Kiitos käynnistäsi Nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee CSS:ää rajoitetusti. Parhaan käyttökokemuksen saavuttamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan yhteensopivuustilan käytöstä Internet Explorerissa). Sillä välin tuen jatkuvuuden varmistamiseksi renderöimme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Mikrobiparasiittien evoluutioon liittyy vastakkainasettelu luonnonvalinnan, joka saa parasiitit kehittymään, ja geneettisen ajautumisen, joka saa parasiitit menettämään geenejä ja keräämään haitallisia mutaatioita, välillä. Ymmärtääksemme, miten tämä vastakkainasettelu tapahtuu yksittäisen makromolekyylin mittakaavassa, kuvaamme Encephalitozoon cuniculin ribosomin kryo-EM-rakennetta. Encephalitozoon cuniculin eukaryoottinen organismi, jolla on yksi luonnon pienimmistä genomeista. rRNA:n äärimmäiseen vähenemiseen E. cuniculin ribosomeissa liittyy ennennäkemättömiä rakenteellisia muutoksia, kuten aiemmin tuntemattomien fuusioituneiden rRNA-linkkereiden ja pullistumattomien rRNA:n evoluutio. Lisäksi E. cuniculin ribosomi selvisi rRNA-fragmenttien ja -proteiinien menetyksestä kehittämällä kyvyn käyttää pieniä molekyylejä hajonneiden rRNA-fragmenttien ja -proteiinien rakenteellisina jäljittelijöinä. Kaiken kaikkiaan osoitamme, että molekyylirakenteilla, joiden on pitkään ajateltu olevan pelkistyneitä, rappeutuneita ja alttiita heikentäville mutaatioille, on useita kompensoivia mekanismeja, jotka pitävät ne aktiivisina äärimmäisistä molekyylisupistuksista huolimatta.
Koska useimmilla mikrobiloisten ryhmillä on ainutlaatuiset molekyylitason työkalut isäntiensä hyödyntämiseen, meidän on usein kehitettävä erilaisia ​​​​hoitoja eri loisryhmille1,2. Uudet todisteet kuitenkin viittaavat siihen, että jotkin loisten evoluution osa-alueet ovat yhteneviä ja pitkälti ennustettavia, mikä viittaa mahdolliseen perustaan ​​​​laajoille terapeuttisille interventioille mikrobiloisten hoidossa3,4,5,6,7,8,9.
Aiempi työ on tunnistanut mikrobiparasiiteissa yleisen evolutiivisen trendin, jota kutsutaan genomin pelkistymiseksi tai genomin rappeutumiseksi10,11,12,13. Nykytutkimukset osoittavat, että kun mikro-organismit luopuvat vapaasti elävästä elämäntavastaan ​​ja muuttuvat solunsisäisiksi loisiksi (tai endosymbionteiksi), niiden genomit käyvät läpi hitaita mutta hämmästyttäviä muodonmuutoksia miljoonien vuosien aikana9,11. Genomin rappeutumisena tunnetussa prosessissa mikrobiparasiitit keräävät haitallisia mutaatioita, jotka muuttavat monia aiemmin tärkeitä geenejä pseudogeeneiksi, mikä johtaa asteittaiseen geenien menetykseen ja mutaatioiden romahtamiseen14,15. Tämä romahdus voi tuhota jopa 95 % vanhimpien solunsisäisten organismien geeneistä verrattuna läheisesti sukua oleviin vapaasti eläviin lajeihin. Siten solunsisäisten parasiittien evoluutio on kahden vastakkaisen voiman välinen köydenveto: darwinistinen luonnonvalinta, joka johtaa loisten paranemiseen, ja genomin romahtaminen, joka heittää loiset unohdukseen. Miten loinen onnistui selviämään tästä köydenvedosta ja säilyttämään molekyylirakenteensa aktiivisuuden, on edelleen epäselvää.
Vaikka genomin hajoamisen mekanismia ei täysin ymmärretä, se näyttää johtuvan pääasiassa usein toistuvasta geneettisestä ajautumisesta. Koska loiset elävät pienissä, suvuttomissa ja geneettisesti rajoitetuissa populaatioissa, ne eivät pysty tehokkaasti eliminoimaan haitallisia mutaatioita, joita joskus esiintyy DNA:n replikaation aikana. Tämä johtaa haitallisten mutaatioiden peruuttamattomaan kertymiseen ja loisen genomin vähenemiseen. Tämän seurauksena loinen ei ainoastaan ​​menetä geenejä, jotka eivät enää ole välttämättömiä sen selviytymiselle solunsisäisessä ympäristössä. Juuri loispopulaatioiden kyvyttömyys eliminoida tehokkaasti satunnaisia ​​haitallisia mutaatioita aiheuttaa näiden mutaatioiden kertymisen koko genomiin, mukaan lukien niiden tärkeimmät geenit.
Suuri osa nykyisestä ymmärryksestämme genomin pelkistämisestä perustuu yksinomaan genomisekvenssien vertailuun, ja vähemmän huomiota kiinnitetään muutoksiin todellisissa molekyyleissä, jotka suorittavat siivoustehtäviä ja toimivat potentiaalisina lääkekohteina. Vertailevat tutkimukset ovat osoittaneet, että haitallisten solunsisäisten mikrobimutaatioiden taakka näyttää altistavan proteiineja ja nukleiinihappoja laskostumaan väärin ja aggregoitumaan, mikä tekee niistä riippuvaisempia chaperonista ja yliherkkiä lämmölle19,20,21,22,23. Lisäksi useat loiset – joiden itsenäinen evoluutio on joskus tapahtunut jopa 2,5 miljardin vuoden välein – kokivat samanlaisen laadunvalvontakeskusten menetyksen proteiinisynteesissä5,6 ja DNA:n korjausmekanismeissa24. Solunsisäisen elämäntavan vaikutuksesta kaikkiin muihin solumakromolekyylien ominaisuuksiin, mukaan lukien molekyylien sopeutumiseen kasvavaan haitallisten mutaatioiden taakkaan, tiedetään kuitenkin vähän.
Tässä työssä, ymmärtääksemme paremmin solunsisäisten mikro-organismien proteiinien ja nukleiinihappojen evoluutiota, määritimme solunsisäisen loisen Encephalitozoon cuniculi ribosomien rakenteen. E. cuniculi on sienimäinen organismi, joka kuuluu loismikrosporidioiden ryhmään, joilla on epätavallisen pienet eukaryoottiset genomit ja joita siksi käytetään malliorganismeina genomin hajoamisen tutkimiseen25,26,27,28,29,30. Äskettäin kryo-EM-ribosomirakenne määritettiin kohtalaisesti supistetuille Microsporidioiden, Paranosema locustaen ja Vairimorpha necatrixin31,32 genomeille (~3,2 Mb genomi). Nämä rakenteet viittaavat siihen, että osa rRNA-amplifikaation menetyksestä kompensoituu uusien kontaktien kehittymisellä viereisten ribosomiproteiinien välille tai uusien msL131,32 ribosomiproteiinien hankinnalla. Enkefalitozoon-laji (genomi ~2,5 miljoonaa bp) ja niiden lähimmät sukulaiset Ordospora osoittavat eukaryoottien genomin reduktiota äärimmäisellä tasolla – niillä on alle 2000 proteiineja koodaavaa geeniä, ja on odotettavissa, että niiden ribosomeissa ei ole ainoastaan ​​rRNA-laajenemisfragmentteja (rRNA-fragmentteja, jotka erottavat eukaryoottiset ribosomit bakteerien ribosomeista), vaan niillä on myös neljä ribosomaalista proteiinia, koska niillä ei ole homologeja E. cuniculin genomissa26,27,28. Siksi päädyimme siihen, että E. cuniculin ribosomi voi paljastaa aiemmin tuntemattomia strategioita molekyylitason sopeutumiseen genomin hajoamiseen.
Kryo-EM-rakenteemme edustaa pienintä karakterisoitua eukaryoottista sytoplasmista ribosomia ja tarjoaa käsityksen siitä, miten genomin pelkistyksen lopullinen aste vaikuttaa solun olennaisen molekyylikoneiston rakenteeseen, kokoonpanoon ja evoluutioon. Havaitsimme, että E. cuniculin ribosomi rikkoo monia RNA:n laskostumisen ja ribosomin kokoonpanon laajalti säilyneitä periaatteita, ja löysimme uuden, aiemmin tuntemattoman ribosomaalisen proteiinin. Yllättäen osoitamme, että mikrosporidioiden ribosomit ovat kehittäneet kyvyn sitoa pieniä molekyylejä, ja oletamme, että rRNA:n ja proteiinien katkaisut käynnistävät evolutiivisia innovaatioita, jotka voivat lopulta antaa ribosomille hyödyllisiä ominaisuuksia.
Parantaaksemme ymmärrystämme proteiinien ja nukleiinihappojen evoluutiosta solunsisäisissä organismeissa päätimme eristää E. cuniculi -itiöitä infektoituneiden nisäkässolujen viljelmistä puhdistaaksemme niiden ribosomit ja määrittääksemme näiden ribosomien rakenteen. Suuren määrän loismikrosporidioita on vaikea saada, koska mikrosporidioita ei voida viljellä ravintoalustassa. Sen sijaan ne kasvavat ja lisääntyvät vain isäntäsolun sisällä. Siksi E. cuniculi -biomassan saamiseksi ribosomien puhdistusta varten infektoimme nisäkkään munuaissolulinjan RK13 E. cuniculi -itiöillä ja viljelimme näitä infektoituja soluja useita viikkoja, jotta E. cuniculi pääsi kasvamaan ja lisääntymään. Käyttämällä noin puolen neliömetrin infektoitua solukerrosta pystyimme puhdistamaan noin 300 mg Microsporidia-itiöitä ja käyttämään niitä ribosomien eristämiseen. Sitten hajotimme puhdistetut itiöt lasihelmillä ja eristimme raa'at ribosomit käyttämällä lysaattien vaiheittaista polyetyleeniglykolifraktiointia. Näin saimme noin 300 µg raakoja E. cuniculi -ribosomeja rakenneanalyysiä varten.
Sitten keräsimme kryo-EM-kuvia käyttämällä tuloksena olevia ribosominäytteitä ja käsittelimme näitä kuvia käyttämällä maskeja, jotka vastaavat suurta ribosomialayksikköä, pientä alayksikköpäätä ja pientä alayksikköä. Tämän prosessin aikana keräsimme kuvia noin 108 000 ribosomihiukkasesta ja laskimme kryo-EM-kuvia 2,7 Å:n resoluutiolla (lisäkuvat 1-3). Käytimme sitten kryo-EM-kuvia mallintaaksemme E. cuniculi -ribosomeihin liittyvää rRNA:ta, ribosomiproteiinia ja hibernaatiotekijää Mdf1 (kuva 1a, b).
a E. cuniculin ribosomin rakenne kompleksissa horrostekijä Mdf1:n kanssa (pdb id 7QEP). b Kartta horrostekijä Mdf1:stä, joka liittyy E. cuniculin ribosomiin. c Sekundäärirakennekartta, jossa verrataan talteenotettua rRNA:ta Microsporidian-lajeista tunnettuihin ribosomirakenteisiin. Paneelit näyttävät monistettujen rRNA-fragmenttien (ES) ja ribosomin aktiivisten kohtien sijainnin, mukaan lukien dekoodauskohta (DC), sarcinisiinisilmukka (SRL) ja peptidyylitransferaasikeskus (PTC). d E. cuniculin ribosomin peptidyylitransferaasikeskusta vastaava elektronitiheys viittaa siihen, että tällä katalyyttisellä kohdalla on sama rakenne E. cuniculin loisessa ja sen isännissä, mukaan lukien H. sapiens. e, f Dekoodauskeskuksen vastaava elektronitiheys (e) ja dekoodauskeskuksen kaavamainen rakenne (f) osoittavat, että E. cuniculilla on aminohappotähteet U1491 A1491:n sijaan (E. coli -numerointi) monissa muissa eukaryooteissa. Tämä muutos viittaa siihen, että E. cuniculi saattaa olla herkkä tähän aktiiviseen kohtaan kohdistuville antibiooteille.
Toisin kuin aiemmin määritetyt V. necatrixin ja P. locustaen ribosomien rakenteet (molemmat rakenteet edustavat samaa Nosematidae-mikrosporidia-heimoa ja ovat hyvin samankaltaisia ​​keskenään),31,32 E. cuniculi -ribosomit käyvät läpi lukuisia rRNA:n ja proteiinin fragmentoitumisprosesseja. Edelleen denaturoituminen (lisäkuvat 4-6). rRNA:ssa silmiinpistävimpiä muutoksia olivat monistetun 25S rRNA-fragmentin ES12L täydellinen häviäminen ja h39-, h41- ja H18-heliksien osittainen degeneroituminen (kuva 1c, lisäkuva 4). Ribosomiproteiineista silmiinpistävimpiä muutoksia olivat eS30-proteiinin täydellinen häviäminen ja eL8-, eL13-, eL18-, eL22-, eL29-, eL40-, uS3-, uS9-, uS14-, uS17- ja eS7-proteiinien lyheneminen (lisäkuvat 4, 5).
Näin ollen Encephalotozoon/Ordospora-lajien genomien äärimmäinen väheneminen heijastuu niiden ribosomirakenteessa: E. cuniculin ribosomit kokevat dramaattisimmat proteiinipitoisuuden menetyksen eukaryoottisista sytoplasmisista ribosomeista, joita on rakenteellisesti karakterisoitu, eikä niillä ole edes niitä rRNA- ja proteiinifragmentteja, jotka ovat laajalti säilyneet paitsi eukaryooteissa, myös elämän kolmella domeenilla. E. cuniculin ribosomin rakenne tarjoaa ensimmäisen molekyylimallin näille muutoksille ja paljastaa evoluutiotapahtumia, jotka on jätetty huomiotta sekä vertailevassa genomitutkimuksessa että solunsisäisen biomolekyylirakenteen tutkimuksissa (lisäkuva 7). Alla kuvaamme kutakin näistä tapahtumista sekä niiden todennäköisiä evolutiivisia alkuperää ja mahdollista vaikutusta ribosomin toimintaan.
Sitten havaitsimme, että suurten rRNA-katkaisujen lisäksi E. cuniculin ribosomeilla on rRNA-variaatioita yhdessä aktiivisessa kohdassaan. Vaikka E. cuniculin ribosomin peptidyylitransferaasikeskuksella on sama rakenne kuin muilla eukaryoottisilla ribosomeilla (kuva 1d), dekoodauskeskus eroaa nukleotidin 1491 sekvenssivariaation vuoksi (E. coli -numerointi, kuva 1e, f). Tämä havainto on tärkeä, koska eukaryoottisten ribosomien dekoodauskohta sisältää tyypillisesti aminohappotähteet G1408 ja A1491 verrattuna bakteerityyppisiin aminohappotähteisiin A1408 ja G1491. Tämä vaihtelu selittää bakteeri- ja eukaryoottiribosomien erilaisen herkkyyden ribosomaalisten antibioottien aminoglykosidiperheelle ja muille pienille molekyyleille, jotka kohdistuvat dekoodauskohtaan. E. cuniculin ribosomin dekoodauskohdassa aminohappotähte A1491 korvattiin aminohappotähteellä U1491, mikä mahdollisesti loi ainutlaatuisen sitoutumisrajapinnan pienille molekyyleille, jotka kohdistuvat tähän aktiiviseen kohtaan. Samaa A14901-varianttia esiintyy myös muissa mikrosporidioissa, kuten P. locustaessa ja V. necatrixissa, mikä viittaa sen levinneisyyteen mikrosporidialajeissa (kuva 1f).
Koska E. cuniculin ribosominäytteemme eristettiin metabolisesti inaktiivisista itiöistä, testasimme E. cuniculin kryo-EM-karttaa aiemmin kuvatun ribosomien sitoutumisen varalta stressi- tai nälkiintymisolosuhteissa. Horrostekijät 31,32,36,37, 38. Yhdistimme aiemmin määritetyn horrostilassa olevan ribosomin rakenteen E. cuniculin ribosomin kryo-EM-karttaan. Telakointiin käytettiin S. cerevisiaen ribosomeja kompleksissa horrostekijä Stm138:n kanssa, johanneksenleipäpuun ribosomeja kompleksissa Lso232-tekijän kanssa ja V. necatrixin ribosomeja kompleksissa Mdf1- ja Mdf231-tekijöiden kanssa. Samalla löysimme lepotekijää Mdf1 vastaavan kryo-EM-tiheyden. Samoin kuin Mdf1 sitoutuu V. necatrix -ribosomiin, Mdf1 sitoutuu myös E. cuniculi -ribosomiin, jossa se estää ribosomin E-kohdan, mikä mahdollisesti auttaa ribosomien saataville saamisessa, kun loisten itiöt muuttuvat metabolisesti inaktiivisiksi kehon inaktivoitumisen seurauksena (kuva 2).
Mdf1 estää ribosomin E-kohdan, mikä näyttää auttavan ribosomin inaktivoinnissa, kun loisen itiöt muuttuvat metabolisesti inaktiivisiksi. Havaitsimme E. cuniculi -ribosomin rakenteessa, että Mdf1 muodostaa aiemmin tuntemattoman kontaktin L1-ribosomin varren kanssa, joka on ribosomin osa, joka helpottaa deasyloidun tRNA:n vapautumista ribosomista proteiinisynteesin aikana. Nämä kontaktit viittaavat siihen, että Mdf1 irtoaa ribosomista samalla mekanismilla kuin deasetyloitu tRNA, mikä tarjoaa mahdollisen selityksen sille, miten ribosomi poistaa Mdf1:n proteiinisynteesin uudelleenaktivoimiseksi.
Rakenteemme kuitenkin paljasti tuntemattoman kontaktin Mdf1:n ja L1-ribosomin haaran (ribosomin osa, joka auttaa vapauttamaan deasyloitua tRNA:ta ribosomista proteiinisynteesin aikana) välillä. Erityisesti Mdf1 käyttää samoja kontakteja kuin deasyloidun tRNA-molekyylin kyynärpääsegmentti (kuva 2). Tämä aiemmin tuntematon molekyylimallinnus osoitti, että Mdf1 irtoaa ribosomista samalla mekanismilla kuin deasyloitu tRNA, mikä selittää, kuinka ribosomi poistaa tämän horrostekijän proteiinisynteesin uudelleenaktivoimiseksi.
rRNA-mallia rakentaessamme havaitsimme, että E. cuniculin ribosomissa on epänormaalisti laskostuneita rRNA-fragmentteja, joita kutsuimme fuusioituneeksi rRNA:ksi (kuva 3). Ribosomeissa, jotka ulottuvat elämän kolmelle domeenille, rRNA laskostuu rakenteiksi, joissa useimmat rRNA-emäkset joko pariutuvat ja laskostuvat keskenään tai ovat vuorovaikutuksessa ribosomaalisten proteiinien kanssa38,39,40. E. cuniculin ribosomeissa rRNA:t näyttävät kuitenkin rikkovan tätä laskostumisperiaatetta muuttamalla osan helikseistään laskostumattomiksi rRNA-alueiksi.
H18 25S rRNA-heliksin rakenne S. cerevisiaessa, V. necatrixissa ja E. cuniculissa. Tyypillisesti ribosomeissa, jotka ulottuvat kolmeen elämändomeeniin, tämä linkkeri kiertyy RNA-heliksiksi, joka sisältää 24–34 aminohappotähtettä. Microsporidioissa tämä rRNA-linkkeri sen sijaan pelkistyy vähitellen kahdeksi yksijuosteiseksi, uridiinipitoiseksi linkkeriksi, jotka sisältävät vain 12 aminohappotähtettä. Suurin osa näistä aminohappotähteistä altistuu liuottimille. Kuvassa näkyy, että loismikrosporidiat näyttävät rikkovan rRNA:n laskostumisen yleisiä periaatteita, joissa rRNA-emäkset ovat yleensä kytkettyinä muihin emäksiin tai osallistuvat rRNA-proteiini-vuorovaikutuksiin. Mikrosporidioissa jotkut rRNA-fragmentit laskostuvat epäedullisesti, jolloin entinen rRNA-heliksi muuttuu lähes suoraviivaisesti pidentyneeksi yksijuosteiseksi fragmentiksi. Näiden epätavallisten alueiden läsnäolo mahdollistaa mikrosporidioiden rRNA:n sitoutua kaukaisiin rRNA-fragmentteihin käyttämällä minimaalista määrää RNA-emäksiä.
Silmiinpistävin esimerkki tästä evolutiivisesta siirtymästä on H18 25S rRNA -heliksi (kuva 3). Lajeista E. colista ihmisiin tämän rRNA-heliksin emäkset sisältävät 24–32 nukleotidia muodostaen hieman epäsäännöllisen heliksin. Aiemmin tunnistetuissa ribosomirakenteissa V. necatrixissa ja P. locustaessa31,32 H18-heliksin emäkset ovat osittain auki, mutta nukleotidiemäspariutuminen on säilynyt. E. cuniculissa tästä rRNA-fragmentista tulee kuitenkin lyhyimmät linkkerit 228UUUGU232 ja 301UUUUUUUUUU307. Toisin kuin tyypilliset rRNA-fragmentit, nämä uridiinirikkaat linkkerit eivät kierty tai ole laajasti kosketuksissa ribosomiproteiineihin. Sen sijaan ne omaksuvat liuottimessa avoimia ja täysin auki laskostuneita rakenteita, joissa rRNA-säikeet ulottuvat lähes suoriksi. Tämä venytetty konformaatio selittää, kuinka E. cuniculi käyttää vain 12 RNA-emästä täyttääkseen 33 Å:n aukon H16- ja H18-rRNA-heliksien välillä, kun taas muut lajit tarvitsevat vähintään kaksi kertaa enemmän rRNA-emästä aukon täyttämiseen.
Voimme siis osoittaa, että energeettisesti epäedullisen laskostumisen kautta loismikrosporidiat ovat kehittäneet strategian supistaa jopa niitä rRNA-segmenttejä, jotka pysyvät laajalti säilyneinä eri lajien välillä elämän kolmella alueella. Ilmeisesti keräämällä mutaatioita, jotka muuttavat rRNA-heliksit lyhyiksi poly-U-linkkereiksi, E. cuniculi voi muodostaa epätavallisia rRNA-fragmentteja, jotka sisältävät mahdollisimman vähän nukleotideja distaalisten rRNA-fragmenttien ligaatiota varten. Tämä auttaa selittämään, miten mikrosporidiat saavuttivat dramaattisen perusmolekyylirakenteensa pienenemisen menettämättä rakenteellista ja toiminnallista eheyttään.
Toinen epätavallinen E. cuniculi rRNA:n piirre on rRNA:n ulkonäkö ilman paksuuntumia (kuva 4). Pullistumat ovat emäsparittomia nukleotideja, jotka kiertyvät ulos RNA-kierteestä sen sijaan, että piiloutuisivat siihen. Useimmat rRNA-pullistumat toimivat molekyyliliimoina, jotka auttavat sitoutumaan viereisiin ribosomiproteiineihin tai muihin rRNA-fragmentteihin. Jotkut pullistumat toimivat saranoina, joiden avulla rRNA-kierre voi taipua ja taittua optimaalisesti tuottavaa proteiinisynteesiä varten 41.
a E. cuniculin ribosomirakenteesta puuttuu rRNA-kohouma (S. cerevisiae -numerointi), mutta se esiintyy useimmissa muissa eukaryooteissa. b E. colin, S. cerevisiaen, H. sapiensin ja E. cuniculin sisäiset ribosomit. Loisilta puuttuu monia muinaisia, erittäin säilyneitä rRNA-kohoumia. Nämä paksuuntumat stabiloivat ribosomirakennetta; siksi niiden puuttuminen mikrosporidioissa viittaa rRNA:n laskostumisen heikentyneeseen stabiilisuuteen mikrosporidialoisissa. Vertailu P-varsiin (L7/L12-varret bakteereissa) osoittaa, että rRNA-kohoumien häviäminen osuu joskus samaan aikaan uusien kohoumien ilmestymisen kanssa kadonneiden kohoumien viereen. 23S/28S rRNA:n H42-heliksissä on muinainen kohouma (U1206 Saccharomyces cerevisiaessa), jonka arvioidaan olevan vähintään 3,5 miljardia vuotta vanha, koska se on suojattu kolmella elämän alueella. Mikrosporidioissa tämä kohouma on eliminoitu. Kadonneen kohouman viereen ilmestyi kuitenkin uusi kohouma (A1306 E. cuniculissa).
Silmiinpistävää kyllä, havaitsimme, että E. cuniculin ribosomeista puuttuu suurin osa muissa lajeissa esiintyvistä rRNA-pullistumista, mukaan lukien yli 30 pullistumaa, jotka ovat säilyneet muissa eukaryooteissa (kuva 4a). Tämä menetys poistaa monia kontakteja ribosomien alayksiköiden ja vierekkäisten rRNA-heliksien välillä, mikä joskus luo suuria onttoja tyhjiöitä ribosomin sisään, mikä tekee E. cuniculin ribosomista huokoisemman verrattuna perinteisempiin ribosomeihin (kuva 4b). Havaitsimme erityisesti, että suurin osa näistä pullistumista puuttui myös aiemmin tunnistetuista V. necatrixin ja P. locustaen ribosomirakenteista, jotka olivat jääneet aiemmissa rakenneanalyyseissä huomiotta31,32.
Joskus rRNA-pullistumien katoamiseen liittyy uusien pullistumien kehittyminen kadonneen pullistuman viereen. Esimerkiksi ribosomin P-varsi sisältää U1208-pullistuman (Saccharomyces cerevisiae -bakteerissa), joka selvisi E. colista ihmisiin ja jonka ikä on siksi arvioitu olevan 3,5 miljardia vuotta. Proteiinisynteesin aikana tämä pullistuma auttaa P-vartta liikkumaan avoimen ja suljetun konformaation välillä, jotta ribosomi voi rekrytoida translaatiotekijöitä ja toimittaa ne aktiiviseen kohtaan. E. cuniculi -ribosomeissa tätä paksuuntumista ei ole; uusi paksuuntuminen (G883), joka sijaitsee vain kolmessa emäsparissa, voi kuitenkin edistää P-varren optimaalisen joustavuuden palautumista (kuva 4c).
Pullistumattomasta rRNA:sta saamamme data viittaa siihen, että rRNA:n minimointi ei rajoitu ribosomin pinnalla olevien rRNA-elementtien menetykseen, vaan se voi koskea myös ribosomin tumaa, mikä luo loiselle spesifisen molekyylivirheen, jota ei ole kuvattu vapaasti elävissä soluissa. Eläviä lajeja havaitaan.
Mallinnattuamme kanonisia ribosomiproteiineja ja rRNA:ta havaitsimme, että tavanomaiset ribosomikomponentit eivät pysty selittämään kryo-EM-kuvan kolmea osaa. Kaksi näistä fragmenteista on kooltaan pieniä molekyylejä (kuva 5, lisäkuva 8). Ensimmäinen segmentti on ribosomiproteiinien uL15 ja eL18 välissä paikassa, jossa yleensä sijaitsee eL18:n C-terminaali, joka on lyhentynyt E. cuniculissa. Vaikka emme pysty määrittämään tämän molekyylin identiteettiä, spermidiinimolekyylien läsnäolo selittää hyvin tämän tiheyssaarekkeen koon ja muodon. Sen sitoutuminen ribosomiin stabiloituu mikrosporidioille spesifisillä mutaatioilla uL15-proteiineissa (Asp51 ja Arg56), jotka näyttävät lisäävän ribosomin affiniteettia tätä pientä molekyyliä kohtaan, koska ne mahdollistavat uL15:n kääriä pienen molekyylin ribosomaaliseen rakenteeseen. Lisäkuva 2). 8, lisätiedot 1, 2).
Kryo-EM-kuvaus, joka osoittaa nukleotidien läsnäolon E. cuniculin ribosomiin sitoutuneen riboosin ulkopuolella. E. cuniculin ribosomissa tämä nukleotidi sijaitsee samalla paikalla kuin 25S rRNA A3186 -nukleotidi (Saccharomyces cerevisiae -numerointi) useimmissa muissa eukaryoottisissa ribosomeissa. b E. cuniculin ribosomissa tämä nukleotidi sijaitsee ribosomaalisten proteiinien uL9 ja eL20 välissä, mikä vakauttaa näiden kahden proteiinin välisen kontaktin. cd eL20-sekvenssin säilyvyysanalyysi mikrosporidialajien keskuudessa. Microsporidia-lajien fylogeneettinen puu (c) ja eL20-proteiinin monisekvenssien rinnastus (d) osoittavat, että nukleotideja sitovat tähteet F170 ja K172 ovat säilyneet useimmissa tyypillisissä mikrosporidioissa, lukuun ottamatta S. lophiita, ja varhaishaarautuvia mikrosporidioita, jotka säilyttivät ES39L rRNA -jatkeen. e Tämä kuva osoittaa, että nukleotideja sitovia aminohappotähteitä F170 ja K172 esiintyy vain erittäin pelkistyneen mikrosporidioiden genomin eL20-polymeraasissa, mutta ei muissa eukaryooteissa. Kaiken kaikkiaan nämä tiedot viittaavat siihen, että mikrosporidialaisiin ribosomeihin on kehittynyt nukleotideja sitova kohta, joka näyttää sitovan AMP-molekyylejä ja käyttävän niitä proteiini-proteiini-vuorovaikutusten stabilointiin ribosomirakenteessa. Tämän sitoutumiskohdan korkea säilyvyys Microsporidioissa ja sen puuttuminen muissa eukaryooteissa viittaa siihen, että tämä kohta voi tarjota Microsporidioille selektiivisen selviytymisedun. Siten mikrosporidioiden ribosomin nukleotideja sitova tasku ei näytä olevan rRNA:n hajoamisen rappeutunut piirre tai loppumuoto, kuten aiemmin on kuvattu, vaan pikemminkin hyödyllinen evolutiivinen innovaatio, jonka avulla mikrosporidioiden ribosomi voi sitoa suoraan pieniä molekyylejä ja käyttää niitä ribosomien rakennuspalikoina. Tämä löytö tekee mikrosporidioiden ribosomista ainoan ribosomin, jonka tiedetään käyttävän yhtä nukleotidia rakenteellisena rakennuspalikkanaan. f Hypoteettinen evoluutioreitti, joka on johdettu nukleotidien sitoutumisesta.
Toinen matalan molekyylipainon omaava tiheys sijaitsee ribosomiproteiinien uL9 ja eL30 rajapinnassa (kuva 5a). Tämä rajapinta on aiemmin kuvattu Saccharomyces cerevisiae -ribosomin rakenteessa rRNA A3186:n 25S-nukleotidin sitoutumiskohtana (osa ES39L rRNA -jatketta)38. Osoitettiin, että degeneroituneissa P. locustae ES39L -ribosomeissa tämä rajapinta sitoo tuntemattoman yksittäisen nukleotidin 31, ja oletetaan, että tämä nukleotidi on rRNA:n pelkistynyt lopullinen muoto, jossa rRNA:n pituus on ~130–230 emästä. ES39L on pelkistynyt yhdeksi nukleotidiksi 32.43. Kryo-EM-kuvamme tukevat ajatusta, että tiheys voidaan selittää nukleotideilla. Rakenteemme korkeampi resoluutio osoitti kuitenkin, että tämä nukleotidi on ekstraribosomaalinen molekyyli, mahdollisesti AMP (kuva 5a, b).
Sitten kysyimme, esiintyikö nukleotidin sitoutumiskohta E. cuniculin ribosomissa vai oliko se olemassa aiemmin. Koska nukleotidin sitoutuminen välittyy pääasiassa Phe170- ja Lys172-tähteiden kautta eL30-ribosomiproteiinissa, arvioimme näiden tähteiden säilymistä 4396 edustavassa eukaryootissa. Kuten edellä uL15:n tapauksessa, havaitsimme, että Phe170- ja Lys172-tähteet ovat erittäin säilyneitä vain tyypillisissä Microsporidioissa, mutta puuttuvat muista eukaryooteista, mukaan lukien epätyypilliset Microsporidia-lajit Mitosporidium ja Amphiamblys, joissa ES39L rRNA -fragmentti ei ole pelkistynyt 44, 45, 46 (kuva 5c). -e).
Yhdessä nämä tiedot tukevat ajatusta, että E. cuniculi ja mahdollisesti muut kanoniset mikrosporidiat ovat kehittäneet kyvyn tehokkaasti kaapata suuria määriä pieniä metaboliitteja ribosomirakenteeseen kompensoidakseen rRNA- ja proteiinitasojen laskua. Näin tehdessään ne ovat kehittäneet ainutlaatuisen kyvyn sitoa nukleotideja ribosomin ulkopuolelle, mikä osoittaa, että loisten molekyylirakenteet kompensoivat tätä kaappaamalla runsaasti pieniä metaboliitteja ja käyttämällä niitä hajotettujen RNA- ja proteiinifragmenttien rakenteellisina jäljittelijöinä.
Kryo-EM-karttamme kolmas simuloimaton osa, joka löytyy ribosomin suuresta alayksiköstä. Karttamme suhteellisen korkea resoluutio (2,6 Å) viittaa siihen, että tämä tiheys kuuluu proteiineille, joilla on ainutlaatuisia yhdistelmiä pitkistä sivuketjutähteistä. Tämän ansiosta pystyimme tunnistamaan tämän tiheyden aiemmin tuntemattomaksi ribosomiproteiiniksi, jonka tunnistimme nimellä msL2 (Microsporidia-spesifinen proteiini L2) (menetelmät, kuva 6). Homologiahakumme osoitti, että msL2 on säilynyt Encephaliter- ja Orosporidium-suvun Microsporidia-kladissa, mutta puuttuu muista lajeista, mukaan lukien muut Microsporidiat. Ribosomirakenteessa msL2 täyttää raon, joka muodostuu pidentyneen ES31L-rRNA:n menetyksestä. Tässä tyhjiössä msL2 auttaa vakauttamaan rRNA:n laskostumista ja voi kompensoida ES31L:n menetystä (kuva 6).
a E. cuniculin ribosomeissa esiintyvän Microsporidia-spesifisen ribosomiproteiinin msL2 elektronitiheys ja malli. b Useimmissa eukaryoottisissa ribosomeissa, mukaan lukien Saccharomyces cerevisiaen 80S-ribosomi, ES19L rRNA -amplifikaatio on hävinnyt useimmilla Microsporidia-lajeilla. V. necatrix microsporidia -ribosomin aiemmin määritetty rakenne viittaa siihen, että ES19L:n menetys näissä loisissa kompensoituu uuden msL1-ribosomiproteiinin evoluutiolla. Tässä tutkimuksessa havaitsimme, että E. cuniculin ribosomi kehitti myös toisen ribosomaalisen RNA:ta jäljittelevän proteiinin näennäiseksi kompensaatioksi ES19L:n menetykselle. MsL2:lla (tällä hetkellä hypoteettisena ECU06_1135-proteiinina) ja msL1:llä on kuitenkin erilaiset rakenteelliset ja evolutiiviset alkuperät. c Tämä evolutiivisesti toisiinsa liittymättömien msL1- ja msL2-ribosomiproteiinien syntymisen löytö viittaa siihen, että jos ribosomit keräävät haitallisia mutaatioita rRNA:haansa, ne voivat saavuttaa ennennäkemättömän koostumuksellisen monimuotoisuuden jopa pienessä joukossa läheisesti sukua olevia lajeja. Tämä löytö voisi auttaa selventämään mitokondriaalisen ribosomin alkuperää ja kehitystä, joka tunnetaan erittäin alentuneesta rRNA:staan ​​ja proteiinikoostumuksen epänormaalista vaihtelusta lajien välillä.
Sitten vertasimme msL2-proteiinia aiemmin kuvattuun msL1-proteiiniin, joka on ainoa tunnettu mikrosporidioille spesifinen ribosomiproteiini, jota löytyy V. necatrix -ribosomista. Halusimme testata, ovatko msL1 ja msL2 evolutiivisesti sukua toisilleen. Analyysimme osoitti, että msL1 ja msL2 sijaitsevat ribosomirakenteessa samassa ontelossa, mutta niillä on erilaiset primaariset ja tertiääriset rakenteet, mikä viittaa niiden itsenäiseen evolutiiviseen alkuperään (kuva 6). Siten msL2-löytömme antaa todisteita siitä, että kompaktien eukaryoottisten lajien ryhmät voivat itsenäisesti kehittää rakenteellisesti erillisiä ribosomiproteiineja kompensoidakseen rRNA-fragmenttien menetystä. Tämä havainto on merkittävä siinä mielessä, että useimmat sytoplasmiset eukaryoottiset ribosomit sisältävät invariantin proteiinin, mukaan lukien saman 81 ribosomiproteiinin perheen. msL1:n ja msL2:n esiintyminen eri mikrosporidialajeissa vastauksena pidennettyjen rRNA-segmenttien menetykseen viittaa siihen, että loisen molekyyliarkkitehtuurin hajoaminen saa loiset etsimään kompensoivia mutaatioita, jotka voivat lopulta johtaa niiden hankkimiseen eri loispopulaatioissa.
Lopuksi, kun mallimme oli valmis, vertasimme E. cuniculin ribosomin koostumusta genomisekvenssistä ennustettuun koostumukseen. Useiden ribosomiproteiinien, mukaan lukien eL14:n, eL38:n, eL41:n ja eS30:n, ajateltiin aiemmin puuttuvan E. cuniculin genomista, koska niiden homologeja ilmeisesti ei ole E. cuniculin genomissa. Monien ribosomiproteiinien häviämistä ennustetaan myös useimmissa muissa erittäin pelkistyneissä solunsisäisissä loisissa ja endosymbionteissa. Esimerkiksi, vaikka useimmat vapaasti elävät bakteerit sisältävät saman 54 ribosomiproteiinin perheen, vain 11:llä näistä proteiiniperheistä on havaittavissa homologeja kussakin analysoidussa isäntärajoitettujen bakteerien genomissa. Tätä käsitystä tukee se, että ribosomiproteiinien häviämistä on kokeellisesti havaittu V. necatrixin ja P. locustaen mikrosporidioissa, joilta puuttuvat eL38- ja eL4131,32-proteiinit.
Rakenteemme kuitenkin osoittavat, että vain eL38, eL41 ja eS30 ovat itse asiassa kadonneet E. cuniculin ribosomista. eL14-proteiini säilyi, ja rakenteemme osoitti, miksi tätä proteiinia ei löytynyt homologiahaussa (kuva 7). E. cuniculin ribosomeissa suurin osa eL14:n sitoutumiskohdasta menetetään rRNA:lla monistetun ES39L:n hajoamisen vuoksi. ES39L:n puuttuessa eL14 menetti suurimman osan sekundaarirakenteestaan, ja vain 18 % eL14-sekvenssistä oli identtinen E. cuniculissa ja S. cerevisiaessa. Tämä heikko sekvenssin säilyminen on huomionarvoista, koska jopa Saccharomyces cerevisiae ja Homo sapiens – organismit, jotka kehittyivät 1,5 miljardin vuoden välein – jakavat yli 51 % samoista aminohappotähteistä eL14:ssä. Tämä poikkeava säilyvyyden menetys selittää, miksi E. cuniculi eL14 on tällä hetkellä merkitty oletetuksi M970_061160-proteiiniksi eikä ribosomiproteiiniksi eL1427.
ja Microsporidian ribosomi menetti ES39L rRNA -jatkeen, mikä osittain eliminoi eL14-ribosomaalisen proteiinin sitoutumiskohdan. ES39L:n puuttuessa eL14-mikrosporiproteiini menettää sekundaarirakenteensa, jossa entinen rRNA:ta sitova α-heliksi degeneroituu minimaaliseksi silmukaksi. b Usean sekvenssin rinnastus osoittaa, että eL14-proteiini on erittäin konservoitunut eukaryoottilajeissa (57 %:n sekvenssi-identtisyys hiivan ja ihmisen homologien välillä), mutta heikosti konservoitunut ja erilainen mikrosporidioissa (joissa enintään 24 % tähteistä on identtisiä eL14-homologin kanssa). S. cerevisiaesta tai H. sapiensista). Tämä heikko sekvenssin säilyminen ja sekundaarirakenteen vaihtelu selittävät, miksi eL14-homologia ei ole koskaan löydetty E. cuniculista ja miksi tämän proteiinin uskotaan kadonneen E. cuniculista. Sitä vastoin E. cuniculin eL14 annotoitiin aiemmin oletetuksi M970_061160-proteiiniksi. Tämä havainto viittaa siihen, että mikrosporidioiden genomin monimuotoisuutta yliarvioidaan tällä hetkellä: jotkin geenit, joiden tällä hetkellä uskotaan kadonneen mikrosporidioista, ovat itse asiassa säilyneet, vaikkakin hyvin erilaistuneissa muodoissa; sen sijaan joidenkin uskotaan koodaavan matoille spesifisten proteiinien mikrosporidiogeenejä (esim. hypoteettinen proteiini M970_061160 koodaa itse asiassa hyvin monimuotoisia proteiineja, joita löytyy muista eukaryooteista).
Tämä havainto viittaa siihen, että rRNA:n denaturoituminen voi johtaa vierekkäisten ribosomiproteiinien sekvenssien säilymisen dramaattiseen menetykseen, mikä tekee näistä proteiineista havaitsemattomia homologiahauissa. Täten saatamme yliarvioida molekyylitason hajoamisen todellisen asteen pienissä genomisissa organismeissa, koska jotkin kadonneiksi ajateltujen proteiinien todellisuudessa säilyvät, vaikkakin hyvin muuttuneissa muodoissa.
Kuinka loiset voivat säilyttää molekyylikoneistonsa toiminnan äärimmäisen genomin supistumisen olosuhteissa? Tutkimuksemme vastaa tähän kysymykseen kuvaamalla E. cuniculin monimutkaista molekyylirakennetta (ribosomia). E. cuniculilla on yksi pienimmistä eukaryoottisista genomeista.
Lähes kahden vuosikymmenen ajan on tiedetty, että mikrobiparasiittien proteiini- ja RNA-molekyylit eroavat usein homologeista molekyyleistään vapaasti elävissä lajeissa, koska niiltä puuttuu laadunvalvontakeskuksia, ne ovat pienentyneet 50 prosenttiin vapaasti elävien mikrobien koosta jne. monia heikentäviä mutaatioita, jotka heikentävät laskostumista ja toimintaa. Esimerkiksi pienten genomisten organismien, mukaan lukien monet solunsisäiset loiset ja endosymbiontit, ribosomeista odotetaan puuttuvan useita ribosomaalisia proteiineja ja jopa kolmasosa rRNA-nukleotideista verrattuna vapaasti eläviin lajeihin [27, 29, 30, 49]. Näiden molekyylien toimintatapa loisissa on kuitenkin edelleen suurelta osin mysteeri, jota on tutkittu pääasiassa vertailevan genomiikan avulla.
Tutkimuksemme osoittaa, että makromolekyylien rakenne voi paljastaa monia evoluution puolia, joita on vaikea erottaa perinteisistä vertailevista genomisista tutkimuksista solunsisäisistä loisista ja muista isäntärajoitteisista organismeista (lisäkuva 7). Esimerkiksi eL14-proteiinin esimerkki osoittaa, että voimme yliarvioida molekyylilaitteiston todellisen hajoamisasteen loislajeilla. Enkefaliittisilla loisilla uskotaan nykyään olevan satoja mikrosporidioille spesifisiä geenejä. Tuloksemme kuitenkin osoittavat, että jotkut näistä näennäisesti spesifisistä geeneistä ovat itse asiassa vain hyvin erilaisia ​​variantteja geeneistä, jotka ovat yleisiä muissa eukaryooteissa. Lisäksi msL2-proteiinin esimerkki osoittaa, kuinka jätämme huomiotta uudet ribosomaaliset proteiinit ja aliarvioimme loisten molekyylikoneiden sisällön. Pienten molekyylien esimerkki osoittaa, kuinka voimme jättää huomiotta loisten molekyylirakenteiden nerokkaimmat innovaatiot, jotka voivat antaa niille uutta biologista aktiivisuutta.
Yhdessä nämä tulokset parantavat ymmärrystämme isäntäeliöiden rajoittamien organismien ja niiden vapaasti elävien organismien vastineiden molekyylirakenteiden eroista. Osoitamme, että molekyylikoneilla, joiden pitkään on ajateltu olevan pelkistyneitä, rappeutuneita ja alttiita erilaisille heikentäville mutaatioille, onkin nyt joukko systemaattisesti huomiotta jätettyjä epätavallisia rakenteellisia piirteitä.
Toisaalta löytämämme E. cuniculin ribosomeista löytyneet ei-kookkaat rRNA-fragmentit ja fuusioituneet fragmentit viittaavat siihen, että genomin pelkistyminen voi muuttaa jopa niitä perusmolekyylikoneiston osia, jotka ovat säilyneet elämän kolmella alueella – lähes 3,5 miljardin vuoden itsenäisen lajien evoluution jälkeen.
E. cuniculin ribosomien pullistumattomat ja fuusioituneet rRNA-fragmentit ovat erityisen kiinnostavia aiempien endosymbioottisten bakteerien RNA-molekyylejä koskevien tutkimusten valossa. Esimerkiksi kirva Buchnera aphidicola -endosymbiontissa rRNA- ja tRNA-molekyyleillä on osoitettu olevan lämpötilaherkkiä rakenteita A+T-koostumuspoikkeaman ja suuren ei-kanonisten emäsparien osuuden vuoksi20,50. Näiden RNA-muutosten, samoin kuin proteiinimolekyylien muutosten, uskotaan nyt olevan vastuussa endosymbionttien liiallisesta riippuvuudesta kumppaneista ja endosymbionttien kyvyttömyydestä siirtää lämpöä21, 23. Vaikka loismikrosporidioiden rRNA:ssa on rakenteellisesti selkeitä muutoksia, näiden muutosten luonne viittaa siihen, että heikentynyt lämpöstabiilisuus ja suurempi riippuvuus chaperoniproteiineista voivat olla yleisiä piirteitä RNA-molekyyleille organismeissa, joilla on pelkistynyt genomi.
Toisaalta rakenteemme osoittavat, että loisten mikrosporidiat ovat kehittäneet ainutlaatuisen kyvyn vastustaa laajalti konservoituneita rRNA- ja proteiinifragmentteja, kehittäen kyvyn käyttää runsaita ja helposti saatavilla olevia pieniä metaboliitteja degeneroituneiden rRNA- ja proteiinifragmenttien rakenteellisina jäljittelijöinä. Molekyylirakenteen hajoaminen. Tätä näkemystä tukee se, että pienet molekyylit, jotka kompensoivat proteiinifragmenttien menetystä E. cuniculin rRNA:ssa ja ribosomeissa, sitoutuvat mikrosporidiaspesifisiin tähteisiin uL15- ja eL30-proteiineissa. Tämä viittaa siihen, että pienten molekyylien sitoutuminen ribosomeihin voi olla positiivisen valinnan tulos, jossa ribosomiproteiinien Microsporidia-spesifiset mutaatiot on valittu niiden kyvyn perusteella lisätä ribosomien affiniteettia pieniin molekyyleihin, mikä voi johtaa tehokkaampiin ribosomaalisiin organismeihin. Löytö paljastaa älykkään innovaation mikrobiparasiittien molekyylirakenteessa ja antaa meille paremman ymmärryksen siitä, miten loisten molekyylirakenteet säilyttävät toimintansa pelkistävästä evoluutiosta huolimatta.
Näiden pienten molekyylien tunnistaminen on tällä hetkellä epäselvää. Ei ole selvää, miksi näiden pienten molekyylien ulkonäkö ribosomirakenteessa eroaa mikrosporidialajien välillä. Erityisesti ei ole selvää, miksi nukleotidien sitoutumista havaitaan E. cuniculin ja P. locustaen ribosomeissa, mutta ei V. necatrixin ribosomeissa, vaikka V. necatrixin eL20- ja K172-proteiineissa on F170-tähde. Tämä deleetio voi johtua tähteestä 43 uL6 (joka sijaitsee nukleotidien sitoutumistaskun vieressä), joka on tyrosiinia V. necatrixissa eikä treoniinia E. cuniculissa ja P. locustaessa. Tyr43:n kookas aromaattinen sivuketju voi häiritä nukleotidien sitoutumista steerisen päällekkäisyyden vuoksi. Vaihtoehtoisesti näennäinen nukleotidien deleetio voi johtua kryo-EM-kuvantamisen alhaisesta resoluutiosta, mikä haittaa V. necatrixin ribosomifragmenttien mallintamista.
Toisaalta työmme viittaa siihen, että genomin hajoamisprosessi saattaa olla kekseliäs voima. Erityisesti E. cuniculin ribosomin rakenne viittaa siihen, että rRNA:n ja proteiinifragmenttien menetys mikrosporidioiden ribosomissa luo evolutiivista painetta, joka edistää muutoksia ribosomin rakenteessa. Nämä variantit esiintyvät kaukana ribosomin aktiivisesta kohdasta ja näyttävät auttavan ylläpitämään (tai palauttamaan) optimaalisen ribosomin kokoonpanon, joka muuten häiriintyisi pelkistyneen rRNA:n vaikutuksesta. Tämä viittaa siihen, että mikrosporidioiden ribosomin merkittävä innovaatio näyttää kehittyneen tarpeeksi puskuroida geeniajelehtimista.
Ehkäpä tätä havainnollistaa parhaiten nukleotidien sitoutuminen, jota ei ole toistaiseksi havaittu muissa organismeissa. Se, että nukleotideja sitovia tähteitä on tyypillisissä mikrosporidioissa, mutta ei muissa eukaryooteissa, viittaa siihen, että nukleotideja sitovat kohdat eivät ole vain katoamista odottavia jäänteitä tai lopullista paikkaa, jossa rRNA palautuu yksittäisten nukleotidien muotoon. Sen sijaan tämä kohta vaikuttaa hyödylliseltä ominaisuudelta, joka olisi voinut kehittyä useiden positiivisen valinnan kierrosten aikana. Nukleotidien sitoutumiskohdat voivat olla luonnonvalinnan sivutuote: kun ES39L on hajoanut, mikrosporidiat joutuvat etsimään kompensaatiota optimaalisen ribosomin biogeneesin palauttamiseksi ilman ES39L:ää. Koska tämä nukleotidi voi jäljitellä A3186-nukleotidin molekyylikontakteja ES39L:ssä, nukleotidimolekyylistä tulee ribosomin rakennuspalikka, jonka sitoutumista parannetaan edelleen eL30-sekvenssin mutaatiolla.
Solunsisäisten loisten molekyylievoluution osalta tutkimuksemme osoittaa, että darvinistisen luonnonvalinnan ja genomin hajoamisen geneettisen ajautumisen voimat eivät toimi rinnakkain, vaan ne värähtelevät. Ensinnäkin geneettinen ajautuminen poistaa biomolekyylien tärkeitä ominaisuuksia, mikä tekee kompensaatiosta kipeästi tarpeen. Vasta kun loiset tyydyttävät tämän tarpeen darvinistisen luonnonvalinnan kautta, niiden makromolekyylit saavat mahdollisuuden kehittää vaikuttavimmat ja innovatiivisimmat ominaisuutensa. Merkittävää on, että E. cuniculin ribosomin nukleotidien sitoutumiskohtien evoluutio viittaa siihen, että tämä molekyylievoluution häviöstä hyötyyn -malli ei ainoastaan ​​poista haitallisia mutaatioita, vaan joskus antaa loisten makromolekyyleille täysin uusia toimintoja.
Tämä ajatus on yhdenmukainen Sewell Wrightin liikkuvan tasapainon teorian kanssa, jonka mukaan tiukka luonnonvalintajärjestelmä rajoittaa organismien kykyä innovoida51,52,53. Jos geneettinen ajautuminen kuitenkin häiritsee luonnonvalintaa, nämä ajautumiset voivat aiheuttaa muutoksia, jotka eivät sinänsä ole adaptiivisia (tai edes haitallisia), mutta johtavat lisämuutoksiin, jotka parantavat soveltuvuutta tai lisäävät biologista aktiivisuutta. Viitekehyksemme tukee tätä ajatusta havainnollistamalla, että samantyyppinen mutaatio, joka vähentää biomolekyylin laskostumista ja toimintaa, näyttää olevan tärkein laukaiseva tekijä sen paranemiselle. Win-win-evoluutiomallin mukaisesti tutkimuksemme osoittaa, että genomin hajoaminen, jota perinteisesti pidetään rappeuttavana prosessina, on myös merkittävä innovaatioiden ajuri, joskus ja ehkä jopa usein, jolloin makromolekyylit voivat hankkia uusia loisaktiivisuuksia.