Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझर आवृत्तीला मर्यादित CSS सपोर्ट आहे. सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही अपडेटेड ब्राउझर वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये कंपॅटिबिलिटी मोड अक्षम करा). दरम्यान, सतत सपोर्ट सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही साइटला स्टाईल आणि जावास्क्रिप्टशिवाय रेंडर करू.
सूक्ष्मजीव परजीवींच्या उत्क्रांतीमध्ये नैसर्गिक निवड, ज्यामुळे परजीवी सुधारतात आणि अनुवांशिक प्रवाह यांच्यातील प्रतिक्रियेचा समावेश होतो, ज्यामुळे परजीवी जनुके गमावतात आणि हानिकारक उत्परिवर्तन जमा करतात. येथे, एकाच मॅक्रोमोलेक्यूलच्या प्रमाणात ही प्रतिक्रिय कशी होते हे समजून घेण्यासाठी, आम्ही एन्सेफॅलिटोझून क्यूनिक्युलीच्या राइबोसोमच्या क्रायो-ईएम संरचनेचे वर्णन करतो, जो निसर्गातील सर्वात लहान जीनोमपैकी एक असलेला युकेरियोटिक जीव आहे. ई. क्यूनिक्युली राइबोसोममध्ये आरआरएनएची अत्यंत घट अभूतपूर्व संरचनात्मक बदलांसह आहे, जसे की पूर्वी अज्ञात फ्यूज्ड आरआरएनए लिंकर्स आणि फुगवटा नसलेले आरआरएनए उत्क्रांती. याव्यतिरिक्त, ई. क्यूनिक्युली राइबोसोमने आरआरएनए तुकड्यांना आणि प्रथिनांना संरचनात्मक नक्कल म्हणून लहान रेणू वापरण्याची क्षमता विकसित करून आरआरएनए तुकड्यांना आणि प्रथिनांना नुकसान सहन केले. एकंदरीत, आम्ही दाखवतो की आण्विक संरचना कमी, क्षीण आणि दुर्बल उत्परिवर्तनांच्या अधीन असल्याचे दीर्घकाळ मानले जात होते. त्यात अनेक भरपाई देणारी यंत्रणा असतात जी अत्यंत आण्विक आकुंचन असूनही त्यांना सक्रिय ठेवतात.
सूक्ष्मजीव परजीवींच्या बहुतेक गटांकडे त्यांच्या यजमानांचे शोषण करण्यासाठी अद्वितीय आण्विक साधने असल्याने, आपल्याला अनेकदा परजीवींच्या वेगवेगळ्या गटांसाठी वेगवेगळे उपचार विकसित करावे लागतात1,2. तथापि, नवीन पुरावे असे सूचित करतात की परजीवी उत्क्रांतीचे काही पैलू अभिसरणात्मक आहेत आणि मोठ्या प्रमाणात अंदाज लावता येतात, जे सूक्ष्मजीव परजीवींमध्ये व्यापक उपचारात्मक हस्तक्षेपांसाठी संभाव्य आधार दर्शवितात3,4,5,6,7,8,9.
मागील कामात सूक्ष्मजीव परजीवींमध्ये जीनोम रिडक्शन किंवा जीनोम डिकेन नावाचा एक सामान्य उत्क्रांतीचा ट्रेंड ओळखला गेला आहे10,11,12,13. सध्याच्या संशोधनातून असे दिसून आले आहे की जेव्हा सूक्ष्मजीव त्यांची मुक्त जीवनशैली सोडून देतात आणि पेशीच्या आत परजीवी (किंवा एंडोसिम्बिओन्ट्स) बनतात, तेव्हा त्यांचे जीनोम लाखो वर्षांपासून मंद पण आश्चर्यकारक रूपांतरातून जातात9,11. जीनोम डिकेन म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या प्रक्रियेत, सूक्ष्मजीव परजीवी हानिकारक उत्परिवर्तन जमा करतात जे पूर्वीच्या अनेक महत्त्वाच्या जनुकांना स्यूडोजीन्समध्ये बदलतात, ज्यामुळे हळूहळू जनुकांचे नुकसान होते आणि उत्परिवर्तनीय पतन होते14,15. हे पतन जवळून संबंधित मुक्त-जिवंत प्रजातींच्या तुलनेत सर्वात जुन्या पेशीच्या आतल्या जीवांमधील 95% पर्यंत जनुके नष्ट करू शकते. अशाप्रकारे, पेशीच्या आत परजीवींची उत्क्रांती ही दोन विरोधी शक्तींमधील रस्सीखेच आहे: डार्विनच्या नैसर्गिक निवडीमुळे परजीवींमध्ये सुधारणा होते आणि जीनोमचे पतन होते, ज्यामुळे परजीवी विस्मृतीत जातात. या रस्सीखेचातून परजीवी कसा बाहेर पडू शकला आणि त्याच्या आण्विक संरचनेची क्रिया कशी टिकवून ठेवली हे अद्याप अस्पष्ट आहे.
जीनोम क्षय होण्याची यंत्रणा पूर्णपणे समजलेली नसली तरी, ती प्रामुख्याने वारंवार होणाऱ्या अनुवांशिक प्रवाहामुळे होते असे दिसते. परजीवी लहान, अलैंगिक आणि अनुवांशिकदृष्ट्या मर्यादित लोकसंख्येमध्ये राहतात, त्यामुळे ते डीएनए प्रतिकृती दरम्यान कधीकधी होणारे हानिकारक उत्परिवर्तन प्रभावीपणे दूर करू शकत नाहीत. यामुळे हानिकारक उत्परिवर्तनांचे अपरिवर्तनीय संचय होते आणि परजीवी जीनोम कमी होतो. परिणामी, परजीवी केवळ पेशीच्या आतल्या वातावरणात त्याच्या अस्तित्वासाठी आवश्यक नसलेली जीन्स गमावत नाही. परजीवी लोकसंख्येला तुरळक हानिकारक उत्परिवर्तन प्रभावीपणे दूर करण्यास असमर्थता असल्यामुळे हे उत्परिवर्तन संपूर्ण जीनोममध्ये जमा होतात, ज्यामध्ये त्यांच्या सर्वात महत्त्वाच्या जनुकांचा समावेश होतो.
जीनोम रिडक्शनबद्दलची आपली सध्याची समजूतदारपणाची बहुतांशी केवळ जीनोम अनुक्रमांच्या तुलनेवर आधारित आहे, ज्यामध्ये घरगुती काम करणाऱ्या आणि संभाव्य औषध लक्ष्य म्हणून काम करणाऱ्या प्रत्यक्ष रेणूंमधील बदलांकडे कमी लक्ष दिले जाते. तुलनात्मक अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की हानिकारक इंट्रासेल्युलर मायक्रोबियल म्युटेशनचा भार प्रथिने आणि न्यूक्लिक अॅसिडला चुकीच्या पद्धतीने एकत्रित करण्यास आणि एकत्रित करण्यास प्रवृत्त करतो, ज्यामुळे ते अधिक चॅपेरॉनवर अवलंबून असतात आणि उष्णतेला अतिसंवेदनशील बनतात19,20,21,22,23. याव्यतिरिक्त, विविध परजीवी - कधीकधी 2.5 अब्ज वर्षांनी वेगळे केलेले स्वतंत्र उत्क्रांती - त्यांच्या प्रथिने संश्लेषणात गुणवत्ता नियंत्रण केंद्रांचे समान नुकसान अनुभवले5,6 आणि डीएनए दुरुस्ती यंत्रणा24. तथापि, पेशीय मॅक्रोमॉलिक्यूल्सच्या इतर सर्व गुणधर्मांवर इंट्रासेल्युलर जीवनशैलीच्या प्रभावाबद्दल फारसे माहिती नाही, ज्यामध्ये हानिकारक उत्परिवर्तनांच्या वाढत्या ओझ्याशी आण्विक अनुकूलन समाविष्ट आहे.
या कामात, इंट्रासेल्युलर सूक्ष्मजीवांच्या प्रथिने आणि न्यूक्लिक अॅसिडच्या उत्क्रांतीला चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी, आम्ही इंट्रासेल्युलर परजीवी एन्सेफॅलिटोझून क्युनिक्युलीच्या राइबोसोम्सची रचना निश्चित केली. ई. क्युनिक्युली हा एक बुरशीसारखा जीव आहे जो परजीवी मायक्रोस्पोरिडियाच्या गटाशी संबंधित आहे ज्यामध्ये असामान्यपणे लहान युकेरियोटिक जीनोम असतात आणि म्हणून जीनोम क्षय25,26,27,28,29,30 चा अभ्यास करण्यासाठी मॉडेल जीव म्हणून वापरला जातो. अलीकडेच, मायक्रोस्पोरिडिया, पॅरानोसेमा लोकस्टे आणि वैरिमोर्फा नेकॅट्रिक्स31,32 (~3.2 Mb जीनोम) च्या मध्यम प्रमाणात कमी झालेल्या जीनोमसाठी क्रायो-ईएम राइबोसोम रचना निश्चित करण्यात आली. या रचना सूचित करतात की शेजारच्या रिबोसोमल प्रथिनांमधील नवीन संपर्कांच्या विकासाद्वारे किंवा नवीन msL131,32 रिबोसोमल प्रथिनांच्या अधिग्रहणाद्वारे rRNA प्रवर्धनाचे काही नुकसान भरून काढले जाते. एन्सेफॅलिटोझून प्रजाती (जीनोम ~२.५ दशलक्ष बीपी), त्यांच्या जवळच्या नातेवाईक ऑर्डोस्पोरासह, युकेरियोट्समध्ये जीनोम घटण्याचे अंतिम प्रमाण दर्शवितात - त्यांच्याकडे २००० पेक्षा कमी प्रथिने-कोडिंग जीन्स आहेत आणि अशी अपेक्षा आहे की त्यांच्या राइबोसोममध्ये केवळ आरआरएनए विस्तार तुकड्यांचा अभाव आहे (यूकेरियोटिक राइबोसोम्सना बॅक्टेरियाच्या राइबोसोम्सपासून वेगळे करणारे आरआरएनए तुकडे) ई. क्युनिक्युली जीनोममध्ये समरूपता नसल्यामुळे चार राइबोसोमल प्रथिने देखील आहेत २६,२७,२८. म्हणून, आम्ही असा निष्कर्ष काढला की ई. क्युनिक्युली राइबोसोम जीनोम क्षय करण्यासाठी आण्विक अनुकूलनासाठी पूर्वी अज्ञात धोरणे प्रकट करू शकते.
आमची क्रायो-ईएम रचना ही सर्वात लहान युकेरियोटिक सायटोप्लाज्मिक राइबोसोमचे प्रतिनिधित्व करते आणि पेशीच्या अविभाज्य घटक असलेल्या आण्विक यंत्रणेची रचना, असेंब्ली आणि उत्क्रांती यावर जीनोम रिडक्शनची अंतिम डिग्री कशी परिणाम करते याबद्दल अंतर्दृष्टी प्रदान करते. आम्हाला आढळले की ई. क्युनिक्युली राइबोसोम आरएनए फोल्डिंग आणि राइबोसोम असेंब्लीच्या अनेक व्यापकपणे संरक्षित तत्त्वांचे उल्लंघन करते आणि एक नवीन, पूर्वी अज्ञात राइबोसोमल प्रथिने शोधली. अगदी अनपेक्षितपणे, आम्ही दाखवतो की मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोम्सने लहान रेणूंना बांधण्याची क्षमता विकसित केली आहे आणि असे गृहीत धरले आहे की आरआरएनए आणि प्रथिनांमधील ट्रंकेशन उत्क्रांतीवादी नवकल्पनांना चालना देतात जे शेवटी राइबोसोमला उपयुक्त गुण प्रदान करू शकतात.
पेशीच्या आतल्या जीवांमध्ये प्रथिने आणि न्यूक्लिक अॅसिडच्या उत्क्रांतीबद्दलची आपली समज सुधारण्यासाठी, आम्ही संक्रमित सस्तन प्राण्यांच्या पेशींच्या संस्कृतींमधून ई. क्युनिक्युली बीजाणू वेगळे करण्याचा निर्णय घेतला जेणेकरून त्यांचे राइबोसोम शुद्ध होतील आणि या राइबोसोमची रचना निश्चित होईल. मोठ्या संख्येने परजीवी मायक्रोस्पोरिडिया मिळवणे कठीण आहे कारण मायक्रोस्पोरिडिया पोषक माध्यमात संवर्धित केले जाऊ शकत नाही. त्याऐवजी, ते फक्त यजमान पेशीच्या आत वाढतात आणि पुनरुत्पादन करतात. म्हणून, राइबोसोम शुद्धीकरणासाठी ई. क्युनिक्युली बायोमास मिळविण्यासाठी, आम्ही सस्तन प्राण्यांच्या मूत्रपिंडाच्या पेशी रेषा RK13 ला ई. क्युनिक्युली बीजाणूंनी संक्रमित केले आणि या संक्रमित पेशींना अनेक आठवडे संवर्धित केले जेणेकरून ई. क्युनिक्युली वाढू शकेल आणि गुणाकार करू शकेल. सुमारे अर्धा चौरस मीटरच्या संक्रमित पेशी मोनोलेयरचा वापर करून, आम्ही सुमारे 300 मिलीग्राम मायक्रोस्पोरिडिया बीजाणू शुद्ध करू शकलो आणि त्यांचा वापर राइबोसोम वेगळे करण्यासाठी करू शकलो. त्यानंतर आम्ही शुद्ध केलेले बीजाणू काचेच्या मण्यांनी विस्कळीत केले आणि लायसेट्सच्या स्टेपवाइज पॉलीथिलीन ग्लायकोल फ्रॅक्शनेशन वापरून क्रूड राइबोसोम वेगळे केले. यामुळे आम्हाला संरचनात्मक विश्लेषणासाठी अंदाजे 300 µg कच्चे ई. क्युनिक्युली राइबोसोम्स मिळू शकले.
त्यानंतर आम्ही परिणामी राइबोसोम नमुन्यांचा वापर करून क्रायो-ईएम प्रतिमा गोळा केल्या आणि मोठ्या राइबोसोमल सबयुनिट, लहान सबयुनिट हेड आणि लहान सबयुनिटशी संबंधित मुखवटे वापरून या प्रतिमांवर प्रक्रिया केली. या प्रक्रियेदरम्यान, आम्ही सुमारे १०८,००० राइबोसोमल कणांच्या प्रतिमा आणि २.७ Å रिझोल्यूशनसह गणना केलेल्या क्रायो-ईएम प्रतिमा गोळा केल्या (पूरक आकृती १-३). त्यानंतर आम्ही ई. क्युनिक्युली राइबोसोम्सशी संबंधित आरआरएनए, राइबोसोमल प्रथिने आणि हायबरनेशन फॅक्टर एमडीएफ१ मॉडेल करण्यासाठी क्रायोईएम प्रतिमा वापरल्या (आकृती १अ, ब).
a हायबरनेशन फॅक्टर Mdf1 (pdb id 7QEP) सह संमिश्र E. cuniculi ribosome ची रचना. b E. cuniculi ribosome शी संबंधित हायबरनेशन फॅक्टर Mdf1 चा नकाशा. c मायक्रोस्पोरिडियन प्रजातींमध्ये पुनर्प्राप्त rRNA ची ज्ञात ribosomal संरचनांशी तुलना करणारा दुय्यम रचना नकाशा. पॅनेल अॅम्प्लिफाइड rRNA तुकड्यांचे (ES) आणि ribosomal सक्रिय स्थळांचे स्थान दर्शवितात, ज्यामध्ये डिकोडिंग साइट (DC), sarcinicin लूप (SRL) आणि पेप्टिडिल ट्रान्सफरेज सेंटर (PTC) यांचा समावेश आहे. d E. cuniculi ribosome च्या पेप्टिडिल ट्रान्सफरेज सेंटरशी संबंधित इलेक्ट्रॉन घनता सूचित करते की या उत्प्रेरक स्थळाची रचना E. cuniculi परजीवी आणि त्याच्या यजमानांमध्ये, H. sapiens सह समान आहे. e, f डीकोडिंग सेंटर (e) ची संबंधित इलेक्ट्रॉन घनता आणि डीकोडिंग सेंटर (f) ची योजनाबद्ध रचना दर्शवते की इतर अनेक युकेरियोट्समध्ये E. cuniculi मध्ये A1491 (E. coli क्रमांकन) ऐवजी U1491 अवशेष आहेत. हा बदल सूचित करतो की E. cuniculi या सक्रिय साइटला लक्ष्य करणाऱ्या प्रतिजैविकांना संवेदनशील असू शकते.
V. necatrix आणि P. locustae ribosomes च्या पूर्वी स्थापित केलेल्या संरचनांच्या विपरीत (दोन्ही रचना Nosematidae च्या समान मायक्रोस्पोरिडिया कुटुंबाचे प्रतिनिधित्व करतात आणि एकमेकांशी खूप समान आहेत), 31,32 E. cuniculi ribosomes मध्ये rRNA आणि प्रथिने विखंडनाच्या असंख्य प्रक्रिया होतात. पुढील विकृतीकरण (पूरक आकृती 4-6). rRNA मध्ये, सर्वात उल्लेखनीय बदलांमध्ये प्रवर्धित 25S rRNA तुकडा ES12L चे पूर्ण नुकसान आणि h39, h41 आणि H18 हेलिसेसचे आंशिक झीज (आकृती 1c, पूरक आकृती 4) यांचा समावेश होता. ribosomal प्रथिनांमध्ये, सर्वात उल्लेखनीय बदलांमध्ये eS30 प्रथिनांचे पूर्ण नुकसान आणि eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 आणि eS7 प्रथिनांचे लहान होणे (पूरक आकृती 4, 5) यांचा समावेश होता.
अशाप्रकारे, एन्सेफॅलोटोझून/ऑर्डोस्पोरा प्रजातींच्या जीनोममध्ये होणारी कमालीची घट त्यांच्या राइबोसोम रचनेत दिसून येते: ई. क्युनिक्युली राइबोसोम्सना स्ट्रक्चरल वैशिष्ट्यीकरणाच्या अधीन असलेल्या युकेरियोटिक सायटोप्लाज्मिक राइबोसोम्समध्ये प्रथिन सामग्रीचे सर्वात नाट्यमय नुकसान होते आणि त्यांच्याकडे ते आरआरएनए आणि प्रथिन तुकडे देखील नसतात जे केवळ युकेरियोट्समध्येच नव्हे तर जीवनाच्या तीन क्षेत्रांमध्ये देखील मोठ्या प्रमाणात संरक्षित केले जातात. ई. क्युनिक्युली राइबोसोमची रचना या बदलांसाठी पहिले आण्विक मॉडेल प्रदान करते आणि तुलनात्मक जीनोमिक्स आणि इंट्रासेल्युलर बायोमोलेक्युलर रचनेच्या अभ्यासाद्वारे दुर्लक्षित केलेल्या उत्क्रांती घटना उघड करते (पूरक आकृती 7). खाली, आम्ही या प्रत्येक घटनांचे त्यांच्या संभाव्य उत्क्रांती उत्पत्तीसह आणि राइबोसोम फंक्शनवरील त्यांच्या संभाव्य प्रभावाचे वर्णन करतो.
त्यानंतर आम्हाला आढळले की, मोठ्या rRNA ट्रंकेशन व्यतिरिक्त, E. cuniculi ribosomes मध्ये त्यांच्या सक्रिय स्थळांपैकी एकावर rRNA भिन्नता आहेत. जरी E. cuniculi ribosome च्या पेप्टिडिल ट्रान्सफरेज केंद्राची रचना इतर युकेरियोटिक ribosomes सारखीच असली तरी (आकृती 1d), न्यूक्लियोटाइड 1491 (E. coli क्रमांकन, आकृती 1e, f) मधील अनुक्रम भिन्नतेमुळे डीकोडिंग केंद्र वेगळे आहे. हे निरीक्षण महत्वाचे आहे कारण युकेरियोटिक ribosomes च्या डीकोडिंग साइटमध्ये सामान्यतः बॅक्टेरिया-प्रकारच्या अवशेष A1408 आणि G1491 च्या तुलनेत G1408 आणि A1491 अवशेष असतात. ही भिन्नता ribosomal अँटीबायोटिक्सच्या अमिनोग्लायकोसाइड कुटुंबासाठी आणि डिकोडिंग साइटला लक्ष्य करणाऱ्या इतर लहान रेणूंसाठी बॅक्टेरिया आणि युकेरियोटिक ribosomes च्या भिन्न संवेदनशीलतेला अधोरेखित करते. E. cuniculi ribosome च्या डीकोडिंग साइटवर, अवशेष A1491 U1491 ने बदलले गेले, ज्यामुळे या सक्रिय स्थळाला लक्ष्य करणाऱ्या लहान रेणूंसाठी एक अद्वितीय बंधनकारक इंटरफेस तयार होण्याची शक्यता आहे. हाच A14901 प्रकार P. locustae आणि V. necatrix सारख्या इतर मायक्रोस्पोरिडियामध्ये देखील आढळतो, ज्यामुळे असे सूचित होते की ते मायक्रोस्पोरिडिया प्रजातींमध्ये व्यापक आहे (आकृती 1f).
आमचे E. cuniculi ribosome नमुने चयापचयदृष्ट्या निष्क्रिय बीजाणूंपासून वेगळे केले गेले होते, म्हणून आम्ही ताण किंवा उपासमारीच्या परिस्थितीत पूर्वी वर्णन केलेल्या ribosome बंधनासाठी E. cuniculi च्या क्रायो-EM नकाशाची चाचणी केली. हायबरनेशन घटक 31,32,36,37, 38. आम्ही हायबरनेटिंग ribosome च्या पूर्वी स्थापित केलेल्या संरचनेची E. cuniculi ribosome च्या क्रायो-EM नकाशाशी जुळणी केली. डॉकिंगसाठी, S. cerevisiae ribosomes हे हायबरनेशन घटक Stm138 सह कॉम्प्लेक्समध्ये, टोळधाड ribosomes हे Lso232 घटकासह कॉम्प्लेक्समध्ये आणि V. necatrix ribosomes हे Mdf1 आणि Mdf231 घटकांसह कॉम्प्लेक्समध्ये वापरले गेले. त्याच वेळी, आम्हाला उर्वरित घटक Mdf1 शी संबंधित क्रायो-EM घनता आढळली. Mdf1 च्या V. necatrix ribosome ला बांधणी करण्याप्रमाणेच, Mdf1 देखील E. cuniculi ribosome ला बांधते, जिथे ते ribosome च्या E साइटला ब्लॉक करते, कदाचित शरीर निष्क्रिय झाल्यावर परजीवी बीजाणू चयापचयदृष्ट्या निष्क्रिय होतात तेव्हा ribosomes उपलब्ध करण्यास मदत करते (आकृती 2).
Mdf1 राइबोसोमच्या E साइटला ब्लॉक करते, जे परजीवी बीजाणू चयापचयदृष्ट्या निष्क्रिय होतात तेव्हा राइबोसोम निष्क्रिय करण्यास मदत करते असे दिसते. E. cuniculi राइबोसोमच्या रचनेत, आम्हाला आढळले की Mdf1 हा L1 राइबोसोम स्टेमशी पूर्वी अज्ञात संपर्क तयार करतो, जो राइबोसोमचा तो भाग आहे जो प्रथिने संश्लेषणादरम्यान राइबोसोममधून डीएसिलेटेड tRNA सोडण्यास मदत करतो. हे संपर्क सूचित करतात की Mdf1 डीएसिटाइलेटेड tRNA सारख्याच यंत्रणेचा वापर करून राइबोसोमपासून वेगळे होते, ज्यामुळे राइबोसोम प्रथिने संश्लेषण पुन्हा सक्रिय करण्यासाठी Mdf1 कसे काढून टाकते याचे संभाव्य स्पष्टीकरण मिळते.
तथापि, आमच्या रचनेने Mdf1 आणि L1 राइबोसोम लेग (प्रथिने संश्लेषणादरम्यान राइबोसोममधून डीएसिलेटेड tRNA सोडण्यास मदत करणारा राइबोसोमचा भाग) यांच्यातील अज्ञात संपर्क उघड केला. विशेषतः, Mdf1 डीएसिलेटेड tRNA रेणूच्या कोपर सेगमेंटसारखेच संपर्क वापरते (आकृती 2). या पूर्वी अज्ञात आण्विक मॉडेलिंगमध्ये असे दिसून आले की Mdf1 डीएसिलेटेड tRNA सारख्याच यंत्रणेचा वापर करून राइबोसोमपासून वेगळे होते, जे स्पष्ट करते की राइबोसोम प्रथिने संश्लेषण पुन्हा सक्रिय करण्यासाठी हा हायबरनेशन घटक कसा काढून टाकतो.
rRNA मॉडेल तयार करताना, आम्हाला आढळले की E. cuniculi ribosome मध्ये rRNA चे तुकडे असामान्यपणे दुमडलेले आहेत, ज्याला आम्ही fused rRNA म्हणतो (आकृती 3). जीवनाच्या तीन क्षेत्रांमध्ये पसरलेल्या राइबोसोममध्ये, rRNA अशा रचनांमध्ये दुमडलेले असतात ज्यामध्ये बहुतेक rRNA बेस एकतर बेस जोडी बनवतात आणि एकमेकांशी दुमडतात किंवा राइबोसोमल प्रथिनांशी संवाद साधतात38,39,40. तथापि, E. cuniculi ribosomes मध्ये, rRNA त्यांच्या काही हेलिसेसना उलगडलेल्या rRNA प्रदेशांमध्ये रूपांतरित करून या फोल्डिंग तत्त्वाचे उल्लंघन करतात असे दिसते.
S. cerevisiae, V. necatrix आणि E. cuniculi मधील H18 25S rRNA हेलिक्सची रचना. सामान्यतः, तीन जीवन क्षेत्रांमध्ये पसरलेल्या राइबोसोममध्ये, हे लिंकर एका RNA हेलिक्समध्ये गुंडाळले जाते ज्यामध्ये 24 ते 34 अवशेष असतात. मायक्रोस्पोरिडियामध्ये, याउलट, हे rRNA लिंकर हळूहळू फक्त 12 अवशेष असलेल्या दोन सिंगल-स्ट्रँडेड युरीडिन-समृद्ध लिंकर्समध्ये कमी केले जाते. यापैकी बहुतेक अवशेष सॉल्व्हेंट्सच्या संपर्कात येतात. आकृती दर्शवते की परजीवी मायक्रोस्पोरिडिया rRNA फोल्डिंगच्या सामान्य तत्त्वांचे उल्लंघन करते असे दिसते, जिथे rRNA बेस सहसा इतर बेसशी जोडले जातात किंवा rRNA-प्रथिने परस्परसंवादात गुंतलेले असतात. मायक्रोस्पोरिडियामध्ये, काही rRNA तुकडे प्रतिकूल पट घेतात, ज्यामध्ये पूर्वीचे rRNA हेलिक्स जवळजवळ सरळ रेषेत वाढवलेला एक सिंगल-स्ट्रँडेड तुकडा बनतो. या असामान्य प्रदेशांच्या उपस्थितीमुळे मायक्रोस्पोरिडिया rRNA ला कमीत कमी RNA बेस वापरून दूरच्या rRNA तुकड्यांना बांधता येते.
या उत्क्रांती संक्रमणाचे सर्वात उल्लेखनीय उदाहरण H18 25S rRNA हेलिक्समध्ये पाहिले जाऊ शकते (आकृती 3). E. coli पासून मानवांमध्ये असलेल्या प्रजातींमध्ये, या rRNA हेलिक्सच्या तळांमध्ये 24-32 न्यूक्लियोटाइड असतात, जे थोडेसे अनियमित हेलिक्स बनवतात. V. necatrix आणि P. locustae पासून पूर्वी ओळखल्या गेलेल्या राइबोसोमल संरचनांमध्ये, 31,32 H18 हेलिक्सचे तळ अंशतः अनकॉइल केलेले असतात, परंतु न्यूक्लियोटाइड बेस पेअरिंग जतन केले जाते. तथापि, E. cuniculi मध्ये हा rRNA तुकडा सर्वात लहान लिंकर्स 228UUUGU232 आणि 301UUUUUUUUUU307 बनतो. सामान्य rRNA तुकड्यांप्रमाणे, हे युरीडिन-समृद्ध लिंकर्स राइबोसोमल प्रथिनांशी गुंडाळत नाहीत किंवा व्यापक संपर्क साधत नाहीत. त्याऐवजी, ते सॉल्व्हेंट-ओपन आणि पूर्णपणे उलगडलेल्या संरचना स्वीकारतात ज्यामध्ये rRNA स्ट्रँड जवळजवळ सरळ वाढवले ​​जातात. हे ताणलेले स्वरूप स्पष्ट करते की H16 आणि H18 rRNA हेलिसेसमधील 33 Å अंतर भरण्यासाठी E. cuniculi फक्त 12 RNA बेस कसे वापरते, तर इतर प्रजातींना ही अंतर भरण्यासाठी किमान दुप्पट rRNA बेसची आवश्यकता असते.
अशाप्रकारे, आपण हे सिद्ध करू शकतो की, ऊर्जावानपणे प्रतिकूल फोल्डिंगद्वारे, परजीवी मायक्रोस्पोरिडियाने जीवनाच्या तीनही क्षेत्रांमध्ये प्रजातींमध्ये मोठ्या प्रमाणात संरक्षित राहिलेल्या आरआरएनए विभागांना देखील आकुंचनित करण्याची रणनीती विकसित केली आहे. स्पष्टपणे, आरआरएनए हेलिसेसचे लहान पॉली-यू लिंकर्समध्ये रूपांतर करणारे उत्परिवर्तन जमा करून, ई. क्युनिक्युली दूरस्थ आरआरएनए तुकड्यांच्या बंधनासाठी शक्य तितके कमी न्यूक्लियोटाइड असलेले असामान्य आरआरएनए तुकडे तयार करू शकतात. मायक्रोस्पोरिडियाने त्यांची संरचनात्मक आणि कार्यात्मक अखंडता न गमावता त्यांच्या मूलभूत आण्विक संरचनेत नाट्यमय घट कशी साध्य केली हे स्पष्ट करण्यास मदत करते.
E. cuniculi rRNA चे आणखी एक असामान्य वैशिष्ट्य म्हणजे जाडपणाशिवाय rRNA दिसणे (आकृती 4). फुगे हे बेस जोड्या नसलेले न्यूक्लियोटाइड आहेत जे RNA हेलिक्समध्ये लपण्याऐवजी बाहेर वळतात. बहुतेक rRNA प्रोट्र्यूशन्स आण्विक चिकटवता म्हणून काम करतात, लगतच्या राइबोसोमल प्रथिने किंवा इतर rRNA तुकड्यांना बांधण्यास मदत करतात. काही फुगे बिजागर म्हणून काम करतात, ज्यामुळे rRNA हेलिक्स उत्पादक प्रथिने संश्लेषणासाठी चांगल्या प्रकारे वाकतो आणि दुमडतो 41.
a एक आरआरएनए प्रोट्र्यूजन (एस. सेरेव्हिसिया क्रमांकन) ई. क्युनिक्युली राइबोसोम रचनेत अनुपस्थित आहे, परंतु बहुतेक इतर युकेरियोट्समध्ये आढळते जसे की ई. कोलाई, एस. सेरेव्हिसिया, एच. सेपियन्स आणि ई. क्युनिक्युली अंतर्गत राइबोसोम. परजीवींमध्ये अनेक प्राचीन, अत्यंत संरक्षित आरआरएनए फुगे नसतात. हे जाड होणे राइबोसोम रचनेत स्थिरता आणते; म्हणून, मायक्रोस्पोरिडियामध्ये त्यांची अनुपस्थिती मायक्रोस्पोरिडिया परजीवींमध्ये आरआरएनए फोल्डिंगची कमी स्थिरता दर्शवते. पी स्टेम्स (बॅक्टेरियामध्ये एल७/एल१२ स्टेम्स) शी तुलना केल्याने असे दिसून येते की आरआरएनए अडथळ्यांचे नुकसान कधीकधी हरवलेल्या अडथळ्यांजवळ नवीन अडथळे दिसण्याशी जुळते. २३एस/२८एस आरआरएनएमधील एच४२ हेलिक्समध्ये एक प्राचीन फुगवटा आहे (सॅकॅरोमायसेस सेरेव्हिसियामध्ये यू१२०६) जीवनाच्या तीन क्षेत्रांमध्ये संरक्षणामुळे किमान ३.५ अब्ज वर्षे जुना असल्याचा अंदाज आहे. मायक्रोस्पोरिडियामध्ये, हा फुगवटा काढून टाकला जातो. तथापि, हरवलेल्या फुगवटाच्या शेजारी एक नवीन फुगवटा दिसला (E. cuniculi मध्ये A1306).
आश्चर्यकारकपणे, आम्हाला आढळले की ई. क्युनिक्युली राइबोसोममध्ये इतर प्रजातींमध्ये आढळणाऱ्या बहुतेक आरआरएनए फुग्यांचा अभाव आहे, ज्यामध्ये इतर युकेरियोट्समध्ये संरक्षित केलेल्या ३० पेक्षा जास्त फुग्यांचा समावेश आहे (आकृती ४अ). या नुकसानामुळे राइबोसोमल सबयुनिट्स आणि लगतच्या आरआरएनए हेलिसेसमधील अनेक संपर्क नष्ट होतात, कधीकधी राइबोसोममध्ये मोठ्या पोकळ पोकळ्या निर्माण होतात, ज्यामुळे ई. क्युनिक्युली राइबोसोम अधिक पारंपारिक राइबोसोम्सच्या तुलनेत अधिक सच्छिद्र बनतात (आकृती ४ब). उल्लेखनीय म्हणजे, आम्हाला आढळले की यापैकी बहुतेक फुग्यांचा पूर्वी ओळखल्या गेलेल्या व्ही. नेकॅट्रिक्स आणि पी. लोकस्टे राइबोसोम स्ट्रक्चर्समध्ये देखील नाश झाला होता, ज्या मागील स्ट्रक्चरल विश्लेषणांद्वारे दुर्लक्षित केल्या गेल्या होत्या31,32.
कधीकधी rRNA फुगवटा नष्ट होण्यासोबतच हरवलेल्या फुगवटाच्या शेजारी नवीन फुगवटा निर्माण होतात. उदाहरणार्थ, राइबोसोमल पी-स्टेममध्ये U1208 फुगवटा असतो (सॅकॅरोमायसेस सेरेव्हिसियामध्ये) जो ई. कोलाईपासून मानवांमध्ये टिकून राहिला आणि म्हणूनच तो 3.5 अब्ज वर्षे जुना असल्याचा अंदाज आहे. प्रथिने संश्लेषणादरम्यान, हा फुगवटा पी स्टेमला खुल्या आणि बंद स्वरूपांमध्ये हलविण्यास मदत करतो जेणेकरून राइबोसोम ट्रान्सलेशन घटकांची भरती करू शकेल आणि त्यांना सक्रिय ठिकाणी पोहोचवू शकेल. ई. क्युनिक्युली राइबोसोममध्ये, हे जाड होणे अनुपस्थित आहे; तथापि, फक्त तीन बेस जोड्यांमध्ये स्थित एक नवीन जाड होणे (G883) पी स्टेमच्या इष्टतम लवचिकतेच्या पुनर्संचयनात योगदान देऊ शकते (आकृती 4c).
फुगवटा नसलेल्या rRNA वरील आमच्या डेटावरून असे दिसून येते की rRNA कमी करणे हे राइबोसोमच्या पृष्ठभागावरील rRNA घटकांच्या नुकसानापुरते मर्यादित नाही तर त्यात राइबोसोम न्यूक्लियसचा देखील समावेश असू शकतो, ज्यामुळे परजीवी-विशिष्ट आण्विक दोष निर्माण होतो ज्याचे वर्णन मुक्त-जिवंत पेशींमध्ये केलेले नाही. सजीव प्रजाती आढळतात.
कॅनोनिकल राइबोसोमल प्रथिने आणि आरआरएनए मॉडेलिंग केल्यानंतर, आम्हाला आढळले की पारंपारिक राइबोसोमल घटक क्रायो-ईएम प्रतिमेचे तीन भाग स्पष्ट करू शकत नाहीत. यापैकी दोन तुकडे आकाराने लहान रेणू आहेत (आकृती 5, पूरक आकृती 8). पहिला भाग राइबोसोमल प्रथिने uL15 आणि eL18 मध्ये अशा स्थितीत सँडविच केलेला आहे जो सामान्यतः eL18 च्या C-टर्मिनसने व्यापलेला असतो, जो E. cuniculi मध्ये लहान केला जातो. जरी आपण या रेणूची ओळख निश्चित करू शकत नसलो तरी, या घनतेच्या बेटाचा आकार आणि आकार स्पर्मिडाइन रेणूंच्या उपस्थितीद्वारे चांगल्या प्रकारे स्पष्ट केला जातो. राइबोसोमशी त्याचे बंधन uL15 प्रथिने (Asp51 आणि Arg56) मधील मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट उत्परिवर्तनांद्वारे स्थिर केले जाते, जे या लहान रेणूसाठी राइबोसोमची आत्मीयता वाढवतात असे दिसते, कारण ते uL15 ला लहान रेणूला राइबोसोमल संरचनेत गुंडाळण्याची परवानगी देतात. पूरक आकृती 2). 8, अतिरिक्त डेटा 1, 2).
क्रायो-ईएम इमेजिंगमध्ये ई. क्युनिक्युली राइबोसोमला बांधलेल्या राइबोजच्या बाहेर न्यूक्लियोटाइड्सची उपस्थिती दर्शविली जाते. ई. क्युनिक्युली राइबोसोममध्ये, हे न्यूक्लियोटाइड बहुतेक इतर युकेरियोटिक राइबोसोममध्ये 25S rRNA A3186 न्यूक्लियोटाइड (सॅकॅरोमायसेस सेरेव्हिसिया क्रमांकन) सारखेच स्थान व्यापते. b ई. क्युनिक्युलीच्या राइबोसोमल रचनेत, हे न्यूक्लियोटाइड राइबोसोमल प्रथिने uL9 आणि eL20 दरम्यान स्थित आहे, ज्यामुळे दोन प्रथिनांमधील संपर्क स्थिर होतो. मायक्रोस्पोरिडिया प्रजातींमध्ये cd eL20 अनुक्रम संवर्धन विश्लेषण. मायक्रोस्पोरिडिया प्रजाती (c) चे फायलोजेनेटिक ट्री आणि eL20 प्रथिन (d) चे बहु-क्रम संरेखन दर्शविते की न्यूक्लियोटाइड-बाइंडिंग अवशेष F170 आणि K172 बहुतेक सामान्य मायक्रोस्पोरिडियामध्ये संरक्षित आहेत, एस. लोफी वगळता, सुरुवातीच्या शाखा असलेल्या मायक्रोस्पोरिडियाचा अपवाद वगळता, ज्याने ES39L rRNA विस्तार राखला. e ही आकृती दर्शवते की न्यूक्लियोटाइड-बाइंडिंग अवशेष F170 आणि K172 हे अत्यंत कमी झालेल्या मायक्रोस्पोरिडिया जीनोमच्या eL20 मध्येच उपस्थित आहेत, परंतु इतर युकेरियोट्समध्ये नाहीत. एकूणच, हे डेटा सूचित करतात की मायक्रोस्पोरिडियन राइबोसोम्सने एक न्यूक्लियोटाइड बाइंडिंग साइट विकसित केली आहे जी AMP रेणूंना बांधते आणि राइबोसोमल रचनेत प्रथिने-प्रथिने परस्परसंवाद स्थिर करण्यासाठी त्यांचा वापर करते. मायक्रोस्पोरिडियामध्ये या बंधन साइटचे उच्च संवर्धन आणि इतर युकेरियोट्समध्ये त्याची अनुपस्थिती सूचित करते की ही साइट मायक्रोस्पोरिडियासाठी निवडक जगण्याचा फायदा प्रदान करू शकते. अशाप्रकारे, मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोममधील न्यूक्लियोटाइड-बाइंडिंग पॉकेट पूर्वी वर्णन केल्याप्रमाणे rRNA क्षयचे क्षीण वैशिष्ट्य किंवा अंतिम स्वरूप असल्याचे दिसून येत नाही, तर एक उपयुक्त उत्क्रांतीवादी नवोपक्रम आहे जो मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमला थेट लहान रेणूंना बांधण्यास अनुमती देतो, त्यांचा आण्विक बिल्डिंग ब्लॉक म्हणून वापर करतो. राइबोसोम्ससाठी बिल्डिंग ब्लॉक्स. या शोधामुळे मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोम हा एकमेव राइबोसोम बनतो जो त्याच्या स्ट्रक्चरल बिल्डिंग ब्लॉक म्हणून एकाच न्यूक्लियोटाइडचा वापर करण्यासाठी ओळखला जातो. f न्यूक्लियोटाइड बाइंडिंगपासून मिळवलेला काल्पनिक उत्क्रांती मार्ग.
दुसरा कमी आण्विक वजन घनता राइबोसोमल प्रथिने uL9 आणि eL30 (आकृती 5a) मधील इंटरफेसवर स्थित आहे. या इंटरफेसचे वर्णन पूर्वी सॅकॅरोमायसेस सेरेव्हिसिया राइबोसोमच्या रचनेत rRNA A3186 (ES39L rRNA विस्ताराचा भाग)38 च्या 25S न्यूक्लियोटाइडसाठी बंधनकारक स्थळ म्हणून केले गेले होते. असे दिसून आले की डीजनरेटेड P. लोकस्टे ES39L राइबोसोममध्ये, हा इंटरफेस एका अज्ञात सिंगल न्यूक्लियोटाइड 31 ला बांधतो आणि असे गृहीत धरले जाते की हा न्यूक्लियोटाइड rRNA चा कमी केलेला अंतिम प्रकार आहे, ज्यामध्ये rRNA ची लांबी ~130-230 बेस आहे. ES39L एका सिंगल न्यूक्लियोटाइड 32.43 पर्यंत कमी केला आहे. आमच्या क्रायो-EM प्रतिमा न्यूक्लियोटाइड्सद्वारे घनता स्पष्ट केली जाऊ शकते या कल्पनेला समर्थन देतात. तथापि, आमच्या संरचनेच्या उच्च रिझोल्यूशनने दर्शविले की हा न्यूक्लियोटाइड एक एक्स्ट्रारिबोसोमल रेणू आहे, कदाचित AMP (आकृती 5a, b).
त्यानंतर आम्ही विचारले की न्यूक्लियोटाइड बंधन साइट E. cuniculi ribosome मध्ये दिसली की ती पूर्वी अस्तित्वात होती. eL30 ribosomal प्रथिनातील Phe170 आणि Lys172 अवशेषांद्वारे न्यूक्लियोटाइड बंधन मुख्यतः मध्यस्थी केले जात असल्याने, आम्ही 4396 प्रतिनिधी युकेरियोट्समध्ये या अवशेषांच्या संवर्धनाचे मूल्यांकन केले. वरील uL15 च्या बाबतीत, आम्हाला आढळले की Phe170 आणि Lys172 अवशेष केवळ ठराविक मायक्रोस्पोरिडियामध्ये अत्यंत संरक्षित आहेत, परंतु इतर युकेरियोट्समध्ये अनुपस्थित आहेत, ज्यामध्ये असामान्य मायक्रोस्पोरिडिया मिटोस्पोरिडियम आणि अँफिआम्ब्लिस समाविष्ट आहेत, ज्यामध्ये ES39L rRNA तुकडा कमी होत नाही 44, 45, 46 (आकृती 5c). -e).
एकत्रितपणे, हे डेटा या कल्पनेला समर्थन देतात की ई. क्युनिक्युली आणि कदाचित इतर कॅनोनिकल मायक्रोस्पोरिडियाने आरआरएनए आणि प्रथिन पातळीतील घट भरून काढण्यासाठी राइबोसोम रचनेत मोठ्या संख्येने लहान चयापचयांना कार्यक्षमतेने कॅप्चर करण्याची क्षमता विकसित केली आहे. असे करताना, त्यांनी राइबोसोमच्या बाहेर न्यूक्लियोटाइड्स बांधण्याची एक अद्वितीय क्षमता विकसित केली आहे, हे दर्शविते की परजीवी आण्विक संरचना मुबलक लहान चयापचयांना कॅप्चर करून आणि त्यांचा क्षय झालेल्या आरएनए आणि प्रथिन तुकड्यांच्या संरचनात्मक नक्कल म्हणून वापर करून भरपाई करतात.
आमच्या क्रायो-ईएम नकाशाचा तिसरा अनसिम्युलेटेड भाग, जो मोठ्या राइबोसोमल सबयुनिटमध्ये आढळतो. आमच्या नकाशातील तुलनेने उच्च रिझोल्यूशन (2.6 Å) सूचित करते की ही घनता मोठ्या बाजूच्या साखळी अवशेषांच्या अद्वितीय संयोजनांसह असलेल्या प्रथिनांची आहे, ज्यामुळे आम्हाला ही घनता पूर्वी अज्ञात राइबोसोमल प्रथिन म्हणून ओळखता आली जी आम्ही ओळखली होती. त्याला msL2 (मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट प्रथिने L2) असे नाव देण्यात आले (पद्धती, आकृती 6). आमच्या होमोलॉजी शोधात असे दिसून आले की msL2 एन्सेफॅलिटर आणि ओरोस्पोरिडियम वंशाच्या मायक्रोस्पोरिडिया क्लेडमध्ये संरक्षित आहे, परंतु इतर मायक्रोस्पोरिडियासह इतर प्रजातींमध्ये अनुपस्थित आहे. राइबोसोमल रचनेत, msL2 विस्तारित ES31L rRNA च्या नुकसानामुळे तयार झालेली अंतर व्यापते. या रिक्ततेमध्ये, msL2 rRNA फोल्डिंग स्थिर करण्यास मदत करते आणि ES31L च्या नुकसानाची भरपाई करू शकते (आकृती 6).
a इलेक्ट्रॉन घनता आणि E. cuniculi ribosomes मध्ये आढळणारे मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट राइबोसोमल प्रथिन msL2 चे मॉडेल. b बहुतेक युकेरियोटिक राइबोसोम्स, ज्यामध्ये Saccharomyces cerevisiae चे 80S राइबोसोम समाविष्ट आहे, बहुतेक मायक्रोस्पोरिडियन प्रजातींमध्ये ES19L rRNA प्रवर्धन गमावले आहे. V. necatrix microsporidia ribosome ची पूर्वी स्थापित रचना सूचित करते की या परजीवींमध्ये ES19L चे नुकसान नवीन msL1 राइबोसोमल प्रथिनाच्या उत्क्रांतीद्वारे भरपाई केली जाते. या अभ्यासात, आम्हाला आढळले की E. cuniculi ribosome ने ES19L च्या नुकसानाची स्पष्ट भरपाई म्हणून अतिरिक्त राइबोसोमल RNA नक्कल करणारे प्रथिने देखील विकसित केले. तथापि, msL2 (सध्या काल्पनिक ECU06_1135 प्रथिने म्हणून भाष्य केलेले) आणि msL1 चे संरचनात्मक आणि उत्क्रांतीवादी मूळ वेगवेगळे आहेत. c उत्क्रांतीशी संबंधित नसलेल्या msL1 आणि msL2 राइबोसोमल प्रथिनांच्या निर्मितीचा हा शोध सूचित करतो की जर राइबोसोम्स त्यांच्या rRNA मध्ये हानिकारक उत्परिवर्तन जमा करतात, तर ते जवळून संबंधित प्रजातींच्या एका लहान उपसमूहात देखील अभूतपूर्व पातळीच्या रचनात्मक विविधतेचे साध्य करू शकतात. हा शोध माइटोकॉन्ड्रियल राइबोसोमची उत्पत्ती आणि उत्क्रांती स्पष्ट करण्यास मदत करू शकतो, जो त्याच्या अत्यंत कमी झालेल्या rRNA आणि प्रजातींमध्ये प्रथिन रचनेत असामान्य परिवर्तनशीलतेसाठी ओळखला जातो.
त्यानंतर आम्ही msL2 प्रथिनाची तुलना पूर्वी वर्णन केलेल्या msL1 प्रथिनाशी केली, जो V. necatrix ribosome मध्ये आढळणारा एकमेव ज्ञात मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट ribosomal प्रथिन आहे. आम्हाला msL1 आणि msL2 उत्क्रांतीशी संबंधित आहेत का हे तपासायचे होते. आमच्या विश्लेषणातून असे दिसून आले की msL1 आणि msL2 ribosomal संरचनेत समान पोकळी व्यापतात, परंतु त्यांच्या प्राथमिक आणि तृतीयक संरचना वेगवेगळ्या असतात, जे त्यांच्या स्वतंत्र उत्क्रांती उत्पत्तीचे संकेत देतात (आकृती 6). अशाप्रकारे, msL2 चा आमचा शोध पुरावा देतो की कॉम्पॅक्ट युकेरियोटिक प्रजातींचे गट rRNA तुकड्यांच्या नुकसानाची भरपाई करण्यासाठी संरचनात्मकदृष्ट्या वेगळे ribosomal प्रथिन स्वतंत्रपणे विकसित करू शकतात. हा निष्कर्ष लक्षणीय आहे कारण बहुतेक सायटोप्लाज्मिक युकेरियोटिक राइबोसोममध्ये एक अपरिवर्तनीय प्रथिन असते, ज्यामध्ये 81 ribosomal प्रथिनांचा समान कुटुंब समाविष्ट असतो. विस्तारित आरआरएनए विभागांच्या नुकसानाच्या प्रतिसादात मायक्रोस्पोरिडियाच्या विविध क्लेडमध्ये msL1 आणि msL2 दिसणे हे सूचित करते की परजीवीच्या आण्विक रचनेच्या ऱ्हासामुळे परजीवींना भरपाई देणारे उत्परिवर्तन शोधावे लागते, ज्यामुळे अखेरीस वेगवेगळ्या परजीवी लोकसंख्येच्या संरचनांमध्ये त्यांचे अधिग्रहण होऊ शकते.
शेवटी, जेव्हा आमचे मॉडेल पूर्ण झाले, तेव्हा आम्ही E. cuniculi ribosome च्या रचनेची तुलना जीनोम अनुक्रमातून भाकित केलेल्या रचनेशी केली. eL14, eL38, eL41 आणि eS30 यासह अनेक राइबोसोमल प्रथिने पूर्वी E. cuniculi genome मधून गहाळ असल्याचे मानले जात होते कारण E. cuniculi genome मधून त्यांच्या समरूपता स्पष्टपणे दिसून येत नव्हत्या. बहुतेक इतर अत्यंत कमी झालेल्या इंट्रासेल्युलर परजीवी आणि एंडोसिम्बिओन्ट्समध्येही अनेक राइबोसोमल प्रथिनांचे नुकसान होण्याचा अंदाज आहे. उदाहरणार्थ, जरी बहुतेक मुक्त-जिवंत जीवाणूंमध्ये 54 राइबोसोमल प्रथिनांचे समान कुटुंब असते, परंतु या प्रथिन कुटुंबांपैकी फक्त 11 मध्ये यजमान-प्रतिबंधित जीवाणूंच्या प्रत्येक विश्लेषण केलेल्या जीनोममध्ये शोधण्यायोग्य समरूपता असतात. या कल्पनेच्या समर्थनार्थ, V. necatrix आणि P. locustae microsporidia मध्ये राइबोसोमल प्रथिनांचे नुकसान प्रायोगिकरित्या दिसून आले आहे, ज्यामध्ये eL38 आणि eL4131,32 प्रथिनांचा अभाव आहे.
तथापि, आमच्या रचना दर्शवितात की फक्त eL38, eL41 आणि eS30 प्रत्यक्षात E. cuniculi ribosome मध्ये हरवले आहेत. eL14 प्रथिने संरक्षित केली गेली आणि आमच्या संरचनेने हे प्रथिने समरूपता शोधात का सापडले नाही हे दाखवले (आकृती 7). E. cuniculi ribosomes मध्ये, rRNA-विस्तारित ES39L च्या ऱ्हासामुळे eL14 बंधन साइटचा बहुतेक भाग गमावला जातो. ES39L च्या अनुपस्थितीत, eL14 ने त्याची बहुतेक दुय्यम रचना गमावली आणि E. cuniculi आणि S. cerevisiae मध्ये eL14 अनुक्रमाचा फक्त 18% भाग समान होता. हे खराब अनुक्रम जतन करणे उल्लेखनीय आहे कारण Saccharomyces cerevisiae आणि Homo sapiens - 1.5 अब्ज वर्षांच्या अंतराने उत्क्रांत झालेले जीव - eL14 मध्ये समान अवशेषांपैकी 51% पेक्षा जास्त सामायिक करतात. संवर्धनाच्या या असामान्य नुकसानामुळे E. cuniculi eL14 ला सध्या eL1427 राइबोसोमल प्रथिने म्हणून न लिहिता, कल्पित M970_061160 प्रथिने म्हणून का भाष्य केले जाते हे स्पष्ट होते.
आणि मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमने ES39L rRNA विस्तार गमावला, ज्यामुळे eL14 राइबोसोमल प्रोटीन बंधन साइट अंशतः काढून टाकली गेली. ES39L च्या अनुपस्थितीत, eL14 मायक्रोस्पोर प्रोटीन दुय्यम संरचनेचे नुकसान होते, ज्यामध्ये पूर्वीचे rRNA-बंधनकारक α-हेलिक्स किमान लांबीच्या लूपमध्ये क्षीण होते. b बहु-क्रम संरेखन दर्शविते की eL14 प्रथिने युकेरियोटिक प्रजातींमध्ये (यीस्ट आणि मानवी समरूपांमधील 57% अनुक्रम ओळख) अत्यंत संरक्षित आहे, परंतु मायक्रोस्पोरिडियामध्ये (ज्यामध्ये 24% पेक्षा जास्त अवशेष eL14 समरूपाशी एकसारखे नाहीत) खराब संरक्षित आणि विचलित आहेत. S. cerevisiae किंवा H. sapiens पासून). हे खराब अनुक्रम संवर्धन आणि दुय्यम संरचना परिवर्तनशीलता स्पष्ट करते की eL14 समरूप E. cuniculi मध्ये कधीही का आढळले नाही आणि हे प्रथिन E. cuniculi मध्ये का हरवले आहे असे मानले जाते. याउलट, E. cuniculi eL14 पूर्वी एक अनुमानित M970_061160 प्रथिने म्हणून नोंदवले गेले होते. हे निरीक्षण सूचित करते की मायक्रोस्पोरिडिया जीनोम विविधता सध्या जास्त अंदाजित आहे: मायक्रोस्पोरिडियामध्ये हरवलेली काही जीन्स प्रत्यक्षात जतन केली जातात, जरी ती अत्यंत भिन्न स्वरूपात असली तरी; त्याऐवजी, काही जीन्स कृमी-विशिष्ट प्रथिनांसाठी मायक्रोस्पोरिडिया जनुकांसाठी कोड करतात असे मानले जाते (उदा., काल्पनिक प्रथिने M970_061160) प्रत्यक्षात इतर युकेरियोट्समध्ये आढळणाऱ्या अतिशय वैविध्यपूर्ण प्रथिनांसाठी कोड करतात.
या निष्कर्षावरून असे सूचित होते की rRNA विकृतीकरणामुळे लगतच्या राइबोसोमल प्रथिनांमध्ये अनुक्रम संवर्धनाचे नाट्यमय नुकसान होऊ शकते, ज्यामुळे ही प्रथिने समरूपता शोधण्यासाठी अदृश्य होतात. अशाप्रकारे, आपण लहान जीनोम जीवांमध्ये आण्विक ऱ्हासाच्या वास्तविक प्रमाणात जास्त अंदाज लावू शकतो, कारण काही प्रथिने नष्ट झाल्याचे मानले जाते ते प्रत्यक्षात टिकून राहतात, जरी अत्यंत बदललेल्या स्वरूपात.
अत्यंत जीनोम रिडक्शनच्या परिस्थितीत परजीवी त्यांच्या आण्विक यंत्रांचे कार्य कसे टिकवून ठेवू शकतात? आमचा अभ्यास या प्रश्नाचे उत्तर ई. क्युनिक्युलीच्या जटिल आण्विक रचनेचे (रायबोसोम) वर्णन करून देतो, जो सर्वात लहान युकेरियोटिक जीनोमपैकी एक आहे.
जवळजवळ दोन दशकांपासून हे ज्ञात आहे की सूक्ष्मजीव परजीवींमधील प्रथिने आणि आरएनए रेणू बहुतेकदा मुक्त-जिवंत प्रजातींमधील त्यांच्या समरूप रेणूंपेक्षा वेगळे असतात कारण त्यांच्याकडे गुणवत्ता नियंत्रण केंद्रे नसतात, मुक्त-जिवंत सूक्ष्मजीवांमध्ये त्यांच्या आकाराच्या 50% पर्यंत कमी होतात, इत्यादी. अनेक दुर्बल उत्परिवर्तन जे घडी आणि कार्य बिघडवतात. उदाहरणार्थ, लहान जीनोम जीवांच्या राइबोसोममध्ये, ज्यामध्ये अनेक इंट्रासेल्युलर परजीवी आणि एंडोसिम्बिओन्ट्स समाविष्ट आहेत, मुक्त-जिवंत प्रजातींच्या तुलनेत अनेक राइबोसोमल प्रथिने आणि एक तृतीयांश rRNA न्यूक्लियोटाइड्सची कमतरता असण्याची अपेक्षा आहे 27, 29, 30, 49. तथापि, परजीवींमध्ये हे रेणू कसे कार्य करतात हे मुख्यत्वे तुलनात्मक जीनोमिक्सद्वारे अभ्यासले जाते, हे मोठ्या प्रमाणात एक गूढ राहिले आहे.
आमच्या अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की मॅक्रोमोलेक्यूल्सची रचना उत्क्रांतीच्या अनेक पैलू उघड करू शकते जे इंट्रासेल्युलर परजीवी आणि इतर यजमान-प्रतिबंधित जीवांच्या पारंपारिक तुलनात्मक जीनोमिक अभ्यासातून काढणे कठीण आहे (पूरक आकृती 7). उदाहरणार्थ, eL14 प्रथिनाचे उदाहरण दर्शविते की आपण परजीवी प्रजातींमध्ये आण्विक उपकरणाच्या ऱ्हासाच्या वास्तविक प्रमाणात अतिरेकी अंदाज लावू शकतो. एन्सेफॅलिटिक परजीवींमध्ये आता शेकडो मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट जीन्स असल्याचे मानले जाते. तथापि, आमचे निकाल दर्शवितात की यापैकी काही विशिष्ट जीन्स प्रत्यक्षात इतर युकेरियोट्समध्ये सामान्य असलेल्या जनुकांचे अगदी भिन्न प्रकार आहेत. शिवाय, msL2 प्रथिनाचे उदाहरण दर्शविते की आपण नवीन राइबोसोमल प्रथिनांकडे कसे दुर्लक्ष करतो आणि परजीवी आण्विक यंत्रांच्या सामग्रीला कमी लेखतो. लहान रेणूंचे उदाहरण दर्शविते की आपण परजीवी आण्विक संरचनांमधील सर्वात कल्पक नवकल्पनांकडे कसे दुर्लक्ष करू शकतो जे त्यांना नवीन जैविक क्रियाकलाप देऊ शकतात.
एकत्रितपणे, हे परिणाम यजमान-प्रतिबंधित जीवांच्या आण्विक संरचना आणि मुक्त-सजीव जीवांमधील त्यांच्या समकक्षांमधील फरकांबद्दलची आपली समज सुधारतात. आम्ही दाखवतो की आण्विक यंत्रे, ज्यांना कमी, क्षीण आणि विविध दुर्बल उत्परिवर्तनांच्या अधीन मानले जात होते, त्याऐवजी पद्धतशीरपणे दुर्लक्षित केलेल्या असामान्य संरचनात्मक वैशिष्ट्यांचा संच आहे.
दुसरीकडे, ई. क्युनिक्युलीच्या राइबोसोम्समध्ये आढळलेले नॉन-व्हल्की आरआरएनए तुकडे आणि फ्यूज्ड तुकडे असे सूचित करतात की जीनोम रिडक्शनमुळे जीवसृष्टीच्या तीन क्षेत्रांमध्ये जतन केलेल्या मूलभूत आण्विक यंत्रणेचे भाग देखील बदलू शकतात - जवळजवळ ३.५ अब्ज वर्षांच्या प्रजातींच्या स्वतंत्र उत्क्रांतीनंतर.
एंडोसिम्बायोटिक बॅक्टेरियामधील आरएनए रेणूंच्या मागील अभ्यासांच्या प्रकाशात, ई. क्युनिक्युली राइबोसोम्समधील फुगवटा-मुक्त आणि संलग्नित आरआरएनए तुकड्यांमध्ये विशेष रस आहे. उदाहरणार्थ, एफिड एंडोसिम्बायंट बुचनेरा एफिडिकोलामध्ये, आरआरएनए आणि टीआरएनए रेणूंमध्ये ए+टी रचना पूर्वाग्रह आणि नॉन-कॅनोनिकल बेस जोड्यांचे उच्च प्रमाण 20,50 असल्यामुळे तापमान-संवेदनशील संरचना असल्याचे दिसून आले आहे. आरएनएमधील हे बदल, तसेच प्रथिने रेणूंमधील बदल, आता भागीदारांवर एंडोसिम्बायंटच्या अतिनिर्भरतेसाठी आणि एंडोसिम्बायंटच्या उष्णता हस्तांतरित करण्यास असमर्थतेसाठी जबाबदार असल्याचे मानले जाते 21, 23. जरी परजीवी मायक्रोस्पोरिडिया आरआरएनएमध्ये संरचनात्मकदृष्ट्या वेगळे बदल आहेत, तरी या बदलांचे स्वरूप सूचित करते की कमी थर्मल स्थिरता आणि चॅपेरोन प्रथिनांवर जास्त अवलंबित्व हे कमी जीनोम असलेल्या जीवांमध्ये आरएनए रेणूंचे सामान्य वैशिष्ट्य असू शकते.
दुसरीकडे, आमच्या रचना दर्शवितात की परजीवी मायक्रोस्पोरिडियाने व्यापकपणे संरक्षित केलेल्या आरआरएनए आणि प्रथिन तुकड्यांचा प्रतिकार करण्याची एक अद्वितीय क्षमता विकसित केली आहे, ज्यामुळे विघटित आरआरएनए आणि प्रथिन तुकड्यांच्या संरचनात्मक नक्कल म्हणून मुबलक आणि सहज उपलब्ध असलेल्या लहान चयापचयांचा वापर करण्याची क्षमता विकसित झाली आहे. आण्विक संरचना ऱ्हास. . या मताला या वस्तुस्थितीद्वारे समर्थन दिले जाते की ई. क्युनिक्युलीच्या आरआरएनए आणि राइबोसोममधील प्रथिन तुकड्यांच्या नुकसानाची भरपाई करणारे लहान रेणू uL15 आणि eL30 प्रथिनांमधील मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट अवशेषांशी बांधले जातात. हे सूचित करते की लहान रेणूंचे राइबोसोमशी बंधन हे सकारात्मक निवडीचे उत्पादन असू शकते, ज्यामध्ये राइबोसोमल प्रथिनांमधील मायक्रोस्पोरिडिया-विशिष्ट उत्परिवर्तन लहान रेणूंसाठी राइबोसोम्सची आत्मीयता वाढविण्याच्या क्षमतेसाठी निवडले गेले आहे, ज्यामुळे अधिक कार्यक्षम राइबोसोमल जीव होऊ शकतात. या शोधामुळे सूक्ष्मजीव परजीवींच्या आण्विक रचनेत एक स्मार्ट नवोपक्रम दिसून येतो आणि कमी उत्क्रांती असूनही परजीवी आण्विक संरचना त्यांचे कार्य कसे टिकवून ठेवतात याची आम्हाला चांगली समज मिळते.
सध्या, या लहान रेणूंची ओळख अस्पष्ट आहे. मायक्रोस्पोरिडिया प्रजातींमध्ये राइबोसोमल रचनेत या लहान रेणूंचे स्वरूप वेगळे का आहे हे स्पष्ट नाही. विशेषतः, V. necatrix च्या eL20 आणि K172 प्रथिनांमध्ये F170 अवशेष असूनही, E. cuniculi आणि P. locustae च्या राइबोसोममध्ये न्यूक्लियोटाइड बंधन का दिसून येते आणि V. necatrix च्या राइबोसोममध्ये का नाही हे स्पष्ट नाही. हे विलोपन अवशेष 43 uL6 (न्यूक्लियोटाइड बंधन खिशाच्या शेजारी स्थित) मुळे होऊ शकते, जे V. necatrix मध्ये टायरोसिन आहे आणि E. cuniculi आणि P. locustae मध्ये थ्रेओनिन नाही. Tyr43 ची मोठी सुगंधी बाजूची साखळी स्टेरिक ओव्हरलॅपमुळे न्यूक्लियोटाइड बंधनात व्यत्यय आणू शकते. पर्यायी, स्पष्ट न्यूक्लियोटाइड विलोपन क्रायो-EM इमेजिंगच्या कमी रिझोल्यूशनमुळे असू शकते, जे V. necatrix ribosomal तुकड्यांच्या मॉडेलिंगमध्ये अडथळा आणते.
दुसरीकडे, आमचे काम असे सूचित करते की जीनोम क्षय होण्याची प्रक्रिया ही एक शोधक शक्ती असू शकते. विशेषतः, ई. क्युनिक्युली राइबोसोमची रचना असे सूचित करते की मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोममधील आरआरएनए आणि प्रथिन तुकड्यांचे नुकसान उत्क्रांतीवादी दबाव निर्माण करते जे राइबोसोमच्या संरचनेत बदल घडवून आणते. हे प्रकार राइबोसोमच्या सक्रिय स्थानापासून खूप दूर आढळतात आणि इष्टतम राइबोसोम असेंब्ली राखण्यास (किंवा पुनर्संचयित करण्यास) मदत करतात असे दिसते जे अन्यथा कमी झालेल्या आरआरएनएमुळे विस्कळीत होईल. हे सूचित करते की मायक्रोस्पोरिडिया राइबोसोमचा एक मोठा नवोपक्रम जीन ड्रिफ्ट बफर करण्याच्या गरजेत विकसित झाला आहे असे दिसते.
कदाचित हे न्यूक्लियोटाइड बंधनाद्वारे उत्तम प्रकारे स्पष्ट केले आहे, जे आतापर्यंत इतर जीवांमध्ये कधीही दिसून आले नाही. न्यूक्लियोटाइड-बंधन अवशेष सामान्य मायक्रोस्पोरिडियामध्ये असतात, परंतु इतर युकेरियोट्समध्ये नसतात, हे सूचित करते की न्यूक्लियोटाइड-बंधन स्थळे केवळ अदृश्य होण्याची वाट पाहणारे अवशेष नाहीत किंवा वैयक्तिक न्यूक्लियोटाइड्सच्या स्वरूपात पुनर्संचयित करण्यासाठी rRNA साठी अंतिम स्थान नाहीत. त्याऐवजी, ही जागा एक उपयुक्त वैशिष्ट्यासारखी दिसते जी सकारात्मक निवडीच्या अनेक फेऱ्यांमध्ये विकसित झाली असेल. न्यूक्लियोटाइड बंधन स्थळे नैसर्गिक निवडीचे उप-उत्पादन असू शकतात: एकदा ES39L खराब झाले की, ES39L च्या अनुपस्थितीत मायक्रोस्पोरिडियाला इष्टतम राइबोसोम बायोजेनेसिस पुनर्संचयित करण्यासाठी भरपाई मिळविण्यास भाग पाडले जाते. हे न्यूक्लियोटाइड ES39L मधील A3186 न्यूक्लियोटाइडच्या आण्विक संपर्कांची नक्कल करू शकत असल्याने, न्यूक्लियोटाइड रेणू राइबोसोमचा एक बिल्डिंग ब्लॉक बनतो, ज्याचे बंधन eL30 अनुक्रमाच्या उत्परिवर्तनाद्वारे आणखी सुधारले जाते.
पेशीच्या आतल्या परजीवींच्या आण्विक उत्क्रांतीबाबत, आमच्या अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की डार्विनच्या नैसर्गिक निवडीची शक्ती आणि जीनोम क्षयातील अनुवांशिक प्रवाह समांतरपणे कार्य करत नाहीत, तर दोलन करतात. प्रथम, अनुवांशिक प्रवाह जैव रेणूंची महत्त्वाची वैशिष्ट्ये काढून टाकतो, ज्यामुळे भरपाईची अत्यंत आवश्यकता निर्माण होते. जेव्हा परजीवी डार्विनच्या नैसर्गिक निवडीद्वारे ही गरज पूर्ण करतात तेव्हाच त्यांच्या मॅक्रोरेणूंना त्यांचे सर्वात प्रभावी आणि नाविन्यपूर्ण गुणधर्म विकसित करण्याची संधी मिळेल. महत्त्वाचे म्हणजे, ई. क्युनिक्युली राइबोसोममधील न्यूक्लियोटाइड बंधन स्थळांची उत्क्रांती सूचित करते की आण्विक उत्क्रांतीचा हा तोटा-ते-नफा नमुना केवळ हानिकारक उत्परिवर्तनांना कमी करत नाही तर कधीकधी परजीवी मॅक्रोरेणूंना पूर्णपणे नवीन कार्ये प्रदान करतो.
ही कल्पना सेवेल राईटच्या गतिमान समतोल सिद्धांताशी सुसंगत आहे, ज्यामध्ये असे म्हटले आहे की नैसर्गिक निवडीची कठोर प्रणाली जीवांच्या नवोन्मेष करण्याची क्षमता मर्यादित करते51,52,53. तथापि, जर अनुवांशिक प्रवाह नैसर्गिक निवडीला अडथळा आणत असेल, तर हे प्रवाह असे बदल घडवू शकतात जे स्वतःमध्ये अनुकूल (किंवा हानिकारक देखील) नसतात परंतु उच्च तंदुरुस्ती किंवा नवीन जैविक क्रियाकलाप प्रदान करणारे पुढील बदल घडवून आणतात. आमची चौकट या कल्पनेचे समर्थन करते की जैव रेणूंचे पट आणि कार्य कमी करणारे त्याच प्रकारचे उत्परिवर्तन त्याच्या सुधारणेसाठी मुख्य ट्रिगर असल्याचे दिसून येते. विन-विन उत्क्रांती मॉडेलच्या अनुषंगाने, आमचा अभ्यास दर्शवितो की जीनोम क्षय, पारंपारिकपणे एक क्षीण प्रक्रिया म्हणून पाहिले जाते, हे देखील नवोन्मेषाचा एक प्रमुख चालक आहे, कधीकधी आणि कदाचित अनेकदा मॅक्रोमोलेक्यूलना नवीन परजीवी क्रियाकलाप मिळविण्यास अनुमती देते. त्यांचा वापर करू शकतात.