Merci fir Äre Besuch op Nature.com. D'Browserversioun, déi Dir benotzt, huet limitéiert CSS-Ënnerstëtzung. Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech, en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). An der Zwëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir d'Websäit ouni Stiler a JavaScript duerstellen.
D'Evolutioun vu mikrobiellen Parasiten ëmfaasst eng Géigewierkung tëscht der natierlecher Selektioun, déi dozou féiert, datt d'Parasiten sech verbesseren, an der genetescher Drift, déi dozou féiert, datt d'Parasiten Genen verléieren an schiedlech Mutatiounen accumuléieren. Fir ze verstoen, wéi dës Géigewierkung op der Skala vun engem eenzege Makromolekül geschitt, beschreiwe mir hei d'Kryo-EM-Struktur vum Ribosom vun Encephalitozoon cuniculi, engem eukaryoteschen Organismus mat engem vun de klengste Genomer an der Natur. Déi extrem Reduktioun vun rRNA an E. cuniculi Ribosomen gëtt vun ongehéierten strukturellen Ännerungen begleet, wéi d'Evolutioun vu virdru onbekannte fusionéierte rRNA-Linker an rRNA ouni Ausbuchtungen. Zousätzlech huet den E. cuniculi Ribosom de Verloscht vun rRNA-Fragmenter a Proteinen iwwerlieft, andeems en d'Fäegkeet entwéckelt huet, kleng Molekülle als strukturell Imitatioune vun degradéierten rRNA-Fragmenter a Proteinen ze benotzen. Am Allgemengen weisen mir, datt molekular Strukturen, vun deenen laang ugeholl gouf, datt se reduzéiert, degeneréiert a schwächend Mutatiounen ausgesat sinn, eng Rei vu Kompensatiounsmechanismen hunn, déi se trotz extremen molekularen Kontraktiounen aktiv halen.
Well déi meescht Gruppe vu mikrobiellen Parasiten eenzegaarteg molekulare Mëttelen hunn, fir hir Wirtsmemberen auszenotzen, musse mir dacks verschidden Therapeutika fir verschidde Gruppe vu Parasiten entwéckelen1,2. Nei Beweiser suggeréieren awer, datt verschidden Aspekter vun der Parasitenevolutioun konvergent a gréisstendeels virauszesoen sinn, wat op eng potenziell Basis fir breet therapeutesch Interventiounen bei mikrobiellen Parasiten3,4,5,6,7,8,9 hiweist.
Fréier Aarbechten hunn en gemeinsamen evolutiven Trend bei mikrobiellen Parasiten identifizéiert, deen Genomreduktioun oder Genomverfall genannt gëtt10,11,12,13. Aktuell Fuerschung weist, datt wann Mikroorganismen hire fräiliewege Liewensstil opginn an zu intrazelluläre Parasiten (oder Endosymbionten) ginn, hir Genomer iwwer Millioune vu Joer lues awer erstaunlech Metamorphosen duerchlafen9,11. An engem Prozess, deen als Genomverfall bekannt ass, accumuléieren mikrobiell Parasiten schiedlech Mutatiounen, déi vill virdru wichteg Genen a Pseudogenen verwandelen, wat zu engem graduelle Genverloscht an engem Mutatiounszesummebroch féiert14,15. Dësen Zesummebroch kann bis zu 95% vun de Genen an den eelsten intrazelluläre Organismen am Verglach mat enk verwandte fräiliewegen Aarten zerstéieren. Dofir ass d'Evolutioun vun intrazelluläre Parasiten en Zuchkampf tëscht zwou géigneresche Kräften: der darwinistescher natierlecher Selektioun, déi zu der Verbesserung vu Parasiten féiert, an dem Zesummebroch vum Genom, deen d'Parasiten an d'Vergessenheet gehäit. Wéi de Parasit et fäerdeg bruecht huet, aus dësem Zuchkampf erauszekommen an d'Aktivitéit vu senger molekularer Struktur ze behalen, bleift onkloer.
Och wann de Mechanismus vum Genomverfall net vollstänneg verstanen ass, schéngt en haaptsächlech wéinst heefeger genetescher Drift ze geschéien. Well Parasiten a klenge, asexuellen a genetesch limitéierte Populatioune liewen, kënnen se schiedlech Mutatiounen net effektiv eliminéieren, déi heiansdo während der DNA-Replikatioun optrieden. Dëst féiert zu enger irreversibler Akkumulatioun vu schiedleche Mutatiounen an enger Reduktioun vum Parasitgenom. Als Resultat verléiert de Parasit net nëmmen Genen, déi net méi fir säin Iwwerliewe an der intrazellulärer Ëmwelt néideg sinn. Et ass d'Onméiglechkeet vu Parasitpopulatiounen, sporadesch schiedlech Mutatiounen effektiv ze eliminéieren, déi dozou féiert, datt dës Mutatiounen sech am ganze Genom accumuléieren, dorënner och hir wichtegst Genen.
E groussen Deel vun eisem aktuellen Verständnis vun der Genomreduktioun baséiert eleng op Vergläicher vu Genomsequenzen, mat manner Opmierksamkeet op Ännerungen an tatsächleche Moleküllen, déi Housekeeping-Funktiounen erfëllen an als potenziell Medikamentenziler déngen. Vergläichend Studien hunn gewisen, datt d'Belaaschtung vu schiedlechen intrazelluläre mikrobiellen Mutatiounen d'Proteine ​​an d'Nukleinsäuren dozou prädisponéiert, falsch ze falten an ze aggregéieren, wouduerch se méi Chaperonofhängeg a méi empfindlech op Hëtzt sinn19,20,21,22,23. Zousätzlech hunn verschidde Parasiten - onofhängeg Evolutioun heiansdo bis zu 2,5 Milliarde Joer getrennt - e ähnleche Verloscht vu Qualitéitskontrollzentren an hirer Proteinsynthese5,6 an DNA-Reparaturmechanismen24 erlieft. Wéineg ass awer iwwer den Impakt vum intrazelluläre Liewensstil op all aner Eegeschafte vu zelluläre Makromoleküllen bekannt, dorënner d'molekular Adaptatioun un eng ëmmer méi grouss Belaaschtung vu schiedleche Mutatiounen.
An dëser Aarbecht, fir d'Evolutioun vu Proteinen an Nukleinsäuren vun intrazelluläre Mikroorganismen besser ze verstoen, hu mir d'Struktur vun de Ribosomen vum intrazelluläre Parasit Encephalitozoon cuniculi bestëmmt. E. cuniculi ass e pilzähnlechen Organismus, deen zu enger Grupp vu parasitäre Mikrosporidien gehéiert, déi ongewéinlech kleng eukaryotesch Genomer hunn a dofir als Modellorganismen benotzt ginn, fir den Genomzerfall ze studéieren25,26,27,28,29,30. Viru kuerzem gouf d'Kryo-EM Ribosomstruktur fir mëttelméisseg reduzéiert Genomer vu Microsporidia, Paranosema locustae a Vairimorpha necatrix31,32 (~3,2 Mb Genom) bestëmmt. Dës Strukturen suggeréieren, datt e gewësse Verloscht vun der rRNA-Amplifikatioun duerch d'Entwécklung vun neie Kontakter tëscht Nopeschribosomproteinen oder d'Acquisitioun vun neie msL131,32 Ribosomproteinen kompenséiert gëtt. D'Aart Encephalitozoon (Genom ~2,5 Millioune bp), zesumme mat hirem nooste Verwandte Ordospora, weisen de maximalen Grad vun der Genomreduktioun an Eukaryoten op – si hunn manner wéi 2000 Protein-codéierend Genen, an et gëtt erwaart, datt hir Ribosomen net nëmmen ouni rRNA-Expansiounsfragmenter sinn (rRNA-Fragmenter, déi eukaryotesch Ribosomen vun bakteriellen Ribosomen ënnerscheeden), mä och véier ribosomal Proteinen hunn, well se am E. cuniculi-Genom keng Homologen hunn26,27,28. Dofir si mir zum Schluss komm, datt den E. cuniculi-Ribosom virdru onbekannt Strategien fir d'molekular Adaptatioun un den Zerfall vum Genom opdecke kann.
Eis Kryo-EM Struktur representéiert dat klengst eukaryotescht zytoplasmatescht Ribosom, dat jee charakteriséiert gouf, a gëtt Abléck an deen, wéi den ultimativen Grad vun der Genomreduktioun d'Struktur, d'Zesummesetzung an d'Evolutioun vun der molekulare Maschinn beaflosst, déi integral fir d'Zell ass. Mir hunn festgestallt, datt den E. cuniculi Ribosom vill vun de wäit verbreeten Prinzipie vun der RNA-Faltung an der Ribosom-Zesummesetzung verletzt, an hunn en neit, virdru onbekannt ribosomalt Protein entdeckt. Ganz onerwaart weisen mir, datt Mikrosporidie-Ribosomen d'Fäegkeet entwéckelt hunn, kleng Moleküle ze bannen, an stellen d'Hypothes op, datt Ofkierzungen an rRNA a Proteinen evolutiv Innovatiounen ausléisen, déi dem Ribosom letztendlech nëtzlech Qualitéite vermëttele kënnen.
Fir eist Verständnis vun der Evolutioun vu Proteinen an Nukleinsäuren an intrazelluläre Organismen ze verbesseren, hu mir decidéiert, E. cuniculi-Sporen aus Kulturen vun infizéierte Säugetierzellen ze isoléieren, fir hir Ribosomen ze purifizéieren an d'Struktur vun dëse Ribosomen ze bestëmmen. Et ass schwéier, eng grouss Zuel vu parasitäre Mikrosporidien ze kréien, well Mikrosporidien net an engem Nährstoffmedium kultivéiert kënne ginn. Amplaz wuessen a reproduzéiere se sech nëmmen an der Wirtszell. Dofir, fir E. cuniculi Biomass fir d'Ribosomreinigung ze kréien, hu mir d'Säugetier-Nierzelllinn RK13 mat E. cuniculi-Sporen infizéiert an dës infizéiert Zellen e puer Wochen kultivéiert, fir datt E. cuniculi wuessen a sech multiplizéiere konnt. Mat enger infizéierter Zellmonoschicht vun ongeféier engem hallwe Quadratmeter konnten mir ongeféier 300 mg Microsporidia-Sporen purifizéieren an se benotze fir Ribosomen ze isoléieren. Mir hunn dann déi gereinegt Sporen mat Glasperlen zerstéiert an déi rau Ribosomen isoléiert andeems mir d'Lysate mat enger schrëttweiser Polyethylenglykolfraktionéierung benotzt hunn. Dëst huet et eis erméiglecht, ongeféier 300 µg rau E. cuniculi-Ribosomen fir d'Strukturanalyse ze kréien.
Mir hunn dann Kryo-EM-Biller mat de resultéierende Ribosom-Prouwen gesammelt an dës Biller mat Masken veraarbecht, déi der grousser ribosomaler Ënnereenheet, dem klenge Ënnereenheetskopf an der klenger Ënnereenheet entspriechen. Wärend dësem Prozess hu mir Biller vu ronn 108.000 ribosomale Partikelen gesammelt a Kryo-EM-Biller mat enger Opléisung vun 2,7 Å berechent (Ergänzungsfiguren 1-3). Mir hunn dann KryoEM-Biller benotzt fir rRNA, ribosomalt Protein an Hibernatiounsfaktor Mdf1 ze modelléieren, déi mat E. cuniculi Ribosomen assoziéiert sinn (Fig. 1a, b).
a Struktur vum E. cuniculi Ribosom a Komplex mam Hibernatiounsfaktor Mdf1 (pdb id 7QEP). b Kaart vum Hibernatiounsfaktor Mdf1 assoziéiert mam E. cuniculi Ribosom. c Kaart vun der Sekundärstruktur, déi déi gewonnen rRNA a Mikrosporidian-Aarten mat bekannte ribosomale Strukturen vergläicht. D'Paneele weisen d'Lag vun den amplifizéierten rRNA-Fragmenter (ES) an de Ribosom-aktiven Zentrum, dorënner d'Dekodéierungsplaz (DC), d'Sarcinicin-Schleef (SRL) an de Peptidyltransferase-Zentrum (PTC). d D'Elektronendichte, déi dem Peptidyltransferase-Zentrum vum E. cuniculi Ribosom entsprécht, léisst dovun ausgoen, datt dës katalytesch Plaz déiselwecht Struktur beim E. cuniculi Parasit a senge Wirtsorganismen, dorënner H. sapiens, huet. e, f Déi entspriechend Elektronendichte vum Dekodéierungszentrum (e) an déi schematesch Struktur vum Dekodéierungszentrum (f) weisen drop hin, datt E. cuniculi d'Reschter U1491 amplaz vun A1491 (E. coli Nummeréierung) a ville aneren Eukaryoten huet. Dës Ännerung weist drop hin, datt E. cuniculi empfindlech op Antibiotike reagéiere kann, déi dës aktiv Plaz ofzielen.
Am Géigesaz zu de virdru etabléierte Strukturen vun de V. necatrix- a P. locustae-Ribosomen (béid Strukturen representéieren déiselwecht Mikrosporidienfamill Nosematidae a si ganz ähnlech), ënnerleien 31,32 E. cuniculi-Ribosomen eng Rei vu Prozesser vun rRNA- a Proteinfragmentéierung. Weider Denaturatioun (Ergänzungsfiguren 4-6). An der rRNA waren déi opfällegst Ännerungen de komplette Verloscht vum amplifizéierten 25S rRNA-Fragment ES12L an eng partiell Degeneratioun vun den h39-, h41- an H18-Helixen (Fig. 1c, Ergänzungsfigur 4). Ënnert de ribosomale Proteinen waren déi opfällegst Ännerungen de komplette Verloscht vum eS30-Protein an d'Verkierzung vun den eL8-, eL13-, eL18-, eL22-, eL29-, eL40-, uS3-, uS9-, uS14-, uS17- an eS7-Proteinen (Ergänzungsfiguren 4, 5).
Sou spigelt sech déi extrem Reduktioun vun de Genome vun Encephalotozoon/Ordospora-Aarten an hirer Ribosomstruktur erëm: E. cuniculi-Ribosomen erliewen dee dramateschste Verloscht u Proteingehalt an eukaryoteschen zytoplasmatesche Ribosomen, déi enger struktureller Charakteriséierung ënnerworf sinn, an si hunn net emol déi rRNA- a Proteinfragmenter, déi net nëmmen an Eukaryoten, mä och an den dräi Domänen vum Liewen wäit erhale sinn. D'Struktur vum E. cuniculi-Ribosom liwwert dat éischt molekulare Modell fir dës Ännerungen a weist evolutiv Evenementer op, déi souwuel vun der komparativer Genomik wéi och vu Studien iwwer d'intrazellulär biomolekular Struktur iwwersinn goufen (Ergänzungsfigur 7). Hei ënnendrënner beschreiwe mir all dës Evenementer zesumme mat hirem wahrscheinlechen evolutiven Urspronk an hirem potenziellen Impakt op d'Ribosomenfunktioun.
Mir hunn duerno festgestallt, datt, zousätzlech zu groussen rRNA-Trunkatiounen, E. cuniculi-Ribosomen rRNA-Variatiounen op enger vun hiren aktiven Plazen hunn. Obwuel den Peptidyltransferase-Zentrum vum E. cuniculi-Ribosom déiselwecht Struktur huet wéi aner eukaryotesch Ribosomen (Fig. 1d), ënnerscheet sech den Dekodéierungszentrum wéinst Sequenzvariatioun um Nukleotid 1491 (E. coli Nummeréierung, Fig. 1e, f). Dës Observatioun ass wichteg, well den Dekodéierungszentrum vun eukaryotesche Ribosomen typescherweis d'Reschter G1408 an A1491 enthält am Verglach mat de bakteriellen Reschter A1408 an G1491. Dës Variatioun läit an der ënnerschiddlecher Sensibilitéit vu bakteriellen an eukaryotesche Ribosomen fir d'Aminoglykosidfamill vu ribosomalen Antibiotike an aner kleng Molekülen, déi den Dekodéierungszentrum ofzielen. Op der Dekodéierungsplaz vum E. cuniculi-Ribosom gouf de Rescht A1491 duerch U1491 ersat, wat potenziell eng eenzegaarteg Bindungsgrenzfläche fir kleng Molekülen erstallt huet, déi dësen aktiven Zentrum ofzielen. Déi selwecht A14901-Variant ass och an anere Mikrosporidien, wéi P. locustae a V. necatrix, präsent, wat drop hiweist, datt se ënner Mikrosporidien-Aarten wäit verbreet ass (Fig. 1f).
Well eis E. cuniculi Ribosom-Prouwen aus metabolisch inaktiven Sporen isoléiert goufen, hu mir d'Kryo-EM-Kaart vun E. cuniculi op virdru beschriwwe Ribosom-Bindung ënner Stress- oder Hongerbedingungen getest. Wanterschloffaktoren 31,32,36,37, 38. Mir hunn déi virdru etabléiert Struktur vum Wanterschlof-Ribosom mat der Kryo-EM-Kaart vum E. cuniculi Ribosom verglach. Fir d'Andocking goufen S. cerevisiae Ribosomen a Komplex mam Wanterschloffaktor Stm138, Heeschrecken-Ribosomen a Komplex mam Lso232-Faktor a V. necatrix Ribosomen a Komplex mat Mdf1- an Mdf231-Faktoren benotzt. Gläichzäiteg hu mir d'Kryo-EM-Dicht fonnt, déi dem Reschtfaktor Mdf1 entsprécht. Ähnlech wéi Mdf1 sech un de V. necatrix Ribosom bindt, bindt Mdf1 sech och un de E. cuniculi Ribosom, wou et d'E-Plaz vum Ribosom blockéiert, wat méiglecherweis hëlleft, Ribosomen verfügbar ze maachen, wann Parasitspore bei enger Inaktivatioun vum Kierper metabolisch inaktiv ginn (Figur 2).
Mdf1 blockéiert d'E-Plaz vum Ribosom, wat anscheinend hëlleft, de Ribosom ze inaktivéieren, wa Parasitsporen metabolisch inaktiv ginn. An der Struktur vum E. cuniculi Ribosom hu mir festgestallt, datt Mdf1 e virdru onbekannte Kontakt mam L1-Ribosomstamm bilt, dem Deel vum Ribosom, deen d'Fräisetzung vun deacyléierter tRNA aus dem Ribosom während der Proteinsynthese erliichtert. Dës Kontakter suggeréieren, datt Mdf1 sech vum Ribosom mat dem selwechte Mechanismus wéi deacetyléiert tRNA dissoziéiert, wat eng méiglech Erklärung dofir liwwert, wéi de Ribosom Mdf1 ewechhëlt, fir d'Proteinsynthese ze reaktivéieren.
Eis Struktur huet awer en onbekannte Kontakt tëscht Mdf1 an dem L1-Ribosombeen opgedeckt (den Deel vum Ribosom, deen hëlleft, deacyléiert tRNA aus dem Ribosom während der Proteinsynthese fräizesetzen). Besonnesch Mdf1 benotzt déiselwecht Kontakter wéi den Ellbogsegment vum deacyléierten tRNA-Molekül (Fig. 2). Dës virdru onbekannt molekular Modelléierung huet gewisen, datt Mdf1 sech vum Ribosom mat dem selwechte Mechanismus wéi deacetyléiert tRNA dissoziéiert, wat erkläert, wéi de Ribosom dëse Wanterschloffaktor ewechhëlt, fir d'Proteinsynthese ze reaktivéieren.
Beim Opbau vum rRNA-Modell hu mir festgestallt, datt den E. cuniculi-Ribosom anormal gefalteten rRNA-Fragmenter huet, déi mir verschmolzene rRNA genannt hunn (Fig. 3). A Ribosomen, déi déi dräi Domänen vum Liewen ëmfaassen, falt sech d'rRNA a Strukturen, an deenen déi meescht rRNA-Basen entweder Basispaaren bilden a matenee falten oder mat ribosomale Proteinen interagéieren38,39,40. Wéi och ëmmer, an E. cuniculi-Ribosomen schéngen d'rRNAen dëse Faltungsprinzip ze verletzen, andeems se e puer vun hiren Helixen an ongefaltet rRNA-Regiounen ëmwandelen.
Struktur vun der H18 25S rRNA-Helix an S. cerevisiae, V. necatrix an E. cuniculi. Typesch, a Ribosomen, déi déi dräi Liewensdomänen ëmfaassen, wickelt sech dëse Linker zu enger RNA-Helix, déi 24 bis 34 Reschter enthält. Am Géigesaz dozou gëtt dëse rRNA-Linker bei Microsporidien no an no op zwee einfachstrangeg uridinräich Linker reduzéiert, déi nëmmen 12 Reschter enthalen. Déi meescht vun dëse Reschter si Léisungsmëttel ausgesat. D'Figur weist, datt parasitär Mikrosporidien géint déi allgemeng Prinzipie vun der rRNA-Faltung verstoussen, wou rRNA-Basen normalerweis un aner Basen gekoppelt sinn oder un rRNA-Protein-Interaktiounen bedeelegt sinn. Bei Microsporidien huelen e puer rRNA-Fragmenter eng ongënschteg Falung un, bei där déi fréier rRNA-Helix zu engem einfachstrangegen Fragment gëtt, deen bal an enger gerader Linn verlängert gëtt. D'Präsenz vun dësen ongewéinleche Regiounen erlaabt et der Microsporidien-rRNA, wäit ewech rRNA-Fragmenter mat enger minimaler Zuel vun RNA-Basen ze bannen.
Dat opfällegst Beispill vun dësem evolutiven Iwwergang kann an der H18 25S rRNA-Helix observéiert ginn (Fig. 3). Bei Aarte vun E. coli bis zum Mënsch enthalen d'Basen vun dëser rRNA-Helix 24-32 Nukleotiden, déi eng liicht onregelméisseg Helix bilden. A virdru identifizéierte ribosomale Strukturen aus V. necatrix a P. locustae,31,32 sinn d'Basen vun der H18-Helix deelweis ofgewéckelt, awer d'Nukleotid-Basenpaarung ass erhalen. Wéi och ëmmer, bei E. cuniculi gëtt dëst rRNA-Fragment déi kierzt Linker 228UUUUGU232 an 301UUUUUUUUUU307. Am Géigesaz zu typesche rRNA-Fragmenter wéckelen sech dës uridinräich Linker net a maachen net extensiv Kontakt mat ribosomale Proteinen. Amplaz huelen se lösungsmitteloppe a komplett ofgewéckelt Strukturen un, an deenen d'rRNA-Sträng bal riicht verlängert sinn. Dës gestreckte Konformatioun erkläert, wéi E. cuniculi nëmmen 12 RNA-Basen benotzt, fir d'33 Å-Lück tëscht den H16- an H18-rRNA-Helixen ze fëllen, während aner Aarte mindestens duebel sou vill rRNA-Basen brauchen, fir d'Lück ze fëllen.
Sou kënne mir weisen, datt parasitär Mikrosporidien duerch energetesch ongënschteg Faltung eng Strategie entwéckelt hunn, fir och déi rRNA-Segmenter ze kontraktéieren, déi iwwer all Aarten an den dräi Liewensberäicher gréisstendeels erhale bleiwen. Anscheinend kann E. cuniculi, andeems se Mutatiounen akkumuléieren, déi rRNA-Helixen a kuerz Poly-U-Linker transforméieren, ongewéinlech rRNA-Fragmenter bilden, déi sou wéineg Nukleotiden wéi méiglech enthalen, fir d'Ligatioun vun distalen rRNA-Fragmenter. Dëst hëlleft z'erklären, wéi Mikrosporidien eng dramatesch Reduktioun vun hirer molekularer Basisstruktur erreecht hunn, ouni hir strukturell a funktionell Integritéit ze verléieren.
Eng aner ongewéinlech Eegeschaft vun der E. cuniculi rRNA ass d'Erscheinung vun rRNA ouni Verdickungen (Fig. 4). Ausbuchtungen sinn Nukleotiden ouni Basenpaaren, déi sech aus der RNA-Helix verdréien, anstatt sech dran ze verstoppen. Déi meescht rRNA-Vorspréngungen handelen als molekulare Klebstoffer, déi hëllefen, ugrenzend ribosomal Proteinen oder aner rRNA-Fragmenter ze bannen. E puer vun de Ausbuchtungen handelen als Scharnéier, sou datt d'rRNA-Helix sech optimal fir eng produktiv Proteinsynthese flexéiere kann a falte kann 41.
a Eng rRNA-Protrusioun (S. cerevisiae-Nummeréierung) feelt an der E. cuniculi-Ribosomstruktur, ass awer an de meeschten aneren Eukaryoten präsent. b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens an E. cuniculi intern Ribosomen. De Parasiten feelen vill vun den ale, héichkonservéierte rRNA-Ausbuchtungen. Dës Verdickungen stabiliséieren d'Ribosomstruktur; dofir weist hir Feele a Mikrosporidien op eng reduzéiert Stabilitéit vun der rRNA-Faltung a Mikrosporidieparasiten hin. E Verglach mat P-Stämm (L7/L12-Stämm a Bakterien) weist, datt de Verloscht vun rRNA-Ubuchtungen heiansdo mam Optriede vun neie Bubben nieft de verluerene Bubben zesummefält. D'H42-Helix an der 23S/28S rRNA huet eng al Ausbuchtung (U1206 a Saccharomyces cerevisiae), déi op mindestens 3,5 Milliarde Joer al geschat gëtt, wéinst sengem Schutz an dräi Liewensberäicher. A Mikrosporidien ass dës Ausbuchtung eliminéiert. Allerdéngs ass nieft der verluerener Ausbucht eng nei Bucht opgetrueden (A1306 bei E. cuniculi).
Opfälleg ass, datt mir festgestallt hunn, datt E. cuniculi Ribosomen déi meescht vun den rRNA-Ausbuchtungen feelen, déi an anere Spezies fonnt ginn, dorënner méi wéi 30 Ausbuchtungen, déi an aneren Eukaryoten erhale sinn (Fig. 4a). Dëse Verloscht eliminéiert vill Kontakter tëscht ribosomalen Ënnereenheeten an ugrenzenden rRNA-Helixen, wouduerch heiansdo grouss huel Lächer am Ribosom entstinn, wouduerch den E. cuniculi Ribosom méi poréis ass am Verglach mat méi traditionelle Ribosomen (Fig. 4b). Bemierkenswäert ass, datt mir festgestallt hunn, datt déi meescht vun dëse Ausbuchtungen och an de virdru identifizéierte V. necatrix a P. locustae Ribosomstrukturen verluer gaange sinn, déi vu fréiere strukturellen Analysen iwwersinn goufen31,32.
Heiansdo gëtt de Verloscht vun rRNA-Ausbuchtungen vun der Entwécklung vun neie Ausbuchtungen nieft der verluerener Ausbuchtung begleet. Zum Beispill enthält de ribosomale P-Stamm eng U1208-Ausbuchtung (bei Saccharomyces cerevisiae), déi vun E. coli bis zum Mënsch iwwerlieft huet a dofir op 3,5 Milliarde Joer al geschat gëtt. Wärend der Proteinsynthese hëlleft dës Ausbuchtung dem P-Stamm tëscht oppenen a zouenen Konformatiounen ze wiesselen, sou datt de Ribosom Translatiounsfaktoren rekrutéiere kann an se un den aktiven Zentrum liwwere kann. Bei E. cuniculi-Ribosomen feelt dës Verdickung; awer eng nei Verdickung (G883), déi nëmmen an dräi Basenpaaren lokaliséiert ass, kann zur Restauratioun vun der optimaler Flexibilitéit vum P-Stamm bäidroen (Fig. 4c).
Eis Donnéeën iwwer rRNA ouni Ausbuchtungen suggeréieren, datt d'rRNA-Minimiséierung net nëmmen op de Verloscht vun rRNA-Elementer op der Uewerfläch vum Ribosom limitéiert ass, mä och de Ribosomkär betreffe kann, wouduerch e parasitspezifesche molekulare Defekt entsteet, deen net a fräiliewegen Zellen beschriwwe gouf. Et gi lieweg Aarte observéiert.
Nodeems mir kanonesch ribosomal Proteinen an rRNA modelléiert hunn, hu mir festgestallt, datt konventionell ribosomal Komponenten déi dräi Deeler vum Kryo-EM Bild net erkläre kënnen. Zwee vun dëse Fragmenter si kleng Molekülen (Fig. 5, Ergänzungsfigur 8). Den éischte Segment ass tëscht de ribosomal Proteinen uL15 an eL18 an enger Positioun ageklemmt, déi normalerweis vum C-Terminus vun eL18 besat ass, deen an E. cuniculi verkierzt ass. Och wann mir d'Identitéit vun dësem Molekül net bestëmme kënnen, gëtt d'Gréisst a Form vun dëser Dichtinsel gutt duerch d'Präsenz vu Spermidinmoleküle erkläert. Seng Bindung un de Ribosom gëtt duerch mikrosporidiespezifesch Mutatiounen an den uL15 Proteinen (Asp51 an Arg56) stabiliséiert, déi d'Affinitéit vum Ribosom fir dëst klengt Molekül erhéijen schéngen, well se et uL15 erlaben, dat klengt Molekül an eng ribosomal Struktur anzewéckelen. Ergänzungsfigur 2). 8, zousätzlech Donnéeën 1, 2).
Kryo-EM-Bildgebung, déi d'Präsenz vun Nukleotiden ausserhalb vun der Ribose weist, déi un den E. cuniculi-Ribosom gebonnen sinn. Am E. cuniculi-Ribosom besetzt dësen Nukleotid déiselwecht Plaz wéi den 25S rRNA A3186-Nukleotid (Saccharomyces cerevisiae-Nummeréierung) an de meeschten aneren eukaryotesche Ribosomen. b An der ribosomaler Struktur vun E. cuniculi läit dësen Nukleotid tëscht de ribosomale Proteinen uL9 an eL20, wouduerch de Kontakt tëscht den zwee Proteinen stabiliséiert gëtt. cd eL20-Sequenzkonservatiounsanalyse ënner Mikrosporidien-Aarten. De phylogenetesche Bam vun de Mikrosporidien-Aarten (c) an d'Multiple-Sequenz-Ausriichtung vum eL20-Protein (d) weisen datt d'Nukleotid-bindend Reschter F170 a K172 an de meeschten typesche Mikrosporidien konservéiert sinn, mat Ausnam vun S. lophii, mat Ausnam vun fréi verzweigten Mikrosporidien, déi d'ES39L rRNA-Extensioun bäibehalen hunn. e Dës Figur weist, datt d'Nukleotid-Bindungsreschter F170 an K172 nëmmen an eL20 vum staark reduzéierte Microsporidie-Genom präsent sinn, awer net an aneren Eukaryoten. Am Allgemengen suggeréieren dës Donnéeën, datt Microsporidian-Ribosomen eng Nukleotid-Bindungsplaz entwéckelt hunn, déi AMP-Moleküle schéngt ze bannen an se ze benotzen, fir Protein-Protein-Interaktiounen an der ribosomaler Struktur ze stabiliséieren. Déi héich Konservatioun vun dëser Bindungsplaz a Microsporidien a seng Feele an aneren Eukaryoten suggeréiert, datt dës Plaz e selektive Iwwerliewensvirdeel fir Microsporidien kéint bidden. Dofir schéngt d'Nukleotid-Bindungstäsch am Microsporidie-Ribosom keng degeneréiert Charakteristik oder Endform vun rRNA-Degradatioun ze sinn, wéi virdru beschriwwen, mä éischter eng nëtzlech evolutiv Innovatioun, déi et dem Microsporidie-Ribosom erlaabt, direkt kleng Moleküle ze bannen, andeems se se als molekular Bausteng fir Ribosomen benotzen. Dës Entdeckung mécht de Microsporidie-Ribosom zum eenzege Ribosom, deen bekannt ass, fir en eenzegen Nukleotid als säi strukturelle Bausteng ze benotzen. f Hypotheteschen Evolutiounswee, deen aus der Nukleotidbindung ofgeleet ass.
Déi zweet Dicht mat niddregem Molekulargewiicht läit op der Grenzfläche tëscht de ribosomale Proteinen uL9 an eL30 (Fig. 5a). Dës Grenzfläche gouf virdru schonn an der Struktur vum Saccharomyces cerevisiae Ribosom als Bindungsplaz fir den 25S Nukleotid vun der rRNA A3186 (Deel vun der ES39L rRNA Extensioun)38 beschriwwen. Et gouf gewisen, datt an degeneréierten P. locustae ES39L Ribosomen dës Grenzfläche en onbekannten eenzelen Nukleotid 31 bindt, an et gëtt ugeholl, datt dësen Nukleotid eng reduzéiert final Form vun rRNA ass, bei där d'Längt vun der rRNA ~130-230 Basen ass. ES39L ass op en eenzelen Nukleotid 32.43 reduzéiert. Eis Kryo-EM Biller ënnerstëtzen d'Iddi, datt d'Dicht duerch Nukleotiden erkläert ka ginn. Wéi och ëmmer, déi méi héich Opléisung vun eiser Struktur huet gewisen, datt dësen Nukleotid en extraribosomalt Molekül ass, méiglecherweis AMP (Fig. 5a, b).
Mir hunn dann gefrot, ob d'Nukleotid-Bindungsplaz am E. cuniculi Ribosom opgetrueden ass oder ob se schonn eemol existéiert huet. Well d'Nukleotid-Bindung haaptsächlech duerch d'Phe170- a Lys172-Reschter am eL30-Ribosomalprotein vermittelt gëtt, hu mir d'Konservatioun vun dëse Reschter a 4396 representativen Eukaryoten ënnersicht. Wéi am Fall vun uL15 uewen, hu mir festgestallt, datt d'Phe170- a Lys172-Reschter nëmmen an typesche Microsporidien héichkonservéiert sinn, awer an aneren Eukaryoten feelen, dorënner atypesch Microsporidien Mitosporidium an Amphiamblys, bei deenen den ES39L rRNA-Fragment net reduzéiert ass 44, 45, 46 (Fig. 5c). -e).
Zesummegeholl ënnerstëtzen dës Donnéeën d'Iddi, datt E. cuniculi a méiglecherweis aner kanonesch Mikrosporidien d'Fäegkeet entwéckelt hunn, eng grouss Zuel vu klenge Metabolitten an der Ribosomstruktur effizient z'erfaassen, fir den Réckgang vun den rRNA- a Proteinniveauen ze kompenséieren. Doduerch hunn si eng eenzegaarteg Fäegkeet entwéckelt, Nukleotiden ausserhalb vum Ribosom ze bannen, wat weist, datt parasitär molekular Strukturen kompenséieren, andeems se vill kleng Metabolitten erfaassen an se als strukturell Imitatioune vun degradéierter RNA- a Proteinfragmenter benotzen.
Den drëtten onimuléierten Deel vun eiser Kryo-EM-Kaart, deen an der grousser ribosomaler Ënnereenheet fonnt gëtt. Déi relativ héich Opléisung (2,6 Å) vun eiser Kaart weist drop hin, datt dës Dicht zu Proteine ​​mat eenzegaartege Kombinatioune vu grousse Säitekettenreschter gehéiert, wat et eis erlaabt huet, dës Dicht als e virdru onbekannt ribosomalt Protein z'identifizéieren, dat mir als msL2 (Microsporidia-specific protein L2) identifizéiert hunn (Methoden, Figur 6). Eis Homologiesich huet gewisen, datt msL2 an der Microsporidia-Klade vun der Gattung Encephaliter an Orosporidium konservéiert ass, awer a aneren Aarten, dorënner och aner Microsporidien, feelt. An der ribosomaler Struktur besetzt msL2 eng Lück, déi duerch de Verloscht vun der erweiderter ES31L rRNA geformt gëtt. An dëser Lück hëlleft msL2 d'rRNA-Faltung ze stabiliséieren a kann de Verloscht vun ES31L kompenséieren (Figur 6).
a Elektronendichte a Modell vum Microsporidia-spezifesche ribosomale Protein msL2, dat an E. cuniculi Ribosomen fonnt gëtt. b Déi meescht eukaryotesch Ribosomen, dorënner de 80S Ribosom vu Saccharomyces cerevisiae, hunn eng ES19L rRNA-Amplifikatioun, déi an de meeschte Microsporidian-Aarten verluer gaangen ass. Déi virdru etabléiert Struktur vum V. necatrix Microsporidia Ribosom weist drop hin, datt de Verloscht vun ES19L an dëse Parasiten duerch d'Evolutioun vum neie msL1 ribosomale Protein kompenséiert gëtt. An dëser Studie hu mir festgestallt, datt den E. cuniculi Ribosom och en zousätzlecht ribosomalt RNA-Mimikprotein als offensichtlech Kompensatioun fir de Verloscht vun ES19L entwéckelt huet. Wéi och ëmmer, msL2 (aktuell als dat hypothetescht ECU06_1135 Protein annotéiert) an msL1 hunn ënnerschiddlech strukturell an evolutiv Originnen. Dës Entdeckung vun der Generatioun vun evolutiv net verwandten msL1- a msL2-Ribosomalproteinen weist drop hin, datt wa Ribosomen schiedlech Mutatiounen an hirer rRNA accumuléieren, si souguer an enger klenger Ënnergrupp vun enk verwandte Spezies eng ongehéiert Diversitéit an der Zesummesetzung erreeche kënnen. Dës Entdeckung kéint hëllefen, den Urspronk an d'Evolutioun vum mitochondrialen Ribosom ze klären, deen fir seng staark reduzéiert rRNA an anormal Variabilitéit an der Proteinzesummesetzung tëscht de Spezies bekannt ass.
Mir hunn dann d'msL2-Protein mam virdru beschriwwene msL1-Protein verglach, dem eenzege bekannte Mikrosporidien-spezifesche Ribosomprotein, dat am V. necatrix-Ribosom fonnt gëtt. Mir wollten testen, ob msL1 an msL2 evolutiv verwandt sinn. Eis Analyse huet gewisen, datt msL1 an msL2 déiselwecht Kavitéit an der ribosomaler Struktur besetzen, awer ënnerschiddlech primär an tertiär Strukturen hunn, wat op hiren onofhängegen evolutiven Urspronk hiweist (Fig. 6). Dofir liwwert eis Entdeckung vun msL2 Beweiser dofir, datt Gruppe vu kompakten eukaryoteschen Aarten onofhängeg strukturell ënnerschiddlech ribosomal Proteine ​​kënne entwéckelen, fir de Verloscht vun rRNA-Fragmenter ze kompenséieren. Dës Erkenntnis ass bemierkenswäert, well déi meescht zytoplasmatesch eukaryotesch Ribosomen en invariant Protein enthalen, dorënner déiselwecht Famill vun 81 ribosomale Proteinen. D'Erscheinung vun msL1 an msL2 a verschiddene Kladen vu Mikrosporidien als Äntwert op de Verloscht vun erweiderten rRNA-Segmenter weist drop hin, datt den Ofbau vun der molekularer Architektur vum Parasit dozou féiert, datt Parasiten no kompensatoresche Mutatiounen sichen, wat schlussendlech zu hirer Acquisitioun an ënnerschiddleche Parasitpopulatiounsstrukturen féiere kann.
Schlussendlech, wéi eist Modell fäerdeg war, hu mir d'Zesummesetzung vum E. cuniculi Ribosom mat där verglach, déi aus der Genomsequenz virausgesot gouf. Verschidde ribosomal Proteinen, dorënner eL14, eL38, eL41 an eS30, goufen virdru als feelend am E. cuniculi Genom ugesinn, well hir Homologen am E. cuniculi Genom scheinbar feelen. De Verloscht vu ville ribosomale Proteinen ass och a ville aner staark reduzéierten intrazelluläre Parasiten an Endosymbionten virausgesot. Zum Beispill, obwuel déi meescht fräilieweg Bakterien déiselwecht Famill vu 54 ribosomale Proteinen enthalen, hunn nëmmen 11 vun dëse Proteinfamilljen noweisbar Homologen an all analyséierte Genom vu vum Wirt limitéierte Bakterien. Fir dës Iddi z'ënnerstëtzen, gouf e Verloscht vu ribosomale Proteinen experimentell a V. necatrix a P. locustae Mikrosporidien observéiert, deenen d'eL38 an eL4131,32 Proteinen feelen.
Eis Strukturen weisen awer, datt nëmmen eL38, eL41 an eS30 am E. cuniculi Ribosom tatsächlech verluer gaange sinn. Den eL14 Protein war erhalen an eis Struktur huet gewisen, firwat dëst Protein net an der Homologiesich fonnt konnt ginn (Fig. 7). An E. cuniculi Ribosomen ass de gréissten Deel vun der eL14 Bindungsplaz verluer wéinst der Degradatioun vum rRNA-verstäerkten ES39L. An der Ofwiesenheet vun ES39L huet eL14 de gréissten Deel vu senger sekundärer Struktur verluer, an nëmmen 18% vun der eL14 Sequenz war identesch an E. cuniculi an S. cerevisiae. Dës schlecht Sequenzerhaalung ass bemierkenswäert, well souguer Saccharomyces cerevisiae an Homo sapiens - Organismen, déi 1,5 Milliarde Joer auserneen entwéckelt hunn - méi wéi 51% vun de selwechte Reschter an eL14 deelen. Dëse anormalen Verloscht vun der Konservéierung erkläert, firwat E. cuniculi eL14 aktuell als dat mutmasslecht M970_061160-Protein an net als dat ribosomalt Protein eL1427 annotéiert ass.
an de Microsporidia-Ribosom huet d'ES39L rRNA-Verlängerung verluer, wat d'Bindungsplaz vum eL14-ribosomale Protein deelweis eliminéiert huet. An der Ofwiesenheet vun ES39L verléiert de Mikrosporeprotein e Verloscht vun der Sekundärstruktur ewéi déi fréier rRNA-bindend α-Helix zu enger Schleef mat minimaler Längt degeneréiert. b Multiple Sequenzausriichtung weist, datt den eL14-Protein an eukaryoteschen Aarten héich konservéiert ass (57% Sequenzidentitéit tëscht Hef- an mënschlechen Homologen), awer schlecht konservéiert an divergent a Mikrosporidien (an deenen net méi wéi 24% vun de Reschter mam eL14-Homolog identesch sinn). vun S. cerevisiae oder H. sapiens). Dës schlecht Sequenzkonservatioun a Variabilitéit vun der Sekundärstruktur erkläert, firwat den eL14-Homolog ni an E. cuniculi fonnt gouf a firwat ugeholl gëtt, datt dëst Protein an E. cuniculi verluer gaangen ass. Am Géigesaz dozou gouf den E. cuniculi eL14 virdru als e mutmasslecht M970_061160-Protein annotéiert. Dës Observatioun léisst dovun ausgoen, datt d'Genomdiversitéit vu Mikrosporidien de Moment iwwerschat gëtt: E puer Genen, vun deenen een den Moment ugeholl huet, datt se a Mikrosporidien verluer gaange sinn, sinn tatsächlech erhalen, wann och a staark differenzéierter Form; amplaz gëtt ugeholl, datt e puer fir Mikrosporidie-Genen fir wuermspezifesch Proteinen kodéieren (z. B. dat hypothetescht Protein M970_061160) kodéiert tatsächlech fir déi ganz divers Proteinen, déi an aneren Eukaryoten fonnt ginn.
Dës Erkenntnis weist drop hin, datt d'Denaturatioun vun rRNA zu engem dramatesche Verloscht vun der Sequenzkonservatioun an ugrenzenden ribosomalen Proteinen féiere kann, wouduerch dës Proteine ​​fir Homologiesich net nogewise kënne ginn. Dofir kënne mir den tatsächleche Grad vun der molekularer Degradatioun a klenge Genomorganismen iwwerschätzen, well verschidde Proteinen, vun deenen ugeholl gëtt, datt se verluer gaange sinn, tatsächlech bestoe bleiwen, wann och a staark verännerter Form.
Wéi kënne Parasiten d'Funktioun vun hire molekulare Maschinnen ënner Bedingunge vun extremer Genomreduktioun behalen? Eis Studie beäntwert dës Fro andeems se déi komplex molekular Struktur (Ribosom) vun E. cuniculi beschreift, engem Organismus mat engem vun de klengsten eukaryotesche Genomer.
Et ass zënter bal zwee Joerzéngten bekannt, datt Protein- a RNA-Moleküle a mikrobiellen Parasiten sech dacks vun hiren homologen Moleküle a fräiliewegen Aarten ënnerscheeden, well se keng Qualitéitskontrollzentren hunn, a fräiliewegen Mikroben op 50% vun hirer Gréisst reduzéiert sinn, etc. ... vill schwächend Mutatiounen, déi d'Faltung an d'Funktioun behënneren. Zum Beispill gëtt erwaart, datt d'Ribosomen vu klenge Genomorganismen, dorënner vill intrazellulär Parasiten an Endosymbionten, verschidde ribosomal Proteinen a bis zu engem Drëttel vun den rRNA-Nukleotiden am Verglach mat fräiliewegen Aarten feelen 27, 29, 30, 49. Wéi dës Moleküle bei Parasiten funktionéieren, bleift awer gréisstendeels e Rätsel, dat haaptsächlech duerch komparativ Genomik studéiert gëtt.
Eis Studie weist, datt d'Struktur vu Makromoleküle vill Aspekter vun der Evolutioun opdecke kann, déi schwéier aus traditionelle komparativen genomesche Studien vun intrazelluläre Parasiten an aner vum Wirt limitéiert Organismen ze extrahéieren sinn (Ergänzungsfigur 7). Zum Beispill weist d'Beispill vum eL14-Protein, datt mir den tatsächlechen Ofbaugrad vum molekulare Apparat a parasitäre Spezies iwwerschätze kënnen. Et gëtt elo ugeholl, datt encephalitesch Parasiten Honnerte vu mikrosporidienspezifesche Genen hunn. Eis Resultater weisen awer, datt e puer vun dësen scheinbar spezifesche Genen eigentlech just ganz verschidde Varianten vu Genen sinn, déi an aneren Eukaryoten heefeg sinn. Ausserdeem weist d'Beispill vum msL2-Protein, wéi mir nei ribosomal Proteinen iwwersinn an den Inhalt vu parasitäre molekulare Maschinnen ënnerschätzen. D'Beispill vu klenge Moleküle weist, wéi mir déi genialst Innovatiounen a parasitäre molekulare Strukturen iwwersinn kënnen, déi hinnen nei biologesch Aktivitéit kënne ginn.
Zesummegeholl verbesseren dës Resultater eist Verständnis vun den Ënnerscheeder tëscht de molekulare Strukturen vun Organismen, déi vum Wirt limitéiert sinn, an hire Géigestécker a fräiliewegen Organismen. Mir weisen, datt molekulare Maschinnen, vun deenen laang ugeholl gouf, datt se reduzéiert, degeneréiert a verschiddene schwächend Mutatiounen ausgesat sinn, amplaz eng Rei vu systematesch iwwersinnene ongewéinleche strukturelle Charakteristiken hunn.
Op der anerer Säit suggeréieren déi net-volumenhaft rRNA-Fragmenter a verschmolzene Fragmenter, déi mir an de Ribosomen vun E. cuniculi fonnt hunn, datt d'Genomreduktioun souguer déi Deeler vun der molekularer Basismaschinn ännere kann, déi an den dräi Domänen vum Liewen erhale bliwwe sinn - no bal 3,5 Milliarde Joer onofhängeger Evolutioun vun Aarten.
Déi ausbulenfräi an zesummegeschmolten rRNA-Fragmenter an E. cuniculi-Ribosomen si besonnesch interessant am Liicht vu fréiere Studien iwwer RNA-Molekülen an endosymbiotesche Bakterien. Zum Beispill, am Blatlais-Endosymbiont Buchnera aphidicola, gouf gewisen, datt rRNA- an tRNA-Moleküle temperaturempfindlech Strukturen hunn, wéinst engem A+T-Zesummesetzungsbias an engem héije Prozentsaz vun net-kanonesche Basispairen20,50. Dës Ännerungen an der RNA, souwéi Ännerungen a Proteinmoleküle, ginn elo als verantwortlech fir d'Iwwerofhängegkeet vun Endosymbionten vu Partner an d'Onméiglechkeet vun Endosymbionten, Hëtzt ze transferéieren21, 23. Och wann parasitär Mikrosporidien-rRNA strukturell ënnerschiddlech Ännerungen huet, weist d'Natur vun dësen Ännerungen drop hin, datt eng reduzéiert thermesch Stabilitéit an eng méi héich Ofhängegkeet vu Chaperonproteine ​​gemeinsam Charakteristike vun RNA-Moleküle an Organismen mat reduzéierte Genomer kënne sinn.
Op der anerer Säit weisen eis Strukturen, datt parasitär Mikrosporidien eng eenzegaarteg Fäegkeet entwéckelt hunn, fir wäit konservéiert rRNA- a Proteinfragmenter ze widderstoen, andeems se d'Fäegkeet entwéckelt hunn, reichlech a liicht verfügbar kleng Metabolitten als strukturell Imitatioune vun degeneréierten rRNA- a Proteinfragmenter ze benotzen. Degradatioun vun der molekularer Struktur. Dës Meenung gëtt ënnerstëtzt duerch d'Tatsaach, datt kleng Molekülen, déi de Verloscht vu Proteinfragmenter an der rRNA a Ribosomen vun E. cuniculi kompenséieren, sech u mikrosporidienspezifesch Reschter an den uL15- an eL30-Proteinen bannen. Dëst weist drop hin, datt d'Bindung vu klenge Molekülen u Ribosomen e Produkt vun enger positiver Selektioun kéint sinn, bei där mikrosporidienspezifesch Mutatiounen a ribosomale Proteinen fir hir Fäegkeet ausgewielt goufen, d'Affinitéit vu Ribosomen fir kleng Molekülen ze erhéijen, wat zu méi effiziente ribosomalen Organismen féiere kann. D'Entdeckung weist eng intelligent Innovatioun an der molekularer Struktur vu mikrobiellen Parasiten op a gëtt eis e besser Verständnis dovun, wéi parasitär molekular Strukturen hir Funktioun trotz reduktiver Evolutioun behalen.
Am Moment ass d'Identifikatioun vun dëse klenge Molekülen nach net kloer. Et ass net kloer, firwat d'Erscheinung vun dëse klenge Molekülen an der ribosomaler Struktur tëscht Mikrosporidien-Aarten ënnerscheet. Besonnesch ass et net kloer, firwat eng Nukleotidbindung an de Ribosomen vun E. cuniculi a P. locustae observéiert gëtt, an net an de Ribosomen vu V. necatrix, trotz der Präsenz vum F170-Rest an den eL20- a K172-Proteine ​​vu V. necatrix. Dës Deletioun kéint duerch de Rescht 43 uL6 (deen nieft der Nukleotidbindungstasch läit) verursaacht ginn, wat Tyrosin a V. necatrix ass an net Threonin an E. cuniculi a P. locustae. Déi voluminös aromatesch Säitekette vun Tyr43 kann d'Nukleotidbindung wéinst sterescher Iwwerlappung stéieren. Alternativ kéint déi scheinbar Nukleotiddeletioun op déi niddreg Opléisung vun der Kryo-EM-Bildgebung zréckzeféieren sinn, wat d'Modelléierung vu V. necatrix-Ribosomalfragmenter behënnert.
Op der anerer Säit weist eis Aarbecht drop hin, datt de Prozess vum Genomzerfall eng erfinderesch Kraaft kéint sinn. Besonnesch d'Struktur vum E. cuniculi-Ribosom weist drop hin, datt de Verloscht vun rRNA- a Proteinfragmenter am Mikrosporidie-Ribosom en evolutiven Drock erstellt, deen Ännerungen an der Ribosomstruktur fördert. Dës Varianten trieden wäit ewech vum aktiven Zentrum vum Ribosom op a schéngen dozou ze hëllefen, eng optimal Ribosomassemblage z'erhalen (oder erëmzestellen), déi soss duerch reduzéiert rRNA ënnerbrach géif ginn. Dëst weist drop hin, datt eng wichteg Innovatioun vum Mikrosporidie-Ribosom sech anscheinend zu engem Besoin entwéckelt huet, Gendrift ze pufferen.
Vläicht gëtt dat am beschten duerch d'Nukleotidbindung illustréiert, déi bis elo nach ni bei aneren Organismen observéiert gouf. D'Tatsaach, datt Nukleotidbindungsreschter a typesche Mikrosporidien präsent sinn, awer net an aneren Eukaryoten, weist drop hin, datt Nukleotidbindungsplazen net nëmme Reliquie sinn, déi drop waarden ze verschwannen, oder déi lescht Plaz fir rRNA, déi a Form vun eenzelnen Nukleotiden restauréiert ka ginn. Amplaz schéngt dës Plaz eng nëtzlech Funktioun ze sinn, déi sech iwwer verschidde Ronne vu positiver Selektioun hätt kënne entwéckelen. Nukleotidbindungsplazen kéinten en Nieweprodukt vun der natierlecher Selektioun sinn: soubal ES39L ofgebaut ass, si Mikrosporidien gezwongen, Kompensatioun ze sichen, fir déi optimal Ribosombiogenese an der Ofwiesenheet vun ES39L erëmzestellen. Well dësen Nukleotid déi molekular Kontakter vum A3186-Nukleotid am ES39L imitéiere kann, gëtt d'Nukleotidmolekül zu engem Bausteen vum Ribosom, deem seng Bindung duerch Mutatioun vun der eL30-Sequenz weider verbessert gëtt.
Wat d'molekular Evolutioun vun intrazelluläre Parasiten ugeet, weist eis Studie, datt d'Kräfte vun der darwinistescher natierlecher Selektioun an der genetescher Drift vum Genomverfall net parallel funktionéieren, mä oszilléieren. Éischtens eliminéiert d'genetesch Drift wichteg Charakteristike vu Biomoleküle, wouduerch eng Kompensatioun dringend néideg ass. Nëmmen wann d'Parasiten dëse Besoin duerch darwinistesch natierlech Selektioun erfëllen, hunn hir Makromoleküle d'Chance, hir beandrockendst an innovativst Eegeschaften z'entwéckelen. Wichteg ass, datt d'Evolutioun vun Nukleotid-Bindungsplazen am E. cuniculi-Ribosom drop hiweist, datt dëst "Loss-to-gain"-Muster vun der molekularer Evolutioun net nëmmen schiedlech Mutatiounen ausgläicht, mä heiansdo och ganz nei Funktiounen de parasitesche Makromoleküle vermëttelt.
Dës Iddi entsprécht der Theorie vum bewegende Gläichgewiicht vum Sewell Wright, déi seet, datt e strikte System vun der natierlecher Selektioun d'Fäegkeet vun Organismen zu Innovatioun limitéiert51,52,53. Wann awer genetesch Drift d'natierlech Selektioun stéiert, kënnen dës Driften Ännerunge produzéieren, déi net u sech adaptiv (oder souguer schiedlech) sinn, awer zu weidere Verännerunge féieren, déi eng méi héich Fitness oder nei biologesch Aktivitéit bidden. Eise Kader ënnerstëtzt dës Iddi andeems en illustréiert, datt déiselwecht Aart vu Mutatioun, déi d'Faltung an d'Funktioun vun engem Biomolekül reduzéiert, den Haaptausléiser fir hir Verbesserung schéngt ze sinn. Am Aklang mam Win-Win-Evolutiounsmodell weist eis Studie, datt den Zerfall vum Genom, deen traditionell als degenerativen Prozess ugesi gëtt, och e wichtege Faktor fir Innovatioun ass, andeems en heiansdo a vläicht souguer dacks Makromoleküle erlaabt, nei parasitär Aktivitéiten ze kréien. kënne se benotze kënnen.