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Die Evolution mikrobieller Parasiten beinhaltet einen Gegenpol zwischen natürlicher Selektion, die zu einer Verbesserung der Parasiten führt, und genetischer Drift, die zum Verlust von Genen und Anhäufung schädlicher Mutationen bei den Parasiten führt. Um zu verstehen, wie dieser Gegenpol auf der Ebene eines einzelnen Makromoleküls auftritt, beschreiben wir hier die Kryo-EM-Struktur des Ribosoms von Encephalitozoon cuniculi, einem eukaryotischen Organismus mit einem der kleinsten Genome der Natur. Die extreme Reduktion der rRNA in den Ribosomen von E. cuniculi geht mit beispiellosen Strukturänderungen einher, wie der Entwicklung bislang unbekannter fusionierter rRNA-Linker und rRNA ohne Ausbuchtungen. Außerdem überlebte das Ribosom von E. cuniculi den Verlust von rRNA-Fragmenten und Proteinen, indem es die Fähigkeit entwickelte, kleine Moleküle als strukturelle Nachahmer abgebauten rRNA-Fragmente und Proteine ​​zu verwenden. Insgesamt zeigen wir, dass Molekülstrukturen, von denen man lange Zeit dachte, sie seien reduziert, degeneriert und anfällig für schwächende Mutationen, über eine Reihe von Kompensationsmechanismen verfügen, die sie trotz extremer Molekülkontraktionen aktiv halten.
Da die meisten Gruppen mikrobieller Parasiten über einzigartige molekulare Werkzeuge verfügen, um ihre Wirte auszubeuten, müssen wir oft unterschiedliche Therapeutika für verschiedene Parasitengruppen entwickeln1,2. Neue Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass einige Aspekte der Parasitenevolution konvergent und weitgehend vorhersehbar sind, was eine potenzielle Grundlage für umfassende therapeutische Eingriffe bei mikrobiellen Parasiten darstellt3,4,5,6,7,8,9.
Frühere Arbeiten haben einen gemeinsamen Evolutionstrend bei mikrobiellen Parasiten identifiziert, der als Genomreduktion oder Genomzerfall bezeichnet wird10,11,12,13. Aktuelle Forschungen zeigen, dass, wenn Mikroorganismen ihre frei lebende Lebensweise aufgeben und zu intrazellulären Parasiten (oder Endosymbionten) werden, ihre Genome im Laufe von Millionen von Jahren langsame, aber erstaunliche Metamorphosen durchlaufen9,11. In diesem als Genomzerfall bekannten Prozess sammeln mikrobielle Parasiten schädliche Mutationen an, die viele ehemals wichtige Gene in Pseudogene verwandeln und so zu einem allmählichen Genverlust und Mutationskollaps führen14,15. Dieser Kollaps kann in den ältesten intrazellulären Organismen im Vergleich zu eng verwandten frei lebenden Arten bis zu 95 % der Gene zerstören. Somit ist die Evolution intrazellulärer Parasiten ein Tauziehen zwischen zwei gegensätzlichen Kräften: der darwinistischen natürlichen Selektion, die zur Verbesserung der Parasiten führt, und dem Kollaps des Genoms, der die Parasiten in die Vergessenheit stürzt. Wie es dem Parasiten gelang, aus diesem Tauziehen hervorzugehen und die Aktivität seiner Molekülstruktur beizubehalten, bleibt unklar.
Obwohl der Mechanismus des Genomzerfalls noch nicht vollständig verstanden ist, scheint er hauptsächlich auf häufige genetische Drift zurückzuführen zu sein. Da Parasiten in kleinen, ungeschlechtlichen und genetisch begrenzten Populationen leben, können sie schädliche Mutationen, die manchmal während der DNA-Replikation auftreten, nicht effektiv eliminieren. Dies führt zu einer irreversiblen Anhäufung schädlicher Mutationen und zur Verkleinerung des Parasitengenoms. Dadurch verliert der Parasit nicht nur Gene, die für sein Überleben in der intrazellulären Umgebung nicht mehr notwendig sind. Die Unfähigkeit der Parasitenpopulationen, sporadische schädliche Mutationen effektiv zu eliminieren, führt dazu, dass sich diese Mutationen im gesamten Genom, einschließlich ihrer wichtigsten Gene, ansammeln.
Unser heutiges Verständnis der Genomreduktion beruht größtenteils ausschließlich auf Vergleichen von Genomsequenzen. Veränderungen an Molekülen, die als potenzielle Angriffspunkte für Medikamente dienen und Haushaltsfunktionen erfüllen, werden dabei weniger beachtet. Vergleichende Studien haben gezeigt, dass die Belastung durch schädliche intrazelluläre mikrobielle Mutationen Proteine ​​und Nukleinsäuren offenbar zu Fehlfaltung und Aggregation neigt, wodurch sie stärker von Chaperonen abhängig und überempfindlich gegenüber Hitze werden19,20,21,22,23. Darüber hinaus erlitten verschiedene Parasiten – deren unabhängige Evolution manchmal bis zu 2,5 Milliarden Jahre auseinander lag – einen ähnlichen Verlust von Qualitätskontrollzentren in ihrer Proteinsynthese5,6 und ihren DNA-Reparaturmechanismen24. Über die Auswirkungen der intrazellulären Lebensweise auf alle anderen Eigenschaften zellulärer Makromoleküle, einschließlich der molekularen Anpassung an eine zunehmende Belastung durch schädliche Mutationen, ist jedoch wenig bekannt.
In dieser Arbeit haben wir, um die Evolution von Proteinen und Nukleinsäuren intrazellulärer Mikroorganismen besser zu verstehen, die Struktur von Ribosomen des intrazellulären Parasiten Encephalitozoon cuniculi bestimmt. E. cuniculi ist ein pilzähnlicher Organismus, der zu einer Gruppe parasitärer Mikrosporidien gehört, die ungewöhnlich kleine eukaryotische Genome besitzen und deshalb als Modellorganismen zur Untersuchung des Genomzerfalls verwendet werden25,26,27,28,29,30. Kürzlich wurde die Kryo-EM-Ribosomenstruktur für mäßig reduzierte Genome von Microsporidia, Paranosema locustae und Vairimorpha necatrix31,32 (~3,2 Mb Genom) bestimmt. Diese Strukturen legen nahe, dass ein Teil des Verlusts der rRNA-Amplifikation durch die Entwicklung neuer Kontakte zwischen benachbarten ribosomalen Proteinen oder die Aufnahme neuer ribosomaler msL131,32-Proteine ​​kompensiert wird. Die Art Encephalitozoon (Genom ~2,5 Millionen bp) weist zusammen mit ihrem nächsten Verwandten Ordospora den höchsten Grad an Genomreduktion bei den Eukaryoten auf – sie besitzen weniger als 2000 proteinkodierende Gene, und man erwartet, dass ihre Ribosomen nicht nur keine rRNA-Expansionsfragmente aufweisen (rRNA-Fragmente, die eukaryotische Ribosomen von bakteriellen Ribosomen unterscheiden), sondern aufgrund fehlender Homologe im Genom von E. cuniculi auch vier ribosomale Proteine ​​besitzen26,27,28. Daher schlussfolgerten wir, dass das Ribosom von E. cuniculi bislang unbekannte Strategien zur molekularen Anpassung an den Genomzerfall offenbaren kann.
Unsere Kryo-EM-Struktur stellt das kleinste bisher charakterisierte eukaryotische zytoplasmatische Ribosom dar und gibt Aufschluss darüber, wie sich der Grad der Genomreduktion auf Struktur, Aufbau und Evolution der molekularen Maschinerie auswirkt, die integraler Bestandteil der Zelle ist. Wir fanden heraus, dass das Ribosom von E. cuniculi viele der weithin konservierten Prinzipien der RNA-Faltung und des Ribosomenaufbaus verletzt, und entdeckten ein neues, bisher unbekanntes ribosomales Protein. Völlig unerwartet zeigen wir, dass Mikrosporidien-Ribosomen die Fähigkeit entwickelt haben, kleine Moleküle zu binden, und stellen die Hypothese auf, dass Verkürzungen in rRNA und Proteinen evolutionäre Innovationen auslösen, die dem Ribosom letztlich nützliche Eigenschaften verleihen könnten.
Um die Evolution von Proteinen und Nukleinsäuren in intrazellulären Organismen besser zu verstehen, haben wir beschlossen, E. cuniculi-Sporen aus Kulturen infizierter Säugetierzellen zu isolieren, um deren Ribosomen zu reinigen und deren Struktur zu bestimmen. Es ist schwierig, eine große Zahl parasitärer Mikrosporidien zu gewinnen, da sie nicht in einem Nährmedium kultiviert werden können. Stattdessen wachsen und vermehren sie sich nur innerhalb der Wirtszelle. Um E. cuniculi-Biomasse für die Ribosomenreinigung zu erhalten, infizierten wir die Säugetiernierenzelllinie RK13 mit E. cuniculi-Sporen und kultivierten diese infizierten Zellen mehrere Wochen lang, um E. cuniculi Wachstum und Vermehrung zu ermöglichen. Mithilfe einer infizierten Zellmonoschicht von etwa einem halben Quadratmeter konnten wir etwa 300 mg Mikrosporidien-Sporen reinigen und daraus Ribosomen isolieren. Anschließend zerlegten wir die gereinigten Sporen mit Glasperlen und isolierten die Roh-Ribosomen durch schrittweise Polyethylenglykol-Fraktionierung der Lysate. Dadurch konnten wir etwa 300 µg Roh-Ribosomen von E. cuniculi für die Strukturanalyse gewinnen.
Anschließend erstellten wir Kryo-EM-Bilder der resultierenden Ribosomenproben und verarbeiteten diese mithilfe von Masken, die der großen ribosomalen Untereinheit, dem Kopf der kleinen Untereinheit und der kleinen Untereinheit entsprechen. Dabei sammelten wir Bilder von etwa 108.000 ribosomalen Partikeln und berechneten Kryo-EM-Bilder mit einer Auflösung von 2,7 Å (Ergänzende Abbildungen 1–3). Anschließend verwendeten wir Kryo-EM-Bilder, um rRNA, ribosomales Protein und den Hibernationsfaktor Mdf1 zu modellieren, die mit E. cuniculi-Ribosomen assoziiert sind (Abb. 1a, b).
a Struktur des E. cuniculi-Ribosoms im Komplex mit dem Hibernationsfaktor Mdf1 (PDB-ID 7QEP). b Karte des Hibernationsfaktors Mdf1, der mit dem E. cuniculi-Ribosom assoziiert ist. c Sekundärstrukturkarte, die wiedergefundene rRNA in Microsporidia-Spezies mit bekannten Ribosomenstrukturen vergleicht. Die Tafeln zeigen die Position der amplifizierten rRNA-Fragmente (ES) und der aktiven Zentren des Ribosoms, einschließlich der Dekodierungsstelle (DC), der Sarcinicin-Schleife (SRL) und des Peptidyl-Transferase-Zentrums (PTC). d Die dem Peptidyl-Transferase-Zentrum des E. cuniculi-Ribosoms entsprechende Elektronendichte weist darauf hin, dass dieses katalytische Zentrum im E. cuniculi-Parasiten und seinen Wirten, einschließlich H. sapiens, dieselbe Struktur aufweist. e, f Die entsprechende Elektronendichte des Dekodierungszentrums (e) und die schematische Struktur des Dekodierungszentrums (f) deuten darauf hin, dass E. cuniculi die Aminosäuren U1491 anstelle von A1491 (E. coli-Nummerierung) wie viele andere Eukaryoten aufweist. Diese Veränderung lässt darauf schließen, dass E. cuniculi empfindlich auf Antibiotika reagiert, die dieses aktive Zentrum angreifen.
Im Gegensatz zu den zuvor etablierten Strukturen der Ribosomen von V. necatrix und P. locustae (beide Strukturen repräsentieren die gleiche Mikrosporidienfamilie Nosematidae und sind einander sehr ähnlich) unterliegen 31,32 E. cuniculi-Ribosomen zahlreichen Prozessen der rRNA- und Proteinfragmentierung. Weitere Denaturierung (Ergänzende Abbildungen 4–6). Zu den auffälligsten Veränderungen der rRNA gehörten der vollständige Verlust des amplifizierten 25S-rRNA-Fragments ES12L und die partielle Degeneration der Helices h39, h41 und H18 (Abb. 1c, Ergänzende Abbildung 4). Zu den auffälligsten Veränderungen bei den ribosomalen Proteinen gehörten der vollständige Verlust des Proteins eS30 und die Verkürzung der Proteine ​​eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 und eS7 (Ergänzende Abbildungen 4 und 5).
Die extreme Reduktion des Genoms von Encephalotozoon/Ordospora-Arten spiegelt sich in ihrer Ribosomenstruktur wider: E. cuniculi-Ribosomen weisen den dramatischsten Proteinverlust aller eukaryotischen zytoplasmatischen Ribosomen auf, die einer strukturellen Charakterisierung unterzogen wurden, und verfügen nicht einmal über jene rRNA- und Proteinfragmente, die nicht nur bei Eukaryoten, sondern in allen drei Domänen des Lebens weitgehend konserviert sind. Die Struktur des E. cuniculi-Ribosoms liefert das erste molekulare Modell für diese Veränderungen und enthüllt evolutionäre Ereignisse, die sowohl in der vergleichenden Genomik als auch in Studien zur intrazellulären biomolekularen Struktur übersehen wurden (Ergänzende Abbildung 7). Im Folgenden beschreiben wir jedes dieser Ereignisse zusammen mit seinen wahrscheinlichen evolutionären Ursprüngen und seinen potenziellen Auswirkungen auf die Ribosomenfunktion.
Wir fanden dann heraus, dass E. cuniculi-Ribosomen zusätzlich zu großen rRNA-Verkürzungen rRNA-Variationen an einem ihrer aktiven Zentren aufweisen. Obwohl das Peptidyltransferasezentrum des E. cuniculi-Ribosomen dieselbe Struktur wie andere eukaryotische Ribosomen aufweist (Abb. 1d), unterscheidet sich das Dekodierungszentrum aufgrund einer Sequenzvariation am Nukleotid 1491 (E. coli-Nummerierung, Abb. 1e, f). Diese Beobachtung ist wichtig, da die Dekodierungsstelle eukaryotischer Ribosomen typischerweise die Reste G1408 und A1491 enthält, im Gegensatz zu den Resten A1408 und G1491 bakteriellen Typs. Diese Variation liegt der unterschiedlichen Empfindlichkeit bakterieller und eukaryotischer Ribosomen gegenüber der Aminoglykosid-Familie ribosomaler Antibiotika und anderer kleiner Moleküle zugrunde, die auf die Dekodierungsstelle abzielen. An der Dekodierungsstelle des Ribosoms von E. cuniculi wurde der Rest A1491 durch U1491 ersetzt, wodurch möglicherweise eine einzigartige Bindungsstelle für kleine Moleküle geschaffen wurde, die dieses aktive Zentrum angreifen. Dieselbe Variante A14901 ist auch in anderen Mikrosporidien wie P. locustae und V. necatrix vorhanden, was darauf hindeutet, dass sie unter Mikrosporidienarten weit verbreitet ist (Abb. 1f).
Da unsere E. cuniculi-Ribosomenproben aus metabolisch inaktiven Sporen isoliert wurden, testeten wir die Kryo-EM-Karte von E. cuniculi auf zuvor beschriebene Ribosomenbindung unter Stress- oder Hungerbedingungen. Hibernationsfaktoren 31, 32, 36, 37, 38. Wir glichen die zuvor ermittelte Struktur des Hibernations-Ribosoms mit der Kryo-EM-Karte des E. cuniculi-Ribosoms ab. Zum Andocken wurden S. cerevisiae-Ribosomen im Komplex mit dem Hibernationsfaktor Stm138, Heuschrecken-Ribosomen im Komplex mit dem Faktor Lso232 und V. necatrix-Ribosomen im Komplex mit den Faktoren Mdf1 und Mdf231 verwendet. Gleichzeitig fanden wir die dem Ruhefaktor Mdf1 entsprechende Kryo-EM-Dichte. Ähnlich wie Mdf1 an das Ribosom von V. necatrix bindet, bindet Mdf1 auch an das Ribosom von E. cuniculi, wo es die E-Stelle des Ribosoms blockiert und möglicherweise dazu beiträgt, Ribosomen verfügbar zu machen, wenn Parasitensporen nach Inaktivierung des Körpers metabolisch inaktiv werden (Abbildung 2). ).
Mdf1 blockiert die E-Stelle des Ribosoms, was offenbar zur Inaktivierung des Ribosoms beiträgt, wenn Parasitensporen metabolisch inaktiv werden. In der Struktur des Ribosoms von E. cuniculi fanden wir heraus, dass Mdf1 einen bisher unbekannten Kontakt mit dem L1-Ribosomenstamm bildet, dem Teil des Ribosoms, der die Freisetzung deacetylierter tRNA aus dem Ribosom während der Proteinsynthese erleichtert. Diese Kontakte legen nahe, dass Mdf1 über denselben Mechanismus wie deacetylierte tRNA vom Ribosom dissoziiert, was eine mögliche Erklärung dafür liefert, wie das Ribosom Mdf1 entfernt, um die Proteinsynthese zu reaktivieren.
Unsere Struktur enthüllte jedoch einen unbekannten Kontakt zwischen Mdf1 und dem L1-Ribosomenschenkel (dem Teil des Ribosoms, der während der Proteinsynthese die Freisetzung deacetylierter tRNA aus dem Ribosom unterstützt). Insbesondere nutzt Mdf1 dieselben Kontakte wie das Ellbogensegment des deacetylierten tRNA-Moleküls (Abb. 2). Diese bisher unbekannte molekulare Modellierung zeigte, dass Mdf1 über denselben Mechanismus wie deacetylierte tRNA vom Ribosom dissoziiert. Dies erklärt, wie das Ribosom diesen Hibernationsfaktor entfernt, um die Proteinsynthese zu reaktivieren.
Bei der Konstruktion des rRNA-Modells stellten wir fest, dass das Ribosom von E. cuniculi abnormal gefaltete rRNA-Fragmente aufweist, die wir als fusionierte rRNA bezeichneten (Abb. 3). In Ribosomen, die alle drei Domänen des Lebens umfassen, faltet sich rRNA in Strukturen, in denen die meisten rRNA-Basen entweder Basenpaare bilden und miteinander falten oder mit ribosomalen Proteinen interagieren38,39,40. In E. cuniculi-Ribosomen scheinen rRNAs dieses Faltungsprinzip jedoch zu verletzen, indem sie einige ihrer Helices in entfaltete rRNA-Regionen umwandeln.
Struktur der H18 25S rRNA-Helix in S. cerevisiae, V. necatrix und E. cuniculi. In Ribosomen aller drei Lebensdomänen wickelt sich dieser Linker typischerweise zu einer RNA-Helix mit 24 bis 34 Aminosäureresten auf. In Mikrosporidien hingegen wird dieser rRNA-Linker schrittweise auf zwei einzelsträngige, uridinreiche Linker mit nur 12 Aminosäureresten reduziert. Die meisten dieser Aminosäurereste sind Lösungsmitteln ausgesetzt. Die Abbildung zeigt, dass parasitäre Mikrosporidien die allgemeinen Prinzipien der rRNA-Faltung zu verletzen scheinen, nach denen rRNA-Basen üblicherweise an andere Basen gekoppelt sind oder an rRNA-Protein-Wechselwirkungen beteiligt sind. In Mikrosporidien nehmen einige rRNA-Fragmente eine ungünstige Faltung an, bei der die ehemalige rRNA-Helix zu einem einzelsträngigen, nahezu geradlinig verlängerten Fragment wird. Das Vorhandensein dieser ungewöhnlichen Regionen ermöglicht es der rRNA von Mikrosporidien, entfernte rRNA-Fragmente unter Verwendung einer minimalen Anzahl von RNA-Basen zu binden.
Das auffälligste Beispiel dieses evolutionären Übergangs kann in der H18 25S rRNA-Helix beobachtet werden (Abb. 3). In Arten von E. coli bis zum Menschen enthalten die Basen dieser rRNA-Helix 24–32 Nukleotide und bilden eine leicht unregelmäßige Helix. In zuvor identifizierten ribosomalen Strukturen von V. necatrix und P. locustae31,32 sind die Basen der H18-Helix teilweise entwunden, die Nukleotid-Basenpaarung bleibt jedoch erhalten. In E. cuniculi wird dieses rRNA-Fragment jedoch zu den kürzesten Linkern 228UUUGU232 und 301UUUUUUUUU307. Anders als typische rRNA-Fragmente wickeln sich diese uridinreichen Linker nicht auf und haben auch keinen ausgedehnten Kontakt mit ribosomalen Proteinen. Stattdessen nehmen sie lösungsmitteloffene und vollständig entfaltete Strukturen an, in denen die rRNA-Stränge nahezu gerade verlaufen. Diese gestreckte Konformation erklärt, wie E. cuniculi nur 12 RNA-Basen verwendet, um die 33 Å große Lücke zwischen den rRNA-Helices H16 und H18 zu füllen, während andere Arten mindestens doppelt so viele rRNA-Basen benötigen, um die Lücke zu füllen.
Somit können wir zeigen, dass parasitäre Mikrosporidien durch energetisch ungünstige Faltung eine Strategie entwickelt haben, selbst jene rRNA-Segmente zu kontrahieren, die in allen drei Lebensbereichen artenübergreifend weitgehend konserviert bleiben. Offenbar kann E. cuniculi durch die Anhäufung von Mutationen, die rRNA-Helices in kurze Poly-U-Linker umwandeln, ungewöhnliche rRNA-Fragmente bilden, die möglichst wenige Nukleotide für die Ligation distaler rRNA-Fragmente enthalten. Dies erklärt, wie Mikrosporidien eine drastische Reduzierung ihrer molekularen Grundstruktur erreichen konnten, ohne ihre strukturelle und funktionelle Integrität zu verlieren.
Ein weiteres ungewöhnliches Merkmal der E. cuniculi rRNA ist ihr Auftreten ohne Verdickungen (Abb. 4). Ausbuchtungen sind Nukleotide ohne Basenpaare, die sich aus der RNA-Helix herauswinden, anstatt sich in ihr zu verstecken. Die meisten rRNA-Ausbuchtungen wirken als molekulare Klebstoffe und helfen, benachbarte ribosomale Proteine ​​oder andere rRNA-Fragmente zu binden. Einige der Ausbuchtungen fungieren als Scharniere und ermöglichen der rRNA-Helix eine optimale Biegung und Faltung für eine produktive Proteinsynthese 41 .
a Ein rRNA-Vorsprung (Nummerierung von S. cerevisiae) fehlt in der Ribosomenstruktur von E. cuniculi, ist aber in den meisten anderen Eukaryoten vorhanden. b Interne Ribosomen von E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens und E. cuniculi. Parasiten fehlen viele der alten, hochkonservierten rRNA-Ausbuchtungen. Diese Verdickungen stabilisieren die Ribosomenstruktur; ihr Fehlen in Mikrosporidien weist daher auf eine verringerte Stabilität der rRNA-Faltung in Mikrosporidienparasiten hin. Ein Vergleich mit P-Stämmen (L7/L12-Stämme in Bakterien) zeigt, dass der Verlust von rRNA-Ausbuchtungen manchmal mit dem Auftreten neuer Ausbuchtungen neben den verlorenen Ausbuchtungen einhergeht. Die H42-Helix in der 23S/28S rRNA weist eine alte Ausbuchtung (U1206 bei Saccharomyces cerevisiae) auf, deren Alter auf mindestens 3,5 Milliarden Jahre geschätzt wird. Grund dafür ist ihr Schutz in drei Lebensbereichen. Bei Mikrosporidien ist diese Ausbuchtung verschwunden. Neben der verlorenen Ausbuchtung entstand jedoch eine neue (A1306 bei E. cuniculi).
Bemerkenswerterweise stellten wir fest, dass den Ribosomen von E. cuniculi die meisten der in anderen Arten vorkommenden rRNA-Ausbuchtungen fehlen, darunter mehr als 30 Ausbuchtungen, die in anderen Eukaryoten konserviert sind (Abb. 4a). Dieser Verlust eliminiert viele Kontakte zwischen ribosomalen Untereinheiten und benachbarten rRNA-Helices, wodurch manchmal große Hohlräume innerhalb des Ribosoms entstehen. Dadurch ist das Ribosom von E. cuniculi im Vergleich zu traditionelleren Ribosomen poröser (Abb. 4b). Bemerkenswerterweise stellten wir fest, dass die meisten dieser Ausbuchtungen auch in den zuvor identifizierten Ribosomenstrukturen von V. necatrix und P. locustae verloren gingen, die in früheren Strukturanalysen übersehen worden waren31,32.
Manchmal geht der Verlust von rRNA-Ausbuchtungen mit der Entwicklung neuer Ausbuchtungen in deren Nähe einher. Beispielsweise enthält der ribosomale P-Stamm eine U1208-Ausbuchtung (in Saccharomyces cerevisiae), die von E. coli bis zum Menschen erhalten blieb und daher auf 3,5 Milliarden Jahre geschätzt wird. Während der Proteinsynthese unterstützt diese Ausbuchtung den P-Stamm bei der Bewegung zwischen offener und geschlossener Konformation, sodass das Ribosom Translationsfaktoren rekrutieren und an das aktive Zentrum transportieren kann. In Ribosomen von E. cuniculi fehlt diese Verdickung; eine neue, nur drei Basenpaare umfassende Verdickung (G883) kann jedoch zur Wiederherstellung der optimalen Flexibilität des P-Stamms beitragen (Abb. 4c).
Unsere Daten zu rRNA ohne Ausbuchtungen legen nahe, dass die rRNA-Minimierung nicht auf den Verlust von rRNA-Elementen auf der Oberfläche des Ribosoms beschränkt ist, sondern auch den Ribosomenkern betreffen kann, wodurch ein parasitenspezifischer molekularer Defekt entsteht, der in frei lebenden Zellen nicht beschrieben wurde. lebende Arten werden beobachtet.
Nach der Modellierung kanonischer ribosomaler Proteine ​​und rRNA stellten wir fest, dass herkömmliche ribosomale Komponenten die drei Teile des Kryo-EM-Bildes nicht erklären können. Zwei dieser Fragmente sind kleine Moleküle (Abb. 5, ergänzende Abb. 8). Das erste Segment ist zwischen den ribosomalen Proteinen uL15 und eL18 an einer Position eingebettet, die normalerweise vom C-Terminus von eL18 eingenommen wird, das bei E. cuniculi verkürzt ist. Obwohl wir die Identität dieses Moleküls nicht bestimmen können, lassen sich Größe und Form dieser Dichteinsel gut durch das Vorhandensein von Spermidinmolekülen erklären. Ihre Bindung an das Ribosom wird durch mikrosporidienspezifische Mutationen in den uL15-Proteinen (Asp51 und Arg56) stabilisiert, die die Affinität des Ribosoms für dieses kleine Molekül zu erhöhen scheinen, da sie es uL15 ermöglichen, das kleine Molekül in eine ribosomale Struktur einzuhüllen. Ergänzende Abb. 2). 8, zusätzliche Daten 1, 2).
Kryo-EM-Bildgebung zeigt das Vorhandensein von Nukleotiden außerhalb der an das E. cuniculi-Ribosom gebundenen Ribose. Im E. cuniculi-Ribosom nimmt dieses Nukleotid dieselbe Position ein wie das 25S rRNA-A3186-Nukleotid (Saccharomyces cerevisiae-Nummerierung) in den meisten anderen eukaryotischen Ribosomen. b) In der ribosomalen Struktur von E. cuniculi befindet sich dieses Nukleotid zwischen den ribosomalen Proteinen uL9 und eL20 und stabilisiert so den Kontakt zwischen den beiden Proteinen. c) Analyse der eL20-Sequenzkonservierung bei Mikrosporidienarten. Der phylogenetische Baum der Microsporidia-Arten (c) und die multiple Sequenzalignment des eL20-Proteins (d) zeigen, dass die Nukleotid-bindenden Reste F170 und K172 in den meisten typischen Microsporidia konserviert sind, mit Ausnahme von S. lophii, mit Ausnahme der sich früh verzweigenden Microsporidia, die die ES39L-rRNA-Verlängerung behielten. e Diese Abbildung zeigt, dass die Nukleotid-bindenden Reste F170 und K172 nur in eL20 des stark reduzierten Microsporidia-Genoms vorhanden sind, nicht jedoch in anderen Eukaryoten. Insgesamt weisen diese Daten darauf hin, dass Microsporidia-Ribosomen eine Nukleotid-Bindungsstelle entwickelt haben, die offenbar AMP-Moleküle bindet und diese zur Stabilisierung von Protein-Protein-Wechselwirkungen in der ribosomalen Struktur verwendet. Die hohe Konservierung dieser Bindungsstelle in Microsporidia und ihr Fehlen in anderen Eukaryoten legt nahe, dass diese Stelle Microsporidia einen selektiven Überlebensvorteil bieten könnte. Die Nukleotidbindungstasche im Mikrosporidien-Ribosom scheint also kein degeneriertes Merkmal oder eine Endform des rRNA-Abbaus zu sein, wie zuvor beschrieben, sondern vielmehr eine nützliche evolutionäre Innovation, die es dem Mikrosporidien-Ribosom ermöglicht, kleine Moleküle direkt zu binden und sie als molekulare Bausteine ​​für Ribosomen zu nutzen. Diese Entdeckung macht das Mikrosporidien-Ribosom zum einzigen bekannten Ribosom, das ein einzelnes Nukleotid als Strukturbaustein verwendet. f Hypothetischer Evolutionspfad, abgeleitet von der Nukleotidbindung.
Die zweite Dichte mit niedrigem Molekulargewicht befindet sich an der Schnittstelle zwischen den ribosomalen Proteinen uL9 und eL30 (Abb. 5a). Diese Schnittstelle wurde zuvor in der Struktur des Saccharomyces cerevisiae-Ribosoms als Bindungsstelle für das 25S-Nukleotid von rRNA A3186 (Teil der ES39L-rRNA-Verlängerung) beschrieben38. Es wurde gezeigt, dass diese Schnittstelle in degenerierten P. locustae ES39L-Ribosomen ein unbekanntes einzelnes Nukleotid 31 bindet, und es wird angenommen, dass dieses Nukleotid eine reduzierte Endform von rRNA ist, in der die Länge der rRNA etwa 130–230 Basen beträgt. ES39L ist auf ein einzelnes Nukleotid 32,43 reduziert. Unsere Kryo-EM-Bilder stützen die Idee, dass die Dichte durch Nukleotide erklärt werden kann. Die höhere Auflösung unserer Struktur zeigte jedoch, dass dieses Nukleotid ein extraribosomales Molekül ist, möglicherweise AMP (Abb. 5a, b).
Wir untersuchten anschließend, ob die Nukleotidbindungsstelle bereits im Ribosom von E. cuniculi vorhanden war oder bereits existierte. Da die Nukleotidbindung hauptsächlich durch die Phe170- und Lys172-Reste im ribosomalen Protein eL30 vermittelt wird, untersuchten wir die Konservierung dieser Reste in 4396 repräsentativen Eukaryoten. Wie bereits im Fall von uL15 stellten wir fest, dass die Phe170- und Lys172-Reste nur in typischen Mikrosporidien hochkonserviert sind, in anderen Eukaryoten jedoch fehlen, einschließlich der atypischen Mikrosporidien Mitosporidium und Amphiamblys, bei denen das ES39L-rRNA-Fragment nicht reduziert ist 44, 45, 46 (Abb. 5c-e).
Zusammengefasst stützen diese Daten die Annahme, dass E. cuniculi und möglicherweise andere kanonische Mikrosporidien die Fähigkeit entwickelt haben, große Mengen kleiner Metaboliten effizient in der Ribosomenstruktur einzufangen, um den Rückgang der rRNA- und Proteinspiegel zu kompensieren. Dabei haben sie die einzigartige Fähigkeit entwickelt, Nukleotide außerhalb des Ribosoms zu binden. Dies zeigt, dass parasitäre Molekülstrukturen dies kompensieren, indem sie reichlich kleine Metaboliten einfangen und diese als strukturelle Nachahmung degradierter RNA- und Proteinfragmente nutzen.
Der dritte nicht simulierte Teil unserer Kryo-EM-Karte, gefunden in der großen ribosomalen Untereinheit. Die relativ hohe Auflösung (2,6 Å) unserer Karte deutet darauf hin, dass diese Dichte zu Proteinen mit einzigartigen Kombinationen großer Seitenkettenreste gehört, wodurch wir diese Dichte als bisher unbekanntes ribosomales Protein identifizieren konnten, das wir msL2 (Microsporidia-spezifisches Protein L2) nannten (Methoden, Abbildung 6). Unsere Homologiesuche zeigte, dass msL2 in der Microsporidia-Klade der Gattungen Encephaliter und Orosporidium konserviert ist, in anderen Arten, einschließlich anderer Microsporidia, jedoch fehlt. In der ribosomalen Struktur besetzt msL2 eine Lücke, die durch den Verlust der erweiterten ES31L-rRNA entstanden ist. In dieser Lücke hilft msL2, die rRNA-Faltung zu stabilisieren und kann den Verlust von ES31L kompensieren (Abbildung 6).
a Elektronendichte und Modell des in E. cuniculi-Ribosomen gefundenen Microsporidia-spezifischen Ribosomenproteins msL2. b Bei den meisten eukaryotischen Ribosomen, darunter dem 80S-Ribosom von Saccharomyces cerevisiae, ist die ES19L-rRNA-Amplifikation in den meisten Microsporidia-Arten verloren gegangen. Die zuvor festgestellte Struktur des V. necatrix-Microsporidia-Ribosoms legt nahe, dass der Verlust von ES19L in diesen Parasiten durch die Entwicklung des neuen Ribosomenproteins msL1 kompensiert wird. In dieser Studie haben wir festgestellt, dass das E. cuniculi-Ribosom auch ein zusätzliches ribosomales RNA-Mimetikumprotein entwickelt hat, offensichtlich als Kompensation für den Verlust von ES19L. Allerdings haben msL2 (derzeit als hypothetisches ECU06_1135-Protein bezeichnet) und msL1 unterschiedliche strukturelle und evolutionäre Ursprünge. c Die Entdeckung der Entstehung evolutionär nicht verwandter ribosomaler Proteine ​​msL1 und msL2 legt nahe, dass Ribosomen, wenn sie schädliche Mutationen in ihrer rRNA ansammeln, selbst in einer kleinen Untergruppe eng verwandter Arten eine beispiellose Zusammensetzungsvielfalt erreichen können. Diese Entdeckung könnte dazu beitragen, den Ursprung und die Evolution des mitochondrialen Ribosoms aufzuklären, das für seine stark reduzierte rRNA und seine abnorme Variabilität der Proteinzusammensetzung zwischen verschiedenen Arten bekannt ist.
Anschließend verglichen wir das msL2-Protein mit dem zuvor beschriebenen msL1-Protein, dem einzigen bekannten Mikrosporidien-spezifischen ribosomalen Protein, das im Ribosom von V. necatrix gefunden wurde. Wir wollten prüfen, ob msL1 und msL2 evolutionär verwandt sind. Unsere Analyse ergab, dass msL1 und msL2 denselben Hohlraum in der ribosomalen Struktur einnehmen, aber unterschiedliche Primär- und Tertiärstrukturen aufweisen, was auf ihren unabhängigen evolutionären Ursprung hindeutet (Abb. 6). Somit liefert unsere Entdeckung von msL2 den Beweis, dass Gruppen kompakter eukaryotischer Arten unabhängig voneinander strukturell unterschiedliche ribosomale Proteine ​​entwickeln können, um den Verlust von rRNA-Fragmenten zu kompensieren. Dieser Befund ist insofern bemerkenswert, als die meisten zytoplasmatischen eukaryotischen Ribosomen ein invariantes Protein enthalten, darunter dieselbe Familie von 81 ribosomalen Proteinen. Das Auftreten von msL1 und msL2 in verschiedenen Kladen von Mikrosporidien als Reaktion auf den Verlust erweiterter rRNA-Segmente lässt darauf schließen, dass die Verschlechterung der molekularen Architektur des Parasiten dazu führt, dass die Parasiten nach kompensatorischen Mutationen suchen, die schließlich zu deren Erwerb in verschiedenen Parasitenpopulationen führen können. Strukturen.
Nachdem unser Modell fertiggestellt war, verglichen wir die Zusammensetzung des E. cuniculi-Ribosoms mit der aus der Genomsequenz vorhergesagten. Mehrere ribosomale Proteine, darunter eL14, eL38, eL41 und eS30, galten bisher als im E. cuniculi-Genom fehlend, da ihre Homologe dort offensichtlich fehlten. Der Verlust vieler ribosomaler Proteine ​​wird auch bei den meisten anderen stark reduzierten intrazellulären Parasiten und Endosymbionten vorhergesagt. Obwohl beispielsweise die meisten freilebenden Bakterien dieselbe Familie von 54 ribosomalen Proteinen enthalten, weisen nur elf dieser Proteinfamilien nachweisbare Homologe in jedem analysierten Genom wirtsgebundener Bakterien auf. Zur Unterstützung dieser Annahme wurde ein Verlust ribosomaler Proteine ​​in Mikrosporidien von V. necatrix und P. locustae experimentell beobachtet, denen die Proteine ​​eL38 und eL4131,32 fehlen.
Unsere Strukturen zeigen jedoch, dass im E. cuniculi-Ribosom tatsächlich nur eL38, eL41 und eS30 verloren gegangen sind. Das eL14-Protein blieb erhalten und unsere Struktur zeigte, warum dieses Protein bei der Homologiesuche nicht gefunden werden konnte (Abb. 7). In E. cuniculi-Ribosomen geht der größte Teil der eL14-Bindungsstelle durch Abbau des rRNA-amplifizierten ES39L verloren. In Abwesenheit von ES39L verlor eL14 den größten Teil seiner Sekundärstruktur und nur 18 % der eL14-Sequenz waren bei E. cuniculi und S. cerevisiae identisch. Diese schlechte Sequenzerhaltung ist bemerkenswert, da sogar Saccharomyces cerevisiae und Homo sapiens – Organismen, deren Evolution 1,5 Milliarden Jahre auseinander lag – mehr als 51 % der gleichen Reste in eL14 aufweisen. Dieser anomale Verlust der Konservierung erklärt, warum E. cuniculi eL14 derzeit als mutmaßliches M970_061160-Protein und nicht als ribosomales Protein eL1427 bezeichnet wird.
und Das Microsporidia-Ribosom verlor die ES39L-rRNA-Verlängerung, wodurch die Bindungsstelle des ribosomalen Proteins eL14 teilweise eliminiert wurde. In Abwesenheit von ES39L erleidet das Mikrosporidia-Protein eL14 einen Verlust der Sekundärstruktur, bei dem die ehemalige rRNA-bindende α-Helix zu einer Schleife minimaler Länge degeneriert. b Eine multiple Sequenzalignment zeigt, dass das eL14-Protein in eukaryotischen Spezies hoch konserviert ist (57 % Sequenzidentität zwischen Hefe- und menschlichen Homologen), in Microsporidia jedoch schlecht konserviert und divergent ist (in denen nicht mehr als 24 % der Reste mit dem eL14-Homolog identisch sind). von S. cerevisiae oder H. sapiens). Diese schlechte Sequenzkonservierung und Variabilität der Sekundärstruktur erklärt, warum das eL14-Homolog nie in E. cuniculi gefunden wurde und warum man annimmt, dass dieses Protein in E. cuniculi verloren gegangen ist. Im Gegensatz dazu wurde E. cuniculi eL14 zuvor als mutmaßliches M970_061160-Protein annotiert. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass die Diversität des Mikrosporidien-Genoms derzeit überschätzt wird: Einige Gene, von denen man derzeit annimmt, dass sie in Mikrosporidien verloren gegangen sind, sind tatsächlich erhalten geblieben, wenn auch in hochdifferenzierter Form; andere hingegen kodieren vermutlich Mikrosporidien-Gene für wurmspezifische Proteine ​​(z. B. kodiert das hypothetische Protein M970_061160 tatsächlich für die sehr vielfältigen Proteine, die in anderen Eukaryoten vorkommen).
Dieser Befund deutet darauf hin, dass die Denaturierung von rRNA zu einem dramatischen Verlust der Sequenzkonservierung in benachbarten ribosomalen Proteinen führen kann, wodurch diese Proteine ​​für Homologiesuchen nicht mehr nachweisbar sind. Daher überschätzen wir möglicherweise den tatsächlichen Grad des molekularen Abbaus in kleinen Genomorganismen, da einige als verloren geglaubte Proteine ​​tatsächlich bestehen bleiben, wenn auch in stark veränderter Form.
Wie können Parasiten die Funktion ihrer molekularen Maschinen unter Bedingungen extremer Genomreduktion aufrechterhalten? Unsere Studie beantwortet diese Frage durch die Beschreibung der komplexen Molekülstruktur (Ribosom) von E. cuniculi, einem Organismus mit einem der kleinsten eukaryotischen Genome.
Seit fast zwei Jahrzehnten ist bekannt, dass sich Protein- und RNA-Moleküle mikrobieller Parasiten oft von ihren homologen Molekülen in frei lebenden Arten unterscheiden, da ihnen Qualitätskontrollzentren fehlen, sie auf 50 % ihrer Größe in frei lebenden Mikroben reduziert sind usw. Viele schwächende Mutationen beeinträchtigen die Faltung und Funktion. So fehlt beispielsweise den Ribosomen kleiner Genomorganismen, darunter vieler intrazellulärer Parasiten und Endosymbionten, im Vergleich zu frei lebenden Arten vermutlich mehrere ribosomale Proteine ​​und bis zu einem Drittel der rRNA-Nukleotide 27, 29, 30, 49. Die Funktionsweise dieser Moleküle in Parasiten bleibt jedoch weitgehend ein Rätsel und wird hauptsächlich durch vergleichende Genomik untersucht.
Unsere Studie zeigt, dass die Struktur von Makromolekülen viele Aspekte der Evolution offenbaren kann, die sich aus traditionellen vergleichenden Genomstudien intrazellulärer Parasiten und anderer wirtsgebundener Organismen nur schwer extrahieren lassen (Ergänzende Abbildung 7). Das Beispiel des eL14-Proteins zeigt beispielsweise, dass wir den tatsächlichen Grad der Degradation des molekularen Apparats parasitärer Arten überschätzen können. Man geht heute davon aus, dass enzephalitische Parasiten Hunderte von mikrosporidienspezifischen Genen besitzen. Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass einige dieser scheinbar spezifischen Gene in Wirklichkeit nur sehr unterschiedliche Varianten von Genen sind, die in anderen Eukaryoten häufig vorkommen. Darüber hinaus zeigt das Beispiel des msL2-Proteins, wie wir neue ribosomale Proteine ​​übersehen und den Inhalt parasitärer molekularer Maschinen unterschätzen. Das Beispiel kleiner Moleküle zeigt, wie wir die raffiniertesten Innovationen in parasitären Molekularstrukturen übersehen können, die ihnen neue biologische Aktivität verleihen können.
Zusammengenommen verbessern diese Ergebnisse unser Verständnis der Unterschiede zwischen den molekularen Strukturen wirtsgebundener Organismen und ihren Gegenstücken in freilebenden Organismen. Wir zeigen, dass molekulare Maschinen, die lange Zeit als reduziert, degeneriert und anfällig für verschiedene schwächende Mutationen galten, stattdessen eine Reihe systematisch übersehener ungewöhnlicher Strukturmerkmale aufweisen.
Andererseits legen die nicht-sperrigen rRNA-Fragmente und fusionierten Fragmente, die wir in den Ribosomen von E. cuniculi gefunden haben, nahe, dass die Genomreduktion sogar jene Teile der grundlegenden molekularen Maschinerie verändern kann, die in den drei Domänen des Lebens erhalten geblieben sind – nach fast 3,5 Milliarden Jahren unabhängiger Evolution der Arten.
Die ausbuchtungsfreien und fusionierten rRNA-Fragmente in den Ribosomen von E. cuniculi sind im Lichte früherer Studien zu RNA-Molekülen in endosymbiotischen Bakterien von besonderem Interesse. So wurde zum Beispiel gezeigt, dass beim Blattlaus-Endosymbionten Buchnera aphidicola rRNA- und tRNA-Moleküle aufgrund einer A+T-Zusammensetzungsverzerrung und eines hohen Anteils nicht-kanonischer Basenpaare temperaturempfindliche Strukturen aufweisen20,50. Diese Veränderungen in der RNA sowie Veränderungen in Proteinmolekülen werden heute für die übermäßige Abhängigkeit der Endosymbionten von Partnern und ihre Unfähigkeit zur Wärmeübertragung verantwortlich gemacht21,23. Obwohl die rRNA parasitärer Mikrosporidien strukturell deutliche Veränderungen aufweist, legt die Art dieser Veränderungen nahe, dass eine verringerte thermische Stabilität und eine höhere Abhängigkeit von Chaperon-Proteinen gemeinsame Merkmale von RNA-Molekülen in Organismen mit reduzierten Genomen sein könnten.
Andererseits zeigen unsere Strukturen, dass parasitäre Mikrosporidien eine einzigartige Fähigkeit entwickelt haben, weitgehend konservierten rRNA- und Proteinfragmenten zu widerstehen, und die Fähigkeit entwickelt haben, reichlich vorhandene und leicht verfügbare kleine Metabolite als strukturelle Nachahmer degenerierter rRNA- und Proteinfragmente zu verwenden. Abbau der Molekularstruktur. Diese Meinung wird durch die Tatsache gestützt, dass kleine Moleküle, die den Verlust von Proteinfragmenten in der rRNA und den Ribosomen von E. cuniculi kompensieren, an Mikrosporidien-spezifische Reste in den Proteinen uL15 und eL30 binden. Das deutet darauf hin, dass die Bindung kleiner Moleküle an Ribosomen ein Produkt positiver Selektion sein könnte, bei der Mikrosporidien-spezifische Mutationen in ribosomalen Proteinen aufgrund ihrer Fähigkeit selektiert wurden, die Affinität von Ribosomen für kleine Moleküle zu erhöhen, was zu effizienteren ribosomalen Organismen führen könnte. Die Entdeckung stellt eine intelligente Innovation in der Molekularstruktur mikrobieller Parasiten dar und ermöglicht uns ein besseres Verständnis davon, wie die Molekularstrukturen von Parasiten trotz reduktiver Evolution ihre Funktion beibehalten.
Die Identifizierung dieser kleinen Moleküle ist derzeit noch unklar. Es ist nicht klar, warum das Auftreten dieser kleinen Moleküle in der Ribosomenstruktur zwischen Mikrosporidienarten unterschiedlich ist. Insbesondere ist nicht klar, warum eine Nukleotidbindung in den Ribosomen von E. cuniculi und P. locustae beobachtet wird, aber nicht in den Ribosomen von V. necatrix, obwohl der Rest F170 in den Proteinen eL20 und K172 von V. necatrix vorhanden ist. Diese Deletion könnte durch den Rest 43 uL6 (neben der Nukleotidbindungstasche) verursacht werden, der bei V. necatrix ein Tyrosinrest und bei E. cuniculi und P. locustae kein Threoninrest ist. Die sperrige aromatische Seitenkette von Tyr43 kann aufgrund sterischer Überlappung die Nukleotidbindung stören. Alternativ könnte die scheinbare Nukleotideletion auf die niedrige Auflösung der Kryo-EM-Bildgebung zurückzuführen sein, die die Modellierung der Ribosomenfragmente von V. necatrix erschwert.
Andererseits legt unsere Arbeit nahe, dass der Prozess des Genomzerfalls eine erfinderische Kraft sein könnte. Insbesondere die Struktur des E. cuniculi-Ribosoms legt nahe, dass der Verlust von rRNA und Proteinfragmenten im Mikrosporidien-Ribosom einen evolutionären Druck erzeugt, der Veränderungen der Ribosomenstruktur fördert. Diese Varianten treten weit entfernt vom aktiven Zentrum des Ribosoms auf und scheinen dazu beizutragen, die optimale Ribosomenanordnung aufrechtzuerhalten (oder wiederherzustellen), die andernfalls durch reduzierte rRNA gestört würde. Dies deutet darauf hin, dass eine wesentliche Innovation des Mikrosporidien-Ribosoms offenbar die Notwendigkeit der Pufferung von Gendrift darstellt.
Am besten lässt sich dies vielleicht anhand der Nukleotidbindung veranschaulichen, die bei anderen Organismen bislang noch nie beobachtet wurde. Die Tatsache, dass Nukleotid-bindende Reste in typischen Mikrosporidien, aber nicht in anderen Eukaryoten vorhanden sind, legt nahe, dass Nukleotid-Bindungsstellen nicht nur Relikte sind, die darauf warten zu verschwinden, oder die endgültige Stelle, an der rRNA in die Form einzelner Nukleotide zurückgeführt wird. Stattdessen scheint diese Stelle ein nützliches Merkmal zu sein, das sich über mehrere Runden positiver Selektion entwickelt haben könnte. Nukleotid-Bindungsstellen könnten ein Nebenprodukt natürlicher Selektion sein: ist ES39L einmal abgebaut, sind Mikrosporidien gezwungen, nach Kompensationen zu suchen, um in Abwesenheit von ES39L die optimale Ribosomenbiogenese wiederherzustellen. Da dieses Nukleotid die molekularen Kontakte des Nukleotids A3186 in ES39L nachahmen kann, wird das Nukleotidmolekül zu einem Baustein des Ribosoms, dessen Bindung durch Mutation der eL30-Sequenz weiter verbessert wird.
Im Hinblick auf die molekulare Evolution intrazellulärer Parasiten zeigt unsere Studie, dass die Kräfte der darwinistischen natürlichen Selektion und der genetischen Drift des Genomzerfalls nicht parallel wirken, sondern oszillieren. Erstens eliminiert die genetische Drift wichtige Eigenschaften von Biomolekülen, wodurch eine Kompensation dringend erforderlich wird. Nur wenn Parasiten dieses Bedürfnis durch darwinistische natürliche Selektion befriedigen, haben ihre Makromoleküle die Chance, ihre beeindruckendsten und innovativsten Eigenschaften zu entwickeln. Wichtig ist, dass die Evolution der Nukleotidbindungsstellen im Ribosom von E. cuniculi darauf hindeutet, dass dieses Verlust-Gewinn-Muster der molekularen Evolution nicht nur schädliche Mutationen amortisiert, sondern parasitären Makromolekülen manchmal auch völlig neue Funktionen verleiht.
Diese Idee steht im Einklang mit Sewell Wrights Theorie des gleitenden Gleichgewichts, die besagt, dass ein striktes System natürlicher Selektion die Innovationsfähigkeit von Organismen einschränkt51,52,53. Wenn jedoch genetische Drift die natürliche Selektion stört, können diese Drifts Veränderungen hervorrufen, die an sich nicht adaptiv (oder sogar schädlich) sind, aber zu weiteren Veränderungen führen, die eine höhere Fitness oder neue biologische Aktivität ermöglichen. Unser Rahmen unterstützt diese Idee, indem er zeigt, dass dieselbe Art von Mutation, die die Faltung und Funktion eines Biomoleküls reduziert, der Hauptauslöser für dessen Verbesserung zu sein scheint. In Übereinstimmung mit dem Win-Win-Evolutionsmodell zeigt unsere Studie, dass der Genomzerfall, traditionell als degenerativer Prozess betrachtet, auch ein wichtiger Innovationstreiber ist und es Makromolekülen manchmal und vielleicht sogar oft ermöglicht, neue parasitäre Aktivitäten zu erwerben.