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Die Evolution mikrobieller Parasiten beruht auf einem Wechselspiel zwischen natürlicher Selektion, die zu Verbesserungen der Parasiten führt, und Gendrift, die Genverlust und die Anhäufung schädlicher Mutationen zur Folge hat. Um zu verstehen, wie dieses Wechselspiel auf der Ebene einzelner Makromoleküle abläuft, 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 E. cuniculi-Ribosomen geht mit beispiellosen Strukturveränderungen einher, wie der Evolution bisher unbekannter fusionierter rRNA-Linker und rRNA ohne Ausbuchtungen. Darüber hinaus hat das E. cuniculi-Ribosom den Verlust von rRNA-Fragmenten und Proteinen überstanden, indem es die Fähigkeit entwickelt hat, kleine Moleküle als Strukturanaloga abgebauten rRNA-Fragmenten und Proteinen zu nutzen. Insgesamt zeigen wir, dass Molekülstrukturen, von denen man lange annahm, sie seien reduziert, degeneriert und anfällig für schwächende Mutationen, über eine Reihe von Kompensationsmechanismen verfügen, die sie trotz extremer molekularer Kontraktionen aktiv halten.
Da die meisten Gruppen mikrobieller Parasiten über einzigartige molekulare Werkzeuge zur Ausnutzung ihrer Wirte verfügen, müssen wir oft unterschiedliche Therapeutika für verschiedene Parasitengruppen entwickeln1,2. Neuere Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass einige Aspekte der Parasitenevolution konvergent und weitgehend vorhersagbar sind, was eine potenzielle Grundlage für breite therapeutische Interventionen bei mikrobiellen Parasiten darstellt3,4,5,6,7,8,9.
Frühere Arbeiten haben einen gemeinsamen evolutionären Trend bei mikrobiellen Parasiten identifiziert, die sogenannte Genomreduktion oder der Genomzerfall^10,11,12,13. Aktuelle Forschungen zeigen, dass Mikroorganismen, die ihren freilebenden Lebensstil aufgeben und zu intrazellulären Parasiten (oder Endosymbionten) werden, über Millionen von Jahren langsame, aber erstaunliche Metamorphosen durchlaufen^9,11. In einem als Genomzerfall bekannten Prozess akkumulieren mikrobielle Parasiten schädliche Mutationen, die viele ehemals wichtige Gene in Pseudogene umwandeln, was zu einem allmählichen Genverlust und einem Zusammenbruch des Mutationsspektrums führt^14,15. Dieser Zusammenbruch kann bis zu 95 % der Gene in den ältesten intrazellulären Organismen im Vergleich zu eng verwandten freilebenden Arten zerstören. Die Evolution intrazellulärer Parasiten ist somit ein Tauziehen zwischen zwei gegensätzlichen Kräften: der darwinistischen natürlichen Selektion, die zur Verbesserung der Parasiten führt, und dem Zusammenbruch des Genoms, der die Parasiten ins Vergessen stürzt. Wie es dem Parasiten gelang, aus diesem Kräftemessen hervorzugehen und die Aktivität seiner molekularen Struktur zu bewahren, bleibt unklar.
Obwohl der Mechanismus des Genomzerfalls noch nicht vollständig verstanden ist, scheint er hauptsächlich auf häufige Gendrift zurückzuführen zu sein. Da Parasiten in kleinen, asexuellen und genetisch begrenzten Populationen leben, können sie schädliche Mutationen, die gelegentlich während der DNA-Replikation auftreten, nicht effektiv eliminieren. Dies führt zu einer irreversiblen Anhäufung schädlicher Mutationen und einer Reduktion des Parasitengenoms. Infolgedessen verliert der Parasit nicht nur Gene, die für sein Überleben im intrazellulären Milieu nicht mehr notwendig sind. Es ist die Unfähigkeit der Parasitenpopulationen, sporadische schädliche Mutationen effektiv zu eliminieren, die dazu führt, dass sich diese Mutationen im gesamten Genom anhäufen, einschließlich ihrer wichtigsten Gene.
Unser derzeitiges Verständnis der Genomreduktion basiert größtenteils auf dem Vergleich von Genomsequenzen, wobei Veränderungen an Molekülen, die grundlegende Zellfunktionen erfüllen und als potenzielle Angriffspunkte für Medikamente dienen, weniger Beachtung finden. Vergleichende Studien haben gezeigt, dass die Belastung durch schädliche intrazelluläre mikrobielle Mutationen Proteine ​​und Nukleinsäuren anfälliger für Fehlfaltung und Aggregation macht, wodurch sie stärker von Chaperonen abhängig und hitzeempfindlicher werden^{19,20,21,22,23}. Darüber hinaus erlitten verschiedene Parasiten – deren Evolution teilweise unabhängig voneinander und mit bis zu 2,5 Milliarden Jahren Abstand stattfand – einen ähnlichen Verlust von Qualitätskontrollzentren in ihrer Proteinsynthese^5,6 und ihren DNA-Reparaturmechanismen²⁴. Allerdings ist wenig über die Auswirkungen des intrazellulären Lebensstils auf alle anderen Eigenschaften zellulärer Makromoleküle bekannt, einschließlich der molekularen Anpassung an eine zunehmende Belastung durch schädliche Mutationen.
In dieser Arbeit bestimmten wir die Struktur der Ribosomen des intrazellulären Parasiten Encephalitozoon cuniculi, um die Evolution von Proteinen und Nukleinsäuren intrazellulärer Mikroorganismen besser zu verstehen. E. cuniculi ist ein pilzähnlicher Organismus aus der Gruppe der parasitären Mikrosporidien mit ungewöhnlich kleinen eukaryotischen Genomen und dient daher als Modellorganismus zur Untersuchung des Genomzerfalls^{25,26,27,28,29,30}. Kürzlich wurde die Ribosomenstruktur mittels Kryo-Elektronenmikroskopie für moderat reduzierte Genome der Mikrosporidien Paranosema locustae und Vairimorpha necatrix^31,32 (Genomgröße ca. 3,2 Mb) bestimmt. Diese Strukturen legen nahe, dass ein gewisser Verlust der rRNA-Amplifikation durch die Ausbildung neuer Kontakte zwischen benachbarten ribosomalen Proteinen oder die Aufnahme neuer msL1-Ribosomenproteine ​​kompensiert wird^31,32. Die Arten Encephalitozoon (Genom ~2,5 Millionen bp) und ihre nächsten Verwandten, Ordospora, demonstrieren den höchsten Grad der Genomreduktion bei Eukaryoten – sie besitzen weniger als 2000 proteinkodierende Gene. Es wird angenommen, dass ihre Ribosomen nicht nur keine rRNA-Expansionsfragmente (rRNA-Fragmente, die eukaryotische von bakteriellen Ribosomen unterscheiden) aufweisen, sondern aufgrund fehlender Homologe im Genom von E. cuniculi auch nur vier ribosomale Proteine ​​besitzen.^26,27,28 Daher schlussfolgerten wir, dass das Ribosom von E. cuniculi bisher unbekannte Strategien der molekularen Anpassung an den Genomverfall aufzeigen kann.
Unsere Kryo-EM-Struktur stellt das kleinste bisher charakterisierte eukaryotische cytoplasmatische Ribosom dar und liefert Einblicke, wie der Grad der Genomreduktion die Struktur, den Zusammenbau und die Evolution der für die Zelle essenziellen molekularen Maschinerie beeinflusst. Wir fanden heraus, dass das Ribosom von E. cuniculi viele der weitgehend konservierten Prinzipien der RNA-Faltung und des Ribosomenzusammenbaus verletzt und entdeckten ein neues, bisher unbekanntes ribosomales Protein. Überraschenderweise zeigen wir, dass Mikrosporidien-Ribosomen die Fähigkeit zur Bindung kleiner Moleküle entwickelt haben, und vermuten, dass Verkürzungen in rRNA und Proteinen evolutionäre Innovationen auslösen, die dem Ribosom letztendlich nützliche Eigenschaften verleihen könnten.
Um unser Verständnis der Evolution von Proteinen und Nukleinsäuren in intrazellulären Organismen zu verbessern, isolierten wir E. cuniculi-Sporen aus Kulturen infizierter Säugetierzellen, um deren Ribosomen zu reinigen und deren Struktur zu bestimmen. Da Mikrosporidien nicht in Nährmedien kultiviert werden können, ist es schwierig, eine größere Anzahl dieser Parasiten zu gewinnen. Sie wachsen und vermehren sich ausschließlich innerhalb der Wirtszelle. Um E. cuniculi-Biomasse für die Ribosomenreinigung zu erhalten, infizierten wir daher die Säugetier-Nierenzelllinie RK13 mit E. cuniculi-Sporen und kultivierten die infizierten Zellen mehrere Wochen lang, um das Wachstum und die Vermehrung von E. cuniculi zu ermöglichen. Mit einer infizierten Zellmonoschicht von etwa einem halben Quadratmeter konnten wir ca. 300 mg Mikrosporidien-Sporen reinigen und daraus Ribosomen isolieren. Anschließend wurden die gereinigten Sporen mit Glasperlen aufgeschlossen und die rohen Ribosomen durch schrittweise Polyethylenglykol-Fraktionierung der Lysate isoliert. Dadurch konnten wir etwa 300 µg rohe E. cuniculi-Ribosomen für die Strukturanalyse gewinnen.
Anschließend erstellten wir Kryo-EM-Bilder der gewonnenen Ribosomenproben und bearbeiteten diese mithilfe von Masken, die der großen ribosomalen Untereinheit, dem Kopf der kleinen Untereinheit und der kleinen Untereinheit entsprachen. Dabei erfassten wir Bilder von etwa 108.000 Ribosomenpartikeln und berechneten Kryo-EM-Bilder mit einer Auflösung von 2,7 Å (Ergänzende Abbildungen 1–3). Mithilfe dieser Kryo-EM-Bilder modellierten wir rRNA, ribosomale Proteine ​​und den Hibernationsfaktor Mdf1, die mit Ribosomen von E. cuniculi assoziiert sind (Abb. 1a, b).
a) Struktur des E. cuniculi-Ribosoms im Komplex mit dem Hibernationsfaktor Mdf1 (PDB-ID 7QEP). b) Karte des mit dem E. cuniculi-Ribosom assoziierten Hibernationsfaktors Mdf1. c) Karte der Sekundärstruktur im Vergleich der in Mikrosporidien gefundenen rRNA mit bekannten Ribosomenstrukturen. Die Abbildungen zeigen die Positionen der amplifizierten rRNA-Fragmente (ES) und der aktiven Zentren des Ribosoms, einschließlich der Decodierungsstelle (DC), der Sarcinicin-Schleife (SRL) und des Peptidyltransferasezentrums (PTC). d) Die Elektronendichte des Peptidyltransferasezentrums des E. cuniculi-Ribosoms deutet darauf hin, dass dieses katalytische Zentrum im Parasiten E. cuniculi und seinen Wirten, einschließlich H. sapiens, die gleiche Struktur aufweist. Die zugehörige Elektronendichte (e) und die schematische Struktur (f) des Dekodierungszentrums zeigen, dass E. cuniculi anstelle der in vielen anderen Eukaryoten üblichen Aminosäure A1491 (E. coli-Nummerierung) die Aminosäure U1491 aufweist. Diese Veränderung lässt vermuten, dass E. cuniculi empfindlich gegenüber Antibiotika sein könnte, die dieses aktive Zentrum angreifen.
Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Strukturen der Ribosomen von V. necatrix und P. locustae (beide Strukturen gehören zur selben Mikrosporidienfamilie Nosematidae und sind einander sehr ähnlich)^31,32 unterliegen die Ribosomen von E. cuniculi zahlreichen Fragmentierungsprozessen der rRNA und der Proteine. Weitere Denaturierung ist in den Abbildungen 4–6 des Anhangs dargestellt. Die auffälligsten Veränderungen in der rRNA umfassen den vollständigen Verlust des amplifizierten 25S-rRNA-Fragments ES12L und die partielle Degeneration der Helices h39, h41 und H18 (Abb. 1c, Abb. 4 des Anhangs). Bei den ribosomalen Proteinen waren die auffälligsten Veränderungen der vollständige Verlust des eS30-Proteins und die Verkürzung der eL8-, eL13-, eL18-, eL22-, eL29-, eL40-, uS3-, uS9-, uS14-, uS17- und eS7-Proteine ​​(Ergänzende Abbildungen 4, 5).
Die extreme Reduktion der Genome von Encephalotozoon/Ordospora-Arten spiegelt sich in ihrer Ribosomenstruktur wider: Die Ribosomen von E. cuniculi weisen den dramatischsten Proteinverlust aller eukaryotischen cytoplasmatischen Ribosomen auf, die einer Strukturanalyse unterzogen wurden. Ihnen fehlen sogar jene rRNA- und Proteinfragmente, die nicht nur in Eukaryoten, sondern in allen drei Domänen des Lebens weit verbreitet sind. Die Struktur des E. cuniculi-Ribosoms liefert das erste molekulare Modell für diese Veränderungen und offenbart evolutionäre Ereignisse, die sowohl in der vergleichenden Genomik als auch in Studien zur intrazellulären Biomolekülstruktur bisher übersehen wurden (Ergänzende Abb. 7). Im Folgenden beschreiben wir jedes dieser Ereignisse zusammen mit seinem wahrscheinlichen evolutionären Ursprung und seinen potenziellen Auswirkungen auf die Ribosomenfunktion.
Wir fanden heraus, dass E. cuniculi-Ribosomen neben großen rRNA-Verkürzungen auch rRNA-Variationen an einem ihrer aktiven Zentren aufweisen. Obwohl das Peptidyltransferasezentrum des E. cuniculi-Ribosoms die gleiche Struktur wie andere eukaryotische Ribosomen besitzt (Abb. 1d), unterscheidet sich das Decodierungszentrum aufgrund einer Sequenzvariation am Nukleotid 1491 (E. coli-Nummerierung, Abb. 1e, f). Diese Beobachtung ist wichtig, da das Decodierungszentrum eukaryotischer Ribosomen typischerweise die Aminosäuren G1408 und A1491 enthält, im Gegensatz zu den Aminosäuren A1408 und G1491 des bakteriellen Typs. Diese Variation ist die Grundlage für die unterschiedliche Empfindlichkeit bakterieller und eukaryotischer Ribosomen gegenüber Aminoglykosid-Antibiotika und anderen kleinen Molekülen, die das Decodierungszentrum angreifen. An der Decodierungsstelle des Ribosoms von E. cuniculi wurde die Aminosäure A1491 durch U1491 ersetzt, wodurch möglicherweise eine einzigartige Bindungsstelle für kleine Moleküle entsteht, die auf dieses aktive Zentrum abzielen. Dieselbe A1491-Variante findet sich auch in anderen Mikrosporidien wie P. locustae und V. necatrix, was darauf hindeutet, dass sie unter Mikrosporidien weit verbreitet ist (Abb. 1f).
Da unsere E. cuniculi-Ribosomenproben aus metabolisch inaktiven Sporen isoliert wurden, untersuchten wir die Kryo-EM-Karte von E. cuniculi auf zuvor beschriebene Ribosomenbindungen unter Stress- oder Hungerbedingungen. Wir verglichen die zuvor ermittelte Struktur des überwinternden Ribosoms mit der Kryo-EM-Karte des E. cuniculi-Ribosoms. Für das Docking wurden S. cerevisiae-Ribosomen im Komplex mit dem Überwinterungsfaktor Stm138, Heuschrecken-Ribosomen im Komplex mit dem Faktor Lso232 und V. necatrix-Ribosomen im Komplex mit den Faktoren Mdf1 und Mdf231 verwendet. Gleichzeitig ermittelten wir die Kryo-EM-Dichte, die dem Ruhefaktor Mdf1 entspricht. 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 Parasitesporen nach der Inaktivierung des Körpers metabolisch inaktiv werden (Abbildung 2).
Mdf1 blockiert die E-Stelle des Ribosoms, was offenbar zur Inaktivierung des Ribosoms beiträgt, wenn Parasitesporen metabolisch inaktiv werden. In der Struktur des E. cuniculi-Ribosoms fanden wir heraus, dass Mdf1 einen bisher unbekannten Kontakt mit dem L1-Ribosomenstamm ausbildet, dem Teil des Ribosoms, der die Ablösung deacylierter tRNA während der Proteinbiosynthese ermöglicht. Diese Kontakte legen nahe, dass Mdf1 sich über denselben Mechanismus vom Ribosom löst wie deacetylierte tRNA. Dies liefert eine mögliche Erklärung dafür, wie das Ribosom Mdf1 entfernt, um die Proteinbiosynthese zu reaktivieren.
Unsere Strukturanalyse enthüllte jedoch einen bisher unbekannten Kontakt zwischen Mdf1 und dem L1-Ribosomenbein (dem Teil des Ribosoms, der während der Proteinbiosynthese die Ablösung deacylierter tRNA unterstützt). Mdf1 nutzt dabei dieselben Kontakte wie das Ellbogensegment des deacylierten tRNA-Moleküls (Abb. 2). Diese zuvor unbekannte Molekülmodellierung zeigte, dass Mdf1 sich mit demselben Mechanismus vom Ribosom löst wie deacetylierte tRNA. Dies erklärt, wie das Ribosom diesen Ruhezustandsfaktor entfernt, um die Proteinbiosynthese zu reaktivieren.
Beim Aufbau 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 in allen drei Domänen des Lebens vorkommen, faltet sich die rRNA in Strukturen, in denen die meisten rRNA-Basen entweder Basenpaare bilden und miteinander falten oder mit ribosomalen Proteinen interagieren^38,39,40. In den Ribosomen von E. cuniculi scheint die rRNA jedoch gegen dieses Faltungsprinzip zu verstoßen, indem sie einige ihrer Helices in ungefaltete rRNA-Bereiche umwandelt.
Struktur der H18 25S rRNA-Helix in S. cerevisiae, V. necatrix und E. cuniculi. Typischerweise windet sich dieser Linker in Ribosomen, die alle drei Lebensdomänen umfassen, zu einer RNA-Helix mit 24 bis 34 Aminosäuren. Im Gegensatz dazu ist dieser rRNA-Linker in Mikrosporidien schrittweise auf zwei einzelsträngige, uridinreiche Linker mit nur 12 Aminosäuren reduziert. Die meisten dieser Aminosäuren sind Lösungsmitteln ausgesetzt. Die Abbildung zeigt, dass parasitäre Mikrosporidien die allgemeinen Prinzipien der rRNA-Faltung zu verletzen scheinen, bei der rRNA-Basen üblicherweise an andere Basen gekoppelt oder an rRNA-Protein-Interaktionen beteiligt sind. In Mikrosporidien nehmen einige rRNA-Fragmente eine ungünstige Faltung an, bei der die ehemalige rRNA-Helix zu einem einzelsträngigen, nahezu geradlinig gestreckten Fragment wird. Das Vorhandensein dieser ungewöhnlichen Regionen ermöglicht es der rRNA der Mikrosporidien, mit einer minimalen Anzahl von RNA-Basen entfernte rRNA-Fragmente zu binden.
Das eindrucksvollste Beispiel für diesen evolutionären Übergang findet sich in der H18 25S rRNA-Helix (Abb. 3). Bei Organismen von E. coli bis zum Menschen besteht diese rRNA-Helix aus 24–32 Nukleotiden und bildet eine leicht unregelmäßige Helix. In zuvor identifizierten ribosomalen Strukturen von V. necatrix und P. locustae^31,32 sind die Basen der H18-Helix teilweise entspiralisiert, die Basenpaarung der Nukleotide bleibt jedoch erhalten. In E. cuniculi hingegen werden aus diesem rRNA-Fragment die kürzesten Linker 228UUUGU232 und 301UUUUUUUUU307. Anders als typische rRNA-Fragmente spiralisieren sich diese uridinreichen Linker nicht und bilden keinen ausgedehnten Kontakt mit ribosomalen Proteinen. Stattdessen nehmen sie lösungsmittelfreie und vollständig entfaltete Strukturen an, in denen die rRNA-Stränge nahezu gestreckt sind. Diese gestreckte Konformation erklärt, wie E. cuniculi nur 12 RNA-Basen benötigt, 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.
Wir können somit zeigen, dass parasitäre Mikrosporidien durch energetisch ungünstige Faltung eine Strategie entwickelt haben, um selbst jene rRNA-Abschnitte zu verkürzen, die in allen drei Domänen des Lebens weitgehend konserviert sind. Offenbar kann E. cuniculi durch die Akkumulation 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 trägt dazu bei, zu erklären, wie Mikrosporidien eine drastische Reduktion ihrer molekularen Grundstruktur erreichen konnten, ohne ihre strukturelle und funktionelle Integrität zu verlieren.
Eine weitere Besonderheit der rRNA von E. cuniculi ist ihr Fehlen von Verdickungen (Abb. 4). Diese Ausbuchtungen sind Nukleotide ohne Basenpaare, die aus der RNA-Helix herausragen, anstatt in ihr verborgen zu sein. Die meisten dieser Ausbuchtungen fungieren als molekulare Adhäsionen und tragen zur Bindung benachbarter ribosomaler Proteine ​​oder anderer rRNA-Fragmente bei. Einige Ausbuchtungen wirken als Scharniere und ermöglichen es der rRNA-Helix, sich optimal für die Proteinsynthese zu falten und zu biegen⁴¹.
a) Eine rRNA-Protrusion (Nummerierung nach S. cerevisiae) fehlt in der Ribosomenstruktur von E. cuniculi, ist aber in den meisten anderen Eukaryoten vorhanden. b) Parasiten weisen in den internen Ribosomen von E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens und E. cuniculi viele der alten, hochkonservierten rRNA-Ausbuchtungen nicht auf. Diese Verdickungen stabilisieren die Ribosomenstruktur; daher deutet ihr Fehlen in Mikrosporidien auf eine reduzierte Stabilität der rRNA-Faltung in diesen Parasiten hin. Der Vergleich mit P-Stämmen (L7/L12-Stämme in Bakterien) zeigt, dass der Verlust von rRNA-Ausbuchtungen manchmal mit dem Auftreten neuer Ausbuchtungen neben den verloren gegangenen Ausbuchtungen einhergeht. Die H42-Helix in der 23S/28S rRNA weist eine uralte Ausbuchtung (U1206 in Saccharomyces cerevisiae) auf, deren Alter aufgrund ihres Schutzes in drei Domänen des Lebens auf mindestens 3,5 Milliarden Jahre geschätzt wird. Bei Mikrosporidien ist diese Ausbuchtung verschwunden. An ihrer Stelle bildete sich jedoch eine neue Ausbuchtung (A1306 in E. cuniculi).
Auffälligerweise 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 unterbricht viele Kontakte zwischen ribosomalen Untereinheiten und benachbarten rRNA-Helices und führt mitunter zur Bildung großer Hohlräume im Ribosom. Dadurch ist das Ribosom von E. cuniculi poröser als herkömmliche Ribosomen (Abb. 4b). Bemerkenswerterweise fanden wir die meisten dieser Ausbuchtungen auch in den zuvor identifizierten Ribosomenstrukturen von V. necatrix und P. locustae, die in früheren Strukturanalysen übersehen worden waren^31,32.
Manchmal geht der Verlust von rRNA-Ausbuchtungen mit der Bildung neuer Ausbuchtungen neben der verloren gegangenen einher. Beispielsweise enthält der ribosomale P-Stamm (in Saccharomyces cerevisiae) eine U1208-Ausbuchtung, die von E. coli bis zum Menschen erhalten geblieben ist und daher schätzungsweise 3,5 Milliarden Jahre alt ist. Während der Proteinbiosynthese unterstützt diese Ausbuchtung die Bewegung des P-Stamms zwischen offener und geschlossener Konformation, sodass das Ribosom Translationsfaktoren rekrutieren und zum aktiven Zentrum transportieren kann. In Ribosomen von E. cuniculi fehlt diese Verdickung; eine neue Verdickung (G883), die sich nur über drei Basenpaare erstreckt, 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 an der Ribosomenoberfläche beschränkt ist, sondern auch den Ribosomenkern betreffen kann. Dies führt zu einem parasitenspezifischen molekularen Defekt, der in freilebenden Zellen bisher nicht beschrieben wurde.
Nach der Modellierung kanonischer ribosomaler Proteine ​​und rRNA stellten wir fest, dass konventionelle 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 eingebettet, an einer Position, die normalerweise vom C-Terminus von eL18 eingenommen wird, welcher in 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. Seine Bindung an das Ribosom wird durch mikrosporidienspezifische Mutationen in den uL15-Proteinen (Asp51 und Arg56) stabilisiert, die die Affinität des Ribosoms zu diesem kleinen Molekül zu erhöhen scheinen, da sie es uL15 ermöglichen, das kleine Molekül in eine ribosomale Struktur einzuschließen (Ergänzende Abb. 2). 8, zusätzliche Daten 1, 2).
Kryo-EM-Aufnahmen zeigen Nukleotide außerhalb der an das Ribosom von E. cuniculi gebundenen Ribose. Dieses Nukleotid befindet sich im Ribosom von E. cuniculi an derselben Position wie das Nukleotid A3186 der 25S rRNA (Nummerierung nach Saccharomyces cerevisiae) in den meisten anderen eukaryotischen Ribosomen. b In der ribosomalen Struktur von E. cuniculi liegt dieses Nukleotid zwischen den ribosomalen Proteinen uL9 und eL20 und stabilisiert so den Kontakt zwischen den beiden Proteinen. cd Sequenzkonservierungsanalyse von eL20 bei verschiedenen Mikrosporidienarten. Der phylogenetische Baum der Microsporidia-Arten (c) und die multiple Sequenzanalyse des eL20-Proteins (d) zeigen, dass die Nukleotid-bindenden Aminosäuren F170 und K172 in den meisten typischen Microsporidien konserviert sind, mit Ausnahme von S. lophii und frühen Microsporidien, die die ES39L-rRNA-Verlängerung beibehalten haben. Abbildung e zeigt, dass die Nukleotid-bindenden Aminosäuren F170 und K172 nur im eL20 des stark reduzierten Microsporidia-Genoms, nicht aber in anderen Eukaryoten vorkommen. Insgesamt deuten diese Daten darauf hin, dass Microsporidien-Ribosomen eine Nukleotid-Bindungsstelle entwickelt haben, die AMP-Moleküle bindet und diese zur Stabilisierung von Protein-Protein-Interaktionen in der ribosomalen Struktur nutzt. Die hohe Konservierung dieser Bindungsstelle in Microsporidien und ihr Fehlen in anderen Eukaryoten legen nahe, dass diese Stelle Microsporidien einen selektiven Überlebensvorteil verschaffen könnte. Die Nukleotidbindungsstelle im Mikrosporidien-Ribosom scheint somit kein degeneriertes Merkmal oder Endprodukt 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 strukturellen Baustein verwendet. f Hypothetischer evolutionärer Pfad, der sich aus der Nukleotidbindung ergibt.
Die zweite Dichte mit niedrigem Molekulargewicht befindet sich an der Grenzfläche zwischen den ribosomalen Proteinen uL9 und eL30 (Abb. 5a). Diese Grenzfläche wurde bereits in der Struktur des Ribosoms von Saccharomyces cerevisiae als Bindungsstelle für das 25S-Nukleotid der rRNA A3186 (Teil der ES39L-rRNA-Verlängerung) beschrieben³⁸. Es wurde gezeigt, dass diese Grenzfläche in degenerierten ES39L-Ribosomen von P. locustae ein unbekanntes einzelnes Nukleotid bindet³¹. Man nimmt an, dass es sich bei diesem Nukleotid um eine reduzierte Endform der rRNA handelt, deren Länge etwa 130–230 Basen beträgt. ES39L ist auf ein einzelnes Nukleotid reduziert^32,43. Unsere Kryo-EM-Aufnahmen stützen die Annahme, dass die Dichte durch Nukleotide erklärt werden kann. Die höhere Auflösung unserer Struktur zeigte jedoch, dass es sich bei diesem Nukleotid um ein extraribosomales Molekül handelt, möglicherweise AMP (Abb. 5a, b).
Wir untersuchten anschließend, ob die Nukleotidbindungsstelle im Ribosom von E. cuniculi neu auftritt oder bereits zuvor existierte. Da die Nukleotidbindung hauptsächlich durch die Aminosäurereste Phe170 und Lys172 im ribosomalen Protein eL30 vermittelt wird, analysierten wir die Konservierung dieser Reste in 4396 repräsentativen Eukaryoten. Wie bereits bei uL15 beschrieben, stellten wir fest, dass die Reste Phe170 und Lys172 nur in typischen Mikrosporidien hochkonserviert sind, in anderen Eukaryoten jedoch fehlen. Dies betrifft auch die atypischen Mikrosporidien Mitosporidium und Amphiamblys, in denen das rRNA-Fragment ES39L nicht reduziert ist (Abb. 5c–e).
Zusammengenommen 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 einzuschließen, um den Rückgang der rRNA- und Proteinspiegel auszugleichen. Dabei haben sie eine einzigartige Fähigkeit entwickelt, Nukleotide außerhalb des Ribosoms zu binden. Dies zeigt, dass parasitäre Molekülstrukturen den Mangel kompensieren, indem sie reichlich vorhandene kleine Metaboliten einschließen und diese als strukturelle Nachahmungen abgebauten RNA- und Proteinfragmenten verwenden.
Der dritte unsimulierte Teil unserer Kryo-EM-Karte befindet sich 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. Dies ermöglichte es uns, diese Dichte als ein bisher unbekanntes ribosomales Protein zu identifizieren, das wir als msL2 (Mikrosporidien-spezifisches Protein L2) bezeichneten (Methoden, Abb. 6). Unsere Homologiesuche zeigte, dass msL2 in der Mikrosporidien-Klade der Gattungen Encephaliter und Orosporidium konserviert ist, in anderen Arten, einschließlich anderer Mikrosporidien, jedoch fehlt. In der ribosomalen Struktur füllt msL2 eine Lücke, die durch den Verlust der verlängerten ES31L-rRNA entstanden ist. In dieser Lücke trägt msL2 zur Stabilisierung der rRNA-Faltung bei und kann den Verlust von ES31L kompensieren (Abb. 6).
a) Elektronendichte und Modell des mikrosporidienspezifischen ribosomalen Proteins msL2 in E. cuniculi-Ribosomen. b) Die meisten eukaryotischen Ribosomen, einschließlich des 80S-Ribosoms von Saccharomyces cerevisiae, weisen in den meisten Mikrosporidienarten einen Verlust der ES19L-rRNA-Amplifikation auf. Die zuvor ermittelte Struktur des Mikrosporidien-Ribosoms von V. necatrix legt nahe, dass der Verlust von ES19L in diesen Parasiten durch die Evolution des neuen ribosomalen Proteins msL1 kompensiert wird. In dieser Studie fanden wir heraus, dass das E. cuniculi-Ribosom ebenfalls ein zusätzliches ribosomales RNA-ähnliches Protein als offensichtliche Kompensation für den Verlust von ES19L entwickelt hat. msL2 (derzeit als das hypothetische Protein ECU06_1135 annotiert) und msL1 haben jedoch unterschiedliche strukturelle und evolutionäre Ursprünge. Die Entdeckung der Entstehung evolutionär nicht verwandter ribosomaler Proteine ​​msL1 und msL2 legt nahe, dass Ribosomen, wenn sie schädliche Mutationen in ihrer rRNA akkumulieren, selbst in einer kleinen Untergruppe eng verwandter Arten eine beispiellose Vielfalt in ihrer Zusammensetzung erreichen können. Diese Entdeckung könnte dazu beitragen, den Ursprung und die Evolution des mitochondrialen Ribosoms zu klären, das für seine stark reduzierte rRNA und die ungewöhnliche Variabilität seiner Proteinzusammensetzung zwischen verschiedenen Arten bekannt ist.
Anschließend verglichen wir das msL2-Protein mit dem bereits beschriebenen msL1-Protein, dem einzigen bekannten mikrosporidienspezifischen ribosomalen Protein im Ribosom von V. necatrix. Wir wollten untersuchen, ob msL1 und msL2 evolutionär verwandt sind. Unsere Analyse zeigte, dass msL1 und msL2 zwar dieselbe Kavität in der ribosomalen Struktur besetzen, 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 Spezies unabhängig voneinander strukturell unterschiedliche ribosomale Proteine ​​entwickeln können, um den Verlust von rRNA-Fragmenten zu kompensieren. Dieser Befund ist bemerkenswert, da die meisten cytoplasmatischen eukaryotischen Ribosomen ein invariantes Protein enthalten, darunter auch Mitglieder derselben Familie von 81 ribosomalen Proteinen. Das Auftreten von msL1 und msL2 in verschiedenen Mikrosporidien-Klades als Reaktion auf den Verlust verlängerter rRNA-Segmente deutet darauf hin, dass der Abbau der molekularen Architektur des Parasiten diesen dazu veranlasst, kompensatorische Mutationen zu suchen, was letztendlich zu deren Erwerb in verschiedenen Parasitenpopulationen führen kann.
Nach Fertigstellung unseres Modells verglichen wir die Zusammensetzung des Ribosoms von E. cuniculi mit der anhand der Genomsequenz vorhergesagten. Mehrere ribosomale Proteine, darunter eL14, eL38, eL41 und eS30, galten zuvor aufgrund des Fehlens ihrer Homologen im E. cuniculi-Genom als fehlend. Der Verlust vieler ribosomaler Proteine ​​wird auch bei den meisten anderen stark reduzierten intrazellulären Parasiten und Endosymbionten vorhergesagt. Beispielsweise enthalten die meisten freilebenden Bakterien zwar dieselbe Familie von 54 ribosomalen Proteinen, aber nur 11 dieser Proteinfamilien weisen in den analysierten Genomen wirtsspezifischer Bakterien nachweisbare Homologe auf. Zur Untermauerung dieser Annahme wurde experimentell ein Verlust ribosomaler Proteine ​​in Mikrosporidien von V. necatrix und P. locustae beobachtet, denen die Proteine ​​eL38 und eL4131,32 fehlen.
Unsere Strukturen zeigen jedoch, dass im Ribosom von E. cuniculi tatsächlich nur eL38, eL41 und eS30 verloren gehen. Das Protein eL14 war konserviert, und unsere Struktur erklärt, warum dieses Protein bei der Homologiesuche nicht gefunden werden konnte (Abb. 7). In Ribosomen von E. cuniculi geht der größte Teil der eL14-Bindungsstelle durch den Abbau des rRNA-amplifizierten ES39L verloren. In Abwesenheit von ES39L verlor eL14 den größten Teil seiner Sekundärstruktur, und nur 18 % der eL14-Sequenz waren in E. cuniculi und S. cerevisiae identisch. Diese geringe Sequenzkonservierung ist bemerkenswert, da selbst Saccharomyces cerevisiae und Homo sapiens – Organismen, die sich in einem Abstand von 1,5 Milliarden Jahren entwickelten – mehr als 51 % der Aminosäurereste in eL14 gemeinsam haben. Dieser anomale Verlust der Konservierung erklärt, warum E. cuniculi eL14 derzeit als das putative M970_061160-Protein und nicht als das ribosomale Protein eL1427 annotiert ist.
Das Ribosom der Mikrosporidien verlor die ES39L-rRNA-Verlängerung, wodurch die Bindungsstelle des ribosomalen Proteins eL14 teilweise eliminiert wurde. In Abwesenheit von ES39L verliert das Mikrosporenprotein eL14 seine Sekundärstruktur, wobei die ehemalige rRNA-bindende α-Helix zu einer minimalen Schleife degeneriert. b Ein multipler Sequenzvergleich zeigt, dass das eL14-Protein in eukaryotischen Spezies hochkonserviert ist (57 % Sequenzidentität zwischen Hefe- und menschlichen Homologen), in Mikrosporidien jedoch schlecht konserviert und divergent (in denen nicht mehr als 24 % der Aminosäurereste mit dem eL14-Homolog identisch sind). Diese geringe Sequenzkonservierung und die Variabilität der Sekundärstruktur erklären, warum das eL14-Homolog in E. cuniculi nie gefunden wurde und warum angenommen wird, dass dieses Protein in E. cuniculi verloren gegangen ist. Im Gegensatz dazu wurde E. cuniculi eL14 zuvor als mutmaßliches Protein M970_061160 annotiert. Diese Beobachtung legt nahe, dass die Genomdiversität der Mikrosporidien derzeit überschätzt wird: Einige Gene, die man bisher für in Mikrosporidien verloren hielt, sind tatsächlich erhalten, wenn auch in stark differenzierten Formen; stattdessen kodieren einige Gene, die man für mikrosporidienspezifische Proteine ​​hielt (z. B. kodiert das hypothetische Protein M970_061160 tatsächlich für die sehr vielfältigen Proteine, die in anderen Eukaryoten vorkommen).
Diese Erkenntnis legt nahe, dass die Denaturierung der rRNA zu einem drastischen Verlust der Sequenzkonservierung benachbarter ribosomaler Proteine ​​führen kann, wodurch diese Proteine ​​für Homologiesuchen nicht mehr nachweisbar sind. Daher überschätzen wir möglicherweise den tatsächlichen Grad des molekularen Abbaus in Organismen mit kleinem Genom, da einige Proteine, die als verloren gelten, tatsächlich erhalten bleiben, wenn auch in stark veränderter Form.
Wie können Parasiten die Funktion ihrer molekularen Maschinen unter Bedingungen extremer Genomreduktion beibehalten? Unsere Studie beantwortet diese Frage durch die Beschreibung der komplexen molekularen Struktur (Ribosom) von E. cuniculi, einem Organismus mit einem der kleinsten eukaryotischen Genome.
Seit fast zwei Jahrzehnten ist bekannt, dass sich Protein- und RNA-Moleküle in mikrobiellen Parasiten häufig von ihren homologen Molekülen in freilebenden Arten unterscheiden. Dies liegt unter anderem daran, dass ihnen Qualitätskontrollzentren fehlen, sie auf 50 % ihrer Größe in freilebenden Mikroben reduziert sind usw. Hinzu kommen zahlreiche schwächende Mutationen, die Faltung und Funktion beeinträchtigen. Beispielsweise weisen die Ribosomen von Organismen mit kleinem Genom, darunter viele intrazelluläre Parasiten und Endosymbionten, im Vergleich zu freilebenden Arten einen Mangel an mehreren ribosomalen Proteinen und bis zu einem Drittel der rRNA-Nukleotide auf (27, 29, 30, 49). Wie diese Moleküle in Parasiten funktionieren, ist jedoch weitgehend ungeklärt und wird hauptsächlich durch vergleichende Genomik erforscht.
Unsere Studie zeigt, dass die Struktur von Makromolekülen viele Aspekte der Evolution offenbaren kann, die sich mit traditionellen vergleichenden Genomstudien intrazellulärer Parasiten und anderer wirtsspezifischer Organismen nur schwer erfassen lassen (Ergänzende Abb. 7). Beispielsweise verdeutlicht das Beispiel des eL14-Proteins, dass wir den tatsächlichen Grad des Abbaus molekularer Apparate in parasitären Arten überschätzen können. Man geht heute davon aus, dass enzephalitische Parasiten Hunderte von Mikrosporidien-spezifischen Genen besitzen. Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass einige dieser scheinbar spezifischen Gene lediglich stark veränderte 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 Gehalt an parasitären molekularen Maschinen unterschätzen. Das Beispiel kleiner Moleküle verdeutlicht, wie wir die raffiniertesten Innovationen in parasitären Molekülstrukturen übersehen können, die ihnen neue biologische Aktivitäten verleihen.
Zusammengenommen verbessern diese Ergebnisse unser Verständnis der Unterschiede zwischen den Molekularstrukturen wirtsspezifischer Organismen und ihren Pendants in freilebenden Organismen. Wir zeigen, dass molekulare Maschinen, die lange Zeit als reduziert, degeneriert und verschiedenen beeinträchtigenden Mutationen unterworfen galten, stattdessen eine Reihe systematisch übersehener, ungewöhnlicher Strukturmerkmale aufweisen.
Andererseits deuten die nicht-sperrigen rRNA-Fragmente und Fusionsfragmente, die wir in den Ribosomen von E. cuniculi gefunden haben, darauf hin, dass die Genomreduktion selbst jene Teile der grundlegenden molekularen Maschinerie verändern kann, die in den drei Domänen des Lebens – nach fast 3,5 Milliarden Jahren unabhängiger Evolution der Arten – erhalten geblieben sind.
Die bulgefreien und fusionierten rRNA-Fragmente in den Ribosomen von E. cuniculi sind im Hinblick auf frühere Studien an RNA-Molekülen in endosymbiontischen Bakterien von besonderem Interesse. So wurde beispielsweise gezeigt, dass rRNA- und tRNA-Moleküle des Blattlaus-Endosymbionten Buchnera aphidicola aufgrund einer A+T-Zusammensetzungsverzerrung und eines hohen Anteils nicht-kanonischer Basenpaare temperatursensitive Strukturen aufweisen^20,50. Diese Veränderungen in der RNA sowie in Proteinmolekülen werden heute als Ursache für die übermäßige Abhängigkeit der Endosymbionten von ihren Partnern und ihre Unfähigkeit zur Wärmeübertragung angesehen^21,23. Obwohl die rRNA parasitärer Mikrosporidien strukturell unterschiedliche Veränderungen aufweist, deutet die Art dieser Veränderungen darauf hin, dass eine verringerte thermische Stabilität und eine stärkere Abhängigkeit von Chaperonproteinen gemeinsame Merkmale von RNA-Molekülen in Organismen mit reduziertem Genom sein könnten.
Andererseits zeigen unsere Strukturen, dass parasitäre Mikrosporidien eine einzigartige Fähigkeit entwickelt haben, weitgehend konservierten rRNA- und Proteinfragmenten zu widerstehen. Sie können reichlich vorhandene und leicht verfügbare kleine Metaboliten als Strukturanaloga degenerierter rRNA- und Proteinfragmente nutzen. Diese Annahme wird durch die Tatsache gestützt, dass kleine Moleküle, die den Verlust von Proteinfragmenten in der rRNA und den Ribosomen von E. cuniculi kompensieren, an mikrosporidienspezifische Aminosäurereste in den Proteinen uL15 und eL30 binden. Dies deutet darauf hin, dass die Bindung kleiner Moleküle an Ribosomen ein Produkt positiver Selektion sein könnte. Dabei wurden mikrosporidienspezifische Mutationen in ribosomalen Proteinen aufgrund ihrer Fähigkeit selektiert, die Affinität der Ribosomen zu kleinen Molekülen zu erhöhen, was zu effizienteren ribosomalen Organismen führen kann. Die Entdeckung offenbart eine clevere Innovation in der Molekularstruktur mikrobieller Parasiten und ermöglicht uns ein besseres Verständnis dafür, wie die Molekularstrukturen von Parasiten trotz reduktiver Evolution ihre Funktion aufrechterhalten.
Die Identifizierung dieser kleinen Moleküle ist derzeit noch unklar. Es ist nicht ersichtlich, warum sich das Auftreten dieser kleinen Moleküle in der ribosomalen Struktur zwischen den Mikrosporidienarten unterscheidet. Insbesondere ist unklar, warum Nukleotidbindung in den Ribosomen von E. cuniculi und P. locustae, nicht aber in denen von V. necatrix beobachtet wird, obwohl die Aminosäure F170 in den Proteinen eL20 und K172 von V. necatrix vorhanden ist. Diese Deletion könnte durch die Aminosäure 43 in uL6 (direkt neben der Nukleotidbindungstasche) verursacht werden, die in V. necatrix Tyrosin und nicht Threonin in E. cuniculi und P. locustae ist. Die voluminöse aromatische Seitenkette von Tyr43 könnte die Nukleotidbindung aufgrund sterischer Überlappung behindern. Alternativ könnte die scheinbare Nukleotid-Deletion auf die geringe Auflösung der Kryo-EM-Bildgebung zurückzuführen sein, welche die Modellierung von V. necatrix-Ribosomenfragmenten erschwert.
Andererseits deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass der Genomabbau eine treibende Kraft für die Evolution sein kann. Insbesondere die Struktur des Ribosoms von E. cuniculi legt nahe, dass der Verlust von rRNA und Proteinfragmenten im Mikrosporidien-Ribosom einen evolutionären Druck erzeugt, der Veränderungen in der Ribosomenstruktur begünstigt. Diese Varianten treten weit entfernt vom aktiven Zentrum des Ribosoms auf und scheinen dazu beizutragen, die optimale Ribosomenassemblierung aufrechtzuerhalten (oder wiederherzustellen), die andernfalls durch die reduzierte rRNA gestört würde. Dies deutet darauf hin, dass eine wichtige Innovation des Mikrosporidien-Ribosoms sich offenbar zu einem Bedürfnis entwickelt hat, die Gendrift abzufedern.
Am besten lässt sich dies vielleicht am Beispiel der Nukleotidbindung veranschaulichen, die bisher in keinem anderen Organismus beobachtet wurde. Die Tatsache, dass Nukleotid-bindende Aminosäurereste in typischen Mikrosporidien, nicht aber in anderen Eukaryoten vorkommen, deutet darauf hin, dass Nukleotidbindungsstellen nicht bloß Relikte sind, die dem Untergang geweiht sind, oder die letzte Stelle, an der die rRNA wieder in ihre einzelnen Nukleotide zerlegt wird. Vielmehr scheint diese Stelle ein nützliches Merkmal zu sein, das sich im Laufe mehrerer Runden positiver Selektion entwickelt haben könnte. Nukleotidbindungsstellen könnten ein Nebenprodukt der natürlichen Selektion sein: Sobald ES39L abgebaut wird, sind Mikrosporidien gezwungen, einen Ausgleich zu finden, um die optimale Ribosomenbiogenese in Abwesenheit von ES39L 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.
Unsere Studie zur molekularen Evolution intrazellulärer Parasiten zeigt, dass die Kräfte der Darwinschen Selektion und der genetischen Drift des Genomabbaus nicht parallel, sondern oszillierend wirken. Zunächst eliminiert die genetische Drift wichtige Merkmale von Biomolekülen, wodurch ein Ausgleich dringend erforderlich wird. Nur wenn Parasiten diesen Bedarf durch Darwinsche Selektion decken, können ihre Makromoleküle ihre beeindruckendsten und innovativsten Eigenschaften entwickeln. Die Evolution der Nukleotidbindungsstellen im Ribosom von E. cuniculi legt nahe, dass dieses Muster des Verlusts und Gewinns in der molekularen Evolution nicht nur schädliche Mutationen ausgleicht, sondern parasitären Makromolekülen mitunter auch völlig neue Funktionen verleiht.
Diese Idee steht im Einklang mit Sewell Wrights Theorie des beweglichen Gleichgewichts, die besagt, dass ein striktes System der natürlichen Selektion die Innovationsfähigkeit von Organismen einschränkt^51,52,53. Wenn jedoch Gendrift die natürliche Selektion stört, können diese Veränderungen hervorbringen, die an sich nicht adaptiv (oder sogar schädlich) sind, sondern zu weiteren Veränderungen führen, die eine höhere Fitness oder neue biologische Aktivitäten ermöglichen. Unser Modell untermauert diese Idee, indem es zeigt, dass dieselbe Art von Mutation, die die Faltung und Funktion eines Biomoleküls reduziert, der Hauptauslöser für dessen Verbesserung zu sein scheint. Im Einklang mit dem evolutionären Win-Win-Modell zeigt unsere Studie, dass der Genomverfall, der traditionell als degenerativer Prozess betrachtet wird, ebenfalls ein wichtiger Innovationstreiber ist und es Makromolekülen mitunter, vielleicht sogar häufig, ermöglicht, neue parasitäre Aktivitäten zu erwerben.