ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.com เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่คุณใช้มีการรองรับ CSS ที่จำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าจะได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงผลไซต์โดยไม่ใช้รูปแบบและ JavaScript
วิวัฒนาการของปรสิตจุลินทรีย์เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาต่อต้านระหว่างการคัดเลือกตามธรรมชาติ ซึ่งทำให้ปรสิตพัฒนาตนเอง และการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม ซึ่งทำให้ปรสิตสูญเสียยีนและสะสมการกลายพันธุ์ที่เป็นอันตราย ที่นี่ เพื่อทำความเข้าใจว่าปฏิกิริยาต่อต้านนี้เกิดขึ้นได้อย่างไรในระดับโมเลกุลขนาดใหญ่เพียงโมเลกุลเดียว เราจะอธิบายโครงสร้าง cryo-EM ของไรโบโซมของ Encephalitozoon cuniculi ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตที่มีจีโนมที่เล็กที่สุดชนิดหนึ่งในธรรมชาติ การลดลงอย่างมากของ rRNA ในไรโบโซมของ E. cuniculi มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน เช่น วิวัฒนาการของตัวเชื่อม rRNA ที่หลอมรวมกันและ rRNA ที่ไม่มีส่วนนูนที่ไม่เคยรู้จักมาก่อน นอกจากนี้ ไรโบโซมของ E. cuniculi ยังอยู่รอดจากการสูญเสียชิ้นส่วนและโปรตีนของ rRNA โดยพัฒนาความสามารถในการใช้โมเลกุลขนาดเล็กเป็นตัวเลียนแบบโครงสร้างของชิ้นส่วนและโปรตีนของ rRNA ที่ย่อยสลาย โดยรวมแล้ว เราแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างโมเลกุลที่เคยคิดว่าลดลง เสื่อมลง และอาจกลายพันธุ์จนทำให้ร่างกายทรุดโทรมนั้นมีกลไกชดเชยหลายอย่างที่ทำให้โครงสร้างโมเลกุลเหล่านั้นยังคงทำงานอยู่แม้จะมีการหดตัวของโมเลกุลอย่างรุนแรง
เนื่องจากกลุ่มปรสิตจุลินทรีย์ส่วนใหญ่มีเครื่องมือทางโมเลกุลเฉพาะตัวในการใช้ประโยชน์จากโฮสต์ของพวกมัน เราจึงมักต้องพัฒนาวิธีการรักษาที่แตกต่างกันสำหรับปรสิตกลุ่มต่างๆ1,2 อย่างไรก็ตาม หลักฐานใหม่บ่งชี้ว่าลักษณะบางประการของวิวัฒนาการของปรสิตนั้นบรรจบกันและคาดเดาได้เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งบ่งชี้ถึงพื้นฐานที่มีศักยภาพสำหรับการแทรกแซงการรักษาที่หลากหลายสำหรับปรสิตจุลินทรีย์3,4,5,6,7,8,9
งานก่อนหน้านี้ระบุแนวโน้มวิวัฒนาการทั่วไปในปรสิตจุลินทรีย์ที่เรียกว่าการลดจีโนมหรือการสลายจีโนม10,11,12,13 การวิจัยปัจจุบันแสดงให้เห็นว่าเมื่อจุลินทรีย์ละทิ้งรูปแบบการใช้ชีวิตอิสระและกลายเป็นปรสิตภายในเซลล์ (หรือเอนโดซิมไบโอนต์) จีโนมของจุลินทรีย์จะผ่านการเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ แต่มหัศจรรย์ตลอดหลายล้านปี9,11 ในกระบวนการที่เรียกว่าการสลายจีโนม ปรสิตจุลินทรีย์จะสะสมการกลายพันธุ์ที่เป็นอันตรายซึ่งเปลี่ยนยีนที่สำคัญก่อนหน้านี้จำนวนมากให้กลายเป็นยีนเทียม นำไปสู่การสูญเสียยีนอย่างช้าๆ และการล่มสลายของการกลายพันธุ์14,15 การล่มสลายนี้สามารถทำลายยีนได้ถึง 95% ในสิ่งมีชีวิตภายในเซลล์ที่เก่าแก่ที่สุดเมื่อเปรียบเทียบกับสิ่งมีชีวิตอิสระที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด ดังนั้นวิวัฒนาการของปรสิตภายในเซลล์จึงเป็นการดึงดันระหว่างสองแรงตรงข้ามกัน: การคัดเลือกตามธรรมชาติของดาร์วิน นำไปสู่การพัฒนาปรสิต และการล่มสลายของจีโนม ส่งผลให้ปรสิตหายไป ยังไม่ชัดเจนว่าปรสิตสามารถโผล่ออกมาจากการดึงดันครั้งนี้ได้อย่างไร และรักษาการทำงานของโครงสร้างโมเลกุลเอาไว้ได้อย่างไร
แม้ว่ากลไกของการสลายตัวของจีโนมจะยังไม่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ แต่ดูเหมือนว่าจะเกิดขึ้นเป็นหลักเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่เกิดขึ้นบ่อยครั้ง เนื่องจากปรสิตอาศัยอยู่ในกลุ่มประชากรขนาดเล็ก ไร้เพศ และมีจำนวนจำกัดทางพันธุกรรม จึงไม่สามารถกำจัดการกลายพันธุ์ที่เป็นอันตรายซึ่งบางครั้งเกิดขึ้นระหว่างการจำลองดีเอ็นเอได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้เกิดการสะสมของการกลายพันธุ์ที่เป็นอันตรายอย่างไม่สามารถย้อนกลับได้และการลดลงของจีโนมของปรสิต ส่งผลให้ปรสิตไม่เพียงแต่สูญเสียยีนที่ไม่จำเป็นต่อการอยู่รอดในสภาพแวดล้อมภายในเซลล์เท่านั้น แต่เป็นเพราะประชากรปรสิตไม่สามารถกำจัดการกลายพันธุ์ที่เป็นอันตรายเป็นระยะๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นสาเหตุที่การกลายพันธุ์เหล่านี้สะสมอยู่ทั่วทั้งจีโนม รวมถึงยีนที่สำคัญที่สุดของปรสิตด้วย
ความเข้าใจของเราในปัจจุบันเกี่ยวกับการลดจำนวนจีโนมส่วนใหญ่นั้นขึ้นอยู่กับการเปรียบเทียบลำดับจีโนมเท่านั้น โดยให้ความสนใจน้อยลงกับการเปลี่ยนแปลงในโมเลกุลจริงที่ทำหน้าที่ดูแลและทำหน้าที่เป็นเป้าหมายของยาที่มีศักยภาพ การศึกษาเปรียบเทียบแสดงให้เห็นว่าภาระของการกลายพันธุ์ภายในเซลล์ของจุลินทรีย์ที่เป็นอันตรายดูเหมือนจะทำให้โปรตีนและกรดนิวคลีอิกมีแนวโน้มที่จะพับผิดรูปและรวมตัวกัน ทำให้โปรตีนและกรดนิวคลีอิกต้องพึ่งพาแชเปอโรนมากขึ้นและไวต่อความร้อนเป็นพิเศษ19,20,21,22,23 นอกจากนี้ ปรสิตต่างๆ ซึ่งวิวัฒนาการแยกกันบางครั้งห่างกันถึง 2,500 ล้านปี ก็ประสบกับการสูญเสียศูนย์ควบคุมคุณภาพในการสังเคราะห์โปรตีน5,6 และกลไกการซ่อมแซมดีเอ็นเอ24 ในลักษณะเดียวกัน อย่างไรก็ตาม เราทราบเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับผลกระทบของวิถีชีวิตภายในเซลล์ต่อคุณสมบัติอื่นๆ ทั้งหมดของโมเลกุลขนาดใหญ่ในเซลล์ รวมถึงการปรับตัวของโมเลกุลต่อภาระที่เพิ่มขึ้นของการกลายพันธุ์ที่เป็นอันตราย
ในงานนี้ เพื่อให้เข้าใจวิวัฒนาการของโปรตีนและกรดนิวคลีอิกของจุลินทรีย์ภายในเซลล์ได้ดีขึ้น เราได้กำหนดโครงสร้างของไรโบโซมของปรสิตภายในเซลล์ Encephalitozoon cuniculi E. cuniculi เป็นสิ่งมีชีวิตคล้ายเชื้อราที่อยู่ในกลุ่มของไมโครสปอริเดียปรสิตที่มีจีโนมยูคาริโอตที่เล็กผิดปกติ จึงใช้เป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบในการศึกษาการสลายตัวของจีโนม25,26,27,28,29,30 เมื่อไม่นานมานี้ ได้มีการกำหนดโครงสร้างไรโบโซม cryo-EM สำหรับจีโนมที่ลดลงปานกลางของ Microsporidia, Paranosema locustae และ Vairimorpha necatrix31,32 (จีโนม ~3.2 Mb) โครงสร้างเหล่านี้บ่งชี้ว่าการสูญเสียการขยายของ rRNA บางส่วนได้รับการชดเชยด้วยการพัฒนาการติดต่อใหม่ระหว่างโปรตีนไรโบโซมที่อยู่ใกล้เคียงหรือการได้รับโปรตีนไรโบโซม msL131,32 ใหม่ Encephalitozoon สปีชีส์ (จีโนม ~2.5 ล้านคู่เบส) ร่วมกับ Ordospora ซึ่งเป็นญาติใกล้ชิดที่สุด แสดงให้เห็นระดับสูงสุดของการลดจีโนมในยูคาริโอต พวกมันมียีนที่เข้ารหัสโปรตีนน้อยกว่า 2,000 ยีน และคาดว่าไรโบโซมของพวกมันไม่เพียงแต่ไม่มีชิ้นส่วนขยาย rRNA (ชิ้นส่วน rRNA ที่แยกไรโบโซมยูคาริโอตจากไรโบโซมแบคทีเรีย) ยังมีโปรตีนไรโบโซมสี่ตัวเนื่องจากไม่มีโฮโมล็อกในจีโนมของ E. cuniculi26,27,28 ดังนั้น เราจึงสรุปได้ว่าไรโบโซมของ E. cuniculi สามารถเปิดเผยกลยุทธ์ที่ไม่เคยรู้จักมาก่อนสำหรับการปรับตัวของโมเลกุลต่อการสลายตัวของจีโนม
โครงสร้าง cryo-EM ของเราแสดงถึงไรโบโซมไซโตพลาสซึมของยูคาริโอตที่เล็กที่สุดที่ได้รับการระบุลักษณะ และให้ข้อมูลเชิงลึกว่าระดับสูงสุดของการลดขนาดจีโนมส่งผลต่อโครงสร้าง การประกอบ และวิวัฒนาการของเครื่องจักรระดับโมเลกุลที่เป็นส่วนหนึ่งของเซลล์อย่างไร เราพบว่าไรโบโซมของ E. cuniculi ละเมิดหลักการหลายประการที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้อย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการพับ RNA และการประกอบไรโบโซม และค้นพบโปรตีนไรโบโซมชนิดใหม่ที่ไม่เคยรู้จักมาก่อน เราพบว่าไรโบโซมของไมโครสปอริเดียได้พัฒนาความสามารถในการจับโมเลกุลขนาดเล็กอย่างไม่คาดคิด และตั้งสมมติฐานว่าการตัดทอนใน rRNA และโปรตีนจะกระตุ้นให้เกิดนวัตกรรมวิวัฒนาการที่อาจมอบคุณสมบัติที่มีประโยชน์ให้กับไรโบโซมในที่สุด
เพื่อปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิวัฒนาการของโปรตีนและกรดนิวคลีอิกในสิ่งมีชีวิตภายในเซลล์ เราจึงตัดสินใจแยกสปอร์ของ E. cuniculi จากวัฒนธรรมของเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่ติดเชื้อ เพื่อทำการชำระไรโบโซมและกำหนดโครงสร้างของไรโบโซมเหล่านี้ เป็นเรื่องยากที่จะได้ไมโครสปอริเดียปรสิตจำนวนมาก เนื่องจากไม่สามารถเพาะเลี้ยงไมโครสปอริเดียในอาหารเลี้ยงเชื้อได้ ในทางกลับกัน ไมโครสปอริเดียจะเจริญเติบโตและสืบพันธุ์ภายในเซลล์โฮสต์เท่านั้น ดังนั้น เพื่อให้ได้ชีวมวลของ E. cuniculi สำหรับการชำระไรโบโซม เราจึงติดเชื้อเซลล์ไต RK13 ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมด้วยสปอร์ของ E. cuniculi และเพาะเลี้ยงเซลล์ที่ติดเชื้อเหล่านี้เป็นเวลาหลายสัปดาห์เพื่อให้ E. cuniculi เจริญเติบโตและขยายพันธุ์ได้ โดยใช้เซลล์โมโนเลเยอร์ที่ติดเชื้อขนาดประมาณครึ่งตารางเมตร เราสามารถชำระสปอร์ของไมโครสปอริเดียได้ประมาณ 300 มก. และนำไปใช้ในการแยกไรโบโซม จากนั้นเราจึงทำลายสปอร์ที่บริสุทธิ์ด้วยลูกปัดแก้วและแยกไรโบโซมดิบโดยใช้การแยกส่วนไลเสทด้วยโพลีเอทิลีนไกลคอลแบบขั้นตอน วิธีนี้ทำให้เราได้ไรโบโซมดิบของ E. cuniculi ประมาณ 300 ไมโครกรัมสำหรับการวิเคราะห์โครงสร้าง
จากนั้นเราจึงรวบรวมภาพ cryo-EM โดยใช้ตัวอย่างไรโบโซมที่ได้ และประมวลผลภาพเหล่านี้โดยใช้มาสก์ที่สอดคล้องกับซับยูนิตไรโบโซมขนาดใหญ่ ส่วนหัวของซับยูนิตขนาดเล็ก และซับยูนิตขนาดเล็ก ในระหว่างกระบวนการนี้ เราได้รวบรวมภาพของอนุภาคไรโบโซมประมาณ 108,000 อนุภาค และคำนวณภาพ cryo-EM ด้วยความละเอียด 2.7 Å (ภาพเสริม 1-3) จากนั้นเราจึงใช้ภาพ cryoEM เพื่อสร้างแบบจำลอง rRNA โปรตีนไรโบโซม และปัจจัยจำศีล Mdf1 ที่เกี่ยวข้องกับไรโบโซมของ E. cuniculi (รูปที่ 1a, b)
โครงสร้างของไรโบโซมของ E. cuniculi ที่มีคอมเพล็กซ์กับปัจจัยจำศีล Mdf1 (pdb id 7QEP) b แผนที่ปัจจัยจำศีล Mdf1 ที่เกี่ยวข้องกับไรโบโซมของ E. cuniculi c แผนที่โครงสร้างทุติยภูมิที่เปรียบเทียบ rRNA ที่กู้คืนได้ในสปีชีส์ไมโครสปอริเดียนกับโครงสร้างไรโบโซมที่ทราบ แผงแสดงตำแหน่งของชิ้นส่วน rRNA ที่ถูกขยาย (ES) และตำแหน่งที่ใช้งานของไรโบโซม รวมถึงตำแหน่งถอดรหัส (DC) ห่วงซาร์ซินิซิน (SRL) และศูนย์กลางเปปติดิลทรานสเฟอเรส (PTC) d ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่สอดคล้องกับศูนย์กลางเปปติดิลทรานสเฟอเรสของไรโบโซมของ E. cuniculi แสดงให้เห็นว่าตำแหน่งเร่งปฏิกิริยานี้มีโครงสร้างเดียวกันในปรสิตของ E. cuniculi และโฮสต์ของมัน รวมถึง H. sapiens e, f ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่สอดคล้องกันของศูนย์ถอดรหัส (e) และโครงสร้างแผนผังของศูนย์ถอดรหัส (f) บ่งชี้ว่า E. cuniculi มีสารตกค้าง U1491 แทนที่จะเป็น A1491 (การนับ E. coli) ในยูคาริโอตอื่นๆ มากมาย การเปลี่ยนแปลงนี้บ่งชี้ว่า E. cuniculi อาจไวต่อยาปฏิชีวนะที่กำหนดเป้าหมายที่ไซต์ที่ใช้งานนี้
ตรงกันข้ามกับโครงสร้างที่จัดทำไว้ก่อนหน้านี้ของไรโบโซมของ V. necatrix และ P. locustae (โครงสร้างทั้งสองแสดงถึงวงศ์ Microsporidia Nosematidae เดียวกันและมีความคล้ายคลึงกันมาก) ไรโบโซมของ E. cuniculi จำนวน 31,32 ตัวจะผ่านกระบวนการต่างๆ มากมายของ rRNA และการแยกส่วนของโปรตีน การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเพิ่มเติม (ภาพเสริม 4-6) ใน rRNA การเปลี่ยนแปลงที่เด่นชัดที่สุด ได้แก่ การสูญเสียส่วน ES12L ของ 25S rRNA ที่ขยายใหญ่ทั้งหมด และการเสื่อมสลายบางส่วนของเฮลิกซ์ h39, h41 และ H18 (รูปที่ 1c, รูปที่เสริม 4) ในบรรดาโปรตีนไรโบโซม การเปลี่ยนแปลงที่สะดุดตาที่สุด ได้แก่ การสูญเสียโปรตีน eS30 ทั้งหมดและการหดตัวของโปรตีน eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 และ eS7 (ภาพเสริม 4, 5)
ดังนั้น การลดลงอย่างมากของจีโนมของสปีชีส์ Encephalotozoon/Ordospora สะท้อนให้เห็นในโครงสร้างไรโบโซมของพวกมัน: ไรโบโซมของ E. cuniculi ประสบกับการสูญเสียปริมาณโปรตีนที่รุนแรงที่สุดในไรโบโซมไซโตพลาสซึมของยูคาริโอตที่อยู่ภายใต้การกำหนดลักษณะโครงสร้าง และพวกมันไม่มีแม้แต่ rRNA และชิ้นส่วนโปรตีนที่ได้รับการอนุรักษ์อย่างกว้างขวางไม่เพียงแต่ในยูคาริโอตเท่านั้น แต่ยังอยู่ในสามโดเมนของสิ่งมีชีวิต โครงสร้างของไรโบโซมของ E. cuniculi ให้แบบจำลองโมเลกุลแรกสำหรับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้และเปิดเผยเหตุการณ์วิวัฒนาการที่ถูกมองข้ามทั้งจากจีโนมิกส์เปรียบเทียบและการศึกษาโครงสร้างชีวโมเลกุลภายในเซลล์ (รูปเสริมที่ 7) ด้านล่างนี้ เราจะอธิบายเหตุการณ์เหล่านี้แต่ละเหตุการณ์พร้อมกับต้นกำเนิดวิวัฒนาการที่เป็นไปได้และผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นต่อการทำงานของไรโบโซม
จากนั้นเราพบว่า นอกจากการตัดทอน rRNA ขนาดใหญ่แล้ว ไรโบโซมของ E. cuniculi ยังมีการเปลี่ยนแปลงของ rRNA ที่ตำแหน่งที่ใช้งานตำแหน่งหนึ่ง แม้ว่าศูนย์กลาง peptidyl transferase ของไรโบโซมของ E. cuniculi จะมีโครงสร้างเดียวกันกับไรโบโซมยูคาริโอตอื่นๆ (รูปที่ 1d) แต่ศูนย์กลางการถอดรหัสจะแตกต่างกันเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงลำดับที่นิวคลีโอไทด์ 1491 (การนับจำนวนของ E. coli รูปที่ 1e, f) การสังเกตนี้มีความสำคัญเนื่องจากตำแหน่งการถอดรหัสของไรโบโซมยูคาริโอตโดยทั่วไปมีสารตกค้าง G1408 และ A1491 เมื่อเปรียบเทียบกับสารตกค้างประเภทแบคทีเรีย A1408 และ G1491 การเปลี่ยนแปลงนี้เป็นสาเหตุของความไวที่แตกต่างกันของไรโบโซมแบคทีเรียและยูคาริโอตต่อกลุ่มอะมิโนไกลโคไซด์ของยาปฏิชีวนะไรโบโซมและโมเลกุลขนาดเล็กอื่นๆ ที่กำหนดเป้าหมายที่ตำแหน่งการถอดรหัส ที่ตำแหน่งถอดรหัสของไรโบโซมของ E. cuniculi กรดอะมิโน A1491 ถูกแทนที่ด้วย U1491 ซึ่งอาจสร้างอินเทอร์เฟซการจับที่เป็นเอกลักษณ์สำหรับโมเลกุลขนาดเล็กที่กำหนดเป้าหมายที่ตำแหน่งที่ใช้งานนี้ ตัวแปร A14901 เดียวกันนี้ยังปรากฏอยู่ในไมโครสปอริเดียชนิดอื่น เช่น P. locustae และ V. necatrix ซึ่งแสดงให้เห็นว่าตัวแปรนี้แพร่หลายในสายพันธุ์ไมโครสปอริเดีย (รูปที่ 1f)
เนื่องจากตัวอย่างไรโบโซมของ E. cuniculi ของเราถูกแยกออกมาจากสปอร์ที่ไม่มีการทำงานทางเมตาบอลิซึม เราจึงทดสอบแผนที่ cryo-EM ของ E. cuniculi สำหรับการจับของไรโบโซมภายใต้สภาวะเครียดหรืออดอาหารตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ ปัจจัยการจำศีล 31, 32, 36, 37, 38 เราจับคู่โครงสร้างที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้ของไรโบโซมที่จำศีลกับแผนที่ cryo-EM ของไรโบโซมของ E. cuniculi สำหรับการเชื่อมต่อ ไรโบโซมของ S. cerevisiae ถูกใช้ร่วมกับปัจจัยการจำศีล Stm138 ไรโบโซมของโลคัสต์ถูกใช้ร่วมกับปัจจัย Lso232 และไรโบโซมของ V. necatrix ถูกใช้ร่วมกับปัจจัย Mdf1 และ Mdf231 ในเวลาเดียวกัน เราพบความหนาแน่นของ cryo-EM ที่สอดคล้องกับปัจจัยส่วนที่เหลือ Mdf1 คล้ายกับการจับกันของ Mdf1 กับไรโบโซมของ V. necatrix Mdf1 ยังจับกับไรโบโซมของ E. cuniculi อีกด้วย โดยจะปิดกั้นตำแหน่ง E ของไรโบโซม ซึ่งอาจช่วยให้ไรโบโซมพร้อมใช้งานได้เมื่อสปอร์ของปรสิตไม่มีการทำงานเนื่องจากร่างกายไม่ทำงาน (รูปที่ 2)
Mdf1 ปิดกั้นไซต์ E ของไรโบโซม ซึ่งดูเหมือนจะช่วยทำให้ไรโบโซมไม่ทำงานเมื่อสปอร์ของปรสิตไม่ทำงานในการเผาผลาญ ในโครงสร้างของไรโบโซมของ E. cuniculi เราพบว่า Mdf1 สร้างการสัมผัสที่ไม่เคยปรากฏมาก่อนกับก้านไรโบโซม L1 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของไรโบโซมที่อำนวยความสะดวกในการปลดปล่อย tRNA ที่ถูกดีอะซิเลตจากไรโบโซมในระหว่างการสังเคราะห์โปรตีน การสัมผัสเหล่านี้บ่งชี้ว่า Mdf1 แยกตัวออกจากไรโบโซมโดยใช้กลไกเดียวกันกับ tRNA ที่ถูกดีอะซิเตล ซึ่งให้คำอธิบายที่เป็นไปได้ว่าไรโบโซมกำจัด Mdf1 ออกไปเพื่อกระตุ้นการสังเคราะห์โปรตีนได้อย่างไร
อย่างไรก็ตาม โครงสร้างของเราเผยให้เห็นการสัมผัสที่ไม่ทราบแน่ชัดระหว่าง Mdf1 กับขาของไรโบโซม L1 (ส่วนของไรโบโซมที่ช่วยปลดปล่อย tRNA ที่ถูกดีอะซิเลตจากไรโบโซมในระหว่างการสังเคราะห์โปรตีน) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Mdf1 ใช้การสัมผัสแบบเดียวกันกับส่วนโค้งของโมเลกุล tRNA ที่ถูกดีอะซิเลต (รูปที่ 2) การสร้างแบบจำลองโมเลกุลที่ไม่ทราบแน่ชัดนี้แสดงให้เห็นว่า Mdf1 แยกตัวออกจากไรโบโซมโดยใช้กลไกเดียวกันกับ tRNA ที่ถูกดีอะซิเลต ซึ่งอธิบายได้ว่าไรโบโซมกำจัดปัจจัยจำศีลนี้เพื่อกระตุ้นการสังเคราะห์โปรตีนอีกครั้งได้อย่างไร
เมื่อสร้างแบบจำลอง rRNA เราพบว่าไรโบโซมของ E. cuniculi มีชิ้นส่วน rRNA ที่พับผิดปกติ ซึ่งเราเรียกว่า rRNA แบบหลอมรวม (รูปที่ 3) ในไรโบโซมที่ครอบคลุมทั้งสามโดเมนของชีวิต rRNA จะพับเป็นโครงสร้างที่เบสของ rRNA ส่วนใหญ่จับคู่เบสและพับเข้าหากันหรือโต้ตอบกับโปรตีนไรโบโซม38,39,40 อย่างไรก็ตาม ในไรโบโซมของ E. cuniculi rRNA ดูเหมือนจะละเมิดหลักการพับนี้โดยแปลงเฮลิกซ์บางส่วนเป็นบริเวณ rRNA ที่ยังไม่พับ
โครงสร้างของเฮลิกซ์ rRNA H18 25S ใน S. cerevisiae, V. necatrix และ E. cuniculi โดยทั่วไปในไรโบโซมที่ครอบคลุมโดเมนชีวิตทั้งสาม ลิงก์เกอร์นี้จะขดเป็นเฮลิกซ์ RNA ที่มีกรดอะมิโน 24 ถึง 34 ตัว ในทางตรงกันข้าม ใน Microsporidia ลิงก์เกอร์ rRNA นี้จะค่อยๆ ลดขนาดลงเหลือเพียงลิงก์เกอร์สายเดี่ยวที่มียูริดีนสูง 2 ตัวที่มีกรดอะมิโนเพียง 12 ตัว กรดอะมิโนเหล่านี้ส่วนใหญ่จะสัมผัสกับตัวทำละลาย รูปภาพแสดงให้เห็นว่าไมโครสปอริเดียปรสิตดูเหมือนจะละเมิดหลักการทั่วไปของการพับ rRNA ซึ่งเบสของ rRNA มักจะจับคู่กับเบสอื่นหรือมีส่วนเกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ระหว่าง rRNA และโปรตีน ในไมโครสปอริเดีย ชิ้นส่วน rRNA บางชิ้นจะพับในลักษณะที่ไม่พึงประสงค์ โดยเฮลิกซ์ rRNA เดิมจะกลายเป็นชิ้นส่วนสายเดี่ยวที่ยืดออกเกือบเป็นเส้นตรง การมีอยู่ของภูมิภาคที่ผิดปกติเหล่านี้ทำให้ microsporidia rRNA สามารถจับชิ้นส่วน rRNA ที่อยู่ห่างไกลได้โดยใช้เบส RNA จำนวนน้อยที่สุด
ตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุดของการเปลี่ยนแปลงทางวิวัฒนาการนี้สังเกตได้ในเฮลิกซ์ rRNA 25S ของ H18 (รูปที่ 3) ในสปีชีส์จาก E. coli ไปสู่มนุษย์ เบสของเฮลิกซ์ rRNA นี้มีนิวคลีโอไทด์ 24-32 ตัว ซึ่งก่อตัวเป็นเฮลิกซ์ที่ไม่สม่ำเสมอเล็กน้อย ในโครงสร้างไรโบโซมที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้จาก V. necatrix และ P. locustae31,32 เบสของเฮลิกซ์ H18 คลายตัวบางส่วน แต่การจับคู่เบสของนิวคลีโอไทด์ยังคงอยู่ อย่างไรก็ตาม ใน E. cuniculi ชิ้นส่วน rRNA นี้กลายเป็นตัวเชื่อมที่สั้นที่สุด 228UUUGU232 และ 301UUUUUUUUU307 ซึ่งแตกต่างจากชิ้นส่วน rRNA ทั่วไป ตัวเชื่อมที่อุดมไปด้วยยูริดีนเหล่านี้จะไม่ขดตัวหรือสัมผัสกับโปรตีนไรโบโซมในปริมาณมาก ในทางกลับกัน พวกมันใช้โครงสร้างแบบเปิดด้วยตัวทำละลายและคลี่ออกอย่างสมบูรณ์ ซึ่งสาย rRNA จะยืดออกเกือบตรง โครงสร้างที่ยืดออกนี้ช่วยอธิบายว่าทำไม E. cuniculi จึงใช้เบส rRNA เพียง 12 ตัวเพื่อเติมช่องว่าง 33 Å ระหว่างเฮลิกซ์ rRNA H16 และ H18 ในขณะที่สปีชีส์อื่น ๆ ต้องการเบส rRNA อย่างน้อยสองเท่าเพื่อเติมช่องว่างดังกล่าว
ดังนั้น เราสามารถแสดงให้เห็นว่า ผ่านการพับตัวที่ไม่เหมาะสมทางพลังงาน ไมโครสปอริเดียปรสิตได้พัฒนาแนวทางในการหดแม้แต่ส่วนของ rRNA ที่ยังคงอนุรักษ์ไว้โดยทั่วไปในสปีชีส์ต่างๆ ในสามโดเมนของชีวิต เห็นได้ชัดว่าการสะสมการกลายพันธุ์ที่เปลี่ยนเฮลิกซ์ของ rRNA ให้เป็นลิงก์เกอร์โพลี-ยูสั้น ทำให้ E. cuniculi สามารถสร้างชิ้นส่วน rRNA ที่ผิดปกติซึ่งมีนิวคลีโอไทด์น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อผูกชิ้นส่วน rRNA ที่อยู่ไกลออกไป ซึ่งช่วยอธิบายว่าเหตุใดไมโครสปอริเดียจึงลดโครงสร้างโมเลกุลพื้นฐานลงอย่างมากโดยไม่สูญเสียความสมบูรณ์ของโครงสร้างและการทำงาน
ลักษณะพิเศษอีกประการหนึ่งของ rRNA ของ E. cuniculi คือ rRNA มีลักษณะที่ไม่มีการข้น (รูปที่ 4) ส่วนนูนเป็นนิวคลีโอไทด์ที่ไม่มีเบสคู่ซึ่งบิดออกจากเฮลิกซ์ RNA แทนที่จะซ่อนอยู่ภายใน ส่วนนูนของ rRNA ส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็นกาวโมเลกุล ช่วยยึดโปรตีนไรโบโซมหรือชิ้นส่วน rRNA อื่นๆ ไว้ด้วยกัน ส่วนนูนบางส่วนทำหน้าที่เป็นบานพับ ช่วยให้เฮลิกซ์ rRNA งอและพับได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับการสังเคราะห์โปรตีน 41
a การยื่นออกมาของ rRNA (การนับจำนวนของ S. cerevisiae) ไม่มีอยู่ในโครงสร้างไรโบโซมของ E. cuniculi แต่มีอยู่ในยูคาริโอตอื่นๆ ส่วนใหญ่ b ไรโบโซมภายในของ E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens และ E. cuniculi ปรสิตไม่มีส่วนนูนของ rRNA จำนวนมากที่อนุรักษ์ไว้อย่างดีและเก่าแก่ การเพิ่มความหนาเหล่านี้ทำให้โครงสร้างไรโบโซมมีเสถียรภาพ ดังนั้น การไม่มีส่วนนูนเหล่านี้ในไมโครสปอริเดียจึงบ่งชี้ว่าความเสถียรของการพับตัวของ rRNA ในปรสิตไมโครสปอริเดียลดลง เมื่อเปรียบเทียบกับสเต็มเซลล์ P (สเต็มเซลล์ L7/L12 ในแบคทีเรีย) แสดงให้เห็นว่าการสูญเสียส่วนนูนของ rRNA บางครั้งเกิดขึ้นพร้อมๆ กับการปรากฏของส่วนนูนใหม่ถัดจากส่วนนูนที่หายไป เฮลิกซ์ H42 ใน rRNA 23S/28S มีป่องโบราณ (U1206 ใน Saccharomyces cerevisiae) ซึ่งคาดว่ามีอายุอย่างน้อย 3,500 ล้านปีเนื่องจากได้รับการปกป้องในสามด้านของชีวิต ในไมโครสปอริเดีย ป่องนี้จะถูกกำจัด อย่างไรก็ตาม ป่องใหม่ปรากฏขึ้นถัดจากป่องที่หายไป (A1306 ใน E. cuniculi)
น่าแปลกใจที่เราพบว่าไรโบโซมของ E. cuniculi ขาดส่วนนูนของ rRNA ส่วนใหญ่ที่พบในสปีชีส์อื่น รวมถึงส่วนนูนมากกว่า 30 ส่วนที่พบในยูคาริโอตอื่นๆ (รูปที่ 4a) การสูญเสียนี้ทำให้ไม่มีการติดต่อระหว่างซับยูนิตของไรโบโซมและเฮลิกซ์ rRNA ที่อยู่ติดกัน ซึ่งบางครั้งทำให้เกิดช่องว่างขนาดใหญ่ภายในไรโบโซม ทำให้ไรโบโซมของ E. cuniculi มีรูพรุนมากกว่าไรโบโซมแบบดั้งเดิม (รูปที่ 4b) ที่น่าสังเกตคือ เราพบว่าส่วนนูนเหล่านี้ส่วนใหญ่ยังสูญหายไปในโครงสร้างไรโบโซมของ V. necatrix และ P. locustae ที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ ซึ่งถูกมองข้ามไปในการวิเคราะห์โครงสร้างก่อนหน้านี้31,32
บางครั้งการสูญเสียส่วนนูนของ rRNA จะมาพร้อมกับการพัฒนาส่วนนูนใหม่ถัดจากส่วนนูนที่หายไป ตัวอย่างเช่น สเต็ม P ของไรโบโซมมีส่วนนูน U1208 (ใน Saccharomyces cerevisiae) ที่รอดชีวิตจาก E. coli สู่มนุษย์ จึงคาดว่ามีอายุประมาณ 3,500 ล้านปี ในระหว่างการสังเคราะห์โปรตีน ส่วนนูนนี้จะช่วยให้สเต็ม P เคลื่อนที่ระหว่างโครงสร้างเปิดและโครงสร้างปิด เพื่อให้ไรโบโซมสามารถดึงปัจจัยการแปลและส่งไปยังไซต์ที่ใช้งาน ในไรโบโซมของ E. cuniculi ความหนานี้ไม่มี อย่างไรก็ตาม ความหนาใหม่ (G883) ที่อยู่ในคู่เบสสามคู่เท่านั้นสามารถช่วยฟื้นฟูความยืดหยุ่นที่เหมาะสมที่สุดของสเต็ม P ได้ (รูปที่ 4c)
ข้อมูลของเราเกี่ยวกับ rRNA ที่ไม่มีการโป่งพองแสดงให้เห็นว่าการลดจำนวน rRNA ไม่ได้จำกัดอยู่แค่การสูญเสียองค์ประกอบ rRNA บนพื้นผิวของไรโบโซมเท่านั้น แต่ยังอาจเกี่ยวข้องกับนิวเคลียสของไรโบโซมด้วย โดยสร้างข้อบกพร่องทางโมเลกุลเฉพาะปรสิตที่ยังไม่เคยได้รับการอธิบายในเซลล์ที่มีชีวิตอิสระ มีการสังเกตสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ
หลังจากสร้างแบบจำลองโปรตีนไรโบโซมและ rRNA ตามแบบแผนแล้ว เราพบว่าส่วนประกอบไรโบโซมแบบธรรมดาไม่สามารถอธิบายสามส่วนของภาพ cryo-EM ได้ ชิ้นส่วนสองชิ้นนี้เป็นโมเลกุลขนาดเล็ก (รูปที่ 5 รูปที่เสริม 8) ส่วนแรกอยู่ระหว่างโปรตีนไรโบโซม uL15 และ eL18 ในตำแหน่งที่ปกติจะอยู่ที่ปลาย C ของ eL18 ซึ่งสั้นลงใน E. cuniculi แม้ว่าเราจะไม่สามารถระบุตัวตนของโมเลกุลนี้ได้ แต่ขนาดและรูปร่างของเกาะความหนาแน่นนี้อธิบายได้ดีจากการมีอยู่ของโมเลกุลสเปอร์มิดีน การจับกับไรโบโซมจะเสถียรขึ้นโดยการกลายพันธุ์เฉพาะไมโครสปอริเดียในโปรตีน uL15 (Asp51 และ Arg56) ซึ่งดูเหมือนจะเพิ่มความสัมพันธ์ของไรโบโซมกับโมเลกุลขนาดเล็กนี้ เนื่องจากทำให้ uL15 ห่อหุ้มโมเลกุลขนาดเล็กไว้ในโครงสร้างไรโบโซมได้ (รูปที่เสริม 2) 8, ข้อมูลเพิ่มเติม 1, 2)
การถ่ายภาพด้วย Cryo-EM แสดงให้เห็นการมีอยู่ของนิวคลีโอไทด์ภายนอกไรโบสที่จับกับไรโบโซมของ E. cuniculi ในไรโบโซมของ E. cuniculi นิวคลีโอไทด์นี้จะอยู่ในตำแหน่งเดียวกับนิวคลีโอไทด์ 25S rRNA A3186 (การนับ Saccharomyces cerevisiae) ในไรโบโซมยูคาริโอตอื่นๆ ส่วนใหญ่ b ในโครงสร้างไรโบโซมของ E. cuniculi นิวคลีโอไทด์นี้จะอยู่ระหว่างโปรตีนไรโบโซม uL9 และ eL20 ทำให้การสัมผัสระหว่างโปรตีนทั้งสองมีเสถียรภาพ การวิเคราะห์การอนุรักษ์ลำดับ cd eL20 ระหว่างสายพันธุ์ไมโครสปอริเดีย ต้นไม้วิวัฒนาการของสายพันธุ์ Microsporidia (c) และการจัดตำแหน่งลำดับหลายลำดับของโปรตีน eL20 (d) แสดงให้เห็นว่ามีการอนุรักษ์กรดอะมิโนที่จับนิวคลีโอไทด์ F170 และ K172 ไว้ใน Microsporidia ทั่วไปส่วนใหญ่ ยกเว้น S. lophii ยกเว้น Microsporidia ที่แตกแขนงเร็ว ซึ่งยังคงส่วนขยาย rRNA ES39L ไว้ e รูปนี้แสดงให้เห็นว่ากรดอะมิโนที่จับนิวคลีโอไทด์ F170 และ K172 มีอยู่เฉพาะใน eL20 ของจีโนม microsporidia ที่ลดขนาดลงอย่างมากเท่านั้น แต่ไม่มีอยู่ในยูคาริโอตอื่นๆ โดยรวมแล้ว ข้อมูลเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าไรโบโซมของ Microsporidian ได้พัฒนาตำแหน่งการจับนิวคลีโอไทด์ที่ดูเหมือนจะจับโมเลกุล AMP และใช้เพื่อทำให้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนในโครงสร้างไรโบโซมมีเสถียรภาพ การอนุรักษ์ไซต์การจับนี้ในไมโครสปอริเดียในปริมาณสูงและการไม่มีไซต์นี้ในยูคาริโอตอื่นๆ แสดงให้เห็นว่าไซต์นี้อาจให้ข้อได้เปรียบในการอยู่รอดแบบเลือกสรรสำหรับไมโครสปอริเดีย ดังนั้น ช่องจับนิวคลีโอไทด์ในไรโบโซมของไมโครสปอริเดียจึงไม่ใช่ลักษณะที่เสื่อมหรือรูปแบบสุดท้ายของการย่อยสลาย rRNA ตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ แต่เป็นนวัตกรรมวิวัฒนาการที่มีประโยชน์ซึ่งช่วยให้ไรโบโซมของไมโครสปอริเดียจับกับโมเลกุลขนาดเล็กได้โดยตรงโดยใช้เป็นส่วนประกอบของโมเลกุล ส่วนประกอบของไรโบโซม การค้นพบนี้ทำให้ไรโบโซมของไมโครสปอริเดียเป็นไรโบโซมชนิดเดียวที่ทราบว่าใช้นิวคลีโอไทด์เพียงตัวเดียวเป็นส่วนประกอบโครงสร้าง เส้นทางวิวัฒนาการเชิงสมมติฐานที่ได้มาจากการจับกับนิวคลีโอไทด์
ความหนาแน่นของมวลโมเลกุลต่ำตัวที่สองอยู่ที่อินเทอร์เฟซระหว่างโปรตีนไรโบโซม uL9 และ eL30 (รูปที่ 5a) อินเทอร์เฟซนี้ได้รับการอธิบายไว้ก่อนหน้านี้ในโครงสร้างของไรโบโซม Saccharomyces cerevisiae โดยเป็นไซต์จับสำหรับนิวคลีโอไทด์ 25S ของ rRNA A3186 (ส่วนหนึ่งของส่วนขยาย rRNA ES39L)38 แสดงให้เห็นว่าในไรโบโซม ES39L ของ P. locustae ที่เสื่อมลง อินเทอร์เฟซนี้จะจับกับนิวคลีโอไทด์เดี่ยวที่ไม่รู้จัก 31 และสันนิษฐานว่านิวคลีโอไทด์นี้คือรูปแบบสุดท้ายที่ลดลงของ rRNA ซึ่งความยาวของ rRNA อยู่ที่ประมาณ 130-230 เบส ES39L ถูกทำให้ลดลงเหลือเพียงนิวคลีโอไทด์เดี่ยว 32.43 ภาพ cryo-EM ของเราสนับสนุนแนวคิดที่ว่าความหนาแน่นสามารถอธิบายได้ด้วยนิวคลีโอไทด์ อย่างไรก็ตาม ความละเอียดที่สูงขึ้นของโครงสร้างของเราแสดงให้เห็นว่านิวคลีโอไทด์นี้เป็นโมเลกุลนอกไรโบโซม อาจเป็น AMP (รูปที่ 5a, b)
จากนั้นเราจึงถามว่าไซต์การจับนิวคลีโอไทด์ปรากฏในไรโบโซมของ E. cuniculi หรือไม่ หรือเคยมีอยู่มาก่อน เนื่องจากการจับนิวคลีโอไทด์ส่วนใหญ่เกิดจากกรดอะมิโน Phe170 และ Lys172 ในโปรตีนไรโบโซม eL30 เราจึงประเมินการอนุรักษ์กรดอะมิโนเหล่านี้ในยูคาริโอตตัวแทน 4,396 ตัว เช่นเดียวกับกรณีของ uL15 ข้างต้น เราพบว่ากรดอะมิโน Phe170 และ Lys172 ได้รับการอนุรักษ์ไว้สูงใน Microsporidia ทั่วไปเท่านั้น แต่ไม่มีในยูคาริโอตอื่นๆ รวมถึง Microsporidia Mitosporidium และ Amphiamblys ที่ไม่ปกติ ซึ่งชิ้นส่วน rRNA ของ ES39L ไม่ได้ถูกลดขนาดลง 44, 45, 46 (รูปที่ 5c) -e)
เมื่อนำข้อมูลทั้งหมดมารวมกันแล้ว จะสนับสนุนแนวคิดที่ว่า E. cuniculi และไมโครสปอริเดียสายพันธุ์ดั้งเดิมอื่นๆ อาจพัฒนาความสามารถในการจับเมแทบอไลต์ขนาดเล็กจำนวนมากในโครงสร้างไรโบโซมได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อชดเชยการลดลงของระดับ rRNA และโปรตีน โดยในการทำเช่นนี้ ไมโครสปอริเดียได้พัฒนาความสามารถพิเศษในการจับนิวคลีโอไทด์นอกไรโบโซม ซึ่งแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างโมเลกุลของปรสิตจะชดเชยโดยจับเมแทบอไลต์ขนาดเล็กจำนวนมากและใช้เป็นตัวเลียนแบบโครงสร้างของ RNA และชิ้นส่วนโปรตีนที่ย่อยสลาย
ส่วนที่สามที่ไม่ได้จำลองของแผนที่ cryo-EM ของเรา พบในซับยูนิตไรโบโซมขนาดใหญ่ ความละเอียดที่ค่อนข้างสูง (2.6 Å) ของแผนที่ของเราแสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นนี้เป็นของโปรตีนที่มีการรวมตัวของหมู่ข้างขนาดใหญ่ที่ไม่ซ้ำใคร ซึ่งทำให้เราสามารถระบุความหนาแน่นนี้ได้ว่าเป็นโปรตีนไรโบโซมที่ไม่รู้จักมาก่อน ซึ่งเราได้ระบุว่า มันถูกตั้งชื่อว่า msL2 (โปรตีนเฉพาะ Microsporidia L2) (วิธีการ รูปที่ 6) การค้นหาโฮโมโลยีของเราแสดงให้เห็นว่า msL2 ได้รับการอนุรักษ์ไว้ในกลุ่ม Microsporidia ของสกุล Encephaliter และ Orosporidium แต่ไม่มีอยู่ในสปีชีส์อื่น รวมถึง Microsporidia อื่นๆ ในโครงสร้างไรโบโซม msL2 จะครอบครองช่องว่างที่เกิดจากการสูญเสีย rRNA ES31L ที่ขยายออกไป ในช่องว่างนี้ msL2 ช่วยให้การพับตัวของ rRNA มีเสถียรภาพและสามารถชดเชยการสูญเสีย ES31L ได้ (รูปที่ 6)
ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนและแบบจำลองของโปรตีนไรโบโซม msL2 เฉพาะของ Microsporidia ที่พบในไรโบโซมของ E. cuniculi b ไรโบโซมยูคาริโอตส่วนใหญ่ รวมถึงไรโบโซม 80S ของ Saccharomyces cerevisiae มีการสูญเสียการขยายตัวของ rRNA ES19L ในสปีชีส์ Microsporidian ส่วนใหญ่ โครงสร้างที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้ของไรโบโซมของ V. necatrix microsporidia แสดงให้เห็นว่าการสูญเสีย ES19L ในปรสิตเหล่านี้ได้รับการชดเชยด้วยวิวัฒนาการของโปรตีนไรโบโซม msL1 ใหม่ ในการศึกษานี้ เราพบว่าไรโบโซมของ E. cuniculi ยังพัฒนาโปรตีนเลียนแบบ RNA ไรโบโซมเพิ่มเติมเพื่อเป็นการชดเชยที่ชัดเจนสำหรับการสูญเสีย ES19L อย่างไรก็ตาม msL2 (ปัจจุบันมีคำอธิบายประกอบว่าเป็นโปรตีน ECU06_1135 สมมติ) และ msL1 มีต้นกำเนิดทางโครงสร้างและวิวัฒนาการที่แตกต่างกัน การค้นพบการสร้างโปรตีนไรโบโซม msL1 และ msL2 ที่ไม่เกี่ยวข้องกันในวิวัฒนาการนี้ชี้ให้เห็นว่าหากไรโบโซมสะสมการกลายพันธุ์ที่เป็นอันตรายใน rRNA ของพวกมัน พวกมันสามารถบรรลุถึงความหลากหลายขององค์ประกอบในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อนได้ แม้แต่ในกลุ่มย่อยเล็กๆ ของสายพันธุ์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด การค้นพบนี้อาจช่วยชี้แจงต้นกำเนิดและวิวัฒนาการของไรโบโซมในไมโตคอนเดรีย ซึ่งเป็นที่รู้จักจาก rRNA ที่ลดลงอย่างมากและความแปรปรวนที่ผิดปกติในองค์ประกอบของโปรตีนในแต่ละสายพันธุ์
จากนั้นเราจึงเปรียบเทียบโปรตีน msL2 กับโปรตีน msL1 ที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ ซึ่งเป็นโปรตีนไรโบโซมเฉพาะไมโครสปอริเดียชนิดเดียวที่พบในไรโบโซมของ V. necatrix เราต้องการทดสอบว่า msL1 และ msL2 มีความสัมพันธ์กันในวิวัฒนาการหรือไม่ การวิเคราะห์ของเราแสดงให้เห็นว่า msL1 และ msL2 อยู่ในช่องว่างเดียวกันในโครงสร้างไรโบโซม แต่มีโครงสร้างปฐมภูมิและตติยภูมิต่างกัน ซึ่งบ่งชี้ถึงต้นกำเนิดวิวัฒนาการอิสระของพวกมัน (รูปที่ 6) ดังนั้น การค้นพบ msL2 ของเราจึงเป็นหลักฐานว่ากลุ่มของสปีชีส์ยูคาริโอตที่มีขนาดกะทัดรัดสามารถวิวัฒนาการโปรตีนไรโบโซมที่มีโครงสร้างแตกต่างกันได้อย่างอิสระเพื่อชดเชยการสูญเสียของชิ้นส่วน rRNA การค้นพบนี้โดดเด่นตรงที่ไรโบโซมยูคาริโอตในไซโทพลาซึมส่วนใหญ่มีโปรตีนที่ไม่แปรเปลี่ยน ซึ่งรวมถึงโปรตีนไรโบโซม 81 ชนิดในตระกูลเดียวกัน การปรากฏตัวของ msL1 และ msL2 ในกลุ่มต่างๆ ของไมโครสปอริเดียในการตอบสนองต่อการสูญเสียส่วน rRNA ที่ขยายออกไป แสดงให้เห็นว่าการสลายตัวของโครงสร้างโมเลกุลของปรสิตทำให้ปรสิตแสวงหาการกลายพันธุ์เพื่อชดเชย ซึ่งอาจนำไปสู่การได้มาซึ่งโครงสร้างประชากรปรสิตที่แตกต่างกันในที่สุด
ในที่สุด เมื่อแบบจำลองของเราเสร็จสมบูรณ์แล้ว เราได้เปรียบเทียบองค์ประกอบของไรโบโซมของ E. cuniculi กับองค์ประกอบที่คาดการณ์จากลำดับจีโนม โปรตีนไรโบโซมหลายตัว เช่น eL14, eL38, eL41 และ eS30 เคยคิดว่าหายไปจากจีโนมของ E. cuniculi เนื่องจากไม่มีโฮโมล็อกในจีโนมของ E. cuniculi การสูญเสียโปรตีนไรโบโซมหลายตัวยังคาดการณ์ได้ในปรสิตภายในเซลล์และเอนโดซิมไบโอนต์อื่นๆ ที่มีปริมาณลดลงอย่างมากส่วนใหญ่ ตัวอย่างเช่น แม้ว่าแบคทีเรียที่อาศัยอยู่เองส่วนใหญ่จะมีโปรตีนไรโบโซม 54 ตัวในตระกูลเดียวกัน แต่โปรตีนในตระกูลเหล่านี้มีเพียง 11 ตัวเท่านั้นที่มีโฮโมล็อกที่ตรวจพบได้ในจีโนมที่วิเคราะห์ของแบคทีเรียที่ถูกจำกัดโดยโฮสต์แต่ละอัน เพื่อสนับสนุนแนวคิดนี้ ได้มีการสังเกตการสูญเสียโปรตีนไรโบโซมใน V. necatrix และ P. locustae microsporidia ซึ่งขาดโปรตีน eL38 และ eL4131,32 โดยการทดลอง
อย่างไรก็ตาม โครงสร้างของเราแสดงให้เห็นว่ามีเพียง eL38, eL41 และ eS30 เท่านั้นที่สูญหายไปในไรโบโซมของ E. cuniculi โปรตีน eL14 ได้รับการอนุรักษ์ไว้ และโครงสร้างของเราแสดงให้เห็นว่าเหตุใดจึงไม่พบโปรตีนนี้ในการค้นหาโฮโมโลยี (รูปที่ 7) ในไรโบโซมของ E. cuniculi ไซต์การจับ eL14 ส่วนใหญ่สูญหายไปเนื่องจากการสลายตัวของ ES39L ที่ขยายโดย rRNA ในกรณีที่ไม่มี ES39L eL14 จะสูญเสียโครงสร้างรองส่วนใหญ่ และมีเพียง 18% ของลำดับ eL14 เท่านั้นที่เหมือนกันใน E. cuniculi และ S. cerevisiae การรักษาลำดับที่ไม่ดีนี้ถือเป็นเรื่องน่าทึ่ง เนื่องจากแม้แต่ Saccharomyces cerevisiae และ Homo sapiens ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่วิวัฒนาการมาห่างกัน 1,500 ล้านปี ก็มีสารตกค้างเดียวกันมากกว่า 51% ใน eL14 การสูญเสียการอนุรักษ์ที่ผิดปกตินี้เป็นเหตุผลว่าทำไม E. cuniculi eL14 จึงได้รับการระบุเป็นโปรตีน M970_061160 ในปัจจุบัน ไม่ใช่โปรตีนไรโบโซม eL1427
และไรโบโซมของ Microsporidia สูญเสียส่วนขยาย rRNA ของ ES39L ซึ่งกำจัดตำแหน่งการจับโปรตีนไรโบโซมของ eL14 ไปบางส่วน เมื่อไม่มี ES39L โปรตีนไมโครสปอร์ของ eL14 จะสูญเสียโครงสร้างรอง ซึ่งอัลฟาเฮลิกซ์ที่จับกับ rRNA เดิมจะเสื่อมลงเป็นลูปความยาวขั้นต่ำ b การจัดตำแหน่งลำดับหลายลำดับแสดงให้เห็นว่าโปรตีน eL14 ได้รับการอนุรักษ์ไว้สูงในสปีชีส์ยูคาริโอต (57% ความเหมือนกันของลำดับระหว่างยีสต์และโฮโมล็อกของมนุษย์) แต่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ต่ำและแตกต่างกันในไมโครสปอร์ (ซึ่งมีไม่เกิน 24% ของสารตกค้างที่เหมือนกับโฮโมล็อกของ eL14) จาก S. cerevisiae หรือ H. sapiens) การอนุรักษ์ลำดับที่ไม่ดีและความแปรปรวนของโครงสร้างรองนี้ช่วยอธิบายว่าทำไมจึงไม่เคยพบโฮโมล็อก eL14 ใน E. cuniculi และทำไมจึงเชื่อว่าโปรตีนนี้สูญหายไปใน E. cuniculi ในทางตรงกันข้าม eL14 ของ E. cuniculi เคยมีการระบุไว้ก่อนหน้านี้ว่าเป็นโปรตีน M970_061160 ที่มีการสันนิษฐาน การสังเกตนี้ชี้ให้เห็นว่าปัจจุบันความหลากหลายในจีโนมของไมโครสปอริเดียถูกประเมินสูงเกินไป ยีนบางส่วนที่ปัจจุบันเชื่อว่าสูญหายไปในไมโครสปอริเดียนั้นได้รับการอนุรักษ์ไว้ แม้ว่าจะอยู่ในรูปแบบที่มีความแตกต่างอย่างมากก็ตาม ในทางกลับกัน ยีนบางส่วนถูกคิดว่าเข้ารหัสยีนไมโครสปอริเดียสำหรับโปรตีนเฉพาะของหนอน (เช่น โปรตีนสมมติ M970_061160) ซึ่งแท้จริงแล้วเข้ารหัสโปรตีนที่มีความหลากหลายมากที่พบในยูคาริโอตอื่นๆ
การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของ rRNA อาจทำให้การอนุรักษ์ลำดับในโปรตีนไรโบโซมที่อยู่ติดกันลดลงอย่างมาก ทำให้โปรตีนเหล่านี้ไม่สามารถตรวจจับได้สำหรับการค้นหาความคล้ายคลึงกัน ดังนั้น เราอาจประเมินระดับการสลายตัวของโมเลกุลในสิ่งมีชีวิตจีโนมขนาดเล็กเกินจริง เนื่องจากโปรตีนบางชนิดที่คาดว่าสูญหายไปนั้นยังคงดำรงอยู่ แม้ว่าจะมีรูปแบบที่เปลี่ยนแปลงไปอย่างมากก็ตาม
ปรสิตสามารถรักษาการทำงานของเครื่องจักรโมเลกุลของมันไว้ได้อย่างไรภายใต้สภาวะที่จีโนมลดลงอย่างมาก การศึกษาของเราตอบคำถามนี้โดยอธิบายโครงสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อน (ไรโบโซม) ของ E. cuniculi ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีจีโนมยูคาริโอตที่เล็กที่สุดชนิดหนึ่ง
เป็นที่ทราบกันมานานเกือบสองทศวรรษแล้วว่าโมเลกุลโปรตีนและ RNA ในปรสิตมักจะแตกต่างจากโมเลกุลโฮโมโลกัสในสิ่งมีชีวิตอิสระ เนื่องจากโมเลกุลเหล่านี้ขาดศูนย์ควบคุมคุณภาพ มีขนาดเล็กลงเหลือเพียง 50% ของขนาดในจุลินทรีย์อิสระ เป็นต้น มีการกลายพันธุ์ที่ทำให้ร่างกายทรุดโทรมหลายอย่าง ซึ่งทำให้การพับตัวและการทำงานบกพร่อง ตัวอย่างเช่น คาดว่าไรโบโซมของสิ่งมีชีวิตจีโนมขนาดเล็ก รวมถึงปรสิตภายในเซลล์และเอนโดซิมไบโอนต์จำนวนมาก จะไม่มีโปรตีนไรโบโซมหลายชนิดและนิวคลีโอไทด์ rRNA มากถึงหนึ่งในสามเมื่อเปรียบเทียบกับสิ่งมีชีวิตอิสระ 27, 29, 30, 49 อย่างไรก็ตาม วิธีการทำงานของโมเลกุลเหล่านี้ในปรสิตยังคงเป็นปริศนา โดยส่วนใหญ่ศึกษาผ่านจีโนมิกส์เชิงเปรียบเทียบ
การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างของโมเลกุลขนาดใหญ่สามารถเปิดเผยแง่มุมต่างๆ ของวิวัฒนาการที่ยากจะสกัดได้จากการศึกษาจีโนมเปรียบเทียบแบบดั้งเดิมของปรสิตภายในเซลล์และสิ่งมีชีวิตที่ถูกจำกัดโดยโฮสต์อื่นๆ (รูปเสริมที่ 7) ตัวอย่างเช่น ตัวอย่างของโปรตีน eL14 แสดงให้เห็นว่าเราสามารถประเมินระดับการย่อยสลายจริงของกลไกโมเลกุลในสปีชีส์ปรสิตได้เกินจริง ปัจจุบันเชื่อกันว่าปรสิตในกลุ่มเอ็นเซฟาไลต์มียีนเฉพาะไมโครสปอริเดียหลายร้อยยีน อย่างไรก็ตาม ผลการศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่ายีนที่ดูเหมือนเฉพาะเหล่านี้บางส่วนเป็นเพียงยีนที่แตกต่างกันมากซึ่งพบได้ทั่วไปในยูคาริโอตอื่นๆ นอกจากนี้ ตัวอย่างของโปรตีน msL2 แสดงให้เห็นว่าเราละเลยโปรตีนไรโบโซมใหม่ๆ และประเมินเนื้อหาของกลไกโมเลกุลของปรสิตต่ำเกินไป ตัวอย่างของโมเลกุลขนาดเล็กแสดงให้เห็นว่าเราสามารถมองข้ามนวัตกรรมที่ชาญฉลาดที่สุดในโครงสร้างโมเลกุลของปรสิตที่สามารถให้กิจกรรมทางชีววิทยาใหม่ๆ แก่พวกมันได้อย่างไร
เมื่อนำผลลัพธ์เหล่านี้มารวมกัน จะทำให้เข้าใจความแตกต่างระหว่างโครงสร้างโมเลกุลของสิ่งมีชีวิตที่ถูกจำกัดโดยโฮสต์และโครงสร้างโมเลกุลของสิ่งมีชีวิตอิสระได้ดีขึ้น เราแสดงให้เห็นว่าเครื่องจักรโมเลกุล ซึ่งเคยเชื่อกันมานานว่าลดขนาด เสื่อมโทรม และกลายพันธุ์ได้หลายอย่าง แต่กลับมีลักษณะโครงสร้างที่ผิดปกติซึ่งถูกมองข้ามอย่างเป็นระบบ
ในทางกลับกัน ชิ้นส่วน rRNA ที่ไม่เทอะทะและชิ้นส่วนที่หลอมรวมกันที่เราพบในไรโบโซมของ E. cuniculi แสดงให้เห็นว่าการลดลงของจีโนมสามารถเปลี่ยนแปลงแม้แต่ส่วนของเครื่องจักรโมเลกุลพื้นฐานที่เก็บรักษาไว้ในสามโดเมนของชีวิตได้ – หลังจากวิวัฒนาการของสายพันธุ์อิสระมานานเกือบ 3,500 ล้านปี
ชิ้นส่วน rRNA ที่ไม่มีการโป่งพองและหลอมรวมในไรโบโซมของ E. cuniculi น่าสนใจเป็นพิเศษเมื่อพิจารณาจากการศึกษาโมเลกุล RNA ในแบคทีเรียเอนโดซิมไบโอติกก่อนหน้านี้ ตัวอย่างเช่น ในเอนโดซิมไบโอติกของเพลี้ยอ่อน Buchnera aphidicola พบว่าโมเลกุล rRNA และ tRNA มีโครงสร้างที่ไวต่ออุณหภูมิเนื่องจากอคติขององค์ประกอบ A+T และเบสคู่ที่ไม่ใช่แบบคาโนนิคัลในสัดส่วนสูง20,50 ปัจจุบัน การเปลี่ยนแปลงใน RNA เหล่านี้ รวมถึงการเปลี่ยนแปลงในโมเลกุลโปรตีน ถือเป็นสาเหตุของการพึ่งพาเอนโดซิมไบโอติกมากเกินไปกับคู่ และความไม่มีความสามารถของเอนโดซิมไบโอติกในการถ่ายเทความร้อน21, 23 แม้ว่า rRNA ของไมโครสปอริเดียปรสิตจะมีการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างที่แตกต่างกัน แต่ลักษณะของการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้บ่งชี้ว่าเสถียรภาพทางความร้อนที่ลดลงและการพึ่งพาโปรตีนชาเปอโรนที่มากขึ้นอาจเป็นลักษณะทั่วไปของโมเลกุล RNA ในสิ่งมีชีวิตที่มีจีโนมที่ลดลง
ในทางกลับกัน โครงสร้างของเราแสดงให้เห็นว่าปรสิตไมโครสปอริเดียได้พัฒนาความสามารถพิเศษในการต้านทาน rRNA และชิ้นส่วนโปรตีนที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้อย่างกว้างขวาง โดยพัฒนาความสามารถในการใช้เมตาบอไลต์ขนาดเล็กจำนวนมากและพร้อมใช้งานเป็นโครงสร้างเลียนแบบ rRNA ที่เสื่อมสภาพและชิ้นส่วนโปรตีน การย่อยสลายโครงสร้างโมเลกุล ความเห็นนี้ได้รับการสนับสนุนจากข้อเท็จจริงที่ว่าโมเลกุลขนาดเล็กที่ชดเชยการสูญเสียชิ้นส่วนโปรตีนใน rRNA และไรโบโซมของ E. cuniculi จะจับกับสารตกค้างเฉพาะของไมโครสปอริเดียในโปรตีน uL15 และ eL30 สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าการจับกันของโมเลกุลขนาดเล็กกับไรโบโซมอาจเป็นผลของการคัดเลือกเชิงบวก ซึ่งการกลายพันธุ์เฉพาะของไมโครสปอริเดียในโปรตีนไรโบโซมได้รับการคัดเลือกเนื่องจากความสามารถในการเพิ่มความสัมพันธ์ของไรโบโซมกับโมเลกุลขนาดเล็ก ซึ่งอาจนำไปสู่สิ่งมีชีวิตไรโบโซมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น การค้นพบนี้เผยให้เห็นนวัตกรรมอันชาญฉลาดในโครงสร้างโมเลกุลของปรสิตจุลินทรีย์และทำให้เราเข้าใจได้ดียิ่งขึ้นว่าโครงสร้างโมเลกุลของปรสิตยังคงรักษาการทำงานไว้ได้อย่างไรแม้ว่าวิวัฒนาการจะลดน้อยลง
ปัจจุบัน การระบุโมเลกุลขนาดเล็กเหล่านี้ยังไม่ชัดเจน ไม่ชัดเจนว่าเหตุใดลักษณะที่ปรากฏของโมเลกุลขนาดเล็กเหล่านี้ในโครงสร้างไรโบโซมจึงแตกต่างกันระหว่างสปีชีส์ไมโครสปอริเดีย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไม่ชัดเจนว่าเหตุใดจึงสังเกตเห็นการจับนิวคลีโอไทด์ในไรโบโซมของ E. cuniculi และ P. locustae และไม่สังเกตเห็นในไรโบโซมของ V. necatrix แม้จะมีกาก F170 อยู่ในโปรตีน eL20 และ K172 ของ V. necatrix การลบออกนี้อาจเกิดจากกาก 43 uL6 (อยู่ติดกับช่องจับนิวคลีโอไทด์) ซึ่งเป็นไทโรซีนใน V. necatrix ไม่ใช่ทรีโอนีนใน E. cuniculi และ P. locustae โซ่ข้างอะโรมาติกขนาดใหญ่ของ Tyr43 อาจรบกวนการจับนิวคลีโอไทด์เนื่องจากการทับซ้อนของสเตอริก หรืออีกทางหนึ่ง การลบนิวคลีโอไทด์ที่เห็นได้ชัดอาจเกิดจากความละเอียดต่ำของการถ่ายภาพ cryo-EM ซึ่งขัดขวางการสร้างแบบจำลองของชิ้นส่วนไรโบโซมของ V. necatrix
ในทางกลับกัน งานของเราชี้ให้เห็นว่ากระบวนการสลายจีโนมอาจเป็นแรงผลักดันในการประดิษฐ์คิดค้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โครงสร้างของไรโบโซมของ E. cuniculi แสดงให้เห็นว่าการสูญเสีย rRNA และชิ้นส่วนโปรตีนในไรโบโซมของไมโครสปอริเดียก่อให้เกิดแรงกดดันทางวิวัฒนาการที่ส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างของไรโบโซม ตัวแปรเหล่านี้เกิดขึ้นไกลจากบริเวณที่ทำงานของไรโบโซม และดูเหมือนจะช่วยรักษา (หรือฟื้นฟู) การประกอบไรโบโซมที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งมิฉะนั้นแล้วจะถูกขัดขวางโดย rRNA ที่ลดลง สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่านวัตกรรมที่สำคัญของไรโบโซมของไมโครสปอริเดียดูเหมือนจะพัฒนาไปสู่ความจำเป็นในการบัฟเฟอร์การเปลี่ยนแปลงยีน
บางทีสิ่งนี้อาจแสดงให้เห็นได้ดีที่สุดจากการจับนิวคลีโอไทด์ ซึ่งไม่เคยพบเห็นในสิ่งมีชีวิตอื่นมาก่อน ความจริงที่ว่ามีสารตกค้างที่จับนิวคลีโอไทด์อยู่ในไมโครสปอริเดียทั่วไป แต่ไม่มีในยูคาริโอตอื่นๆ แสดงให้เห็นว่าตำแหน่งการจับนิวคลีโอไทด์ไม่ได้เป็นเพียงสิ่งตกค้างที่รอการหายไป หรือตำแหน่งสุดท้ายสำหรับ rRNA ที่จะกลับคืนสู่รูปของนิวคลีโอไทด์แต่ละตัว ในทางกลับกัน ตำแหน่งนี้ดูเหมือนเป็นคุณสมบัติที่มีประโยชน์ซึ่งอาจมีวิวัฒนาการมาจากการคัดเลือกเชิงบวกหลายรอบ ตำแหน่งการจับนิวคลีโอไทด์อาจเป็นผลพลอยได้จากการคัดเลือกตามธรรมชาติ เมื่อ ES39L ถูกย่อยสลาย ไมโครสปอริเดียจะถูกบังคับให้หาสิ่งชดเชยเพื่อฟื้นฟูการสร้างไรโบโซมให้เหมาะสมในกรณีที่ไม่มี ES39L เนื่องจากนิวคลีโอไทด์นี้สามารถเลียนแบบการติดต่อทางโมเลกุลของนิวคลีโอไทด์ A3186 ใน ES39L โมเลกุลนิวคลีโอไทด์จึงกลายมาเป็นส่วนประกอบสำคัญของไรโบโซม โดยการจับกันจะได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมด้วยการกลายพันธุ์ของลำดับ eL30
เมื่อพิจารณาถึงวิวัฒนาการระดับโมเลกุลของปรสิตภายในเซลล์ การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าแรงของการคัดเลือกตามธรรมชาติของดาร์วินและการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมของการสลายตัวของจีโนมไม่ได้ทำงานควบคู่กัน แต่แกว่งไปมา ประการแรก การเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมจะกำจัดคุณสมบัติที่สำคัญของไบโอโมเลกุล ทำให้จำเป็นต้องมีการชดเชยอย่างยิ่ง เมื่อปรสิตตอบสนองความต้องการนี้ผ่านการคัดเลือกตามธรรมชาติของดาร์วินเท่านั้น โมเลกุลขนาดใหญ่ของพวกมันจึงมีโอกาสพัฒนาลักษณะที่น่าประทับใจและสร้างสรรค์ที่สุด ที่สำคัญ วิวัฒนาการของตำแหน่งการจับนิวคลีโอไทด์ในไรโบโซมของ E. cuniculi แสดงให้เห็นว่ารูปแบบการสูญเสียเพื่อได้รับของวิวัฒนาการระดับโมเลกุลนี้ไม่เพียงแต่ชดเชยการกลายพันธุ์ที่เป็นอันตรายเท่านั้น แต่ยังมอบหน้าที่ใหม่ทั้งหมดให้กับโมเลกุลขนาดใหญ่ของปรสิตด้วย
แนวคิดนี้สอดคล้องกับทฤษฎีสมดุลเคลื่อนที่ของ Sewell Wright ซึ่งระบุว่าระบบการคัดเลือกตามธรรมชาติที่เข้มงวดจำกัดความสามารถของสิ่งมีชีวิตในการคิดค้นสิ่งใหม่ๆ51,52,53 อย่างไรก็ตาม หากการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมไปขัดขวางการคัดเลือกตามธรรมชาติ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ได้ปรับตัวได้ด้วยตัวเอง (หรืออาจส่งผลเสียด้วยซ้ำ) แต่ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมที่ให้ความเหมาะสมหรือกิจกรรมทางชีววิทยาใหม่ๆ มากขึ้น กรอบการทำงานของเรารองรับแนวคิดนี้โดยแสดงให้เห็นว่าการกลายพันธุ์ประเภทเดียวกันที่ลดการพับและการทำงานของไบโอโมเลกุลดูเหมือนจะเป็นตัวกระตุ้นหลักในการปรับปรุงไบโอโมเลกุลนั้น ตามแบบจำลองวิวัฒนาการที่ทุกฝ่ายได้ประโยชน์ การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าการสลายตัวของจีโนม ซึ่งโดยทั่วไปมองว่าเป็นกระบวนการเสื่อมสภาพ ยังเป็นแรงผลักดันหลักของนวัตกรรมอีกด้วย บางครั้งและบางทีอาจบ่อยครั้งทำให้โมเลกุลขนาดใหญ่ได้รับกิจกรรมปรสิตใหม่ๆ