribosom Microsporidia estyniad rRNA ES39L, a ddileodd safle rhwymo protein ribosomal eL14 yn rhannol. Yn absenoldeb ES39L, mae'r protein microspor eL14 yn colli strwythur eilaidd, lle mae'r α-helics sy'n rhwymo rRNA blaenorol yn dirywio i ddolen hyd lleiaf. b Mae aliniad dilyniant lluosog yn dangos bod y protein eL14 wedi'i gadw'n fawr mewn rhywogaethau ewcariotig (57% o hunaniaeth dilyniant rhwng homologau burum a dynol), ond wedi'i gadw'n wael ac yn dargyfeiriol mewn microsporidia (lle nad yw mwy na 24% o weddillion yn union yr un fath â'r homolog eL14). o S. cerevisiae neu H. sapiens). Mae'r cadwraeth dilyniant gwael hon a'r amrywioldeb strwythur eilaidd yn egluro pam na ddarganfuwyd yr homolog eL14 erioed yn E. cuniculi a pham y credir bod y protein hwn wedi'i golli yn E. cuniculi. I'r gwrthwyneb, cafodd E. cuniculi eL14 ei anodi'n flaenorol fel protein M970_061160 tybiedig. Mae'r arsylwad hwn yn awgrymu bod amrywiaeth genom microsporidia yn cael ei goramcangyfrif ar hyn o bryd: mae rhai genynnau y credir ar hyn o bryd eu bod ar goll mewn microsporidia mewn gwirionedd wedi'u cadw, er mewn ffurfiau gwahaniaethol iawn; yn lle hynny, credir bod rhai yn codio ar gyfer genynnau microsporidia ar gyfer proteinau penodol i lyngyr (e.e., mae'r protein damcaniaethol M970_061160 mewn gwirionedd yn codio ar gyfer y proteinau amrywiol iawn a geir mewn ewcaryotau eraill.
Mae'r canfyddiad hwn yn awgrymu y gall dadnatureiddio rRNA arwain at golled ddramatig o gadwraeth dilyniant mewn proteinau ribosomaidd cyfagos, gan wneud y proteinau hyn yn anghanfyddadwy ar gyfer chwiliadau homologi. Felly, efallai y byddwn yn goramcangyfrif gradd wirioneddol y diraddio moleciwlaidd mewn organebau genom bach, gan fod rhai proteinau y credir eu bod wedi'u colli mewn gwirionedd yn parhau, er mewn ffurfiau wedi'u newid yn fawr.
Sut gall parasitiaid gadw swyddogaeth eu peiriannau moleciwlaidd o dan amodau lle mae'r genom yn lleihau'n eithafol? Mae ein hastudiaeth yn ateb y cwestiwn hwn drwy ddisgrifio strwythur moleciwlaidd cymhleth (ribosom) E. cuniculi, organeb sydd ag un o'r genom ewcariotig lleiaf.
Mae wedi bod yn hysbys ers bron i ddau ddegawd bod moleciwlau protein ac RNA mewn parasitiaid microbaidd yn aml yn wahanol i'w moleciwlau homologaidd mewn rhywogaethau sy'n byw'n rhydd oherwydd nad oes ganddynt ganolfannau rheoli ansawdd, maent yn cael eu lleihau i 50% o'u maint mewn microbau sy'n byw'n rhydd, ac ati. llawer o dreigladau llethol sy'n amharu ar blygiad a swyddogaeth. Er enghraifft, disgwylir i ribosomau organebau genom bach, gan gynnwys llawer o barasitiaid mewngellol ac endosymbiontau, fod yn brin o sawl protein ribosom a hyd at draean o niwcleotidau rRNA o'i gymharu â rhywogaethau sy'n byw'n rhydd 27, 29, 30, 49. Fodd bynnag, mae'r ffordd y mae'r moleciwlau hyn yn gweithredu mewn parasitiaid yn parhau i fod yn ddirgelwch i raddau helaeth, a astudir yn bennaf trwy genomeg gymharol.
Mae ein hastudiaeth yn dangos y gall strwythur macromoleciwlau ddatgelu llawer o agweddau ar esblygiad sy'n anodd eu tynnu o astudiaethau genomig cymharol traddodiadol o barasitiaid mewngellol ac organebau eraill sydd wedi'u cyfyngu gan westeiwyr (Ffig. Atodol 7). Er enghraifft, mae enghraifft y protein eL14 yn dangos y gallwn oramcangyfrif graddfa wirioneddol diraddio'r cyfarpar moleciwlaidd mewn rhywogaethau parasitig. Credir bellach fod gan barasitiaid enseffalitig gannoedd o enynnau penodol i ficrosporidia. Fodd bynnag, mae ein canlyniadau'n dangos bod rhai o'r genynnau hyn sy'n ymddangos yn benodol mewn gwirionedd yn amrywiadau gwahanol iawn o enynnau sy'n gyffredin mewn ewcariotau eraill. Ar ben hynny, mae enghraifft y protein msL2 yn dangos sut rydym yn anwybyddu proteinau ribosomal newydd ac yn tanamcangyfrif cynnwys peiriannau moleciwlaidd parasitig. Mae enghraifft y moleciwlau bach yn dangos sut y gallwn anwybyddu'r arloesiadau mwyaf dyfeisgar mewn strwythurau moleciwlaidd parasitig a all roi gweithgaredd biolegol newydd iddynt.
Gyda'i gilydd, mae'r canlyniadau hyn yn gwella ein dealltwriaeth o'r gwahaniaethau rhwng strwythurau moleciwlaidd organebau sydd wedi'u cyfyngu gan westeion a'u cymheiriaid mewn organebau byw rhydd. Rydym yn dangos bod gan beiriannau moleciwlaidd, a ystyriwyd ers amser maith eu bod wedi'u lleihau, wedi dirywio, ac yn destun amrywiol dreigladau llethol, set o nodweddion strwythurol anarferol sy'n cael eu hanwybyddu'n systematig.
Ar y llaw arall, mae'r darnau rRNA nad ydynt yn swmpus a'r darnau wedi'u hasio a ganfuom yn ribosomau E. cuniculi yn awgrymu y gall lleihau genom newid hyd yn oed y rhannau hynny o'r peirianwaith moleciwlaidd sylfaenol sydd wedi'u cadw yn nhri pharth bywyd – ar ôl bron i 3.5 biliwn o flynyddoedd. esblygiad annibynnol rhywogaethau.
Mae'r darnau rRNA di-fwlch ac wedi'u hasio mewn ribosomau E. cuniculi o ddiddordeb arbennig yng ngoleuni astudiaethau blaenorol o foleciwlau RNA mewn bacteria endosymbiotig. Er enghraifft, yn yr endosymbiont llyswennod Buchnera aphidicola, dangoswyd bod gan foleciwlau rRNA a tRNA strwythurau sy'n sensitif i dymheredd oherwydd tuedd cyfansoddiad A+T a chyfran uchel o barau sylfaen anghanonaidd20,50. Credir bellach fod y newidiadau hyn mewn RNA, yn ogystal â newidiadau mewn moleciwlau protein, yn gyfrifol am orddibyniaeth endosymbiontau ar bartneriaid ac anallu endosymbiontau i drosglwyddo gwres21, 23. Er bod gan rRNA microsporidia parasitig newidiadau strwythurol gwahanol, mae natur y newidiadau hyn yn awgrymu y gallai sefydlogrwydd thermol llai a dibyniaeth uwch ar broteinau chaperone fod yn nodweddion cyffredin o foleciwlau RNA mewn organebau â genomau llai.
Ar y llaw arall, mae ein strwythurau'n dangos bod microsporidia parasitiaid wedi esblygu gallu unigryw i wrthsefyll darnau rRNA a phrotein sydd wedi'u cadw'n eang, gan ddatblygu'r gallu i ddefnyddio metabolion bach toreithiog sydd ar gael yn rhwydd fel dynwaredwyr strwythurol o ddarnau rRNA a phrotein dirywiedig. Diraddio strwythur moleciwlaidd. . Cefnogir y farn hon gan y ffaith bod moleciwlau bach sy'n gwneud iawn am golli darnau protein yn yr rRNA a ribosomau E. cuniculi yn rhwymo i weddillion penodol i microsporidia yn y proteinau uL15 ac eL30. Mae hyn yn awgrymu y gallai rhwymo moleciwlau bach i ribosomau fod yn gynnyrch detholiad cadarnhaol, lle mae mwtaniadau penodol i Microsporidia mewn proteinau ribosomaidd wedi'u dewis am eu gallu i gynyddu affinedd ribosomau ar gyfer moleciwlau bach, a all arwain at organebau ribosomaidd mwy effeithlon. Mae'r darganfyddiad yn datgelu arloesedd clyfar yn strwythur moleciwlaidd parasitiaid microbaidd ac yn rhoi gwell dealltwriaeth inni o sut mae strwythurau moleciwlaidd parasitiaid yn cynnal eu swyddogaeth er gwaethaf esblygiad gostyngol.
Ar hyn o bryd, mae adnabod y moleciwlau bach hyn yn parhau i fod yn aneglur. Nid yw'n glir pam mae ymddangosiad y moleciwlau bach hyn yn strwythur y ribosom yn wahanol rhwng rhywogaethau microsporidia. Yn benodol, nid yw'n glir pam mae rhwymo niwcleotid yn cael ei arsylwi yn ribosomau E. cuniculi a P. locustae, ac nid yn ribosomau V. necatrix, er gwaethaf presenoldeb y gweddillion F170 yn y proteinau eL20 a K172 o V. necatrix. Gall y dileu hwn gael ei achosi gan weddillion 43 uL6 (sydd wedi'u lleoli wrth ymyl y poced rhwymo niwcleotid), sef tyrosin yn V. necatrix ac nid threonin yn E. cuniculi a P. locustae. Gall cadwyn ochr aromatig swmpus Tyr43 ymyrryd â rhwymo niwcleotid oherwydd gorgyffwrdd sterig. Fel arall, gall y dileu niwcleotid ymddangosiadol fod oherwydd datrysiad isel delweddu cryo-EM, sy'n rhwystro modelu darnau ribosom V. necatrix.
Ar y llaw arall, mae ein gwaith yn awgrymu y gallai'r broses o bydredd genom fod yn rym dyfeisgar. Yn benodol, mae strwythur ribosom E. cuniculi yn awgrymu bod colli darnau rRNA a phrotein yn ribosom microsporidia yn creu pwysau esblygiadol sy'n hyrwyddo newidiadau yn strwythur y ribosom. Mae'r amrywiadau hyn yn digwydd ymhell o safle gweithredol y ribosom ac ymddengys eu bod yn helpu i gynnal (neu adfer) cynulliad ribosom gorau posibl a fyddai fel arall yn cael ei amharu gan rRNA llai. Mae hyn yn awgrymu bod arloesedd mawr yn y ribosom microsporidia i bob golwg wedi esblygu i fod angen byffro drifft genynnau.
Efallai mai rhwymo niwcleotid yw'r ffordd orau o ddangos hyn, rhywbeth nad yw erioed wedi'i weld mewn organebau eraill hyd yn hyn. Mae'r ffaith bod gweddillion rhwymo niwcleotid yn bresennol mewn microsporidia nodweddiadol, ond nid mewn ewcariotau eraill, yn awgrymu nad dim ond gweddillion sy'n aros i ddiflannu yw safleoedd rhwymo niwcleotid, na'r safle terfynol i rRNA gael ei adfer i ffurf niwcleotidau unigol. Yn lle hynny, mae'r safle hwn yn ymddangos fel nodwedd ddefnyddiol a allai fod wedi esblygu dros sawl rownd o ddetholiad cadarnhaol. Gall safleoedd rhwymo niwcleotid fod yn sgil-gynnyrch o ddetholiad naturiol: unwaith y bydd ES39L wedi'i ddiraddio, mae microsporidia yn cael eu gorfodi i geisio iawndal i adfer biogenesis ribosom gorau posibl yn absenoldeb ES39L. Gan y gall y niwcleotid hwn ddynwared cysylltiadau moleciwlaidd y niwcleotid A3186 yn ES39L, mae'r moleciwl niwcleotid yn dod yn floc adeiladu o'r ribosom, y mae ei rwymo yn cael ei wella ymhellach trwy dreiglo dilyniant eL30.
O ran esblygiad moleciwlaidd parasitiaid mewngellol, mae ein hastudiaeth yn dangos nad yw grymoedd detholiad naturiol Darwinaidd a drifft genetig pydredd genom yn gweithredu ochr yn ochr, ond yn osgileiddio. Yn gyntaf, mae drifft genetig yn dileu nodweddion pwysig biomoleciwlau, gan wneud iawn yn angenrheidiol iawn. Dim ond pan fydd parasitiaid yn bodloni'r angen hwn trwy ddetholiad naturiol Darwinaidd y bydd gan eu macromoleciwlau gyfle i ddatblygu eu nodweddion mwyaf trawiadol ac arloesol. Yn bwysig, mae esblygiad safleoedd rhwymo niwcleotid yn ribosom E. cuniculi yn awgrymu bod y patrwm colli-i-ennill hwn o esblygiad moleciwlaidd nid yn unig yn lleihau mwtaniadau niweidiol, ond weithiau'n rhoi swyddogaethau cwbl newydd i macromoleciwlau parasitig.
Mae'r syniad hwn yn gyson â damcaniaeth cydbwysedd symudol Sewell Wright, sy'n nodi bod system gaeth o ddetholiad naturiol yn cyfyngu ar allu organebau i arloesi51,52,53. Fodd bynnag, os yw drifft genetig yn tarfu ar ddetholiad naturiol, gall y drifftiau hyn gynhyrchu newidiadau nad ydynt yn addasol ynddynt eu hunain (nac yn niweidiol hyd yn oed) ond sy'n arwain at newidiadau pellach sy'n darparu ffitrwydd uwch neu weithgaredd biolegol newydd. Mae ein fframwaith yn cefnogi'r syniad hwn trwy ddangos mai'r un math o dreiglad sy'n lleihau plyg a swyddogaeth biomoleciwl yw'r prif sbardun ar gyfer ei welliant, yn ôl pob golwg. Yn unol â'r model esblygiadol lle mae pawb ar eu hennill, mae ein hastudiaeth yn dangos bod pydredd genom, a ystyrir yn draddodiadol fel proses ddirywiol, hefyd yn brif sbardun arloesi, gan ganiatáu weithiau ac efallai hyd yn oed yn aml i macromoleciwlau gaffael gweithgareddau parasitig newydd y gellir eu defnyddio.