გმადლობთ, რომ ეწვიეთ Nature.com-ს. თქვენს მიერ გამოყენებულ ბრაუზერის ვერსიას CSS-ის შეზღუდული მხარდაჭერა აქვს. საუკეთესო გამოცდილებისთვის გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში). ამასობაში, მხარდაჭერის უწყვეტი უზრუნველყოფის მიზნით, საიტს სტილებისა და JavaScript-ის გარეშე ვაჩვენებთ.
მიკრობული პარაზიტების ევოლუცია გულისხმობს ბუნებრივ გადარჩევას, რაც იწვევს პარაზიტების გაუმჯობესებას, და გენეტიკურ დრიფტს, რაც იწვევს პარაზიტების მიერ გენების დაკარგვას და მავნე მუტაციების დაგროვებას. აქ, იმის გასაგებად, თუ როგორ ხდება ეს წინააღმდეგობა ერთი მაკრომოლეკულის მასშტაბით, ჩვენ აღვწერთ Encephalitozoon cuniculi-ის რიბოსომის კრიო-EM სტრუქტურას, ეუკარიოტული ორგანიზმის, რომელსაც ბუნებაში ერთ-ერთი ყველაზე პატარა გენომი აქვს. E. cuniculi რიბოსომებში rRNA-ს უკიდურეს შემცირებას თან ახლავს უპრეცედენტო სტრუქტურული ცვლილებები, როგორიცაა აქამდე უცნობი შერწყმული rRNA ლინკერების და გამობურცულობის გარეშე rRNA-ს ევოლუცია. გარდა ამისა, E. cuniculi რიბოსომა გადაურჩა rRNA ფრაგმენტებისა და ცილების დაკარგვას მცირე მოლეკულების დეგრადირებული rRNA ფრაგმენტებისა და ცილების სტრუქტურულ მიმიკად გამოყენების უნარის განვითარებით. საერთო ჯამში, ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ მოლეკულურ სტრუქტურებს, რომლებიც დიდი ხნის განმავლობაში შემცირებულ, დეგენერირებულ და დამაუძლურებელ მუტაციებისადმი დაქვემდებარებულად ითვლებოდა, აქვთ მთელი რიგი კომპენსატორული მექანიზმები, რომლებიც ინარჩუნებენ მათ აქტიურობას ექსტრემალური მოლეკულური შეკუმშვის მიუხედავად.
რადგან მიკრობული პარაზიტების ჯგუფების უმეტესობას აქვს უნიკალური მოლეკულური ინსტრუმენტები მათი მასპინძლების გამოსაყენებლად, ჩვენ ხშირად გვიწევს პარაზიტების სხვადასხვა ჯგუფისთვის სხვადასხვა თერაპიული საშუალებების შემუშავება1,2. თუმცა, ახალი მტკიცებულებები მიუთითებს, რომ პარაზიტის ევოლუციის ზოგიერთი ასპექტი თანხვედრია და დიდწილად პროგნოზირებადია, რაც მიუთითებს მიკრობული პარაზიტების ფართო თერაპიული ჩარევების პოტენციურ საფუძველზე3,4,5,6,7,8,9.
წინა კვლევებმა გამოავლინა მიკრობული პარაზიტების საერთო ევოლუციური ტენდენცია, რომელსაც გენომის შემცირება ან გენომის დაშლა ეწოდება10,11,12,13. მიმდინარე კვლევები აჩვენებს, რომ როდესაც მიკროორგანიზმები უარს ამბობენ თავისუფალი ცხოვრების წესზე და ხდებიან უჯრედშიდა პარაზიტები (ანუ ენდოსიმბიონტები), მათი გენომები მილიონობით წლის განმავლობაში განიცდიან ნელ, მაგრამ საოცარ მეტამორფოზებს9,11. გენომის დაშლის სახელით ცნობილ პროცესში, მიკრობული პარაზიტები აგროვებენ მავნე მუტაციებს, რომლებიც ადრე მნიშვნელოვან ბევრ გენს ფსევდოგენებად აქცევს, რაც იწვევს გენების თანდათანობით დაკარგვას და მუტაციურ კოლაფსს14,15. ამ კოლაფსს შეუძლია გაანადგუროს გენების 95%-მდე უძველეს უჯრედშიდა ორგანიზმებში, თავისუფლად მცხოვრები მჭიდროდ მონათესავე სახეობებთან შედარებით. ამრიგად, უჯრედშიდა პარაზიტების ევოლუცია არის ორ დაპირისპირებულ ძალას შორის ბრძოლა: დარვინისეული ბუნებრივი გადარჩევა, რაც იწვევს პარაზიტების გაუმჯობესებას და გენომის კოლაფსი, რაც პარაზიტებს დავიწყებას მისცემს. გაურკვეველია, თუ როგორ მოახერხა პარაზიტმა ამ ბრძოლადან გამოსვლა და თავისი მოლეკულური სტრუქტურის აქტივობის შენარჩუნება.
მიუხედავად იმისა, რომ გენომის დაშლის მექანიზმი ბოლომდე შესწავლილი არ არის, როგორც ჩანს, ის ძირითადად ხშირი გენეტიკური დრიფტის გამო ხდება. რადგან პარაზიტები მცირე, უსქესო და გენეტიკურად შეზღუდულ პოპულაციებში ცხოვრობენ, მათ არ შეუძლიათ ეფექტურად აღმოფხვრან მავნე მუტაციები, რომლებიც ზოგჯერ დნმ-ის რეპლიკაციის დროს ხდება. ეს იწვევს მავნე მუტაციების შეუქცევად დაგროვებას და პარაზიტის გენომის შემცირებას. შედეგად, პარაზიტი არა მხოლოდ კარგავს გენებს, რომლებიც აღარ არის საჭირო უჯრედშიდა გარემოში მისი გადარჩენისთვის. სწორედ პარაზიტის პოპულაციების უუნარობა, ეფექტურად აღმოფხვრან სპორადული მავნე მუტაციები, იწვევს ამ მუტაციების დაგროვებას მთელ გენომში, მათ შორის მათ ყველაზე მნიშვნელოვან გენებში.
გენომის შემცირების შესახებ ჩვენი ამჟამინდელი გაგების დიდი ნაწილი მხოლოდ გენომის თანმიმდევრობების შედარებას ეფუძნება და ნაკლები ყურადღება ექცევა ფაქტობრივი მოლეკულების ცვლილებებს, რომლებიც ასრულებენ „სამეურნეო“ ფუნქციებს და წარმოადგენენ პოტენციურ წამლის სამიზნეებს. შედარებითმა კვლევებმა აჩვენა, რომ მავნე უჯრედშიდა მიკრობული მუტაციების ტვირთი, როგორც ჩანს, ცილებსა და ნუკლეინის მჟავებს არასწორად დაკეცვისა და აგრეგაციისკენ მიდრეკილს ხდის, რაც მათ უფრო შაპერონზე დამოკიდებულს და სითბოს მიმართ ჰიპერმგრძნობიარეს ხდის19,20,21,22,23. გარდა ამისა, სხვადასხვა პარაზიტმა - რომელთა დამოუკიდებელი ევოლუცია ზოგჯერ 2.5 მილიარდი წლითაც კი განსხვავდება - მსგავსი ხარისხის კონტროლის ცენტრების დაკარგვა განიცადა ცილის სინთეზში5,6 და დნმ-ის აღდგენის მექანიზმებში24. თუმცა, ცოტა რამ არის ცნობილი უჯრედშიდა ცხოვრების წესის გავლენის შესახებ უჯრედული მაკრომოლეკულების ყველა სხვა თვისებაზე, მათ შორის მავნე მუტაციების მზარდ ტვირთთან მოლეკულურ ადაპტაციაზე.
ამ ნაშრომში, უჯრედშიდა მიკროორგანიზმების ცილებისა და ნუკლეინის მჟავების ევოლუციის უკეთ გასაგებად, ჩვენ განვსაზღვრეთ უჯრედშიდა პარაზიტის, Encephalitozoon cuniculi-ს რიბოსომების სტრუქტურა. E. cuniculi არის სოკოს მსგავსი ორგანიზმი, რომელიც მიეკუთვნება პარაზიტული მიკროსპორიდიების ჯგუფს, რომლებსაც აქვთ უჩვეულოდ პატარა ეუკარიოტული გენომები და შესაბამისად, გამოიყენება როგორც მოდელის ორგანიზმები გენომის დაშლის შესასწავლად25,26,27,28,29,30. ცოტა ხნის წინ, კრიო-EM რიბოსომის სტრუქტურა განისაზღვრა Microsporidia-ს, Paranosema locustae-ს და Vairimorpha necatrix-ის31,32 (~3.2 მბ გენომი) ზომიერად შემცირებული გენომებისთვის. ეს სტრუქტურები მიუთითებს, რომ rRNA ამპლიფიკაციის გარკვეული დანაკარგი კომპენსირდება მეზობელ რიბოსომურ ცილებს შორის ახალი კონტაქტების განვითარებით ან ახალი msL131,32 რიბოსომული ცილების შეძენით. სახეობები Encephalitozoon (გენომი ~2.5 მილიონი bp), მათ უახლოეს ნათესავ Ordospora-სთან ერთად, ავლენენ გენომის შემცირების უკიდურეს ხარისხს ეუკარიოტებში - მათ აქვთ 2000-ზე ნაკლები ცილის კოდირების გენი და მოსალოდნელია, რომ მათ რიბოსომებს არა მხოლოდ არ აქვთ rRNA გაფართოების ფრაგმენტები (rRNA ფრაგმენტები, რომლებიც განასხვავებენ ეუკარიოტულ რიბოსომებს ბაქტერიული რიბოსომებისგან), არამედ აქვთ ოთხი რიბოსომული ცილა E. cuniculi-ის გენომში ჰომოლოგების ნაკლებობის გამო26,27,28. ამიტომ, ჩვენ დავასკვენით, რომ E. cuniculi რიბოსომას შეუძლია გამოავლინოს გენომის დაშლისადმი მოლეკულური ადაპტაციის აქამდე უცნობი სტრატეგიები.
ჩვენი კრიო-EM სტრუქტურა წარმოადგენს დახასიათებულ ეუკარიოტულ ციტოპლაზმურ რიბოსომას ყველაზე პატარა ჯგუფს და გვაძლევს წარმოდგენას იმის შესახებ, თუ როგორ მოქმედებს გენომის შემცირების საბოლოო ხარისხი უჯრედის განუყოფელი ნაწილის მოლეკულური მექანიზმის სტრუქტურაზე, აწყობასა და ევოლუციაზე. ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ E. cuniculi რიბოსომა არღვევს რნმ-ის დაკეცვისა და რიბოსომის აწყობის ფართოდ შემონახულ პრინციპებს და აღმოვაჩინეთ ახალი, აქამდე უცნობი რიბოსომული ცილა. საკმაოდ მოულოდნელად, ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ მიკროსპორიდიის რიბოსომებმა განივითარეს მცირე მოლეკულებთან შეკავშირების უნარი და გამოვთქვით ჰიპოთეზა, რომ rRNA-სა და ცილებში შეკვეცები იწვევს ევოლუციურ ინოვაციებს, რამაც საბოლოოდ შეიძლება რიბოსომას სასარგებლო თვისებები მიანიჭოს.
უჯრედშიდა ორგანიზმებში ცილებისა და ნუკლეინის მჟავების ევოლუციის შესახებ ჩვენი გაგების გასაუმჯობესებლად, ჩვენ გადავწყვიტეთ, ინფიცირებული ძუძუმწოვრების უჯრედების კულტურებიდან გამოგვეყო E. cuniculi-ს სპორები, რათა გაგვეწმინდა მათი რიბოსომები და დაგვედგენინა ამ რიბოსომების სტრუქტურა. პარაზიტული მიკროსპორიდიების დიდი რაოდენობით მიღება რთულია, რადგან მიკროსპორიდიების კულტივირება საკვებ გარემოში შეუძლებელია. ამის ნაცვლად, ისინი იზრდებიან და მრავლდებიან მხოლოდ მასპინძელი უჯრედის შიგნით. ამიტომ, რიბოსომის გასაწმენდად E. cuniculi-ს ბიომასის მისაღებად, ჩვენ დავაინფიცირეთ ძუძუმწოვრების თირკმლის უჯრედული ხაზი RK13 E. cuniculi-ს სპორებით და რამდენიმე კვირის განმავლობაში ვაკულტივირეთ ეს ინფიცირებული უჯრედები, რათა E. cuniculi-ს ზრდა და გამრავლება შეძლებოდა. დაახლოებით ნახევარი კვადრატული მეტრის ინფიცირებული უჯრედის მონოშრის გამოყენებით, ჩვენ შევძელით დაახლოებით 300 მგ Microsporidia-ს სპორების გაწმენდა და მათი გამოყენება რიბოსომების იზოლირებისთვის. შემდეგ გაწმენდილი სპორები შუშის მძივებით დავშალეთ და ლიზატების ეტაპობრივი პოლიეთილენგლიკოლის ფრაქციონირების გამოყენებით გამოვყავით ნედლი რიბოსომები. ამან საშუალება მოგვცა, სტრუქტურული ანალიზისთვის მიგვეღო დაახლოებით 300 მკგ ნედლი E. cuniculi რიბოსომები.
შემდეგ მიღებული რიბოსომის ნიმუშების გამოყენებით შევაგროვეთ კრიო-ემისიური გამოსახულებები და დავამუშავეთ ეს გამოსახულებები დიდი რიბოსომული ქვეერთეულის, მცირე ქვეერთეულის თავისა და მცირე ქვეერთეულის შესაბამისი ნიღბების გამოყენებით. ამ პროცესის დროს შევაგროვეთ დაახლოებით 108,000 რიბოსომული ნაწილაკის გამოსახულებები და გამოვთვალეთ კრიო-ემისიური გამოსახულებები 2.7 Å გარჩევადობით (დამატებითი სურათები 1-3). შემდეგ გამოვიყენეთ კრიო-ემისიური გამოსახულებები rRNA-ს, რიბოსომული ცილის და E. cuniculi რიბოსომებთან დაკავშირებული ჰიბერნაციის ფაქტორი Mdf1-ის მოდელირებისთვის (სურ. 1ა, ბ).
ა. E. cuniculi რიბოსომის სტრუქტურა კომპლექსში ჰიბერნაციის ფაქტორ Mdf1-თან (pdb id 7QEP). ბ. ჰიბერნაციის ფაქტორი Mdf1-ის რუკა, რომელიც დაკავშირებულია E. cuniculi რიბოსომასთან. გ. მეორადი სტრუქტურის რუკა, რომელიც ადარებს მიკროსპორიდიულ სახეობებში აღდგენილ rRNA-ს ცნობილ რიბოსომურ სტრუქტურებთან. პანელები აჩვენებს ამპლიფიცირებული rRNA ფრაგმენტების (ES) და რიბოსომის აქტიური ცენტრების მდებარეობას, მათ შორის დეკოდირების ადგილს (DC), სარცინიცინის მარყუჟს (SRL) და პეპტიდილ ტრანსფერაზას ცენტრს (PTC). დ. E. cuniculi რიბოსომის პეპტიდილ ტრანსფერაზას ცენტრთან შესაბამისი ელექტრონული სიმკვრივე მიუთითებს, რომ ამ კატალიზურ ცენტრს იგივე სტრუქტურა აქვს E. cuniculi პარაზიტსა და მის მასპინძლებში, მათ შორის H. sapiens-ში. e, f დეკოდირების ცენტრის შესაბამისი ელექტრონული სიმკვრივე (e) და დეკოდირების ცენტრის სქემატური სტრუქტურა (f) მიუთითებს, რომ E. cuniculi-ს სხვა მრავალ ეუკარიოტში A1491-ის ნაცვლად (E. coli-ს ნუმერაცია) აქვს U1491 ნაშთები. ეს ცვლილება მიუთითებს, რომ E. cuniculi შეიძლება მგრძნობიარე იყოს ამ აქტიური ცენტრის მიმართ ანტიბიოტიკების მიმართ.
V. necatrix-ისა და P. locustae-ს რიბოსომების ადრე დადგენილი სტრუქტურებისგან განსხვავებით (ორივე სტრუქტურა წარმოადგენს იმავე მიკროსპორიდიის ოჯახს Nosematidae და ძალიან ჰგავს ერთმანეთს), 31,32 E. cuniculi-ის რიბოსომები განიცდიან rRNA-სა და ცილის ფრაგმენტაციის მრავალ პროცესს. შემდგომი დენატურაცია (დამატებითი სურათები 4-6). rRNA-ში ყველაზე თვალშისაცემი ცვლილებები მოიცავდა გაძლიერებული 25S rRNA ფრაგმენტის ES12L სრულ დაკარგვას და h39, h41 და H18 სპირალების ნაწილობრივ დეგენერაციას (სურ. 1გ, დამატებითი სურ. 4). რიბოსომული ცილებიდან ყველაზე თვალშისაცემი ცვლილებები მოიცავდა eS30 ცილის სრულ დაკარგვას და eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 და eS7 ცილების შემოკლებას (დამატებითი სურათები 4, 5).
ამგვარად, Encephalotozooon/Ordospora სახეობების გენომების უკიდურესი შემცირება აისახება მათ რიბოსომის სტრუქტურაში: E. cuniculi რიბოსომები განიცდიან ცილის შემცველობის ყველაზე მკვეთრ დაკარგვას ეუკარიოტულ ციტოპლაზმურ რიბოსომებში, სტრუქტურული დახასიათების შესაბამისად და მათ არ აქვთ ის rRNA და ცილის ფრაგმენტები, რომლებიც ფართოდ არის კონსერვირებული არა მხოლოდ ეუკარიოტებში, არამედ სიცოცხლის სამ დომენშიც. E. cuniculi რიბოსომის სტრუქტურა უზრუნველყოფს ამ ცვლილებების პირველ მოლეკულურ მოდელს და ავლენს ევოლუციურ მოვლენებს, რომლებიც გამოტოვებულია როგორც შედარებითი გენომიკის, ასევე უჯრედშიდა ბიომოლეკულური სტრუქტურის კვლევების მიერ (დამატებითი სურ. 7). ქვემოთ აღწერილია თითოეული ეს მოვლენა მათი სავარაუდო ევოლუციური წარმოშობისა და რიბოსომის ფუნქციაზე მათი პოტენციური გავლენის შესახებ.
შემდეგ აღმოვაჩინეთ, რომ დიდი rRNA-ს შემოკლებების გარდა, E. cuniculi რიბოსომებს ერთ-ერთ აქტიურ ცენტრში rRNA-ს ვარიაციები აქვთ. მიუხედავად იმისა, რომ E. cuniculi რიბოსომის პეპტიდილ ტრანსფერაზას ცენტრს იგივე სტრუქტურა აქვს, რაც სხვა ეუკარიოტულ რიბოსომებს (სურ. 1დ), დეკოდირების ცენტრი განსხვავდება ნუკლეოტიდ 1491-ზე თანმიმდევრობის ვარიაციის გამო (E. coli-ს ნუმერაცია, სურ. 1ე, ვ). ეს დაკვირვება მნიშვნელოვანია, რადგან ეუკარიოტული რიბოსომების დეკოდირების ადგილი, როგორც წესი, შეიცავს G1408 და A1491 ნარჩენებს, ბაქტერიული ტიპის A1408 და G1491 ნარჩენებთან შედარებით. ეს ვარიაცია ბაქტერიული და ეუკარიოტული რიბოსომების განსხვავებულ მგრძნობელობას რიბოსომული ანტიბიოტიკების ამინოგლიკოზიდური ოჯახის და სხვა მცირე მოლეკულების მიმართ, რომლებიც დეკოდირების ადგილს მიმართავენ. E. cuniculi რიბოსომის დეკოდირების ადგილას, ნარჩენი A1491 შეიცვალა U1491-ით, რაც პოტენციურად ქმნის უნიკალურ შეკავშირების ინტერფეისს ამ აქტიურ ცენტრზე მიმართული მცირე მოლეკულებისთვის. იგივე A14901 ვარიანტი ასევე გვხვდება სხვა მიკროსპორიდიებში, როგორიცაა P. locustae და V. necatrix, რაც იმაზე მიუთითებს, რომ ის ფართოდ არის გავრცელებული მიკროსპორიდიების სახეობებში (სურ. 1f).
რადგან ჩვენი E. cuniculi რიბოსომის ნიმუშები მეტაბოლურად არააქტიური სპორებიდან იქნა გამოყოფილი, ჩვენ გამოვცადეთ E. cuniculi-ის კრიო-EM რუკა ადრე აღწერილი რიბოსომის შეკავშირების დასადგენად სტრესის ან შიმშილის პირობებში. ჰიბერნაციის ფაქტორები 31,32,36,37, 38. ჩვენ შევუსაბამეთ ჰიბერნაციის პროცესში მყოფი რიბოსომის ადრე დადგენილი სტრუქტურა E. cuniculi რიბოსომის კრიო-EM რუკას. დოკინგისთვის, S. cerevisiae-ს რიბოსომები გამოყენებული იქნა ჰიბერნაციის ფაქტორ Stm138-თან კომპლექსში, კალიის რიბოსომები Lso232 ფაქტორთან კომპლექსში და V. necatrix-ის რიბოსომები Mdf1 და Mdf231 ფაქტორებთან კომპლექსში. ამავდროულად, ჩვენ აღმოვაჩინეთ კრიო-EM სიმკვრივე, რომელიც შეესაბამება მოსვენების ფაქტორ Mdf1-ს. V. necatrix რიბოსომასთან Mdf1-ის შეკავშირების მსგავსად, Mdf1 ასევე უკავშირდება E. cuniculi რიბოსომას, სადაც ის ბლოკავს რიბოსომის E საიტს, რაც შესაძლოა ხელს უწყობს რიბოსომების ხელმისაწვდომობას, როდესაც პარაზიტის სპორები მეტაბოლურად არააქტიური ხდებიან ორგანიზმის ინაქტივაციის შემდეგ (სურათი 2).
Mdf1 ბლოკავს რიბოსომის E საიტს, რომელიც, როგორც ჩანს, ხელს უწყობს რიბოსომის ინაქტივაციას, როდესაც პარაზიტის სპორები მეტაბოლურად არააქტიური ხდება. E. cuniculi რიბოსომის სტრუქტურაში ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ Mdf1 აქამდე უცნობ კონტაქტს ქმნის L1 რიბოსომის ღეროსთან, რიბოსომის იმ ნაწილთან, რომელიც ხელს უწყობს დეაცილირებული tRNA-ს გამოთავისუფლებას რიბოსომიდან ცილის სინთეზის დროს. ეს კონტაქტები მიუთითებს, რომ Mdf1 დისოცირდება რიბოსომასგან დეაცეტილირებული tRNA-ს იგივე მექანიზმის გამოყენებით, რაც შესაძლო ახსნას იძლევა იმისა, თუ როგორ აშორებს რიბოსომა Mdf1-ს ცილის სინთეზის რეაქტივაციისთვის.
თუმცა, ჩვენმა სტრუქტურამ გამოავლინა უცნობი კონტაქტი Mdf1-სა და L1 რიბოსომის ფეხს (რიბოსომის ის ნაწილი, რომელიც ხელს უწყობს დეაცილირებული tRNA-ს გამოთავისუფლებას რიბოსომიდან ცილის სინთეზის დროს). კერძოდ, Mdf1 იყენებს იგივე კონტაქტებს, რასაც დეაცილირებული tRNA მოლეკულის იდაყვის სეგმენტი (სურ. 2). ამ აქამდე უცნობმა მოლეკულურმა მოდელირებამ აჩვენა, რომ Mdf1 დისოცირდება რიბოსომასგან დეაცეტილირებული tRNA-ს იგივე მექანიზმის გამოყენებით, რაც დეაცეტილირებული tRNA-ს, რაც ხსნის, თუ როგორ აშორებს რიბოსომა ამ ჰიბერნაციის ფაქტორს ცილის სინთეზის რეაქტივაციისთვის.
rRNA მოდელის აგებისას აღმოვაჩინეთ, რომ E. cuniculi რიბოსომას აქვს ანომალიურად დაკეცილი rRNA ფრაგმენტები, რომლებსაც შერწყმულ rRNA-ს ვუწოდებთ (სურ. 3). სიცოცხლის სამ დომენს მოცულ რიბოსომებში, rRNA იკეცება სტრუქტურებად, რომლებშიც rRNA-ს უმეტესობა ან წყვილდება და იკეცება ერთმანეთთან, ან ურთიერთქმედებს რიბოსომურ ცილებთან38,39,40. თუმცა, E. cuniculi რიბოსომებში, როგორც ჩანს, rRNA არღვევენ ამ დაკეცვის პრინციპს მათი ზოგიერთი სპირალის გაშლილ rRNA რეგიონებად გარდაქმნით.
H18 25S rRNA სპირალის სტრუქტურა S. cerevisiae-ში, V. necatrix-სა და E. cuniculi-ში. როგორც წესი, სამი სასიცოცხლო დომენის მომცველ რიბოსომებში, ეს შემაკავშირებელი ეკვრის რნმ-სპირალს, რომელიც შეიცავს 24-დან 34-მდე ნარჩენს. მიკროსპორიდიაში, პირიქით, ეს rRNA შემაკავშირებელი თანდათან მცირდება ორ ერთჯაჭვიან ურიდინით მდიდარ შემაკავშირებელამდე, რომლებიც შეიცავს მხოლოდ 12 ნარჩენს. ამ ნარჩენების უმეტესობა გამხსნელების ზემოქმედების ქვეშაა. სურათი აჩვენებს, რომ პარაზიტული მიკროსპორიდიები, როგორც ჩანს, არღვევენ rRNA დაკეცვის ზოგად პრინციპებს, სადაც rRNA ფუძეები, როგორც წესი, დაკავშირებულია სხვა ფუძეებთან ან მონაწილეობენ rRNA-ცილის ურთიერთქმედებაში. მიკროსპორიდიაში, ზოგიერთი rRNA ფრაგმენტი იღებს არახელსაყრელ დაკეცვას, რომელშიც ყოფილი rRNA სპირალი ხდება ერთჯაჭვიანი ფრაგმენტი, რომელიც თითქმის სწორი ხაზით არის წაგრძელებული. ამ უჩვეულო რეგიონების არსებობა საშუალებას აძლევს მიკროსპორიდიას rRNA დაუკავშირდეს შორეულ rRNA ფრაგმენტებს რნმ ფუძეების მინიმალური რაოდენობის გამოყენებით.
ამ ევოლუციური გადასვლის ყველაზე ნათელი მაგალითი შეიძლება დავაკვირდეთ H18 25S rRNA სპირალში (სურ. 3). E. coli-დან ადამიანებამდე არსებულ სახეობებში, ამ rRNA სპირალის ფუძეები შეიცავს 24-32 ნუკლეოტიდს, რაც ქმნის ოდნავ არარეგულარულ სპირალს. V. necatrix-ისა და P. locustae-ს ადრე იდენტიფიცირებულ რიბოსომურ სტრუქტურებში,31,32 H18 სპირალის ფუძეები ნაწილობრივ გაშლილია, მაგრამ ნუკლეოტიდური ფუძეების დაწყვილება შენარჩუნებულია. თუმცა, E. cuniculi-ში ეს rRNA ფრაგმენტი ხდება უმოკლესი ლინკერები 228UUUGU232 და 301UUUUUUUUU307. ტიპიური rRNA ფრაგმენტებისგან განსხვავებით, ეს ურიდინით მდიდარი ლინკერები არ იხვევა და არ ამყარებს ძლიერ კონტაქტს რიბოსომურ ცილებთან. ამის ნაცვლად, ისინი იღებენ გამხსნელისთვის ღია და სრულად გაშლილ სტრუქტურებს, რომლებშიც rRNA ჯაჭვები თითქმის სწორად არის გაშლილი. ეს გაწელილი კონფორმაცია ხსნის, თუ როგორ იყენებს E. cuniculi მხოლოდ 12 რნმ-ფუძეს H16 და H18 rRNA სპირალებს შორის 33 Å უფსკრულის შესავსებად, მაშინ როდესაც სხვა სახეობებს უფსკრულის შესავსებად სულ მცირე ორჯერ მეტი rRNA ფუძე სჭირდებათ.
ამგვარად, ჩვენ შეგვიძლია ვაჩვენოთ, რომ ენერგეტიკულად არახელსაყრელი დაკეცვის გზით, პარაზიტულმა მიკროსპორიდიებმა შეიმუშავეს სტრატეგია, შეაკუმშონ ის rRNA სეგმენტებიც კი, რომლებიც ფართოდ არის შენარჩუნებული სიცოცხლის სამ დომენში სახეობებს შორის. როგორც ჩანს, მუტაციების დაგროვებით, რომლებიც rRNA სპირალებს მოკლე პოლი-U ლინკებად გარდაქმნიან, E. cuniculi-ს შეუძლია წარმოქმნას უჩვეულო rRNA ფრაგმენტები, რომლებიც შეიცავს რაც შეიძლება ნაკლებ ნუკლეოტიდს დისტალური rRNA ფრაგმენტების ლიგირებისთვის. ეს ხსნის, თუ როგორ მიაღწიეს მიკროსპორიდიებმა მათი ძირითადი მოლეკულური სტრუქტურის მკვეთრ შემცირებას სტრუქტურული და ფუნქციური მთლიანობის დაკარგვის გარეშე.
E. cuniculi-ის რ-რნმ-ის კიდევ ერთი უჩვეულო თვისებაა რ-რნმ-ის გასქელების გარეშე გამოჩენა (სურ. 4). გამობურცულობები არის ნუკლეოტიდები ფუძე წყვილების გარეშე, რომლებიც რნმ-ის სპირალიდან ამოიხვევიან და მასში დამალვის ნაცვლად გამოდიან. რ-რნმ-ის გამონაზარდების უმეტესობა მოლეკულური წებოვანი ნივთიერებების როლს ასრულებს, რაც ხელს უწყობს მიმდებარე რიბოსომული ცილებთან ან სხვა რ-რნმ ფრაგმენტებთან შეკავშირებას. ზოგიერთი გამობურცულობა საკინძების როლს ასრულებს, რაც რ-რნმ-ის სპირალს საშუალებას აძლევს ოპტიმალურად მოხრისა და დაკეცვისა პროდუქტიული ცილის სინთეზისთვის 41.
ა) rRNA გამონაზარდი (S. cerevisiae-ს ნუმერაცია) არ არსებობს E. cuniculi-ის რიბოსომის სტრუქტურაში, მაგრამ ის გვხვდება სხვა ეუკარიოტების უმეტესობაში. ბ) E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens და E. cuniculi-ის შიდა რიბოსომებში. პარაზიტებს არ აქვთ უძველესი, მაღალკონსერვირებული rRNA გამონაზარდები. ეს გასქელებები ასტაბილურებს რიბოსომის სტრუქტურას; ამიტომ, მათი არარსებობა მიკროსპორიდიებში მიუთითებს rRNA-ს დაკეცვის შემცირებულ სტაბილურობაზე მიკროსპორიდიების პარაზიტებში. P ღეროებთან (ბაქტერიებში L7/L12 ღეროები) შედარება აჩვენებს, რომ rRNA გამონაზარდების დაკარგვა ზოგჯერ ემთხვევა დაკარგული გამონაზარდების გვერდით ახალი გამონაზარდების გაჩენას. 23S/28S rRNA-ში H42 სპირალს აქვს უძველესი გამონაზარდი (U1206 Saccharomyces cerevisiae-ში), რომლის ასაკი, სავარაუდოდ, მინიმუმ 3.5 მილიარდი წელია სიცოცხლის სამ დომენში მისი დაცვის გამო. მიკროსპორიდიებში ეს გამონაზარდი აღმოფხვრილია. თუმცა, დაკარგული ამობურცულობის გვერდით ახალი ამობურცულობა გაჩნდა (A1306 E. cuniculi-ში).
გასაოცარია, რომ ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ E. cuniculi რიბოსომებს არ გააჩნიათ სხვა სახეობებში ნაპოვნი rRNA გამობურცულობების უმეტესობა, მათ შორის 30-ზე მეტი გამობურცულობა, რომლებიც სხვა ეუკარიოტებშია დაცული (სურ. 4ა). ეს დანაკარგი გამორიცხავს რიბოსომული ქვეერთეულებისა და მიმდებარე rRNA სპირალებს შორის ბევრ კონტაქტს, ზოგჯერ ქმნის დიდ ღრუ სიცარიელეებს რიბოსომაში, რაც E. cuniculi რიბოსომას უფრო ფოროვანს ხდის უფრო ტრადიციულ რიბოსომებთან შედარებით (სურ. 4ბ). აღსანიშნავია, რომ ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ ამ გამობურცულობების უმეტესობა ასევე დაკარგული იყო ადრე იდენტიფიცირებულ V. necatrix-ისა და P. locustae-ს რიბოსომის სტრუქტურებში, რომლებიც წინა სტრუქტურული ანალიზებით გამოტოვებული იყო31,32.
ზოგჯერ rRNA-ს გამობურცულობების დაკარგვას თან ახლავს დაკარგული გამობურცულობის გვერდით ახალი გამობურცულობების განვითარება. მაგალითად, რიბოსომული P-ღერო შეიცავს U1208 გამობურცულობას (Saccharomyces cerevisiae-ში), რომელიც E. coli-დან ადამიანებამდე გადარჩა და შესაბამისად, სავარაუდოდ, 3.5 მილიარდი წლისაა. ცილის სინთეზის დროს ეს გამობურცულობა ეხმარება P ღეროს ღია და დახურულ კონფორმაციებს შორის გადაადგილებაში, რათა რიბოსომამ შეძლოს ტრანსლაციის ფაქტორების მოზიდვა და მათი აქტიურ ცენტრში მიწოდება. E. cuniculi-ს რიბოსომებში ეს გასქელება არ არის; თუმცა, მხოლოდ სამ ფუძის წყვილში განლაგებული ახალი გასქელება (G883) ხელს უწყობს P ღეროს ოპტიმალური მოქნილობის აღდგენას (სურ. 4გ).
ჩვენი მონაცემები გამობურცულობის გარეშე rRNA-ს შესახებ მიუთითებს, რომ rRNA მინიმიზაცია არ შემოიფარგლება მხოლოდ რიბოსომის ზედაპირზე rRNA ელემენტების დაკარგვით, არამედ შეიძლება მოიცავდეს რიბოსომის ბირთვსაც, რაც ქმნის პარაზიტ-სპეციფიკურ მოლეკულურ დეფექტს, რომელიც თავისუფლად მცოცავ უჯრედებში არ არის აღწერილი. შეინიშნება ცოცხალი სახეობები.
კანონიკური რიბოსომული ცილებისა და rRNA-ს მოდელირების შემდეგ, აღმოვაჩინეთ, რომ ტრადიციული რიბოსომული კომპონენტები ვერ ხსნიან კრიო-EM გამოსახულების სამ ნაწილს. ამ ფრაგმენტებიდან ორი პატარა ზომის მოლეკულაა (სურ. 5, დამატებითი სურ. 8). პირველი სეგმენტი მოთავსებულია რიბოსომურ ცილებ uL15-სა და eL18-ს შორის, პოზიციაზე, რომელსაც ჩვეულებრივ იკავებს eL18-ის C-ბოლო, რომელიც შემოკლებულია E. cuniculi-ში. მიუხედავად იმისა, რომ ჩვენ არ შეგვიძლია ამ მოლეკულის იდენტობის დადგენა, ამ სიმკვრივის კუნძულის ზომა და ფორმა კარგად აიხსნება სპერმიდინის მოლეკულების არსებობით. მისი შეკავშირება რიბოსომასთან სტაბილიზირებულია uL15 ცილებში მიკროსპორიდიისთვის სპეციფიკური მუტაციებით (Asp51 და Arg56), რომლებიც, როგორც ჩანს, ზრდის რიბოსომის აფინურობას ამ პატარა მოლეკულის მიმართ, რადგან ისინი საშუალებას აძლევს uL15-ს, შემოახვიოს პატარა მოლეკულა რიბოსომურ სტრუქტურაში. დამატებითი სურათი 2). 8, დამატებითი მონაცემები 1, 2).
კრიო-ემისიური ვიზუალიზაცია აჩვენებს ნუკლეოტიდების არსებობას E. cuniculi რიბოსომასთან დაკავშირებული რიბოზის გარეთ. E. cuniculi რიბოსომაში, ეს ნუკლეოტიდი იკავებს იმავე ადგილს, რასაც 25S rRNA A3186 ნუკლეოტიდი (Saccharomyces cerevisiae ნუმერაცია) სხვა ეუკარიოტულ რიბოსომების უმეტესობაში. b E. cuniculi-ის რიბოსომურ სტრუქტურაში, ეს ნუკლეოტიდი მდებარეობს რიბოსომურ ცილებ uL9 და eL20 შორის, რითაც სტაბილიზირდება კონტაქტი ორ ცილას შორის. cd eL20 თანმიმდევრობის კონსერვაციის ანალიზი მიკროსპორიდიების სახეობებს შორის. Microsporidia სახეობების ფილოგენეტიკური ხე (გ) და eL20 ცილის მრავლობითი თანმიმდევრობის გასწორება (დ) აჩვენებს, რომ ნუკლეოტიდ-შემაკავშირებელი ნარჩენები F170 და K172 კონსერვირებულია ტიპურ მიკროსპორიდიების უმეტესობაში, გარდა S. lophii-სა, გარდა ადრეული განშტოების მიკროსპორიდიებისა, რომლებმაც შეინარჩუნეს ES39L rRNA გაფართოება. ეს სურათი აჩვენებს, რომ ნუკლეოტიდებთან შეკავშირების ნარჩენები F170 და K172 მხოლოდ მაღალშემცირებული მიკროსპორიდიის გენომის eL20-შია წარმოდგენილი, მაგრამ არა სხვა ეუკარიოტებში. საერთო ჯამში, ეს მონაცემები მიუთითებს, რომ მიკროსპორიდიის რიბოსომებმა შეიმუშავეს ნუკლეოტიდებთან შეკავშირების ადგილი, რომელიც, როგორც ჩანს, უკავშირდება AMP მოლეკულებს და იყენებს მათ რიბოსომული სტრუქტურაში ცილა-ცილის ურთიერთქმედების სტაბილიზაციისთვის. მიკროსპორიდიაში ამ შეკავშირების ადგილის მაღალი კონსერვაცია და სხვა ეუკარიოტებში მისი არარსებობა მიუთითებს, რომ ეს ადგილი შეიძლება უზრუნველყოფდეს მიკროსპორიდიისთვის შერჩევითი გადარჩენის უპირატესობას. ამრიგად, მიკროსპორიდიის რიბოსომაში ნუკლეოტიდებთან შეკავშირების ჯიბე არ ჩანს დეგენერირებული მახასიათებელი ან rRNA დეგრადაციის საბოლოო ფორმა, როგორც ეს ადრე იყო აღწერილი, არამედ სასარგებლო ევოლუციური ინოვაციაა, რომელიც საშუალებას აძლევს მიკროსპორიდიის რიბოსომას პირდაპირ დაუკავშირდეს მცირე მოლეკულებს, გამოიყენოს ისინი მოლეკულური საშენი ბლოკების სახით. ეს აღმოჩენა მიკროსპორიდიის რიბოსომას ერთადერთ რიბოსომად აქცევს, რომელიც იყენებს ერთ ნუკლეოტიდს, როგორც მის სტრუქტურულ საშენ ბლოკს. ვ ჰიპოთეტური ევოლუციური გზა, რომელიც მიღებულია ნუკლეოტიდებთან შეკავშირებიდან.
მეორე დაბალი მოლეკულური წონის სიმკვრივე მდებარეობს რიბოსომული ცილებ uL9 და eL30-ს შორის ინტერფეისზე (სურ. 5ა). ეს ინტერფეისი ადრე იყო აღწერილი Saccharomyces cerevisiae რიბოსომის სტრუქტურაში, როგორც rRNA A3186-ის 25S ნუკლეოტიდის შეკავშირების ადგილი (ES39L rRNA გაფართოების ნაწილი)38. ნაჩვენები იყო, რომ დეგენერირებულ P. locustae ES39L რიბოსომებში, ეს ინტერფეისი უკავშირდება უცნობ ერთ ნუკლეოტიდს 31 და ვარაუდობენ, რომ ეს ნუკლეოტიდი არის rRNA-ს შემცირებული საბოლოო ფორმა, რომელშიც rRNA-ს სიგრძეა ~130-230 ფუძე. ES39L შემცირებულია ერთ ნუკლეოტიდამდე 32.43. ჩვენი კრიო-EM სურათები ადასტურებს იმ აზრს, რომ სიმკვრივე შეიძლება აიხსნას ნუკლეოტიდებით. თუმცა, ჩვენი სტრუქტურის უფრო მაღალი გარჩევადობა აჩვენებს, რომ ეს ნუკლეოტიდი არის ექსტრარიბოსომული მოლეკულა, შესაძლოა AMP (სურ. 5ა, ბ).
შემდეგ ჩვენ ვიკითხეთ, არსებობდა თუ არა ნუკლეოტიდების შეკავშირების ადგილი E. cuniculi რიბოსომაში, თუ ის ადრეც არსებობდა. ვინაიდან ნუკლეოტიდების შეკავშირება ძირითადად განპირობებულია eL30 რიბოსომული ცილის Phe170 და Lys172 ნარჩენებით, ჩვენ შევაფასეთ ამ ნარჩენების კონსერვაცია 4396 წარმომადგენლობით ეუკარიოტში. როგორც ზემოთ uL15-ის შემთხვევაში, ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ Phe170 და Lys172 ნარჩენები მაღალკონსერვატიულია მხოლოდ ტიპურ მიკროსპორიდიებში, მაგრამ არ არსებობს სხვა ეუკარიოტებში, მათ შორის ატიპიურ მიკროსპორიდიაში Mitosporidium-სა და Amphiamblys-ში, რომლებშიც ES39L rRNA ფრაგმენტი არ არის რედუცირებული 44, 45, 46 (სურ. 5გ). -ე).
ერთად აღებული, ეს მონაცემები ადასტურებს იმ აზრს, რომ E. cuniculi-მ და შესაძლოა სხვა კანონიკურმა მიკროსპორიდიებმა განავითარეს რიბოსომის სტრუქტურაში დიდი რაოდენობით მცირე მეტაბოლიტების ეფექტურად დაჭერის უნარი, რათა კომპენსირება გაუწიონ rRNA-სა და ცილის დონის შემცირებას. ამით მათ განავითარეს უნიკალური უნარი, დაუკავშირდნენ ნუკლეოტიდებს რიბოსომის გარეთ, რაც აჩვენებს, რომ პარაზიტული მოლეკულური სტრუქტურები კომპენსირებას ახდენენ უხვი მცირე მეტაბოლიტების დაჭერით და მათი გამოყენებით, როგორც დეგრადირებული RNA-სა და ცილის ფრაგმენტების სტრუქტურული მიმიკები.
ჩვენი კრიო-EM რუკის მესამე არასიმულირებული ნაწილი, რომელიც გვხვდება დიდ რიბოსომურ ქვეერთეულში. ჩვენი რუკის შედარებით მაღალი გარჩევადობა (2.6 Å) მიუთითებს, რომ ეს სიმკვრივე ეკუთვნის ცილებს, რომლებსაც აქვთ დიდი გვერდითი ჯაჭვის ნარჩენების უნიკალური კომბინაციები, რამაც საშუალება მოგვცა, ეს სიმკვრივე ამოგვერჩია, როგორც აქამდე უცნობი რიბოსომული ცილა, რომელიც ჩვენ ამოვიცანით, როგორც msL2 (მიკროსპორიდია-სპეციფიკური ცილა L2) (მეთოდები, სურათი 6). ჩვენმა ჰომოლოგიის ძიებამ აჩვენა, რომ msL2 კონსერვირებულია Encephaliter-ისა და Orosporidium-ის გვარის Microsporidia კლადში, მაგრამ არ არსებობს სხვა სახეობებში, მათ შორის სხვა Microsporidia-ში. რიბოსომურ სტრუქტურაში, msL2 იკავებს გაფართოებული ES31L rRNA-ს დაკარგვით წარმოქმნილ უფსკრულს. ამ სიცარიელეში, msL2 ხელს უწყობს rRNA-ს დაკეცვის სტაბილიზაციას და შეუძლია კომპენსირება გაუწიოს ES31L-ის დაკარგვას (სურათი 6).
ა. E. cuniculi რიბოსომებში აღმოჩენილი მიკროსპორიდიისთვის სპეციფიკური რიბოსომული ცილის msL2 ელექტრონული სიმკვრივე და მოდელი. ბ. ეუკარიოტული რიბოსომების უმეტესობაში, მათ შორის Saccharomyces cerevisiae-ს 80S რიბოსომაში, ES19L rRNA ამპლიფიკაცია დაკარგულია მიკროსპორიდიული სახეობების უმეტესობაში. V. necatrix microsporidia რიბოსომის ადრე დადგენილი სტრუქტურა მიუთითებს, რომ ამ პარაზიტებში ES19L-ის დაკარგვა კომპენსირდება ახალი msL1 რიბოსომული ცილის ევოლუციით. ამ კვლევაში ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ E. cuniculi რიბოსომამ ასევე განავითარა დამატებითი რიბოსომული რნმ-ის მიმიკური ცილა, როგორც ES19L-ის დაკარგვის აშკარა კომპენსაცია. თუმცა, msL2-ს (ამჟამად ანოტირებულია, როგორც ჰიპოთეტური ECU06_1135 ცილა) და msL1-ს განსხვავებული სტრუქტურული და ევოლუციური წარმოშობა აქვთ. ევოლუციურად დაუკავშირებელი msL1 და msL2 რიბოსომული ცილების გენერაციის ეს აღმოჩენა იმაზე მიუთითებს, რომ თუ რიბოსომები თავიანთ rRNA-ში მავნე მუტაციებს დააგროვებენ, მათ შეუძლიათ მიაღწიონ შემადგენლობის მრავალფეროვნების უპრეცედენტო დონეს მჭიდროდ დაკავშირებული სახეობების მცირე ქვეჯგუფშიც კი. ეს აღმოჩენა შეიძლება დაეხმაროს მიტოქონდრიული რიბოსომის წარმოშობისა და ევოლუციის გარკვევაში, რომელიც ცნობილია თავისი ძლიერ შემცირებული rRNA-თი და ცილის შემადგენლობის პათოლოგიური ცვალებადობით სახეობებს შორის.
შემდეგ ჩვენ შევადარეთ msL2 ცილა ადრე აღწერილ msL1 ცილას, ერთადერთ ცნობილ მიკროსპორიდიისთვის სპეციფიკურ რიბოსომურ ცილას, რომელიც გვხვდება V. necatrix-ის რიბოსომაში. ჩვენ გვინდოდა შეგვემოწმებინა, ევოლუციურად დაკავშირებულია თუ არა msL1 და msL2. ჩვენმა ანალიზმა აჩვენა, რომ msL1 და msL2 რიბოსომის სტრუქტურაში ერთსა და იმავე ღრუს იკავებენ, მაგრამ აქვთ განსხვავებული პირველადი და მესამეული სტრუქტურები, რაც მიუთითებს მათ დამოუკიდებელ ევოლუციურ წარმოშობაზე (სურ. 6). ამრიგად, msL2-ის ჩვენი აღმოჩენა იძლევა იმის მტკიცებულებას, რომ კომპაქტური ეუკარიოტული სახეობების ჯგუფებს შეუძლიათ დამოუკიდებლად განავითარონ სტრუქტურულად განსხვავებული რიბოსომული ცილები, რათა კომპენსირება გაუწიონ rRNA ფრაგმენტების დაკარგვას. ეს აღმოჩენა აღსანიშნავია იმით, რომ ციტოპლაზმური ეუკარიოტული რიბოსომების უმეტესობა შეიცავს ინვარიანტულ ცილას, მათ შორის 81 რიბოსომული ცილის ერთსა და იმავე ოჯახს. msL1-ის და msL2-ის გამოჩენა მიკროსპორიდიების სხვადასხვა კლადებში გაფართოებული rRNA სეგმენტების დაკარგვის საპასუხოდ მიუთითებს, რომ პარაზიტის მოლეკულური არქიტექტურის დეგრადაცია იწვევს პარაზიტების მიერ კომპენსატორული მუტაციების ძიებას, რამაც საბოლოოდ შეიძლება გამოიწვიოს მათი შეძენა სხვადასხვა პარაზიტის პოპულაციებში.
საბოლოოდ, როდესაც ჩვენი მოდელი დასრულდა, ჩვენ შევადარეთ E. cuniculi რიბოსომის შემადგენლობა გენომის თანმიმდევრობიდან პროგნოზირებულ შემადგენლობას. ადრე ითვლებოდა, რომ რამდენიმე რიბოსომული ცილა, მათ შორის eL14, eL38, eL41 და eS30, E. cuniculi გენომიდან არ არსებობდა E. cuniculi გენომიდან მათი ჰომოლოგების აშკარა არარსებობის გამო. რიბოსომული ცილების მრავალი დაკარგვა ასევე პროგნოზირებულია სხვა მაღალშემცირებულ უჯრედშიდა პარაზიტებისა და ენდოსიმბიონტების უმეტესობაში. მაგალითად, მიუხედავად იმისა, რომ თავისუფლად მცხოვრები ბაქტერიების უმეტესობა შეიცავს 54 რიბოსომული ცილის ერთსა და იმავე ოჯახს, ამ ცილების ოჯახებიდან მხოლოდ 11-ს აქვს აღმოსაჩენი ჰომოლოგები მასპინძელ-შეზღუდული ბაქტერიების თითოეულ გაანალიზებულ გენომში. ამ მოსაზრების დასადასტურებლად, რიბოსომული ცილების დაკარგვა ექსპერიმენტულად დაფიქსირდა V. necatrix და P. locustae მიკროსპორიდიებში, რომლებსაც არ აქვთ eL38 და eL4131,32 ცილები.
თუმცა, ჩვენი სტრუქტურები აჩვენებს, რომ E. cuniculi რიბოსომაში მხოლოდ eL38, eL41 და eS30 იკარგება. eL14 ცილა კონსერვირებული იყო და ჩვენმა სტრუქტურამ აჩვენა, თუ რატომ ვერ მოიძებნა ეს ცილა ჰომოლოგიის ძიებაში (სურ. 7). E. cuniculi რიბოსომებში eL14 შეკავშირების ადგილის უმეტესი ნაწილი იკარგება rRNA-გამაძლიერებელი ES39L-ის დეგრადაციის გამო. ES39L-ის არარსებობის შემთხვევაში, eL14-მა დაკარგა მეორადი სტრუქტურის უმეტესი ნაწილი და eL14 თანმიმდევრობის მხოლოდ 18% იყო იდენტური E. cuniculi-სა და S. cerevisiae-ში. თანმიმდევრობის ეს ცუდი შენარჩუნება აღსანიშნავია, რადგან Saccharomyces cerevisiae-სა და Homo sapiens-საც კი - ორგანიზმებს, რომლებიც 1.5 მილიარდი წლის ინტერვალით განვითარდნენ - eL14-ში ერთი და იგივე ნარჩენების 51%-ზე მეტი აქვთ გაზიარებული. კონსერვაციის ეს ანომალიური დაკარგვა ხსნის, თუ რატომ არის E. cuniculi eL14 ამჟამად ანოტირებული, როგორც სავარაუდო M970_061160 ცილა და არა როგორც eL1427 რიბოსომული ცილა.
და Microsporidia რიბოსომამ დაკარგა ES39L rRNA გაფართოება, რამაც ნაწილობრივ გააუქმა eL14 რიბოსომული ცილის შეკავშირების ადგილი. ES39L-ის არარსებობის შემთხვევაში, eL14 მიკროსპორის ცილა განიცდის მეორადი სტრუქტურის დაკარგვას, რომლის დროსაც ყოფილი rRNA-შემაკავშირებელი α-სპირალი გადაგვარდება მინიმალური სიგრძის მარყუჟად. b მრავალჯერადი თანმიმდევრობის გასწორება აჩვენებს, რომ eL14 ცილა მაღალკონსერვატიულია ეუკარიოტულ სახეობებში (57% თანმიმდევრობის იდენტურობა საფუარისა და ადამიანის ჰომოლოგებს შორის), მაგრამ ცუდად კონსერვირებული და დივერგენტულია მიკროსპორიდიებში (რომელშიც ნარჩენების არაუმეტეს 24% იდენტურია eL14 ჰომოლოგისა). S. cerevisiae-დან ან H. sapiens-დან). თანმიმდევრობის ეს ცუდი კონსერვაცია და მეორადი სტრუქტურის ცვალებადობა ხსნის, თუ რატომ არ იქნა ნაპოვნი eL14 ჰომოლოგი E. cuniculi-ში და რატომ ითვლება, რომ ეს ცილა დაიკარგა E. cuniculi-ში. ამის საპირისპიროდ, E. cuniculi eL14 ადრე ანოტირებული იყო, როგორც სავარაუდო M970_061160 ცილა. ეს დაკვირვება იმაზე მიუთითებს, რომ მიკროსპორიდიის გენომის მრავალფეროვნება ამჟამად გადაჭარბებულად არის შეფასებული: ზოგიერთი გენი, რომელიც ამჟამად მიკროსპორიდიაში დაკარგულია, სინამდვილეში შენარჩუნებულია, თუმცა ძლიერ დიფერენცირებული ფორმებით; ამის ნაცვლად, ზოგიერთი მათგანი, სავარაუდოდ, ჭიის სპეციფიკური ცილების მიკროსპორიდიის გენებს აკოდირებს (მაგ., ჰიპოთეტური ცილა M970_061160), რომელიც სინამდვილეში სხვა ეუკარიოტებში ნაპოვნი ძალიან მრავალფეროვანი ცილებისთვისაა კოდირებული.
ეს აღმოჩენა იმაზე მიუთითებს, რომ rRNA დენატურაციამ შეიძლება გამოიწვიოს მიმდებარე რიბოსომული ცილებში თანმიმდევრობის კონსერვაციის მკვეთრი დაკარგვა, რაც ამ ცილებს ჰომოლოგიის ძიებისთვის შეუძლებელს ხდის. ამრიგად, ჩვენ შეიძლება გადაჭარბებულად შევაფასოთ მოლეკულური დეგრადაციის რეალური ხარისხი მცირე გენომის ორგანიზმებში, რადგან ზოგიერთი ცილა, რომელიც დაკარგულია, სინამდვილეში ნარჩუნდება, თუმცა ძლიერ შეცვლილი ფორმებით.
როგორ შეუძლიათ პარაზიტებს შეინარჩუნონ თავიანთი მოლეკულური მანქანების ფუნქცია გენომის ექსტრემალური შემცირების პირობებში? ჩვენი კვლევა ამ კითხვას პასუხობს E. cuniculi-ის რთული მოლეკულური სტრუქტურის (რიბოსომის) აღწერით, ორგანიზმისა, რომელსაც ერთ-ერთი ყველაზე პატარა ეუკარიოტული გენომი აქვს.
თითქმის ორი ათწლეულია ცნობილია, რომ მიკრობულ პარაზიტებში ცილისა და რნმ-ის მოლეკულები ხშირად განსხვავდება თავისუფლად მცოცავ სახეობებში მათი ჰომოლოგიური მოლეკულებისგან, რადგან მათ არ აქვთ ხარისხის კონტროლის ცენტრები, თავისუფლად მცოცავ მიკრობებში მათი ზომა 50%-მდეა შემცირებული და ა.შ. მრავალი დამაუძლურებელი მუტაცია, რომელიც აფერხებს დაკეცვას და ფუნქციას. მაგალითად, მცირე გენომის ორგანიზმების რიბოსომებს, მათ შორის ბევრ უჯრედშიდა პარაზიტსა და ენდოსიმბიონტს, სავარაუდოდ, არ აქვთ რამდენიმე რიბოსომული ცილა და rRNA ნუკლეოტიდების ერთ მესამედამდე, თავისუფლად მცოცავ სახეობებთან შედარებით 27, 29, 30, 49. თუმცა, პარაზიტში ამ მოლეკულების ფუნქციონირების წესი დიდწილად საიდუმლოდ რჩება, რომელიც ძირითადად შედარებითი გენომიკის მეშვეობით არის შესწავლილი.
ჩვენი კვლევა აჩვენებს, რომ მაკრომოლეკულების სტრუქტურას შეუძლია გამოავლინოს ევოლუციის მრავალი ასპექტი, რომელთა ამოღებაც რთულია უჯრედშიდა პარაზიტებისა და სხვა მასპინძელ-შეზღუდული ორგანიზმების ტრადიციული შედარებითი გენომური კვლევებიდან (დამატებითი სურ. 7). მაგალითად, eL14 ცილის მაგალითი აჩვენებს, რომ ჩვენ შეგვიძლია გადაჭარბებულად შევაფასოთ პარაზიტულ სახეობებში მოლეკულური აპარატის დეგრადაციის რეალური ხარისხი. ამჟამად ითვლება, რომ ენცეფალიტურ პარაზიტებს აქვთ ასობით მიკროსპორიდიისთვის სპეციფიკური გენი. თუმცა, ჩვენი შედეგები აჩვენებს, რომ ზოგიერთი ეს, ერთი შეხედვით, სპეციფიკური გენი სინამდვილეში უბრალოდ ძალიან განსხვავებული ვარიანტებია გენების, რომლებიც გავრცელებულია სხვა ეუკარიოტებში. უფრო მეტიც, msL2 ცილის მაგალითი აჩვენებს, თუ როგორ უგულებელვყოფთ ახალ რიბოსომურ ცილებს და არასაკმარისად ვაფასებთ პარაზიტული მოლეკულური მანქანების შემცველობას. მცირე მოლეკულების მაგალითი გვიჩვენებს, თუ როგორ შეგვიძლია უგულებელვყოთ პარაზიტულ მოლეკულურ სტრუქტურებში ყველაზე გენიალური ინოვაციები, რომლებსაც შეუძლიათ მათ ახალი ბიოლოგიური აქტივობა მისცენ.
ერთად აღებული, ეს შედეგები აუმჯობესებს ჩვენს გაგებას მასპინძელი ორგანიზმების მიერ შეზღუდული ორგანიზმებისა და თავისუფლად მცხოვრები ორგანიზმების ანალოგებს შორის არსებული განსხვავებების შესახებ. ჩვენ ვაჩვენებთ, რომ მოლეკულურ მანქანებს, რომლებიც დიდი ხნის განმავლობაში შემცირებულ, დეგენერირებულ და სხვადასხვა დამაუძლურებელ მუტაციას ექვემდებარებოდნენ, სამაგიეროდ, სისტემატურად უგულებელყოფილი უჩვეულო სტრუქტურული მახასიათებლების ერთობლიობა აქვთ.
მეორე მხრივ, E. cuniculi-ის რიბოსომებში აღმოჩენილი არამოცულობითი rRNA ფრაგმენტები და შერწყმული ფრაგმენტები იმაზე მიუთითებს, რომ გენომის შემცირებას შეუძლია შეცვალოს ძირითადი მოლეკულური მექანიზმის ის ნაწილებიც კი, რომლებიც სიცოცხლის სამ დომენში - სახეობების დამოუკიდებელი ევოლუციის თითქმის 3.5 მილიარდი წლის შემდეგაც კი - შენარჩუნებულია.
E. cuniculi-ის რიბოსომებში გამობურცულობისგან თავისუფალი და შერწყმული rRNA ფრაგმენტები განსაკუთრებით საინტერესოა ენდოსიმბიოზურ ბაქტერიებში რნმ-ის მოლეკულების წინა კვლევების გათვალისწინებით. მაგალითად, ბუგრის ენდოსიმბიონტში Buchnera aphidicola, rRNA-სა და tRNA მოლეკულებს, როგორც აღმოჩნდა, აქვთ ტემპერატურისადმი მგრძნობიარე სტრუქტურები A+T შემადგენლობის მიკერძოების და არაკანონიკური ფუძე წყვილების მაღალი პროპორციის გამო20,50. რნმ-ში ეს ცვლილებები, ისევე როგორც ცილის მოლეკულების ცვლილებები, ამჟამად ითვლება ენდოსიმბიონტების პარტნიორებზე ზედმეტ დამოკიდებულებად და ენდოსიმბიონტების სითბოს გადაცემის უუნარობად21, 23. მიუხედავად იმისა, რომ პარაზიტული მიკროსპორიდიის rRNA-ს სტრუქტურულად განსხვავებული ცვლილებები აქვს, ამ ცვლილებების ბუნება მიუთითებს, რომ თერმული სტაბილურობის შემცირება და შაპერონ ცილებზე მაღალი დამოკიდებულება შეიძლება იყოს რნმ მოლეკულების საერთო მახასიათებლები შემცირებული გენომის მქონე ორგანიზმებში.
მეორე მხრივ, ჩვენი სტრუქტურები აჩვენებს, რომ პარაზიტის მიკროსპორიდიებმა განივითარეს უნიკალური უნარი, წინააღმდეგობა გაუწიონ ფართოდ კონსერვირებულ rRNA-სა და ცილის ფრაგმენტებს, განავითარეს უხვი და ადვილად ხელმისაწვდომი მცირე მეტაბოლიტების გამოყენების უნარი, როგორც დეგენერირებული rRNA-სა და ცილის ფრაგმენტების სტრუქტურული მიმიკები. მოლეკულური სტრუქტურის დეგრადაცია. . ამ მოსაზრებას ადასტურებს ის ფაქტი, რომ მცირე მოლეკულები, რომლებიც კომპენსირებენ E. cuniculi-ის rRNA-სა და რიბოსომებში ცილის ფრაგმენტების დაკარგვას, უკავშირდება მიკროსპორიდიისთვის სპეციფიკურ ნარჩენებს uL15 და eL30 ცილებში. ეს მიუთითებს, რომ მცირე მოლეკულების რიბოსომებთან შეკავშირება შეიძლება იყოს დადებითი შერჩევის პროდუქტი, რომლის დროსაც რიბოსომული ცილების მიკროსპორიდიისთვის სპეციფიკური მუტაციები შეირჩა მათი უნარის გამო, გაზარდონ რიბოსომების აფინურობა მცირე მოლეკულების მიმართ, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს უფრო ეფექტური რიბოსომური ორგანიზმები. აღმოჩენა ავლენს ჭკვიანურ ინოვაციას მიკრობული პარაზიტების მოლეკულურ სტრუქტურაში და გვაძლევს უკეთეს წარმოდგენას იმის შესახებ, თუ როგორ ინარჩუნებენ პარაზიტის მოლეკულური სტრუქტურები თავიანთ ფუნქციას რედუქციული ევოლუციის მიუხედავად.
ამჟამად, ამ პატარა მოლეკულების იდენტიფიკაცია გაურკვეველი რჩება. გაურკვეველია, თუ რატომ განსხვავდება ამ პატარა მოლეკულების გარეგნობა რიბოსომურ სტრუქტურაში მიკროსპორიდიის სახეობებს შორის. კერძოდ, გაურკვეველია, თუ რატომ შეინიშნება ნუკლეოტიდების შეკავშირება E. cuniculi-სა და P. locustae-ს რიბოსომებში და არა V. necatrix-ის რიბოსომებში, მიუხედავად იმისა, რომ V. necatrix-ის eL20 და K172 ცილებში F170 ნარჩენი არსებობს. ეს წაშლა შეიძლება გამოწვეული იყოს ნარჩენი 43 uL6-ით (მდებარეობს ნუკლეოტიდების შეკავშირების ჯიბის მიმდებარედ), რომელიც V. necatrix-ში ტიროზინია და არა თრეონინი E. cuniculi-სა და P. locustae-ში. Tyr43-ის მოცულობითი არომატული გვერდითი ჯაჭვი შეიძლება ხელს უშლიდეს ნუკლეოტიდების შეკავშირებას სტერიული გადაფარვის გამო. ალტერნატიულად, ნუკლეოტიდების აშკარა წაშლა შეიძლება გამოწვეული იყოს კრიო-EM გამოსახულების დაბალი გარჩევადობით, რაც ხელს უშლის V. necatrix-ის რიბოსომული ფრაგმენტების მოდელირებას.
მეორე მხრივ, ჩვენი ნაშრომი მიუთითებს, რომ გენომის დაშლის პროცესი შესაძლოა გამომგონებლური ძალა იყოს. კერძოდ, E. cuniculi რიბოსომის სტრუქტურა მიუთითებს, რომ მიკროსპორიდიის რიბოსომაში rRNA-სა და ცილის ფრაგმენტების დაკარგვა ქმნის ევოლუციურ ზეწოლას, რაც ხელს უწყობს რიბოსომის სტრუქტურის ცვლილებებს. ეს ვარიანტები რიბოსომის აქტიური ცენტრიდან შორს გვხვდება და, როგორც ჩანს, ხელს უწყობენ რიბოსომის ოპტიმალური აწყობის შენარჩუნებას (ან აღდგენას), რომელიც სხვა შემთხვევაში შემცირებული rRNA-ს მიერ იქნებოდა დარღვევილი. ეს მიუთითებს, რომ მიკროსპორიდიის რიბოსომის მნიშვნელოვანი ინოვაცია, როგორც ჩანს, გენების დრიფტის ბუფერიზაციის საჭიროებაში გადაიზარდა.
შესაძლოა, ეს საუკეთესოდ ილუსტრირებული იყოს ნუკლეოტიდების შეკავშირებით, რაც აქამდე სხვა ორგანიზმებში არასდროს დაფიქსირებულა. ის ფაქტი, რომ ნუკლეოტიდებთან შეკავშირების ნარჩენები ტიპიურ მიკროსპორიდიებშია, მაგრამ არა სხვა ეუკარიოტებში, მიუთითებს, რომ ნუკლეოტიდებთან შეკავშირების ადგილები არ არის უბრალოდ რელიქვიები, რომლებიც გაქრობას ელოდებიან, ან საბოლოო ადგილი rRNA-სთვის, რომელიც ცალკეული ნუკლეოტიდების სახით უნდა აღდგეს. ამის ნაცვლად, ეს ადგილი სასარგებლო თვისებად გვეჩვენება, რომელიც შეიძლება დადებითი შერჩევის რამდენიმე რაუნდის განმავლობაში განვითარდეს. ნუკლეოტიდების შეკავშირების ადგილები შეიძლება იყოს ბუნებრივი გადარჩევის თანმდევი პროდუქტი: ES39L-ის დეგრადაციის შემდეგ, მიკროსპორიდიები იძულებულნი არიან ეძიონ კომპენსაცია რიბოსომის ოპტიმალური ბიოგენეზის აღსადგენად ES39L-ის არარსებობის შემთხვევაში. რადგან ამ ნუკლეოტიდს შეუძლია მიბაძოს A3186 ნუკლეოტიდის მოლეკულურ კონტაქტებს ES39L-ში, ნუკლეოტიდის მოლეკულა ხდება რიბოსომის საშენი ბლოკი, რომლის შეკავშირებაც კიდევ უფრო უმჯობესდება eL30 თანმიმდევრობის მუტაციით.
უჯრედშიდა პარაზიტების მოლეკულურ ევოლუციასთან დაკავშირებით, ჩვენი კვლევა აჩვენებს, რომ დარვინისეული ბუნებრივი გადარჩევისა და გენომის დაშლის გენეტიკური დრიფტის ძალები პარალელურად არ მოქმედებენ, არამედ მერყეობენ. პირველ რიგში, გენეტიკური დრიფტი გამორიცხავს ბიომოლეკულების მნიშვნელოვან მახასიათებლებს, რაც კომპენსაციას აუცილებელს ხდის. მხოლოდ მაშინ, როდესაც პარაზიტები ამ მოთხოვნილებას დარვინისეული ბუნებრივი გადარჩევის გზით დააკმაყოფილებენ, მათ მაკრომოლეკულებს ექნებათ შანსი, განავითარონ თავიანთი ყველაზე შთამბეჭდავი და ინოვაციური თვისებები. მნიშვნელოვანია, რომ E. cuniculi რიბოსომაში ნუკლეოტიდების შეკავშირების ადგილების ევოლუცია მიუთითებს, რომ მოლეკულური ევოლუციის ეს „დაკარგვისა და მოგების“ სქემა არა მხოლოდ ანეიტრალებს მავნე მუტაციებს, არამედ ზოგჯერ პარაზიტულ მაკრომოლეკულებს სრულიად ახალ ფუნქციებს ანიჭებს.
ეს იდეა თანხვედრაშია სიველ რაიტის მოძრავი წონასწორობის თეორიასთან, რომლის მიხედვითაც ბუნებრივი გადარჩევის მკაცრი სისტემა ზღუდავს ორგანიზმების ინოვაციის უნარს51,52,53. თუმცა, თუ გენეტიკური დრიფტი არღვევს ბუნებრივ გადარჩევას, ამ დრიფტებმა შეიძლება გამოიწვიოს ცვლილებები, რომლებიც თავისთავად არ არის ადაპტაციური (ან თუნდაც საზიანო), არამედ იწვევს შემდგომ ცვლილებებს, რომლებიც უზრუნველყოფს უფრო მაღალ ვარგისიანობას ან ახალ ბიოლოგიურ აქტივობას. ჩვენი ჩარჩო ამ იდეას ადასტურებს იმით, რომ ილუსტრირებულია, რომ იგივე ტიპის მუტაცია, რომელიც ამცირებს ბიომოლეკულის დაკეცვას და ფუნქციას, როგორც ჩანს, მისი გაუმჯობესების მთავარი ტრიგერია. ორმხრივად მომგებიანი ევოლუციური მოდელის შესაბამისად, ჩვენი კვლევა აჩვენებს, რომ გენომის დაშლა, რომელიც ტრადიციულად დეგენერაციულ პროცესად განიხილება, ასევე ინოვაციის მთავარი მამოძრავებელი ძალაა, ზოგჯერ და შესაძლოა ხშირად მაკრომოლეკულებს საშუალებას აძლევს შეიძინონ ახალი პარაზიტული აქტივობები.