תודה שביקרתם באתר Nature.com. גרסת הדפדפן בה אתם משתמשים כוללת תמיכה מוגבלת ב-CSS. לחוויית המשתמש הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, נציג את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
האבולוציה של טפילים מיקרוביאליים כרוכה בפעולת נגד בין ברירה טבעית, הגורמת לטפילים להשתפר, לבין סחיפה גנטית, הגורמת לטפילים לאבד גנים ולצבור מוטציות מזיקות. כאן, על מנת להבין כיצד פעולה נגדית זו מתרחשת בקנה מידה של מקרומולקולה בודדת, אנו מתארים את מבנה הקריו-EM של הריבוזום של Encephalitozoon cuniculi, אורגניזם אאוקריוטי בעל אחד הגנומים הקטנים ביותר בטבע. הירידה הקיצונית של rRNA בריבוזומים של E. cuniculi מלווה בשינויים מבניים חסרי תקדים, כגון התפתחות של מקשרים rRNA מאוחים שלא היו ידועים קודם לכן ו-rRNA ללא בליטות. בנוסף, הריבוזום של E. cuniculi שרד את אובדן שברי rRNA וחלבונים על ידי פיתוח היכולת להשתמש במולקולות קטנות כחיקויים מבניים של שברי rRNA וחלבונים שהתפרקו. בסך הכל, אנו מראים שלמבנים מולקולריים שנחשבו זה מכבר כמצומצמים, מנוונים וכפופים למוטציות מתישות יש מספר מנגנוני פיצוי השומרים עליהם פעילים למרות התכווצויות מולקולריות קיצוניות.
מכיוון שלרוב קבוצות הטפילים המיקרוביאליים יש כלים מולקולריים ייחודיים לניצול הפונדקאים שלהם, לעתים קרובות עלינו לפתח תרופות שונות עבור קבוצות שונות של טפילים1,2. עם זאת, ראיות חדשות מצביעות על כך שכמה היבטים של התפתחות הטפיל מתכנסים וצפויים במידה רבה, דבר המצביע על בסיס פוטנציאלי להתערבויות טיפוליות רחבות בטפילים מיקרוביאליים3,4,5,6,7,8,9.
עבודות קודמות זיהו מגמה אבולוציונית נפוצה בטפילים מיקרוביאליים הנקראת צמצום גנום או דעיכת גנום10,11,12,13. מחקרים עדכניים מראים שכאשר מיקרואורגניזמים מוותרים על אורח חייהם החופשי והופכים לטפילים תוך תאיים (או אנדוסימביונטים), הגנומים שלהם עוברים מטמורפוזות איטיות אך מדהימות במשך מיליוני שנים9,11. בתהליך המכונה דעיכת גנום, טפילים מיקרוביאליים צוברים מוטציות מזיקות שהופכות גנים חשובים רבים בעבר לפסאודו-גנים, מה שמוביל לאובדן גנים הדרגתי ולקריסת מוטציות14,15. קריסה זו יכולה להרוס עד 95% מהגנים באורגניזמים התוך תאיים העתיקים ביותר בהשוואה למינים חופשיים קרובים זה לזה. לפיכך, האבולוציה של טפילים תוך תאיים היא משיכת חבל בין שני כוחות מנוגדים: הברירה הטבעית הדרוויניסטית, המובילה לשיפור הטפילים, וקריסת הגנום, המשליכה טפילים לתהום הנשייה. כיצד הצליח הטפיל לצאת ממשיכת חבל זו ולשמור על פעילות המבנה המולקולרי שלו נותר לא ברור.
למרות שמנגנון ריקבון הגנום אינו מובן במלואו, נראה שהוא מתרחש בעיקר עקב סחיפה גנטית תכופה. מכיוון שטפילים חיים באוכלוסיות קטנות, א-מיניות ומוגבלות גנטית, הם אינם יכולים לחסל ביעילות מוטציות מזיקות המתרחשות לעיתים במהלך שכפול ה-DNA. זה מוביל להצטברות בלתי הפיכה של מוטציות מזיקות ולצמצום גנום הטפיל. כתוצאה מכך, הטפיל לא רק מאבד גנים שכבר אינם נחוצים להישרדותו בסביבה התוך-תאית. חוסר היכולת של אוכלוסיות טפילים לחסל ביעילות מוטציות מזיקות ספורדיות הוא שגורם למוטציות אלו להצטבר ברחבי הגנום, כולל הגנים החשובים ביותר שלהן.
חלק ניכר מההבנה הנוכחית שלנו לגבי צמצום גנום מבוסס אך ורק על השוואות של רצפי גנום, עם פחות תשומת לב לשינויים במולקולות בפועל המבצעות פונקציות של ניהול משק בית ומשמשות כמטרות פוטנציאליות לתרופות. מחקרים השוואתיים הראו כי נראה כי נטל המוטציות המיקרוביאליות התוך-תאיות המזיקות גורם לחלבונים וחומצות גרעין להתקפל בצורה שגויה ולהצטבר, מה שהופך אותם לתלויים יותר במלווים ורגישים יותר לחום 19,20,21,22,23. בנוסף, טפילים שונים - אבולוציה בלתי תלויה שלעיתים מופרדים על ידי עד 2.5 מיליארד שנים - חוו אובדן דומה של מרכזי בקרת איכות בסינתזת החלבונים שלהם 5,6 ובמנגנוני תיקון DNA 24. עם זאת, מעט ידוע על השפעת אורח החיים התוך-תאי על כל שאר התכונות של מקרומולקולות תאיות, כולל הסתגלות מולקולרית לנטל הולך וגובר של מוטציות מזיקות.
בעבודה זו, על מנת להבין טוב יותר את האבולוציה של חלבונים וחומצות גרעין של מיקרואורגניזמים תוך-תאיים, קבענו את מבנה הריבוזומים של הטפיל התוך-תאי Encephalitozoon cuniculi. E. cuniculi הוא אורגניזם דמוי פטרייה השייך לקבוצת מיקרוספורידיה טפילית בעלת גנומים אאוקריוטיים קטנים במיוחד ולכן משמשים כאורגניזמים מודל לחקר דעיכת גנום 25,26,27,28,29,30. לאחרונה, נקבע מבנה הריבוזום cryo-EM עבור גנומים מצומצמים במידה בינונית של Microsporidia, Paranosema locustae ו-Vairimorpha necatrix 31,32 (כ-3.2 מגה-בייט בגנום). מבנים אלה מצביעים על כך שאובדן מסוים של הגברת rRNA מפוצה על ידי פיתוח קשרים חדשים בין חלבונים ריבוזומליים שכנים או רכישת חלבונים ריבוזומליים חדשים msL1 31,32. המינים אנצפליטוזאון (גנום ~2.5 מיליון בסיסים), יחד עם קרוב משפחתם הקרוב ביותר Ordospora, מפגינים את הדרגה הסופית של צמצום גנום באיקריוטים - יש להם פחות מ-2000 גנים המקודדים חלבונים, וצפוי שהריבוזומים שלהם לא רק נטולי שברי התפשטות rRNA (שברי rRNA המבדילים ריבוזומים אאוקריוטיים מריבוזומים חיידקיים), אלא גם בעלי ארבעה חלבונים ריבוזומליים עקב היעדר הומולוגים בגנום של E. cuniculi 26,27,28. לכן, הסקנו שהריבוזום של E. cuniculi יכול לחשוף אסטרטגיות שלא היו ידועות קודם לכן להסתגלות מולקולרית לדעיכה גנומית.
מבנה הקריו-EM שלנו מייצג את הריבוזום הציטופלזמי האיקריוטי הקטן ביותר שאפיין, ומספק תובנות לגבי האופן שבו מידת החיזור הגנומי הסופית משפיעה על המבנה, ההרכבה והאבולוציה של המנגנון המולקולרי שהוא חלק בלתי נפרד מהתא. מצאנו כי הריבוזום E. cuniculi מפר רבים מהעקרונות השמורים של קיפול RNA והרכבת ריבוזומים, וגילינו חלבון ריבוזומלי חדש ולא ידוע קודם לכן. באופן בלתי צפוי למדי, אנו מראים כי ריבוזומים של מיקרוספורידיה פיתחו את היכולת להיקשר למולקולות קטנות, ומשערים כי קיצוצים ב-rRNA ובחלבונים מעוררים חידושים אבולוציוניים שבסופו של דבר עשויים להעניק תכונות שימושיות לריבוזום.
כדי לשפר את הבנתנו את התפתחות החלבונים וחומצות הגרעין באורגניזמים תוך תאיים, החלטנו לבודד נבגי E. cuniculi מתרביות של תאים יונקים נגועים על מנת לטהר את הריבוזומים שלהם ולקבוע את מבנה הריבוזומים הללו. קשה להשיג מספר רב של מיקרוספורידיה טפילית מכיוון שלא ניתן לגדל מיקרוספורידיה במצע מזין. במקום זאת, הם גדלים ומתרבים רק בתוך התא המארח. לכן, כדי להשיג ביומסה של E. cuniculi לטיהור ריבוזומים, הדבקנו את קו תאי הכליה של יונקים RK13 בנבגי E. cuniculi וגידפנו את התאים הנגועים הללו במשך מספר שבועות כדי לאפשר ל-E. cuniculi לגדול ולהתרבות. באמצעות שכבת תאים נגועים של כחצי מטר רבוע, הצלחנו לטהר כ-300 מ"ג של נבגי מיקרוספורידיה ולהשתמש בהם לבידוד ריבוזומים. לאחר מכן, שברנו את הנבגים המטוהרים בעזרת חרוזי זכוכית ובודדנו את הריבוזומים הגולמיים באמצעות פירוק פוליאתילן גליקול בשלבים של הליזטים. זה אפשר לנו להשיג כ-300 מיקרוגרם של ריבוזומים גולמיים של E. cuniculi לניתוח מבני.
לאחר מכן אספנו תמונות cryo-EM באמצעות דגימות הריבוזום שהתקבלו ועיבדנו תמונות אלו באמצעות מסכות המתאימות לתת-היחידה הריבוזומלית הגדולה, ראש תת-היחידה הקטנה ותת-היחידה הקטנה. במהלך תהליך זה, אספנו תמונות של כ-108,000 חלקיקים ריבוזומליים וחישבנו תמונות cryo-EM ברזולוציה של 2.7Å (איורים משלימים 1-3). לאחר מכן השתמשנו בתמונות cryoEM כדי לדמות rRNA, חלבון ריבוזומלי וגורם תרדמת חורף Mdf1 הקשורים לריבוזומים של E. cuniculi (איור 1א', ב').
א. מבנה הריבוזום E. cuniculi בקומפלקס עם גורם תרדמת החורף Mdf1 (pdb id 7QEP). ב. מפה של גורם תרדמת החורף Mdf1 הקשור לריבוזום E. cuniculi. ג. מפת מבנה משני המשווה rRNA שהוחזר במינים מיקרוספורידיאנים למבנים ריבוזומיים ידועים. הפאנלים מראים את מיקום שברי ה-rRNA המוגברים (ES) ואתרים פעילים של הריבוזום, כולל אתר הפענוח (DC), לולאת הסרסיניצין (SRL) ומרכז פפטידיל טרנספראז (PTC). ד. צפיפות האלקטרונים התואמת למרכז פפטידיל טרנספראז של הריבוזום E. cuniculi מרמזת כי לאתר קטליטי זה יש את אותו המבנה בטפיל E. cuniculi ובמארחים שלו, כולל H. sapiens. e, f צפיפות האלקטרונים המתאימה של מרכז הפענוח (e) והמבנה הסכמטי של מרכז הפענוח (f) מצביעים על כך של-E. cuniculi יש שאריות U1491 במקום A1491 (מספור E. coli) באיקריוטים רבים אחרים. שינוי זה מצביע על כך ש-E. cuniculi עשוי להיות רגיש לאנטיביוטיקה המכוונות לאתר פעיל זה.
בניגוד למבנים שנקבעו בעבר של ריבוזומים מסוג V. necatrix ו-P. locustae (שני המבנים מייצגים את אותה משפחת microsporidia Nosematidae ודומים מאוד זה לזה), ריבוזומים מסוג 31,32 של E. cuniculi עוברים תהליכים רבים של פרגמנטציה של rRNA וחלבונים. דנטורציה נוספת (איורים משלימים 4-6). ב-rRNA, השינויים הבולטים ביותר כללו אובדן מוחלט של מקטע 25S rRNA מוגבר ES12L וניוון חלקי של סלילי h39, h41 ו-H18 (איור 1c, איור משלים 4). מבין החלבונים הריבוזומליים, השינויים הבולטים ביותר כללו אובדן מוחלט של חלבון eS30 וקיצור של החלבונים eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 ו-eS7 (איורים משלימים 4, 5).
לפיכך, הצמצום הקיצוני של הגנומים של מיני Encephalotozoon/Ordospora משתקף במבנה הריבוזום שלהם: ריבוזומים של E. cuniculi חווים את האובדן הדרמטי ביותר של תכולת חלבון בריבוזומים ציטופלזמיים אאוקריוטיים בכפוף לאפיון מבני, ואין להם אפילו את אותם rRNA ושברי חלבון שנשמרים באופן נרחב לא רק באיקריוטים, אלא גם בשלושת תחומי החיים. מבנה הריבוזום של E. cuniculi מספק את המודל המולקולרי הראשון לשינויים אלה וחושף אירועים אבולוציוניים שהוזנחו הן על ידי גנומיקה השוואתית והן על מחקרים של מבנה ביו-מולקולרי תוך-תאי (איור משלים 7). להלן, אנו מתארים כל אחד מהאירועים הללו יחד עם מקורותיהם האבולוציוניים הסבירים והשפעתם הפוטנציאלית על תפקוד הריבוזום.
לאחר מכן מצאנו שבנוסף לקיטורי rRNA גדולים, לריבוזומים של E. cuniculi יש וריאציות rRNA באחד מהאתרים הפעילים שלהם. למרות שמרכז הפפטידיל טרנספראז של הריבוזום של E. cuniculi זהה לריבוזומים אאוקריוטיים אחרים (איור 1ד), מרכז הפענוח שונה עקב וריאציה ברצף בנוקלאוטיד 1491 (מספור E. coli, איור 1ה, ו). תצפית זו חשובה מכיוון שאתר הפענוח של ריבוזומים אאוקריוטיים מכיל בדרך כלל את השאריות G1408 ו-A1491 בהשוואה לשאריות מסוג חיידקי A1408 ו-G1491. וריאציה זו עומדת בבסיס הרגישות השונה של ריבוזומים חיידקיים ואאוקריוטיים למשפחת האמינוגליקוזידים של אנטיביוטיקה ריבוזומלית ולמולקולות קטנות אחרות המכוונות לאתר הפענוח. באתר הפענוח של הריבוזום של E. cuniculi, השארית A1491 הוחלפה ב-U1491, מה שיצר פוטנציאל ליצירת ממשק קישור ייחודי עבור מולקולות קטנות המכוונות לאתר פעיל זה. אותו וריאנט A14901 קיים גם במיקרוספורידיה אחרת כגון P. locustae ו-V. necatrix, דבר המצביע על כך שהוא נפוץ בקרב מיני מיקרוספורידיה (איור 1f).
מכיוון שדגימות הריבוזום E. cuniculi שלנו בודדו מנבגים לא פעילים מבחינה מטבולית, בדקנו את מפת הקריו-EM של E. cuniculi עבור קישור ריבוזום שתואר קודם לכן בתנאי עקה או רעב. גורמי תרדמת חורף 31,32,36,37,38. התאמנו את המבנה שנקבע קודם לכן של הריבוזום בתרדמת חורף עם מפת הקריו-EM של הריבוזום E. cuniculi. לצורך עגינה, נעשה שימוש בריבוזומים של S. cerevisiae בקומפלקס עם גורם תרדמת חורף Stm138, ריבוזומים של ארבה בקומפלקס עם גורם Lso232, וריבוזומים של V. necatrix בקומפלקס עם גורמי Mdf1 ו-Mdf231. במקביל, מצאנו שצפיפות הקריו-EM התואמת לגורם המנוחה Mdf1. בדומה לקשירת Mdf1 לריבוזום V. necatrix, Mdf1 נקשר גם לריבוזום E. cuniculi, שם הוא חוסם את אתר E של הריבוזום, מה שעשוי לסייע בהפיכת ריבוזומים לזמינים כאשר נבגי הטפיל הופכים ללא פעילים מבחינה מטבולית לאחר השבתת פעילות הגוף (איור 2).
Mdf1 חוסם את אתר E של הריבוזום, אשר ככל הנראה מסייע להשבית את הריבוזום כאשר נבגי הטפיל הופכים ללא פעילים מבחינה מטבולית. במבנה של הריבוזום E. cuniculi, מצאנו ש-Mdf1 יוצר קשר לא ידוע קודם לכן עם גזע הריבוזום L1, החלק של הריבוזום שמאפשר את שחרורו של tRNA דה-אצטיל מהריבוזום במהלך סינתזת חלבונים. קשרים אלה מצביעים על כך ש-Mdf1 מתנתק מהריבוזום באמצעות אותו מנגנון כמו tRNA דה-אצטיל, ומספק הסבר אפשרי לאופן שבו הריבוזום מסיר את Mdf1 כדי להפעיל מחדש את סינתזת החלבון.
עם זאת, המבנה שלנו גילה קשר לא ידוע בין Mdf1 לרגל הריבוזום L1 (החלק בריבוזום המסייע בשחרור tRNA דה-אצטיל מהריבוזום במהלך סינתזת חלבונים). בפרט, Mdf1 משתמש באותם קשרים כמו מקטע המרפק של מולקולת ה-tRNA הדה-אצטיל (איור 2). מידול מולקולרי זה, שלא היה ידוע קודם לכן, הראה ש-Mdf1 מתנתק מהריבוזום באמצעות אותו מנגנון כמו tRNA דה-אצטיל, מה שמסביר כיצד הריבוזום מסיר את גורם תרדמת החורף הזה כדי להפעיל מחדש את סינתזת החלבונים.
בעת בניית מודל ה-rRNA, מצאנו כי לריבוזום E. cuniculi יש מקטעי rRNA מקופלים באופן חריג, אותם כינינו rRNA מאוחד (איור 3). בריבוזומים המשתרעים על פני שלושת תחומי החיים, rRNA מתקפל למבנים שבהם רוב בסיסי ה-rRNA יוצרים זוג בסיסים ומתקפלים זה עם זה או מקיימים אינטראקציה עם חלבונים ריבוזומליים38,39,40. עם זאת, בריבוזומים של E. cuniculi, נראה כי rRNA מפרים את עקרון הקיפול הזה על ידי המרת חלק מהסלילים שלהם לאזורי rRNA לא מקופלים.
מבנה סליל ה-rRNA H18 25S ב-S. cerevisiae, V. necatrix ו-E. cuniculi. בדרך כלל, בריבוזומים המשתרעים על פני שלושת תחומי החיים, קישור זה מתפתל לסליל RNA המכיל 24 עד 34 שאריות. לעומת זאת, במיקרוספורידיה, קישור rRNA זה מצטמצם בהדרגה לשני קישורים חד-גדיליים עשירים באורידין המכילים רק 12 שאריות. רוב השאריות הללו חשופות לממסים. האיור מראה כי נראה כי מיקרוספורידיה טפילית מפרה את העקרונות הכלליים של קיפול rRNA, שבהם בסיסי rRNA בדרך כלל מצומדים לבסיסים אחרים או מעורבים באינטראקציות בין rRNA לחלבון. במיקרוספורידיה, חלק משברי ה-rRNA מקבלים קיפול לא רצוי, שבו סליל ה-rRNA הקודם הופך לשבר חד-גדילי מוארך כמעט בקו ישר. נוכחותם של אזורים יוצאי דופן אלה מאפשרת ל-rRNA של מיקרוספורידיה להיקשר לשברי rRNA מרוחקים באמצעות מספר מינימלי של בסיסי RNA.
הדוגמה הבולטת ביותר למעבר אבולוציוני זה ניתן לראות בסליל rRNA H18 25S (איור 3). במינים, החל מחיידקי E. coli ועד לבני אדם, בסיסי סליל rRNA זה מכילים 24-32 נוקלאוטידים, ויוצרים סליל מעט לא סדיר. במבנים ריבוזומליים שזוהו בעבר מ-V. necatrix ו-P. locustae,31,32 בסיסי סליל H18 אינם מלופפים חלקית, אך זיווג הבסיסים הנוקלאוטידים נשמר. עם זאת, ב-E. cuniculi מקטע rRNA זה הופך לקשרים הקצרים ביותר 228UUUUGU232 ו-301UUUUUUUUUU307. שלא כמו מקטעי rRNA טיפוסיים, קישורים עשירים באורידין אלה אינם מתפתלים או יוצרים מגע נרחב עם חלבונים ריבוזומליים. במקום זאת, הם מאמצים מבנים פתוחים בממס ובלתי מלופפים לחלוטין שבהם גדילי ה-rRNA נמתחים כמעט ישרים. קונפורמציה מתוחה זו מסבירה כיצד E. cuniculi משתמש רק ב-12 בסיסי RNA כדי למלא את הפער של 33 Å בין סלילי rRNA H16 ו-H18, בעוד שמינים אחרים דורשים לפחות פי שניים מבסיסי rRNA כדי למלא את הפער.
לפיכך, אנו יכולים להדגים שבאמצעות קיפול אנרגטי שלילי, מיקרוספורידיה טפילית פיתחה אסטרטגיה להתכווצות אפילו את מקטעי ה-rRNA שנותרו שמורים באופן נרחב על פני מינים בשלושת תחומי החיים. ככל הנראה, על ידי צבירת מוטציות שהופכות סלילי rRNA לקשרים קצרים של poly-U, E. cuniculi יכול ליצור מקטעי rRNA יוצאי דופן המכילים כמה שפחות נוקלאוטידים לצורך קשירת מקטעי rRNA דיסטליים. זה עוזר להסביר כיצד מיקרוספורידיה השיגו הפחתה דרמטית במבנה המולקולרי הבסיסי שלהן מבלי לאבד את שלמותן המבנית והתפקודית.
מאפיין יוצא דופן נוסף של rRNA של E. cuniculi הוא הופעתו של rRNA ללא עיבויים (איור 4). בליטות הן נוקלאוטידים ללא זוגות בסיסים שמתפתלים החוצה מסליל ה-RNA במקום להסתתר בו. רוב בליטות ה-rRNA פועלות כדבקים מולקולריים, המסייעים להיקשר לחלבונים ריבוזומליים סמוכים או לשברי rRNA אחרים. חלק מהבליטות פועלות כצירים, המאפשרים לסליל ה-rRNA להתכופף ולהתקפל בצורה אופטימלית לסינתזת חלבונים פרודוקטיבית 41.
א. בליטה של ​​rRNA (מספור S. cerevisiae) נעדרת ממבנה הריבוזום של E. cuniculi, אך קיימת ברוב האיקריוטים האחרים b. ריבוזומים פנימיים של E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens ו-E. cuniculi. לטפילים חסרות רבות מבליטות ה-rRNA העתיקות והשמורות מאוד. עיבויים אלה מייצבים את מבנה הריבוזום; לכן, היעדרן במיקרוספורידיה מצביע על יציבות מופחתת של קיפול rRNA בטפילי מיקרוספורידיה. השוואה עם גזעי P (גזעי L7/L12 בחיידקים) מראה שאובדן בליטות rRNA לפעמים חופף להופעת בליטות חדשות ליד הבליטות האבודות. לסליל H42 ב-rRNA 23S/28S יש בליטה עתיקה (U1206 ב-Saccharomyces cerevisiae) המוערכת כטבועה לפחות 3.5 מיליארד שנים בשל ההגנה שלה בשלושה תחומי חיים. במיקרוספורידיה, בליטה זו מוסרת. עם זאת, בליטה חדשה הופיעה לצד הבליטה האבודה (A1306 ב-E. cuniculi).
באופן בולט, מצאנו כי ריבוזומים של E. cuniculi חסרים את רוב בליטות ה-rRNA המצויות במינים אחרים, כולל יותר מ-30 בליטות שנשמרו באיקריוטים אחרים (איור 4א'). אובדן זה מבטל קשרים רבים בין תת-יחידות ריבוזומליות לסלי rRNA סמוכים, ולעתים יוצר חללים גדולים בתוך הריבוזום, מה שהופך את הריבוזום של E. cuniculi לנקבובי יותר בהשוואה לריבוזומים מסורתיים יותר (איור 4ב'). ראוי לציין כי מצאנו שרוב הבליטות הללו אבדו גם במבני הריבוזומים V. necatrix ו-P. locustae שזוהו בעבר, אשר הוזנחו בניתוחים מבניים קודמים31,32.
לעיתים, אובדן בליטות של rRNA מלווה בהתפתחות בליטות חדשות לצד הבליטה האבודה. לדוגמה, גזע ה-P הריבוזומלי מכיל בליטה U1208 (ב-Saccharomyces cerevisiae) ששרדה מחיידקי E. coli ועד לבני אדם ולכן מוערך שגילו 3.5 מיליארד שנים. במהלך סינתזת החלבון, בליטה זו מסייעת לגזע ה-P לנוע בין קונפורמציות פתוחות וסגורות, כך שהריבוזום יכול לגייס גורמי תרגום ולהעביר אותם לאתר הפעיל. בריבוזומים של E. cuniculi, עיבוי זה נעדר; עם זאת, עיבוי חדש (G883) הממוקם רק בשלושה זוגות בסיסים יכול לתרום לשיקום הגמישות האופטימלית של גזע ה-P (איור 4c).
הנתונים שלנו על rRNA ללא בליטות מצביעים על כך שמזעור rRNA אינו מוגבל לאובדן של אלמנטים של rRNA על פני השטח של הריבוזום, אלא עשוי לכלול גם את גרעין הריבוזום, וליצור פגם מולקולרי ספציפי לטפיל שלא תואר בתאים חופשיים. נצפים מינים חיים.
לאחר מידול חלבונים ריבוזומליים קנוניים ו-rRNA, מצאנו שרכיבים ריבוזומליים קונבנציונליים אינם יכולים להסביר את שלושת חלקי תמונת הקריו-EM. שניים מהמקטעים הללו הם מולקולות קטנות בגודלן (איור 5, איור משלים 8). המקטע הראשון נמצא בין חלבוני הריבוזומל uL15 ו-eL18 במיקום שבדרך כלל תפוס על ידי הקצה ה-C של eL18, המקוצר ב-E. cuniculi. למרות שאיננו יכולים לקבוע את זהותה של מולקולה זו, גודלו וצורתו של אי הצפיפות הזה מוסברים היטב על ידי נוכחותן של מולקולות ספרמידין. קישורו לריבוזום מיוצב על ידי מוטציות ספציפיות למיקרוספורידיה בחלבוני uL15 (Asp51 ו-Arg56), אשר לכאורה מגבירות את הזיקה של הריבוזום למולקולה קטנה זו, מכיוון שהן מאפשרות ל-uL15 לעטוף את המולקולה הקטנה למבנה ריבוזומלי. איור משלים 2). 8, נתונים נוספים 1, 2).
הדמיית קריו-EM המציגה נוכחות של נוקלאוטידים מחוץ לריבוז הקשורים לריבוזום E. cuniculi. בריבוזום E. cuniculi, נוקלאוטיד זה תופס את אותו מקום כמו נוקלאוטיד 25S rRNA A3186 (מספור Saccharomyces cerevisiae) ברוב הריבוזומים האיקריוטיים האחרים. b במבנה הריבוזומלי של E. cuniculi, נוקלאוטיד זה ממוקם בין החלבונים הריבוזומליים uL9 ו-eL20, ובכך מייצב את הקשר בין שני החלבונים. cd ניתוח שימור רצף eL20 בקרב מיני מיקרוספורידיה. העץ הפילוגנטי של מיני מיקרוספורידיה (c) ויישור רצפים מרובה של חלבון eL20 (d) מראים ששאריות הקושרות נוקלאוטידים F170 ו-K172 נשמרים ברוב המיקרוספורידיה האופיינית, למעט S. lophii, למעט מיקרוספורידיה המסתעפת המוקדמת, ששמרה על סיומת rRNA ES39L. האיור הזה מראה ששאריות קישור נוקלאוטידים F170 ו-K172 קיימות רק ב-eL20 של הגנום של המיקרוספורידיה שעבר ירידה משמעותית, אך לא באיקריוטים אחרים. בסך הכל, נתונים אלה מצביעים על כך שריבוזומים של המיקרוספורידיה פיתחו אתר קישור נוקלאוטידים שנראה כי הוא נקשר למולקולות AMP ומשתמש בהן כדי לייצב אינטראקציות חלבון-חלבון במבנה הריבוזומי. השימור הגבוה של אתר קישור זה במיקרוספורידיה והיעדרו באיקריוטים אחרים מצביעים על כך שאתר זה עשוי לספק יתרון הישרדות סלקטיבי עבור המיקרוספורידיה. לפיכך, נראה כי כיס קישור הנוקלאוטידים בריבוזום המיקרוספורידיה אינו מאפיין מנוון או צורה סופית של פירוק rRNA כפי שתואר קודם לכן, אלא חידוש אבולוציוני שימושי המאפשר לריבוזום המיקרוספורידיה להיקשר ישירות למולקולות קטנות, תוך שימוש בהן כאבני בניין מולקולריות. תגלית זו הופכת את הריבוזום של המיקרוספורידיה לריבוזום היחיד הידוע המשתמש בנוקלאוטיד בודד כאבן בניין מבנית שלו. המסלול האבולוציוני ההיפותטי שנגזר מקישור נוקלאוטידים.
צפיפות המשקל המולקולרי הנמוכה השנייה ממוקמת בממשק שבין חלבוני הריבוזום uL9 ו-eL30 (איור 5a). ממשק זה תואר בעבר במבנה הריבוזום Saccharomyces cerevisiae כאתר קישור לנוקלאוטיד 25S של rRNA A3186 (חלק מהרחבת rRNA ES39L)38. הוכח שבריבוזומים מנוונים של P. locustae ES39L, ממשק זה נקשר לנוקלאוטיד בודד לא ידוע31, וההנחה היא שנוקאוטיד זה הוא צורה סופית מצומצמת של rRNA, שבה אורך ה-rRNA הוא ~130-230 בסיסים. ES39L מצטמצם לנוקלאוטיד בודד32.43. תמונות הקריו-EM שלנו תומכות ברעיון שניתן להסביר את הצפיפות על ידי נוקלאוטידים. עם זאת, הרזולוציה הגבוהה יותר של המבנה שלנו הראתה שנוקאוטיד זה הוא מולקולה חוץ-ריבוזומלית, אולי AMP (איור 5a, b).
לאחר מכן שאלנו האם אתר הקישור לנוקלאוטידים הופיע בריבוזום E. cuniculi או שמא הוא היה קיים בעבר. מכיוון שקישור נוקלאוטידים מתווך בעיקר על ידי שאריות Phe170 ו-Lys172 בחלבון הריבוזומלי eL30, הערכנו את שימור שאריות אלו ב-4396 איקריוטים מייצגים. כמו במקרה של uL15 לעיל, מצאנו ששאריות Phe170 ו-Lys172 שמורות מאוד רק במיקרוספורידיה טיפוסית, אך נעדרות באיקריוטים אחרים, כולל מיקרוספורידיה אטיפית מיטוספורידיום ואמפימבליס, שבהן מקטע ה-rRNA של ES39L אינו מצטמצם 44, 45, 46 (איור 5c). -e).
נתונים אלה תומכים ברעיון ש-E. cuniculi ואולי גם מיקרוספורידיה קנונית אחרת פיתחו את היכולת ללכוד ביעילות מספר רב של מטבוליטים קטנים במבנה הריבוזום כדי לפצות על הירידה ברמות ה-rRNA והחלבון. בכך, הם פיתחו יכולת ייחודית לקשור נוקלאוטידים מחוץ לריבוזום, דבר המראה שמבנים מולקולריים טפיליים מפצים על ידי לכידת מטבוליטים קטנים בשפע ושימוש בהם כחיקוי מבני של RNA וחלבון מפורקים.
החלק השלישי שלא סימולציה של מפת הקריו-EM שלנו, נמצא בתת-היחידה הריבוזומלית הגדולה. הרזולוציה הגבוהה יחסית (2.6Å) של המפה שלנו מצביעה על כך שצפיפות זו שייכת לחלבונים עם שילובים ייחודיים של שיירי שרשרת צד גדולים, מה שאפשר לנו לזהות צפיפות זו כחלבון ריבוזומלי לא ידוע קודם לכן, אותו זיהינו כ-msL2 (חלבון ספציפי למיקרוsporidia L2) (שיטות, איור 6). חיפוש ההומולוגיה שלנו הראה ש-msL2 שמור בקבוצת המיקרוsporidia של הסוגים Encephaliter ו-Orosporidium, אך נעדר במינים אחרים, כולל מיקרוספורידיה אחרים. במבנה הריבוזומלי, msL2 תופס פער שנוצר עקב אובדן ה-rRNA המורחב ES31L. בפער זה, msL2 מסייע בייצוב קיפול ה-rRNA ויכול לפצות על אובדן ES31L (איור 6).
א. צפיפות אלקטרונים ומודל של חלבון ריבוזומלי ספציפי ל-Microsporidia הנמצא בריבוזומים של E. cuniculi. ב. לרוב הריבוזומים האיקריוטיים, כולל הריבוזום 80S של Saccharomyces cerevisiae, אובדן של הגברת rRNA של ES19L ברוב המינים של Microsporidians. המבנה שנקבע בעבר של הריבוזום V. necatrix microsporidia מצביע על כך שאובדן ES19L בטפילים אלה מפוצה על ידי האבולוציה של חלבון הריבוזומלי החדש msL1. במחקר זה, מצאנו שהריבוזום של E. cuniculi פיתח גם חלבון חיקוי RNA ריבוזומלי נוסף כפיצוי לכאורה על אובדן ES19L. עם זאת, ל-msL2 (המסומן כיום כחלבון ההיפותטי ECU06_1135) ול-msL1 מקורות מבניים ואבולוציוניים שונים. ג. גילוי זה של יצירת חלבוני ריבוזומליים msL1 ו-msL2 שאינם קשורים מבחינה אבולוציונית מצביע על כך שאם ריבוזומים צוברים מוטציות מזיקות ב-rRNA שלהם, הם יכולים להגיע לרמות חסרות תקדים של גיוון הרכבי אפילו בתת-קבוצה קטנה של מינים קרובים. גילוי זה עשוי לסייע בהבהרת מקורו ואבולוציה של הריבוזום המיטוכונדריאלי, הידוע ב-rRNA המופחת מאוד שלו ובשונות חריגה בהרכב החלבון בין מינים.
לאחר מכן השווינו את חלבון msL2 עם חלבון msL1 שתואר קודם לכן, החלבון הריבוזומלי היחיד הידוע הספציפי למיקרוספורידיה שנמצא בריבוזום V. necatrix. רצינו לבדוק האם msL1 ו-msL2 קשורים מבחינה אבולוציונית. הניתוח שלנו הראה ש-msL1 ו-msL2 תופסים את אותו חלל במבנה הריבוזומלי, אך יש להם מבנים ראשוניים ושלישוניים שונים, דבר המצביע על מקורם האבולוציוני הבלתי תלוי (איור 6). לפיכך, התגלית שלנו של msL2 מספקת ראיות לכך שקבוצות של מינים אאוקריוטיים קומפקטיים יכולות לפתח באופן עצמאי חלבונים ריבוזומליים שונים מבחינה מבנית כדי לפצות על אובדן שברי rRNA. ממצא זה בולט בכך שרוב הריבוזומים האאוקריוטיים הציטופלזמיים מכילים חלבון בלתי משתנה, הכולל את אותה משפחה של 81 חלבונים ריבוזומליים. הופעתם של msL1 ו-msL2 בקבוצות שונות של מיקרוספורידיה בתגובה לאובדן מקטעי rRNA מורחבים מצביעה על כך שפירוק הארכיטקטורה המולקולרית של הטפיל גורם לטפילים לחפש מוטציות מפצות, מה שעלול בסופו של דבר להוביל לרכישתם במבנים שונים של טפילים.
לבסוף, כאשר המודל שלנו הושלם, השווינו את הרכב הריבוזום של E. cuniculi עם זה שחזה מרצף הגנום. בעבר חשבו שחסרים מספר חלבונים ריבוזומליים, כולל eL14, eL38, eL41 ו-eS30, בגנום של E. cuniculi עקב היעדרם לכאורה של הומולוגים שלהם בגנום של E. cuniculi. אובדן של חלבונים ריבוזומליים רבים צפוי גם ברוב הטפילים התוך-תאיים והאנדוסימביונטים האחרים בעלי רמת מצומצמת גבוהה. לדוגמה, למרות שרוב החיידקים החיים חופשי מכילים את אותה משפחה של 54 חלבונים ריבוזומליים, רק ל-11 ממשפחות חלבונים אלו יש הומולוגים ניתנים לזיהוי בכל גנום מנותח של חיידקים מוגבלי מארח. לתמיכה ברעיון זה, נצפה בניסוי אובדן של חלבונים ריבוזומליים במיקרוספורידיה של V. necatrix ו-P. locustae, שחסרות להם את החלבונים eL38 ו-eL4131,32.
עם זאת, המבנים שלנו מראים שרק eL38, eL41 ו-eS30 אכן אובדים בריבוזום E. cuniculi. חלבון eL14 נשמר והמבנה שלנו הראה מדוע לא ניתן היה למצוא חלבון זה בחיפוש ההומולוגיה (איור 7). בריבוזומים של E. cuniculi, רוב אתר הקישור של eL14 אובד עקב פירוק של ES39L המוגבר על ידי rRNA. בהיעדר ES39L, eL14 איבד את רוב המבנה המשני שלו, ורק 18% מרצף eL14 היה זהה ב-E. cuniculi וב-S. cerevisiae. שימור רצף ירוד זה ראוי לציון מכיוון שאפילו Saccharomyces cerevisiae והומו סאפיינס - אורגניזמים שהתפתחו בהפרש של 1.5 מיליארד שנים - חולקים יותר מ-51% מאותם שאריות ב-eL14. אובדן שימור חריג זה מסביר מדוע E. cuniculi eL14 מסומן כיום כחלבון M970_061160 המשוער ולא כחלבון ריבוזומלי eL1427.
והריבוזום Microsporidia איבד את שלוחת ה-rRNA של ES39L, מה שביטל חלקית את אתר הקישור של חלבון הריבוזומלי eL14. בהיעדר ES39L, חלבון המיקרו-נבעים eL14 עובר אובדן מבנה משני, שבו סליל ה-α לשעבר שקשר את ה-rRNA מתנוון ללולאה באורך מינימלי. b יישור רצפים מרובה מראה שחלבון eL14 שמור מאוד במינים אאוקריוטיים (57% זהות רצף בין הומולוגים של שמרים והומולוגים אנושיים), אך שמור בצורה גרועה ומתבדל במיקרוספורידיה (בה לא יותר מ-24% מהשאריות זהות להומולוג של eL14). מ-S. cerevisiae או H. sapiens). שימור רצף ירוד זה ושונות מבנה משני מסבירים מדוע ההומולוג של eL14 מעולם לא נמצא ב-E. cuniculi ומדוע סבורים שחלבון זה אבד ב-E. cuniculi. לעומת זאת, eL14 של E. cuniculi סומן בעבר כחלבון M970_061160 משוער. תצפית זו מצביעה על כך שמגוון הגנום של מיקרוספורידיה מוערך יתר על המידה כיום: חלק מהגנים שנחשבים כיום כאבודים במיקרוספורידיה נשמרים למעשה, אם כי בצורות מובחנות מאוד; במקום זאת, חלקם נחשבים כמקודדים לגנים של מיקרוספורידיה עבור חלבונים ספציפיים לתולעים (למשל, החלבון ההיפותטי M970_061160) מקודד למעשה לחלבונים המגוונים מאוד המצויים באיקריוטים אחרים.
ממצא זה מצביע על כך שדנטורציה של rRNA יכולה להוביל לאובדן דרמטי של שימור רצף בחלבונים ריבוזומליים סמוכים, מה שהופך חלבונים אלה לבלתי ניתנים לגילוי בחיפושי הומולוגיה. לפיכך, אנו עשויים להפריז בהערכת מידת הפירוק המולקולרי בפועל באורגניזמים קטנים של הגנום, מכיוון שחלק מהחלבונים שחשבו שאבדו אכן נשארים, אם כי בצורות שהשתנו מאוד.
כיצד יכולים טפילים לשמור על תפקוד המכונות המולקולריות שלהם בתנאים של צמצום גנומי קיצוני? המחקר שלנו עונה על שאלה זו על ידי תיאור המבנה המולקולרי המורכב (ריבוזום) של E. cuniculi, אורגניזם בעל אחד הגנומים האיקריוטיים הקטנים ביותר.
ידוע כבר כמעט שני עשורים שמולקולות חלבון ו-RNA בטפילים מיקרוביאליים שונות לעיתים קרובות מהמולקולות ההומולוגיות שלהן במינים חופשיים משום שהן חסרות מרכזי בקרת איכות, מצטמצמות ל-50% מגודלן במיקרובים חופשיים וכו'. ישנן מוטציות רבות מתישות הפוגעות בקיפול ובתפקוד. לדוגמה, צפויים להיות חסרים לריבוזומים של אורגניזמים גנומיים קטנים, כולל טפילים תוך-תאיים רבים ואנדוסימביונטים, מספר חלבונים ריבוזומליים ועד שליש מנוקלאוטידים של rRNA בהשוואה למינים חופשיים 27, 29, 30, 49. עם זאת, אופן התפקוד של מולקולות אלו בטפיל נותר במידה רבה בגדר תעלומה, הנחקר בעיקר באמצעות גנומיקה השוואתית.
המחקר שלנו מראה כי מבנה המקרומולקולות יכול לחשוף היבטים רבים של אבולוציה שקשה לחלץ ממחקרים גנומיים השוואתיים מסורתיים של טפילים תוך-תאיים ואורגניזמים אחרים המוגבלים על ידי פונדקאים (איור משלים 7). לדוגמה, הדוגמה של חלבון eL14 מראה שאנו יכולים להפריז בהערכת מידת הפירוק בפועל של המנגנון המולקולרי במינים טפיליים. כיום מאמינים כי לטפילים אנצפליטיים יש מאות גנים ספציפיים למיקרוספורידיה. עם זאת, תוצאותינו מראות שחלק מהגנים הללו, שנראים ספציפיים לכאורה, הם למעשה רק וריאנטים שונים מאוד של גנים הנפוצים באיקריוטים אחרים. יתר על כן, הדוגמה של חלבון msL2 מראה כיצד אנו מתעלמים מחלבונים ריבוזומליים חדשים וממעיטים בערך התוכן של מכונות מולקולריות טפיליות. הדוגמה של מולקולות קטנות מראה כיצד אנו יכולים להתעלם מהחידושים הגאוניים ביותר במבנים מולקולריים טפיליים שיכולים להעניק להם פעילות ביולוגית חדשה.
יחד, תוצאות אלו משפרות את הבנתנו את ההבדלים בין המבנים המולקולריים של אורגניזמים מוגבלי פונדקאים לבין מקביליהם באורגניזמים חיים חופשיים. אנו מראים כי מכונות מולקולריות, שנחשבו זה מכבר כמצומצמות, מנוונות וכפופות למוטציות מתישות שונות, מכילות במקום זאת קבוצה של מאפיינים מבניים יוצאי דופן שמתעלמים מהם באופן שיטתי.
מצד שני, שברי ה-rRNA הלא-מגושמים והשברים המאוחים שמצאנו בריבוזומים של E. cuniculi מצביעים על כך שרדוקציה גנומית יכולה לשנות אפילו את אותם חלקים של המנגנון המולקולרי הבסיסי שנשמרו בשלושת תחומי החיים - לאחר כמעט 3.5 מיליארד שנים של אבולוציה עצמאית של מינים.
שברי ה-rRNA חסרי הבליטות והמאוחים בריבוזומים של E. cuniculi מעניינים במיוחד לאור מחקרים קודמים של מולקולות RNA בחיידקים אנדוסימביוטיים. לדוגמה, באנדוסימביונט הכנימה Buchnera aphidicola, מולקולות rRNA ו-tRNA הוכחו כבעלות מבנים רגישים לטמפרטורה עקב הטיה בהרכב A+T ושיעור גבוה של זוגות בסיסים לא קנוניים20,50. שינויים אלה ב-RNA, כמו גם שינויים במולקולות חלבון, נחשבים כיום כאחראים לתלות היתר של אנדוסימביונטים בבני זוג ולחוסר היכולת של אנדוסימביונטים להעביר חום21, 23. למרות של-rRNA של מיקרוספורידיה טפילית יש שינויים מבניים שונים, אופי השינויים הללו מצביע על כך שיציבות תרמית מופחתת ותלות גבוהה יותר בחלבוני צ'פרון עשויות להיות מאפיינים נפוצים של מולקולות RNA באורגניזמים עם גנום מצומצם.
מצד שני, המבנים שלנו מראים כי מיקרוספורידיה של טפילים פיתחה יכולת ייחודית להתנגד לשברי rRNA וחלבון שנשמרו באופן נרחב, ופיתחה את היכולת להשתמש במטבוליטים קטנים בשפע וזמינים בקלות כחיקויים מבניים של שברי rRNA וחלבון מנוונים. פירוק מבנה מולקולרי. דעה זו נתמכת על ידי העובדה שמולקולות קטנות המפצות על אובדן שברי חלבון ב-rRNA ובריבוזומים של E. cuniculi נקשרות לשאריות ספציפיות למיקרוספורידיה בחלבונים uL15 ו-eL30. ממצא זה מצביע על כך שקשירה של מולקולות קטנות לריבוזומים עשויה להיות תוצר של ברירה חיובית, שבה מוטציות ספציפיות למיקרוספורידיה בחלבונים ריבוזומליים נבחרו בשל יכולתן להגביר את הזיקה של ריבוזומים למולקולות קטנות, מה שעשוי להוביל לאורגניזמים ריבוזומליים יעילים יותר. התגלית חושפת חידוש חכם במבנה המולקולרי של טפילים מיקרוביאליים ומעניקה לנו הבנה טובה יותר של האופן שבו מבנים מולקולריים של טפילים שומרים על תפקודם למרות אבולוציה רדוקטיבית.
נכון לעכשיו, זיהוי המולקולות הקטנות הללו נותר לא ברור. לא ברור מדוע הופעתן של המולקולות הקטנות הללו במבנה הריבוזומלי שונה בין מיני מיקרוספורידיה. בפרט, לא ברור מדוע נצפית קישור נוקלאוטידים בריבוזומים של E. cuniculi ו-P. locustae, ולא בריבוזומים של V. necatrix, למרות נוכחות שארית F170 בחלבוני eL20 ו-K172 של V. necatrix. מחיקה זו עשויה להיגרם על ידי שארית 43 uL6 (הממוקמת בסמוך לכיס קישור הנוקלאוטידים), שהיא טירוזין ב-V. necatrix ולא תראונין ב-E. cuniculi ו-P. locustae. שרשרת הצד הארומטית הגדולה של Tyr43 יכולה להפריע לקישור נוקלאוטידים עקב חפיפה סטרית. לחלופין, המחיקה לכאורה של נוקלאוטידים עשויה לנבוע מהרזולוציה הנמוכה של הדמיית cryo-EM, אשר מעכבת את מידול שברי הריבוזומים של V. necatrix.
מצד שני, עבודתנו מצביעה על כך שתהליך ריקבון הגנום עשוי להיות כוח יצירתי. בפרט, מבנה הריבוזום E. cuniculi מצביע על כך שאובדן של rRNA ושברי חלבון בריבוזום המיקרוספורידיה יוצר לחץ אבולוציוני המקדם שינויים במבנה הריבוזום. וריאנטים אלה מופיעים הרחק מהאתר הפעיל של הריבוזום ונראה כי הם מסייעים בשמירה (או שחזור) של הרכבה אופטימלית של ריבוזומים, שאחרת הייתה מופרעת על ידי rRNA מופחת. ממצא זה מצביע על כך שחידוש משמעותי של הריבוזום המיקרוספורידיה התפתח כנראה לצורך לחיץ סחף גנים.
ייתכן שזה מודגם בצורה הטובה ביותר על ידי קישור נוקלאוטידים, שמעולם לא נצפתה באורגניזמים אחרים עד כה. העובדה ששאריות קישור נוקלאוטידים קיימות במיקרוספורידיה טיפוסית, אך לא באיקריוטים אחרים, מרמזת שאתרי קישור נוקלאוטידים אינם רק שרידים הממתינים להיעלם, או האתר הסופי עבור rRNA שישוחזר לצורה של נוקלאוטידים בודדים. במקום זאת, אתר זה נראה כתכונה שימושית שיכולה הייתה להתפתח במהלך מספר סבבים של ברירה חיובית. אתרי קישור נוקלאוטידים עשויים להיות תוצר לוואי של ברירה טבעית: לאחר ש-ES39L מתפרק, מיקרוספורידיה נאלצת לחפש פיצוי כדי לשחזר ביוגנזה אופטימלית של הריבוזום בהיעדר ES39L. מכיוון שנוקאוטיד זה יכול לחקות את המגעים המולקולריים של נוקלאוטיד A3186 ב-ES39L, מולקולת הנוקלאוטיד הופכת לאבן בניין של הריבוזום, שקשירתו משתפרת עוד יותר על ידי מוטציה של רצף eL30.
בהתייחס לאבולוציה המולקולרית של טפילים תוך-תאיים, המחקר שלנו מראה כי כוחות הברירה הטבעית הדרוויניסטית והסחיפה הגנטית של דעיכת הגנום אינם פועלים במקביל, אלא מתנדנדים. ראשית, סחיפה גנטית מבטלת מאפיינים חשובים של ביומולקולות, מה שהופך את הפיצוי לזמין ביותר. רק כאשר טפילים מספקים צורך זה באמצעות ברירה טבעית דרוויניסטית, למקרומולקולות שלהם תהיה הזדמנות לפתח את התכונות המרשימות והחדשניות ביותר שלהם. חשוב לציין, האבולוציה של אתרי קישור נוקלאוטידים בריבוזום E. cuniculi מצביעה על כך שדפוס "הפסד-להשגה" זה של אבולוציה מולקולרית לא רק ממזער מוטציות מזיקות, אלא לעיתים מעניק תפקודים חדשים לחלוטין למקרומולקולות טפיליות.
רעיון זה עולה בקנה אחד עם תיאוריית שיווי המשקל הנע של סוול רייט, הקובעת כי מערכת קפדנית של ברירה טבעית מגבילה את יכולתם של אורגניזמים לחדש51,52,53. עם זאת, אם סחיפה גנטית משבשת את הברירה הטבעית, סחיפות אלו יכולות לייצר שינויים שאינם כשלעצמם אדפטיביים (או אפילו מזיקים) אך מובילים לשינויים נוספים המספקים כושר גופני גבוה יותר או פעילות ביולוגית חדשה. המסגרת שלנו תומכת ברעיון זה על ידי הדגמה שאותו סוג של מוטציה שמפחית את הקיפול והתפקוד של ביומולקולה נראה כגורם הגורם העיקרי לשיפורה. בהתאם למודל האבולוציוני שבו שני הצדדים מרוויחים, המחקר שלנו מראה כי דעיכת הגנום, הנתפסת באופן מסורתי כתהליך ניווני, היא גם גורם מניע עיקרי לחדשנות, שלפעמים ואולי אף לעתים קרובות מאפשרת למקרומולקולות לרכוש פעילויות טפיליות חדשות.