Nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь хязгаарлагдмал CSS дэмжлэгтэй. Хамгийн сайн туршлагын тулд бид танд шинэчлэгдсэн хөтчийг ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг идэвхгүй болгох). Энэ хооронд бид сайтыг хэв маяг болон JavaScriptгүйгээр үзүүлэх болно.
Микробын шимэгчдийн хувьсал нь шимэгчдийг сайжруулдаг байгалийн шалгарал болон шимэгчдийг генээ алдаж, хортой мутаци хуримтлуулдаг генетикийн шилжилтийн хоорондох эсрэг нөлөөллийг агуулдаг. Энд энэхүү эсрэг нөлөөлөл нь ганц макромолекулын хэмжээнд хэрхэн явагддагийг ойлгохын тулд бид байгалийн хамгийн жижиг геномын нэгтэй эукариот организм болох Encephalitozoon cuniculi-ийн рибосомын крио-EM бүтцийг тайлбарлаж байна. E. cuniculi рибосом дахь рРНХ-ийн хэт бууралт нь өмнө нь мэдэгдэж байгаагүй нэгдмэл рРНХ холбогч болон товойсон рРНХ-ийн хувьсал зэрэг урьд өмнө байгаагүй бүтцийн өөрчлөлтүүд дагалддаг. Үүнээс гадна, E. cuniculi рибосом нь жижиг молекулуудыг задралд орсон рРНХ-ийн хэлтэрхий болон уургийн бүтцийн дуураймал болгон ашиглах чадварыг хөгжүүлснээр рРНХ-ийн хэлтэрхий болон уургийн алдагдлыг даван туулсан. Ерөнхийдөө бид удаан хугацаанд буурсан, доройтсон, сулруулдаг мутацид өртдөг гэж үздэг молекулын бүтэц нь хэт молекулын агшилтаас үл хамааран тэдгээрийг идэвхтэй байлгадаг хэд хэдэн нөхөн төлбөрийн механизмтай болохыг харуулж байна.
Микробын шимэгчдийн ихэнх бүлгүүд өөрсдийн эзэн биеийг ашиглах өвөрмөц молекулын хэрэгсэлтэй байдаг тул бид ихэвчлэн өөр өөр бүлгийн шимэгчдэд зориулсан өөр өөр эмчилгээний аргыг боловсруулах шаардлагатай болдог1,2. Гэсэн хэдий ч шинэ нотолгоонууд нь шимэгчийн хувьслын зарим талууд нь нэгдмэл бөгөөд ихэвчлэн урьдчилан таамаглах боломжтой болохыг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь микробын шимэгчдэд өргөн хүрээтэй эмчилгээний оролцооны үндэслэлийг харуулж байна3,4,5,6,7,8,9.
Өмнөх бүтээлүүд нь бичил биетний шимэгчдийн нийтлэг хувьслын чиг хандлагыг геномын бууралт буюу геномын задрал гэж тодорхойлсон10,11,12,13. Одоогийн судалгаагаар бичил биетүүд чөлөөт амьдралын хэв маягаа орхиж, эсийн доторх шимэгч (эсвэл эндосимбионт) болоход тэдний геном сая сая жилийн турш удаан боловч гайхалтай метаморфозоор дамждаг болохыг харуулж байна9,11. Геномын задрал гэж нэрлэгддэг процесст бичил биетний шимэгчид өмнө нь чухал байсан олон генийг псевдоген болгон хувиргадаг хортой мутаци хуримтлуулж, генийн аажмаар алдагдал, мутацийн уналтад хүргэдэг14,15. Энэхүү уналт нь чөлөөт амьд зүйлтэй нягт холбоотой зүйлүүдтэй харьцуулахад хамгийн эртний эсийн доторх организмын генийн 95% хүртэлх хувийг устгаж чаддаг. Тиймээс эсийн доторх шимэгчдийн хувьсал нь хоёр эсрэг хүчний хоорондох тэмцэл юм: Дарвины байгалийн шалгарал нь шимэгчдийг сайжруулахад хүргэдэг ба геномын уналт нь шимэгчдийг мартагдуулдаг. Шимэгч хэрхэн энэхүү тэмцлээс гарч, молекулын бүтцийн идэвхжилээ хадгалж чадсан нь тодорхойгүй хэвээр байна.
Геномын задралын механизм бүрэн ойлгогдоогүй байгаа ч энэ нь голчлон генетикийн байнга шилжилт хөдөлгөөнөөс үүдэлтэй бололтой. Шимэгчид жижиг, бэлгийн бус, генетикийн хувьд хязгаарлагдмал популяцид амьдардаг тул ДНХ-ийн репликацийн үед заримдаа тохиолддог хортой мутацийг үр дүнтэй арилгаж чадахгүй. Энэ нь хортой мутацийн эргэлт буцалтгүй хуримтлал, шимэгчийн геномын бууралтад хүргэдэг. Үүний үр дүнд шимэгч нь эсийн доторх орчинд оршин тогтноход шаардлагагүй болсон генүүдээ алддаг. Шимэгч популяциуд эдгээр мутацийг геном даяар, түүний дотор хамгийн чухал генүүдээр нь хуримтлуулахад хүргэдэг зүйл бол хааяа тохиолддог хортой мутацийг үр дүнтэй арилгаж чадахгүй байгаа явдал юм.
Геномыг багасгах талаарх бидний одоогийн ойлголтын ихэнх нь зөвхөн геномын дарааллыг харьцуулах дээр суурилдаг бөгөөд гэрийн үйл ажиллагааг гүйцэтгэдэг, эмийн боломжит бай болж үйлчилдэг бодит молекулуудын өөрчлөлтөд бага анхаарал хандуулдаг. Харьцуулсан судалгаагаар эсийн доторх хортой бичил биетний мутацийн ачаалал нь уураг болон нуклейн хүчлүүдийг буруу нугалж, нэгтгэхэд хүргэдэг бөгөөд энэ нь тэднийг шапероноос илүү хамааралтай, халуунд хэт мэдрэг болгодог болохыг харуулсан19,20,21,22,23. Үүнээс гадна, бие даасан хувьсал нь заримдаа 2.5 тэрбум жилээр тусгаарлагдсан янз бүрийн шимэгчид уургийн нийлэгжилт5,6 болон ДНХ-ийн нөхөн сэргээх механизмдаа чанарын хяналтын төвүүдийн ижил төстэй алдагдлыг мэдэрсэн24. Гэсэн хэдий ч эсийн доторх амьдралын хэв маяг нь эсийн макромолекулуудын бусад бүх шинж чанарт хэрхэн нөлөөлж байгаа, түүний дотор хортой мутацийн нэмэгдэж буй ачаалалд молекулын дасан зохицох зэрэг талаар бага мэдээлэлтэй байдаг.
Энэхүү бүтээлдээ эсийн доторх бичил биетний уураг ба нуклейн хүчлүүдийн хувьслыг илүү сайн ойлгохын тулд бид Encephalitozoon cuniculi эсийн доторх шимэгчийн рибосомын бүтцийг тодорхойлсон. E. cuniculi нь ер бусын жижиг эукариот геномтой паразит микроспоридийн бүлэгт хамаарах мөөгөнцөр төст организм бөгөөд геномын задралыг судлах загвар организм болгон ашигладаг25,26,27,28,29,30. Саяхан Microsporidia, Paranosema locustae, Vairimorpha necatrix31,32 (~3.2 Mb геном)-ын дунд зэргийн буурсан геномын крио-EM рибосомын бүтцийг тодорхойлсон. Эдгээр бүтэц нь рРНХ-ийн олшруулалтын зарим алдагдал нь хөрш зэргэлдээ рибосомын уургуудын хооронд шинэ холбоо үүсэх эсвэл шинэ msL131,32 рибосомын уургуудыг олж авах замаар нөхөгддөг болохыг харуулж байна. Энцефалитозойн зүйл (геном ~2.5 сая б.п) нь хамгийн ойрын хамаатан Ordospora-тай хамт эукариотуудад геномын бууралтын дээд түвшинг харуулдаг - тэдгээр нь 2000-аас цөөн уураг кодчилдог гентэй бөгөөд тэдгээрийн рибосомууд нь зөвхөн рРНХ тэлэлтийн хэлтэрхийгүй (эукариот рибосомыг бактерийн рибосомоос ялгадаг рРНХ хэлтэрхий) төдийгүй E. cuniculi геномд гомолог байхгүй тул дөрвөн рибосомын уурагтай байх төлөвтэй байна26,27,28. Тиймээс бид E. cuniculi рибосом нь геномын задралд молекулын дасан зохицох өмнө нь мэдэгдэж байгаагүй стратегиудыг илчилж чадна гэж дүгнэсэн.
Манай крио-ЭМ бүтэц нь тодорхойлох ёстой хамгийн жижиг эукариот цитоплазмын рибосомыг төлөөлж, геномын бууралтын эцсийн түвшин нь эсийн салшгүй хэсэг болох молекулын механизмын бүтэц, угсралт, хувьсалд хэрхэн нөлөөлдөг талаар ойлголт өгдөг. Бид E. cuniculi рибосом нь РНХ-ийн нугалах болон рибосомын угсралтын өргөн хэрэглэгддэг олон зарчмыг зөрчиж байгааг олж мэдсэн бөгөөд өмнө нь мэдэгдэж байгаагүй шинэ рибосомын уураг нээсэн. Бид гэнэтийн байдлаар микроспоридийн рибосомууд жижиг молекулуудыг холбох чадварыг хөгжүүлсэн болохыг харуулж, рРНХ болон уургуудын тасралт нь рибосомд ашигтай шинж чанаруудыг өгч болзошгүй хувьслын инновацийг өдөөдөг гэж таамаглаж байна.
Эсийн доторх организм дахь уураг ба нуклейн хүчлүүдийн хувьслын талаарх ойлголтоо сайжруулахын тулд бид халдвар авсан хөхтөн амьтдын эсийн өсгөвөрөөс E. cuniculi спорыг ялгаж, рибосомыг цэвэршүүлж, эдгээр рибосомын бүтцийг тодорхойлохоор шийдсэн. Микроспоридыг тэжээллэг орчинд өсгөвөрлөх боломжгүй тул олон тооны шимэгч хорхойтой микроспориди авахад хэцүү байдаг. Үүний оронд тэд зөвхөн эзэн эсийн дотор ургаж, үрждэг. Тиймээс рибосомыг цэвэршүүлэх зорилгоор E. cuniculi биомассыг авахын тулд бид хөхтөн амьтдын бөөрний эсийн шугам RK13-ийг E. cuniculi спороор халдварлуулж, эдгээр халдвар авсан эсийг хэдэн долоо хоногийн турш өсгөвөрлөж, E. cuniculi ургаж, үржих боломжийг олгосон. Хагас хавтгай дөрвөлжин метр талбай бүхий халдвар авсан эсийн моно давхаргыг ашиглан бид 300 мг орчим Microsporidia спорыг цэвэршүүлж, рибосомыг ялгахад ашиглаж чадсан. Дараа нь бид цэвэршүүлсэн спорыг шилэн бөмбөлгөөр задалж, лизатыг шат дараалсан полиэтилен гликол фракцлах замаар түүхий рибосомыг ялгаж авсан. Энэ нь бидэнд бүтцийн шинжилгээнд зориулж ойролцоогоор 300 мкг түүхий E. cuniculi рибосомыг авах боломжийг олгосон.
Дараа нь бид үүссэн рибосомын дээжийг ашиглан крио-ЭМ зургийг цуглуулж, эдгээр зургийг том рибосомын дэд нэгж, жижиг дэд нэгжийн толгой, жижиг дэд нэгжтэй тохирох маск ашиглан боловсруулсан. Энэ процессын явцад бид ойролцоогоор 108,000 рибосомын хэсгүүдийн зургийг цуглуулж, 2.7 Å нягтралтай крио-ЭМ зургийг тооцоолсон (Нэмэлт Зураг 1-3). Дараа нь бид криоЭМ зургийг ашиглан E. cuniculi рибосомтой холбоотой rRNA, рибосомын уураг, ичээний хүчин зүйл Mdf1-ийг загварчилсан (Зураг 1a, b).
a Ичээлэх хүчин зүйл Mdf1-тэй цогц E. cuniculi рибосомын бүтэц (pdb id 7QEP). b E. cuniculi рибосомтой холбоотой ичээлэх хүчин зүйл Mdf1-ийн газрын зураг. c Микроспоридын зүйлд сэргээгдсэн рРНХ-ийг мэдэгдэж буй рибосомын бүтэцтэй харьцуулсан хоёрдогч бүтцийн газрын зураг. Хуудаснууд нь олшруулсан рРНХ-ийн хэлтэрхий (ES) болон рибосомын идэвхтэй хэсгүүдийн байршлыг харуулсан бөгөөд үүнд декодлох хэсэг (DC), сарциницины гогцоо (SRL), пептидил трансферазын төв (PTC) орно. d E. cuniculi рибосомын пептидил трансферазын төвтэй тохирох электрон нягтрал нь энэхүү каталитик хэсэг нь E. cuniculi шимэгч болон түүний эзэн, түүний дотор H. sapiens-тэй ижил бүтэцтэй болохыг харуулж байна. e, f Декодлох төвийн харгалзах электрон нягтрал (e) болон декодлох төвийн бүдүүвч бүтэц (f) нь E. cuniculi нь бусад олон эукариотуудад A1491 (E. coli дугаарлалт)-ын оронд U1491 үлдэгдэлтэй болохыг харуулж байна. Энэхүү өөрчлөлт нь E. cuniculi нь энэхүү идэвхтэй төвийг онилж буй антибиотикт мэдрэмтгий байж болохыг харуулж байна.
V. necatrix болон P. locustae рибосомын өмнө нь тогтоогдсон бүтцээс ялгаатай нь (хоёр бүтэц хоёулаа Nosematidae-ийн ижил микроспоридийн бүлийг төлөөлдөг бөгөөд бие биетэйгээ маш төстэй), 31,32 E. cuniculi рибосомууд нь рРНХ болон уургийн хуваагдлын олон тооны процесст ордог. Цаашдын денатураци (Нэмэлт Зураг 4-6). рРНХ-д хамгийн гайхалтай өөрчлөлтүүдэд олшруулсан 25S рРНХ-ийн фрагмент ES12L бүрэн алдагдсан, h39, h41, болон H18 спираль хэсгүүдийн хэсэгчилсэн доройтол багтсан (Зураг 1c, Нэмэлт Зураг 4). Рибосомын уургуудын дунд хамгийн гайхалтай өөрчлөлтүүдэд eS30 уургийн бүрэн алдагдал, eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17, болон eS7 уургуудын богиносолт багтсан (Нэмэлт Зураг 4, 5).
Тиймээс Encephalotozoon/Ordospora зүйлийн геномын эрс бууралт нь тэдний рибосомын бүтцэд тусгагдсан байдаг: E. cuniculi рибосомууд нь бүтцийн шинж чанарт өртөж буй эукариот цитоплазмын рибосомуудад уургийн агууламжийн хамгийн огцом алдагдлыг мэдэрдэг бөгөөд тэдгээр нь зөвхөн эукариотуудад төдийгүй амьдралын гурван салбарт өргөн хадгалагддаг рРНХ болон уургийн хэлтэрхийгүй байдаг. E. cuniculi рибосомын бүтэц нь эдгээр өөрчлөлтийн анхны молекулын загварыг хангаж, харьцуулсан геномик болон эсийн доторх биомолекулын бүтцийн судалгаагаар үл тоомсорлогдсон хувьслын үйл явдлуудыг илчилдэг (Нэмэлт Зураг 7). Доор бид эдгээр үйл явдал бүрийг тэдгээрийн хувьслын гарал үүсэл, рибосомын үйл ажиллагаанд үзүүлэх болзошгүй нөлөөллийн хамт тайлбарлах болно.
Дараа нь бид E. cuniculi рибосомууд нь том рРНХ-ийн таслалтын зэрэгцээ идэвхтэй төвүүдийнхөө аль нэгэнд рРНХ-ийн хэлбэлзэлтэй байдаг болохыг тогтоожээ. E. cuniculi рибосомын пептидил трансферазын төв нь бусад эукариот рибосомуудтай ижил бүтэцтэй байдаг (Зураг 1d) боловч декодчилох төв нь 1491 нуклеотидын дарааллын хэлбэлзлээс шалтгаалан өөр өөр байдаг (E. coli дугаарлалт, Зураг 1e, f). Энэхүү ажиглалт нь чухал ач холбогдолтой, учир нь эукариот рибосомын декодчилох хэсэг нь бактерийн төрлийн A1408 ба G1491 үлдэгдэлтэй харьцуулахад ихэвчлэн G1408 ба A1491 үлдэгдэл агуулдаг. Энэхүү хэлбэлзэл нь бактерийн болон эукариот рибосомын аминогликозидын бүл болон декодчилох хэсгийг чиглүүлдэг бусад жижиг молекулуудад мэдрэмтгий байдлын өөр өөр үндэс суурь болдог. E. cuniculi рибосомын декодчилох хэсэгт A1491 үлдэгдлийг U1491-ээр сольсон нь энэхүү идэвхтэй төвийг чиглүүлдэг жижиг молекулуудад өвөрмөц холболтын интерфэйсийг бий болгох магадлалтай. Үүнтэй ижил A14901 хувилбар нь P. loctake болон V. necatrix зэрэг бусад микроспоридид бас байдаг бөгөөд энэ нь микроспоридийн төрөл зүйлийн дунд өргөн тархсан болохыг харуулж байна (Зураг 1f).
Бидний E. cuniculi рибосомын дээжийг бодисын солилцооны идэвхгүй споруудаас тусгаарласан тул бид өмнө нь тодорхойлсон стресс эсвэл өлсгөлөнгийн нөхцөлд рибосомын холболтыг E. cuniculi-ийн крио-ЭМ газрын зургийг туршсан. Ичээнд орох хүчин зүйлс 31,32,36,37, 38. Бид ичээнд орох рибосомын өмнө нь тогтоосон бүтцийг E. cuniculi рибосомын крио-ЭМ газрын зурагтай тохируулсан. Холбохын тулд S. cerevisiae рибосомыг ичээнд орох хүчин зүйл Stm138-тай цогцолбор, царцааны рибосомыг Lso232 хүчин зүйлтэй цогцолбор, V. necatrix рибосомыг Mdf1 ба Mdf231 хүчин зүйлүүдтэй цогцолбор болгон ашигласан. Үүний зэрэгцээ бид амрах хүчин зүйл Mdf1-тэй тохирох крио-ЭМ нягтралыг олсон. Mdf1 нь V. necatrix рибосомтой холбогддогтой адил Mdf1 нь E. cuniculi рибосомтой холбогддог бөгөөд рибосомын E хэсгийг хаадаг бөгөөд энэ нь шимэгчийн спорууд бие махбодийг идэвхгүйжүүлсний дараа бодисын солилцооны хувьд идэвхгүй болоход рибосомыг ашиглахад тусалдаг (Зураг 2).
Mdf1 нь рибосомын E сайтыг хаадаг бөгөөд энэ нь шимэгчийн спорууд бодисын солилцооны идэвхгүй болоход рибосомыг идэвхгүйжүүлэхэд тусалдаг бололтой. E. cuniculi рибосомын бүтцэд Mdf1 нь уургийн нийлэгжилтийн үед рибосомоос деацилжсэн тРНХ ялгарахыг хөнгөвчилдөг рибосомын хэсэг болох L1 рибосомын иштэй өмнө нь мэдэгдэхгүй холбоо үүсгэдэг болохыг бид тогтоосон. Эдгээр холбоо нь Mdf1 нь деацетилжсэн тРНХ-тай ижил механизмыг ашиглан рибосомоос салдаг болохыг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь рибосом Mdf1-ийг хэрхэн зайлуулж уургийн нийлэгжилтийг дахин идэвхжүүлдэг талаар тайлбар өгөх боломжтой юм.
Гэсэн хэдий ч бидний бүтэц нь Mdf1 болон L1 рибосомын хөл (уургийн нийлэгжилтийн үед рибосомоос деацилжсэн тРНХ-г ялгаруулдаг рибосомын хэсэг) хооронд үл мэдэгдэх холбоо байгааг илрүүлсэн. Ялангуяа Mdf1 нь деацилжсэн тРНХ молекулын тохойн хэсэгтэй ижил холбоог ашигладаг (Зураг 2). Өмнө нь үл мэдэгдэх молекулын загварчлал нь Mdf1 нь деацетилжсэн тРНХ-тай ижил механизмыг ашиглан рибосомоос салдаг болохыг харуулсан бөгөөд энэ нь рибосом уургийн нийлэгжилтийг дахин идэвхжүүлэхийн тулд энэхүү ичээний хүчин зүйлийг хэрхэн арилгадаг болохыг тайлбарладаг.
rRNA загварыг бүтээхдээ бид E. cuniculi рибосом нь хэвийн бус нугаларсан rRNA хэлтэрхийтэй болохыг тогтоосон бөгөөд үүнийг бид нийлсэн rRNA гэж нэрлэдэг (Зураг 3). Амьдралын гурван домэйныг хамарсан рибосомуудад rRNA нь ихэнх rRNA суурь нь суурийн хос болж, бие биетэйгээ нугалах эсвэл рибосомын уургуудтай харилцан үйлчилдэг бүтэц болж нугалдаг38,39,40. Гэсэн хэдий ч E. cuniculi рибосомуудад rRNA нь зарим спираль хэлбэрээ задалсан rRNA бүс болгон хувиргаснаар энэхүү нугалах зарчмыг зөрчиж байгаа бололтой.
S. cerevisiae, V. necatrix, E. cuniculi-д агуулагдах H18 25S рРНХ спиралийн бүтэц. Ерөнхийдөө гурван амьдралын домэйныг хамарсан рибосомуудад энэхүү холбогч нь 24-34 үлдэгдэл агуулсан РНХ спирал болж ороогддог. Харин Microsporidia-д энэхүү рРНХ холбогч нь аажмаар зөвхөн 12 үлдэгдэл агуулсан хоёр дан судалтай уридинаар баялаг холбогч болж буурдаг. Эдгээр үлдэгдлийн ихэнх нь уусгагч бодисуудад өртдөг. Зураг дээр паразит микроспориди нь рРНХ-ийн нугалалтын ерөнхий зарчмуудыг зөрчиж байгаа бололтой бөгөөд рРНХ-ийн суурь нь ихэвчлэн бусад суурьтай холбогддог эсвэл рРНХ-уургийн харилцан үйлчлэлд оролцдог. Микроспоридид зарим рРНХ-ийн хэлтэрхий нь тааламжгүй нугалаас болж, өмнөх рРНХ-ийн спираль нь бараг шулуун шугамаар сунасан дан судалтай хэлтэрхий болдог. Эдгээр ер бусын хэсгүүдийн оршихуй нь микроспориди рРНХ-д хамгийн бага тооны РНХ-ийн суурийг ашиглан алслагдсан рРНХ-ийн хэлтэрхийг холбох боломжийг олгодог.
Энэхүү хувьслын шилжилтийн хамгийн тод жишээг H18 25S рРНХ спиральд ажиглаж болно (Зураг 3). E. coli-ээс хүн хүртэлх зүйлд энэхүү рРНХ спиральгийн суурь нь 24-32 нуклеотид агуулдаг бөгөөд энэ нь бага зэрэг жигд бус спираль үүсгэдэг. V. necatrix болон P. locustae-ээс өмнө тодорхойлсон рибосомын бүтцэд31,32 H18 спиральгийн суурь нь хэсэгчлэн мушгираагүй боловч нуклеотидын суурийн хослол хадгалагдан үлддэг. Гэсэн хэдий ч E. cuniculi-д энэхүү рРНХ-ийн хэлтэрхий нь хамгийн богино холбогч болдог 228UUUGU232 ба 301UUUUUUUU307. Ердийн рРНХ-ийн хэлтэрхийтэй харьцуулахад эдгээр уридинаар баялаг холбогч нь мушгирдаггүй эсвэл рибосомын уургуудтай өргөн хүрээтэй холбоо тогтоодоггүй. Үүний оронд тэд уусгагчаар нээлттэй, бүрэн дэлгэгдсэн бүтцийг ашигладаг бөгөөд рРНХ-ийн утаснууд бараг шулуун сунадаг. Энэхүү сунасан хэлбэржилт нь E. cuniculi нь H16 ба H18 rRNA мушгианы хоорондох 33 Å зайг нөхөхийн тулд ердөө 12 РНХ суурь ашигладаг бол бусад зүйл нь зайг нөхөхийн тулд дор хаяж хоёр дахин их rRNA суурь шаарддаг болохыг тайлбарлаж байна.
Тиймээс бид энергийн хувьд тааламжгүй нугалах замаар шимэгч микроспориди нь амьдралын гурван салбарт төрөл зүйлийн дунд өргөн хүрээнд хадгалагдан үлдсэн рРНХ-ийн хэсгүүдийг ч агшаах стратеги боловсруулсан болохыг харуулж чадна. рРНХ-ийн мушгиа хэсгийг богино поли-U холбогч болгон хувиргадаг мутацийг хуримтлуулснаар E. cuniculi нь дистал рРНХ-ийн хэсгүүдийг холбоход аль болох цөөн нуклеотид агуулсан ер бусын рРНХ-ийн хэсгүүдийг үүсгэж чаддаг бололтой. Энэ нь микроспориди нь бүтцийн болон үйл ажиллагааны бүрэн бүтэн байдлаа алдалгүйгээр үндсэн молекулын бүтцээ хэрхэн эрс бууруулсан болохыг тайлбарлахад тусалдаг.
E. cuniculi рРНХ-ийн бас нэг ер бусын шинж чанар нь өтгөрүүлэлтгүй рРНХ харагдах явдал юм (Зураг 4). Говь нь РНХ-ийн спираль дотор нуугдахын оронд түүнээс мушгирч гардаг суурь хосгүй нуклеотид юм. Ихэнх рРНХ-ийн цухуйсан хэсгүүд нь молекулын наалдамхай бодис болж, зэргэлдээ рибосомын уургууд эсвэл бусад рРНХ-ийн хэлтэрхийг холбоход тусалдаг. Зарим овь нь нугасны үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд энэ нь рРНХ-ийн спираль нь уургийн нийлэгжилтийг үр бүтээлтэй болгохын тулд оновчтойгоор нугалж, нугалах боломжийг олгодог 41.
a рРНХ цухуйсан хэсэг (S. cerevisiae дугаарлалт) нь E. cuniculi рибосомын бүтцэд байхгүй боловч бусад ихэнх эукариотуудад байдаг. b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens, болон E. cuniculi дотоод рибосомууд. Шимэгчдэд эртний, өндөр хадгалагдсан рРНХ товойсон хэсгүүдийн олонх нь байдаггүй. Эдгээр өтгөрүүлэлт нь рибосомын бүтцийг тогтворжуулдаг; тиймээс микроспоридид байхгүй байх нь микроспоридийн шимэгчдэд рРНХ-ийн нугалалтын тогтвортой байдал буурч байгааг харуулж байна. P иштэй (бактерийн L7/L12 иш) харьцуулж үзэхэд рРНХ товойсон хэсгүүдийн алдагдал нь заримдаа алдагдсан товойсон хэсгүүдийн хажууд шинэ товойсон хэсгүүд гарч ирэхтэй давхцдаг болохыг харуулж байна. 23S/28S рРНХ-ийн H42 спираль нь амьдралын гурван салбарт хамгаалалттай тул дор хаяж 3.5 тэрбум жилийн настай гэж тооцоолсон эртний товойсон хэсэгтэй (Saccharomyces cerevisiae-д U1206) байдаг. Микроспоридид энэ товойсон хэсэг арилдаг. Гэсэн хэдий ч алдагдсан товгорын хажууд шинэ товгор гарч ирэв (E. cuniculi-д A1306).
Гайхалтай нь бид E. cuniculi рибосомуудад бусад зүйлд байдаг рРНХ-ийн ихэнх товойлтууд, түүний дотор бусад эукариотуудад хадгалагдсан 30 гаруй товойлтууд дутагдаж байгааг тогтоосон (Зураг 4a). Энэхүү алдагдал нь рибосомын дэд нэгжүүд болон зэргэлдээ рРНХ-ийн мушгиа хэсгүүдийн хоорондох олон холбоог арилгаж, заримдаа рибосомын дотор том хөндий хоосон зай үүсгэж, E. cuniculi рибосомыг уламжлалт рибосомуудтай харьцуулахад илүү сүвэрхэг болгодог (Зураг 4b). Эдгээр товойлтуудын ихэнх нь өмнө нь тодорхойлсон V. necatrix болон P. loccate рибосомын бүтцэд алдагдсан болохыг бид тогтоосон бөгөөд эдгээр нь өмнөх бүтцийн шинжилгээгээр анзаарагдаагүй байсан31,32.
Заримдаа рРНХ-ийн товойлт алдагдах нь алдагдсан товойлтын хажууд шинэ товойлт үүсэхтэй хамт явагддаг. Жишээлбэл, рибосомын P-иш нь E. coli-ээс хүнд амьд үлдсэн U1208 товойлт (Saccharomyces cerevisiae-д) агуулдаг тул 3.5 тэрбум жилийн настай гэж тооцогддог. Уургийн нийлэгжилтийн үед энэхүү товойлт нь P ишийг нээлттэй ба хаалттай конформацийн хооронд шилжүүлэхэд тусалдаг тул рибосом нь орчуулгын хүчин зүйлсийг цуглуулж, идэвхтэй төвд хүргэдэг. E. cuniculi рибосомд энэ зузааралт байхгүй; гэсэн хэдий ч зөвхөн гурван суурийн хосод байрлах шинэ зузааралт (G883) нь P ишний оновчтой уян хатан байдлыг сэргээхэд хувь нэмэр оруулж чадна (Зураг 4c).
товойлтгүй рРНХ-ийн талаарх бидний өгөгдөл нь рРНХ-ийн минимумжуулалт нь рибосомын гадаргуу дээрх рРНХ элементүүдийн алдагдалаар хязгаарлагдахгүй, харин рибосомын цөмд нөлөөлж, чөлөөт амьд эсүүдэд тайлбарлагдаагүй шимэгч хорхойд өвөрмөц молекулын гажиг үүсгэж болзошгүйг харуулж байна. Амьд зүйлүүд ажиглагдаж байна.
Каноник рибосомын уургууд болон рРНХ-г загварчилсны дараа бид уламжлалт рибосомын бүрэлдэхүүн хэсгүүд нь крио-ЭМ дүрсний гурван хэсгийг тайлбарлаж чадахгүй болохыг тогтоосон. Эдгээр хэлтэрхийнүүдийн хоёр нь жижиг молекулууд юм (Зураг 5, Нэмэлт Зураг 8). Эхний хэсэг нь рибосомын уургууд uL15 ба eL18-ийн хооронд хавчуулагдсан бөгөөд ихэвчлэн E. cuniculi-д богиноссон eL18-ийн С-төгсгөл байрладаг. Хэдийгээр бид энэ молекулын мөн чанарыг тодорхойлж чадахгүй ч энэхүү нягтралын арлын хэмжээ, хэлбэрийг спермидин молекулууд байгаа нь сайн тайлбарладаг. Рибосомын холболтыг uL15 уургууд (Asp51 ба Arg56) дахь микроспоридийн өвөрмөц мутаци тогтворжуулдаг бөгөөд энэ нь uL15-ийг жижиг молекулд ороох боломжийг олгодог тул рибосомын энэхүү жижиг молекулд хамаарлыг нэмэгдүүлдэг бололтой. Нэмэлт Зураг 2). 8, нэмэлт өгөгдөл 1, 2).
Крио-ЭМ дүрслэл нь E. cuniculi рибосомтой холбогдсон рибозын гаднах нуклеотидууд байгааг харуулж байна. E. cuniculi рибосомд энэ нуклеотид нь бусад ихэнх эукариот рибосомд 25S рРНХ A3186 нуклеотид (Saccharomyces cerevisiae дугаарлалт)-тай ижил байр суурь эзэлдэг. b E. cuniculi-ийн рибосомын бүтцэд энэ нуклеотид нь uL9 ба eL20 рибосомын уургуудын хооронд байрладаг бөгөөд ингэснээр хоёр уургийн хоорондох холбоог тогтворжуулдаг. cd микроспоридийн зүйлийн дунд eL20 дарааллын хадгалалтын шинжилгээ. Microsporidia зүйлийн филогенетик мод (c) болон eL20 уургийн олон дарааллын уялдаа холбоо (d) нь нуклеотид холбох үлдэгдэл F170 ба K172 нь ES39L рРНХ-ийн өргөтгөлийг хадгалсан эрт салбарласан Microsporidia-аас бусад S. lophii-ээс бусад ихэнх ердийн Microsporidia-д хадгалагддаг болохыг харуулж байна. e Энэ зураг нь нуклеотид холбох үлдэгдэл F170 ба K172 нь зөвхөн өндөр буурсан микроспоридийн геномын eL20-д байдаг боловч бусад эукариотуудад байдаггүйг харуулж байна. Ерөнхийдөө эдгээр өгөгдөл нь Микроспоридийн рибосомууд нь AMP молекулуудыг холбож, рибосомын бүтцэд уураг-уургийн харилцан үйлчлэлийг тогтворжуулахад ашигладаг нуклеотидын холболтын талбайг бий болгосон болохыг харуулж байна. Микроспоридид энэхүү холболтын талбайн өндөр хадгалалт болон бусад эукариотуудад байхгүй байгаа нь энэ сайт нь Микроспоридийн сонгомол амьд үлдэх давуу талыг өгч болохыг харуулж байна. Тиймээс микроспоридийн рибосом дахь нуклеотид холбох халаас нь өмнө нь тайлбарласны дагуу доройтсон шинж чанар эсвэл рРНХ-ийн задралын төгсгөлийн хэлбэр биш, харин микроспоридийн рибосомд жижиг молекулуудыг молекулын барилгын блок болгон ашиглан шууд холбох боломжийг олгодог ашигтай хувьслын инноваци юм. Энэхүү нээлт нь микроспоридийн рибосомыг бүтцийн барилгын блок болгон ганц нуклеотидыг ашигладаг цорын ганц рибосом болгож байна. f Нуклеотидын холболтоос үүссэн таамаглалын хувьслын зам.
Хоёр дахь бага молекул жинтэй нягтрал нь рибосомын уургууд uL9 ба eL30 хоорондох зааг дээр байрладаг (Зураг 5a). Энэхүү заагийг өмнө нь Saccharomyces cerevisiae рибосомын бүтцэд rRNA A3186 (ES39L rRNA өргөтгөлийн нэг хэсэг)38-ийн 25S нуклеотидын холболтын цэг гэж тодорхойлсон. Дегенератив P. locustae ES39L рибосомуудад энэ зааг нь үл мэдэгдэх дан нуклеотид 31-тэй холбогддог болохыг харуулсан бөгөөд энэ нуклеотид нь rRNA-ийн урт нь ~130-230 суурьтай rRNA-ийн бууруулсан эцсийн хэлбэр гэж үздэг. ES39L нь дан нуклеотид 32.43 болж буурдаг. Бидний крио-EM зургууд нь нягтралыг нуклеотидоор тайлбарлаж болно гэсэн санааг дэмжиж байна. Гэсэн хэдий ч бидний бүтцийн өндөр нарийвчлал нь энэхүү нуклеотид нь рибосомын гаднах молекул, магадгүй AMP болохыг харуулсан (Зураг 5a, b).
Дараа нь бид нуклеотидын холболтын цэг нь E. cuniculi рибосомд үүссэн үү эсвэл өмнө нь оршин байсан уу гэж асуусан. Нуклеотидын холболт нь голчлон eL30 рибосомын уургийн Phe170 ба Lys172 үлдэгдэлээр дамждаг тул бид эдгээр үлдэгдлийн хадгалалтыг 4396 төлөөлөх эукариотуудад үнэлсэн. Дээрх uL15-ийн нэгэн адил бид Phe170 ба Lys172 үлдэгдэл нь зөвхөн ердийн Microsporidia-д өндөр хадгалагддаг боловч бусад эукариотуудад, түүний дотор атипик Microsporidia Mitosporidium ба Amphiamblis-д байдаггүй бөгөөд эдгээр эукариотуудад ES39L рРНХ-ийн хэлтэрхий буурдаггүй болохыг тогтоожээ 44, 45, 46 (Зураг 5c). -e).
Эдгээр өгөгдлүүдийг нэгтгэн үзвэл, E. cuniculi болон бусад каноник микроспориди нь рРНХ болон уургийн түвшний бууралтыг нөхөхийн тулд рибосомын бүтцэд олон тооны жижиг метаболитуудыг үр дүнтэйгээр барьж авах чадварыг хөгжүүлсэн гэсэн санааг дэмжиж байна. Ингэснээр тэд рибосомын гаднах нуклеотидуудыг холбох өвөрмөц чадварыг хөгжүүлсэн бөгөөд энэ нь паразит молекулын бүтэц нь элбэг дэлбэг жижиг метаболитуудыг барьж аваад тэдгээрийг задралд орсон РНХ болон уургийн хэлтэрхийнүүдийн бүтцийн дуураймал болгон ашигласнаар нөхөгддөг болохыг харуулж байна.
Манай крио-ЭМ газрын зургийн гурав дахь симуляци хийгдээгүй хэсэг нь том рибосомын дэд нэгжээс олдсон. Манай газрын зургийн харьцангуй өндөр нягтрал (2.6 Å) нь энэ нягтрал нь том хажуугийн гинжин хэлхээний үлдэгдлийн өвөрмөц хослол бүхий уургуудад хамааралтай болохыг харуулж байгаа бөгөөд энэ нягтралыг өмнө нь мэдэгдэж байгаагүй рибосомын уураг гэж тодорхойлох боломжийг бидэнд олгосон бөгөөд үүнийг бидний тодорхойлсон. Үүнийг msL2 (Microsporidia-specific protein L2) гэж нэрлэсэн (арга, зураг 6). Бидний гомологийн хайлтаар msL2 нь Encephaliter болон Orosporidium төрлийн Microsporidia бүлэгт хадгалагддаг боловч бусад зүйлд, түүний дотор бусад Microsporidia-д байдаггүй болохыг харуулсан. Рибосомын бүтцэд msL2 нь сунгасан ES31L rRNA алдагдсанаас үүссэн зайг эзэлдэг. Энэ хоосон зайд msL2 нь rRNA нугалалтыг тогтворжуулахад тусалдаг бөгөөд ES31L алдагдлыг нөхөж чаддаг (Зураг 6).
a E. cuniculi рибосомд байдаг Microsporidia-өвөрмөц рибосомын уургийн msL2 электрон нягтрал ба загвар. b Saccharomyces cerevisiae-ийн 80S рибосомыг оролцуулан ихэнх эукариот рибосомууд нь ихэнх Microsporidian зүйлүүдэд ES19L рРНХ олшруулалт алдагдсан байдаг. V. necatrix microsporidia рибосомын өмнө нь тогтоогдсон бүтэц нь эдгээр шимэгчдэд ES19L-ийн алдагдал нь шинэ msL1 рибосомын уургийн хувьсалаар нөхөгддөг болохыг харуулж байна. Энэхүү судалгаагаар бид E. cuniculi рибосом нь ES19L-ийн алдагдлын илэрхий нөхөн төлбөр болгон нэмэлт рибосомын РНХ-ийн дуураймал уураг боловсруулсан болохыг тогтоосон. Гэсэн хэдий ч msL2 (одоогоор ECU06_1135 таамаглалын уураг гэж тэмдэглэгдсэн) ба msL1 нь өөр өөр бүтцийн болон хувьслын гарал үүсэлтэй байдаг. c Хувьслын хувьд холбоогүй msL1 ба msL2 рибосомын уургууд үүссэн тухай энэхүү нээлт нь хэрэв рибосомууд rRNA-даа хортой мутаци хуримтлуулж чадвал тэд хоорондоо нягт холбоотой зүйлийн жижиг дэд хэсэгт ч гэсэн урьд өмнө байгаагүй өндөр түвшний найрлагын олон янз байдалд хүрч чадна гэдгийг харуулж байна. Энэхүү нээлт нь rRNA-г маш их бууруулж, зүйлийн уургийн найрлага дахь хэвийн бус хувьсах чанараараа алдартай митохондрийн рибосомын гарал үүсэл, хувьслыг тодруулахад тусална.
Дараа нь бид msL2 уургийг өмнө нь тайлбарласан msL1 уурагтай харьцуулсан бөгөөд энэ нь V. necatrix рибосомд байдаг цорын ганц мэдэгдэж буй микроспоридийн өвөрмөц рибосомын уураг юм. Бид msL1 ба msL2 нь хувьслын хувьд холбоотой эсэхийг шалгахыг хүссэн. Бидний шинжилгээгээр msL1 ба msL2 нь рибосомын бүтцэд ижил хөндийг эзэлдэг боловч өөр өөр анхдагч ба гуравдагч бүтэцтэй байдаг нь тэдгээрийн бие даасан хувьслын гарал үүслийг харуулж байна (Зураг 6). Тиймээс бидний msL2-ийг нээсэн нь авсаархан эукариот зүйлийн бүлгүүд rRNA хэлтэрхийнүүдийн алдагдлыг нөхөхийн тулд бүтцийн хувьд ялгаатай рибосомын уургуудыг бие даан хөгжүүлж чаддаг болохыг нотлох баримт болж байна. Энэхүү олдвор нь ихэнх цитоплазмын эукариот рибосомууд нь 81 рибосомын уургийн ижил бүлийг багтаасан инвариант уураг агуулдаг гэдгээрээ онцлог юм. Өргөтгөсөн rRNA сегментүүд алдагдсаны хариуд микроспоридийн янз бүрийн бүлэгт msL1 ба msL2 гарч ирсэн нь шимэгчийн молекулын архитектурын доройтол нь шимэгчдийг нөхөн төлбөрийн мутаци хайхад хүргэдэг бөгөөд энэ нь эцэстээ өөр өөр шимэгчийн популяцид тэдгээрийг олж авахад хүргэдэг болохыг харуулж байна.
Эцэст нь бидний загварыг дуусгасны дараа бид E. cuniculi рибосомын найрлагыг геномын дарааллаас таамагласан найрлагтай харьцуулсан. eL14, eL38, eL41, болон eS30 зэрэг хэд хэдэн рибосомын уургууд нь E. cuniculi геномоос гомологгүй байгаатай холбоотойгоор E. cuniculi геномоос алга болсон гэж өмнө нь үзэж байсан. Олон рибосомын уургууд алдагдах нь бусад ихэнх эсийн доторх шимэгчид болон эндосимбионтуудад мөн таамаглагдаж байна. Жишээлбэл, чөлөөт амьд бактерийн ихэнх нь 54 рибосомын уургийн ижил гэр бүлийг агуулдаг боловч эдгээр уургийн гэр бүлийн зөвхөн 11 нь эзэн хязгаарлагдмал бактерийн шинжилсэн геном бүрт илрэх гомологтой байдаг. Энэхүү санааг батлахын тулд eL38 ба eL4131,32 уургуудгүй V. necatrix болон P. locustae microsporidia-д рибосомын уургууд алдагдах нь туршилтаар ажиглагдсан.
Гэсэн хэдий ч бидний бүтэц нь E. cuniculi рибосомд зөвхөн eL38, eL41, болон eS30 нь үнэндээ алдагдсан болохыг харуулж байна. eL14 уураг хадгалагдсан бөгөөд бидний бүтэц нь энэ уураг яагаад гомологийн хайлтаар олдоогүйг харуулсан (Зураг 7). E. cuniculi рибосомд eL14 холболтын ихэнх хэсэг нь рРНХ-аар олшруулсан ES39L-ийн задралын улмаас алдагдсан байдаг. ES39L байхгүй үед eL14 нь хоёрдогч бүтцийн ихэнх хэсгийг алдсан бөгөөд eL14 дарааллын зөвхөн 18% нь E. cuniculi болон S. cerevisiae-д ижил байсан. Энэхүү муу дарааллын хадгалалт нь гайхалтай юм, учир нь 1.5 тэрбум жилийн зайтай хувьссан организм болох Saccharomyces cerevisiae болон Homo sapiens хүртэл eL14-т ижил үлдэгдлийн 51%-иас илүү хувийг эзэлдэг. Энэхүү хачин хадгалалтын алдагдал нь E. cuniculi eL14-ийг одоогоор eL1427 рибосомын уураг биш харин M970_061160 уураг гэж тэмдэглэж байгааг тайлбарлаж байна.
болон Microsporidia рибосом нь ES39L рРНХ-ийн өргөтгөлийг алдсан бөгөөд энэ нь eL14 рибосомын уургийн холболтын хэсгийг хэсэгчлэн арилгасан. ES39L байхгүй үед eL14 микроспорын уураг нь хоёрдогч бүтцийн алдагдалд ордог бөгөөд үүнд өмнөх рРНХ-тэй холбогддог α-геликс нь хамгийн бага урттай гогцоо болж доройтдог. b Олон дарааллын уялдаа холбоо нь eL14 уураг нь эукариот зүйлд өндөр хадгалагддаг (мөөгөнцрийн болон хүний ​​гомологуудын хоорондох дарааллын ижил төстэй байдал 57%), харин микроспорид муу хадгалагддаг бөгөөд ялгаатай байдаг (үлдэгдлийн 24%-иас илүүгүй нь eL14 гомологтой ижил байдаг). S. cerevisiae эсвэл H. sapiens-ээс). Энэхүү муу дарааллын хадгалалт болон хоёрдогч бүтцийн хувьсах чанар нь eL14 гомолог яагаад E. cuniculi-д хэзээ ч олдоогүй, энэ уураг яагаад E. cuniculi-д алдагдсан гэж үздэгийг тайлбарлаж байна. Үүний эсрэгээр, E. cuniculi eL14 нь өмнө нь M970_061160 уураг гэж тэмдэглэгдсэн байсан. Энэхүү ажиглалт нь микроспоридийн геномын олон янз байдлыг одоогоор хэт үнэлж байгааг харуулж байна: микроспоридид алдагдсан гэж үздэг зарим генүүд нь өндөр ялгавартай хэлбэрээр байсан ч үнэндээ хадгалагдан үлдсэн байдаг; үүний оронд зарим нь өтний өвөрмөц уургуудын микроспоридийн генийг кодчилдог гэж үздэг (жишээлбэл, таамаглалын уураг M970_061160) нь үнэндээ бусад эукариотуудад байдаг маш олон төрлийн уургуудыг кодчилдог.
Энэхүү олдвор нь рРНХ-ийн денатураци нь зэргэлдээ рибосомын уургуудад дарааллын хадгалалтын эрс алдагдалд хүргэж, эдгээр уургуудыг гомологи хайхад илрүүлэх боломжгүй болгодог болохыг харуулж байна. Тиймээс бид жижиг геномын организмуудад молекулын задралын бодит түвшинг хэт өндөр үнэлж магадгүй юм, учир нь алдагдсан гэж үздэг зарим уургууд нь маш их өөрчлөгдсөн хэлбэрээрээ ч үнэндээ оршин тогтнодог.
Шимэгчид геномын хэт бууралтын нөхцөлд молекулын машиныхаа үүргийг хэрхэн хадгалж чадах вэ? Бидний судалгаагаар хамгийн жижиг эукариот геномуудын нэгтэй организм болох E. cuniculi-ийн нарийн төвөгтэй молекулын бүтцийг (рибосом) тайлбарласнаар энэ асуултад хариулж байна.
Бичил биетний шимэгч хорхойн уураг болон РНХ молекулууд нь чөлөөт амьд зүйлийн гомолог молекулуудаас ихэвчлэн ялгаатай байдаг нь бараг хоёр арван жилийн турш мэдэгдэж байсан бөгөөд учир нь тэдгээр нь чанарын хяналтын төвгүй, чөлөөт амьд бичил биетний хэмжээнээсээ 50% хүртэл буурдаг гэх мэт олон сул дорой мутацитай байдаг бөгөөд энэ нь нугалах, үйл ажиллагааг нь алдагдуулдаг. Жишээлбэл, олон эсийн доторх шимэгч хорхой ба эндосимбионтуудыг оролцуулан жижиг геномын организмын рибосомууд нь чөлөөт амьд зүйлтэй харьцуулахад хэд хэдэн рибосомын уураг, рРНХ нуклеотидын гуравны нэг хүртэл дутагдалтай байх төлөвтэй байна 27, 29, 30, 49. Гэсэн хэдий ч эдгээр молекулууд шимэгч хорхойд хэрхэн ажилладаг нь ихэвчлэн нууцлаг хэвээр байгаа бөгөөд голчлон харьцуулсан геномикоор судлагдсан.
Бидний судалгаагаар макромолекулуудын бүтэц нь эсийн доторх шимэгчид болон бусад эзэн хязгаарлагдмал организмуудын уламжлалт харьцуулсан геномын судалгаанаас гаргаж авахад хэцүү хувьслын олон талыг илчилж болохыг харуулж байна (Нэмэлт Зураг 7). Жишээлбэл, eL14 уургийн жишээ нь бид шимэгч зүйлийн молекулын аппаратын задралын бодит түвшинг хэт үнэлж болохыг харуулж байна. Энцефалит шимэгчид одоо хэдэн зуун микроспоридийн өвөрмөц гентэй гэж үздэг. Гэсэн хэдий ч бидний үр дүнгээс харахад эдгээр өвөрмөц генүүдийн зарим нь үнэндээ бусад эукариотуудад түгээмэл байдаг генийн маш өөр хувилбарууд юм. Түүнээс гадна, msL2 уургийн жишээ нь бид шинэ рибосомын уургуудыг хэрхэн үл тоомсорлож, шимэгч молекулын машинуудын агуулгыг дутуу үнэлдэг болохыг харуулж байна. Жижиг молекулуудын жишээ нь бид шимэгч молекулын бүтцийн хамгийн ухаалаг шинэчлэлийг хэрхэн үл тоомсорлож болохыг харуулж байна, энэ нь тэдэнд шинэ биологийн идэвхжил өгч чадна.
Эдгээр үр дүнгүүдийг нэгтгэн дүгнэвэл, эзэн хязгаарлагдмал организмын молекулын бүтэц болон чөлөөт амьд организмын молекулын бүтцийн ялгааг ойлгоход бидний ойлголт сайжирч байна. Бид удаан хугацаанд буурч, доройтож, янз бүрийн сулруулдаг мутацид өртдөг гэж үздэг молекулын машинууд нь системтэйгээр үл тоомсорлогдсон ер бусын бүтцийн онцлог шинж чанартай болохыг харуулж байна.
Нөгөөтэйгүүр, E. cuniculi-ийн рибосомуудаас олдсон том биш рРНХ-ийн хэлтэрхий ба хайлсан хэлтэрхий нь геномын бууралт нь амьдралын гурван салбарт хадгалагдан үлдсэн үндсэн молекулын механизмын хэсгүүдийг ч өөрчилж чадна гэдгийг харуулж байна - бараг 3.5 тэрбум жилийн дараа зүйлийн бие даасан хувьслын дараа.
E. cuniculi рибосом дахь товойсон, нийлсэн рРНХ-ийн хэлтэрхий нь эндосимбиотик бактерийн РНХ молекулуудын өмнөх судалгаануудын гэрэлд онцгой сонирхолтой байна. Жишээлбэл, Buchnera aphidicola-ийн шимэгч хорхойд рРНХ болон tRNA молекулууд нь A+T найрлагын хазайлт болон каноник бус суурь хосын өндөр хувьтай холбоотойгоор температурт мэдрэмтгий бүтэцтэй болох нь тогтоогдсон20,50. РНХ-ийн эдгээр өөрчлөлтүүд, мөн уургийн молекулуудын өөрчлөлтүүд нь эндосимбионтууд нь хамтрагчдаас хэт хамааралтай болох, эндосимбионтууд дулаан дамжуулах чадваргүй болоход нөлөөлдөг гэж үздэг21,23. Паразит микроспоридийн рРНХ нь бүтцийн хувьд ялгаатай өөрчлөлттэй байдаг ч эдгээр өөрчлөлтийн мөн чанар нь геном буурсан организмын РНХ молекулуудын дулааны тогтвортой байдал буурч, шапероны уургаас өндөр хамааралтай байх нь нийтлэг шинж чанар байж болохыг харуулж байна.
Нөгөөтэйгүүр, бидний бүтэц нь шимэгчийн микроспориди нь өргөн хүрээтэй хадгалагдсан рРНХ болон уургийн хэлтэрхийг эсэргүүцэх өвөрмөц чадварыг хөгжүүлж, элбэг дэлбэг, бэлэн жижиг метаболитуудыг доройтсон рРНХ болон уургийн хэлтэрхийнүүдийн бүтцийн дуураймал болгон ашиглах чадварыг хөгжүүлсэн болохыг харуулж байна. Молекулын бүтцийн доройтол. . Энэхүү үзэл бодлыг E. cuniculi-ийн рРНХ болон рибосом дахь уургийн хэлтэрхийнүүдийн алдагдлыг нөхдөг жижиг молекулууд нь uL15 ба eL30 уургуудын микроспоридийн өвөрмөц үлдэгдэлтэй холбогддог гэсэн баримтаар дэмжиж байна. Энэ нь жижиг молекулуудыг рибосомтой холбох нь эерэг сонголтын бүтээгдэхүүн байж болох бөгөөд рибосомын уургууд дахь микроспоридийн өвөрмөц мутацийг рибосомын жижиг молекулуудтай харьцах чадварыг нэмэгдүүлэх чадвараар нь сонгосон бөгөөд энэ нь илүү үр ашигтай рибосомын организмд хүргэж болзошгүй юм. Энэхүү нээлт нь бичил биетний шимэгчийн молекулын бүтцэд ухаалаг инновацийг илчилж, шимэгчийн молекулын бүтэц нь бууралтын хувьслын үед үйл ажиллагаагаа хэрхэн хадгалдаг талаар бидэнд илүү сайн ойлголт өгөх болно.
Одоогийн байдлаар эдгээр жижиг молекулуудыг тодорхойлох нь тодорхойгүй хэвээр байна. Рибосомын бүтцэд эдгээр жижиг молекулуудын харагдах байдал микроспоридийн төрөл зүйлийн хооронд яагаад ялгаатай байгаа нь тодорхойгүй байна. Ялангуяа V. necatrix-ийн eL20 ба K172 уургуудад F170 үлдэгдэл байгаа хэдий ч нуклеотидын холболт яагаад E. cuniculi болон P. loccate-ийн рибосомуудад ажиглагдаж, V. necatrix-ийн рибосомуудад ажиглагдаагүй нь тодорхойгүй байна. Энэхүү устгал нь V. necatrix-д тирозин болох, E. cuniculi болон P. loccate-д треонин биш 43 uL6 үлдэгдэл (нуклеотидын холболтын халаасны хажууд байрладаг)-аас үүдэлтэй байж болно. Tyr43-ийн том үнэрт хажуугийн гинж нь стерик давхардлаас болж нуклеотидын холболтод саад учруулж болзошгүй. Эсвэл нуклеотидын илэрхий устгал нь крио-EM дүрслэлийн бага нягтралтай холбоотой байж болох бөгөөд энэ нь V. necatrix рибосомын хэлтэрхийнүүдийг загварчлахад саад учруулдаг.
Нөгөөтэйгүүр, бидний ажил геномын задралын үйл явц нь шинэ бүтээлийн хүч байж болохыг харуулж байна. Ялангуяа E. cuniculi рибосомын бүтэц нь микроспоридийн рибосом дахь рРНХ болон уургийн хэлтэрхийнүүд алдагдах нь рибосомын бүтцийн өөрчлөлтийг дэмждэг хувьслын дарамтыг бий болгодог болохыг харуулж байна. Эдгээр хувилбарууд нь рибосомын идэвхтэй хэсгээс хол байрладаг бөгөөд рРНХ буурснаар тасалдах байсан оновчтой рибосомын угсралтыг хадгалах (эсвэл сэргээх)-д тусалдаг бололтой. Энэ нь микроспоридийн рибосомын томоохон шинэчлэл нь генийн шилжилтийг буферлэх хэрэгцээ болж хөгжсөн бололтой.
Магадгүй үүнийг бусад организмд одоогоор ажиглагдаагүй нуклеотидын холболтоор хамгийн сайн харуулсан байж болох юм. Нуклеотид холбох үлдэгдэл нь ердийн микроспоридид байдаг боловч бусад эукариотуудад байдаггүй нь нуклеотид холбох газрууд нь зүгээр л алга болох гэж хүлээж буй үлдэгдэл биш, эсвэл рРНХ-г бие даасан нуклеотидын хэлбэрээр сэргээх эцсийн газар биш гэдгийг харуулж байна. Үүний оронд энэ газар нь хэд хэдэн удаагийн эерэг сонголтын явцад хувьсан өөрчлөгдөж болох ашигтай шинж чанар мэт санагдаж байна. Нуклеотидын холболтын газрууд нь байгалийн шалгарлын дайвар бүтээгдэхүүн байж болох юм: ES39L задрахад микроспориди нь ES39L байхгүй үед рибосомын оновчтой биогенезийг сэргээхийн тулд нөхөн төлбөр хайхаас өөр аргагүй болдог. Энэхүү нуклеотид нь ES39L дахь A3186 нуклеотидын молекулын холбоог дуурайж чаддаг тул нуклеотидын молекул нь рибосомын барилгын блок болж, түүний холболт нь eL30 дарааллын мутациар улам сайжирдаг.
Эсийн доторх шимэгчдийн молекулын хувьслын тухайд бидний судалгаагаар Дарвины байгалийн шалгарал болон геномын задралын генетикийн шилжилтийн хүчүүд зэрэгцээ ажилладаггүй, харин хэлбэлздэг болохыг харуулж байна. Нэгдүгээрт, генетикийн шилжилт нь биомолекулын чухал шинж чанаруудыг арилгаж, нөхөн төлбөрийг маш их шаарддаг. Шимэгчид энэ хэрэгцээг Дарвины байгалийн шалгарлаар дамжуулан хангасан тохиолдолд л тэдний макромолекулууд хамгийн гайхалтай, шинэлэг шинж чанаруудаа хөгжүүлэх боломжтой болно. Хамгийн чухал нь E. cuniculi рибосом дахь нуклеотидын холболтын цэгүүдийн хувьсал нь молекулын хувьслын энэхүү алдагдал-олж авах хэв маяг нь зөвхөн хортой мутацийг хорогдуулаад зогсохгүй заримдаа шимэгч макромолекулуудад бүрэн шинэ функцүүдийг олгодог болохыг харуулж байна.
Энэ санаа нь Сьюэлл Райтын хөдөлж буй тэнцвэрийн онолтой нийцэж байгаа бөгөөд байгалийн шалгарлын хатуу систем нь организмын инноваци хийх чадварыг хязгаарладаг гэж үздэг51,52,53. Гэсэн хэдий ч генетикийн шилжилт нь байгалийн шалгарлыг тасалдуулбал эдгээр шилжилт нь өөрөө дасан зохицох чадваргүй (эсвэл бүр хор хөнөөлтэй) боловч илүү өндөр фитнесс эсвэл шинэ биологийн идэвхжил өгдөг цаашдын өөрчлөлтөд хүргэдэг өөрчлөлтийг бий болгож чадна. Бидний хүрээ нь биомолекулын нугалаа, үйл ажиллагааг бууруулдаг ижил төрлийн мутаци нь түүнийг сайжруулах гол түлхэц болж байгааг харуулснаар энэ санааг дэмжиж байна. Хоёр талдаа ашигтай хувьслын загвартай нийцүүлэн бидний судалгаагаар уламжлал ёсоор доройтлын процесс гэж үздэг геномын задрал нь инновацийн гол хөдөлгөгч хүч бөгөөд заримдаа, магадгүй бүр ихэвчлэн макромолекулуудад шинэ шимэгчийн үйл ажиллагаа олж авах боломжийг олгодог болохыг харуулж байна.