Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünün CSS desteği sınırlıdır. En iyi deneyim için, güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu süre zarfında, desteğin devamlılığını sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntüleyeceğiz.
Mikrobiyal parazitlerin evrimi, parazitlerin gelişmesine neden olan doğal seçilim ile parazitlerin gen kaybetmesine ve zararlı mutasyonlar biriktirmesine neden olan genetik sürüklenme arasında bir karşıt etki içerir. Burada, bu karşıt etkinin tek bir makromolekül ölçeğinde nasıl gerçekleştiğini anlamak için, doğadaki en küçük genomlardan birine sahip ökaryotik bir organizma olan Encephalitozoon cuniculi'nin ribozomunun kriyoelektron mikroskopi yapısını tanımlıyoruz. E. cuniculi ribozomlarındaki rRNA'nın aşırı azalması, daha önce bilinmeyen kaynaşmış rRNA bağlayıcılarının ve çıkıntısız rRNA'nın evrimi gibi benzeri görülmemiş yapısal değişikliklerle birlikte gerçekleşir. Ek olarak, E. cuniculi ribozomu, bozulmuş rRNA parçalarının ve proteinlerin yapısal taklitleri olarak küçük molekülleri kullanma yeteneği geliştirerek rRNA parçalarının ve proteinlerin kaybından kurtulmuştur. Genel olarak, uzun zamandır indirgenmiş, dejenere olmuş ve zayıflatıcı mutasyonlara maruz kaldığı düşünülen moleküler yapıların, aşırı moleküler daralmalara rağmen aktif kalmalarını sağlayan bir dizi telafi mekanizmasına sahip olduğunu gösteriyoruz.
Mikrobiyal parazit gruplarının çoğunun konaklarını sömürmek için benzersiz moleküler araçlara sahip olması nedeniyle, genellikle farklı parazit grupları için farklı tedaviler geliştirmek zorunda kalıyoruz1,2. Bununla birlikte, yeni kanıtlar, parazit evriminin bazı yönlerinin yakınsak ve büyük ölçüde tahmin edilebilir olduğunu ve mikrobiyal parazitlerde geniş kapsamlı terapötik müdahaleler için potansiyel bir temel oluşturduğunu göstermektedir3,4,5,6,7,8,9.
Önceki çalışmalar, mikrobiyal parazitlerde genom küçülmesi veya genom bozulması olarak adlandırılan ortak bir evrimsel eğilim belirlemiştir10,11,12,13. Güncel araştırmalar, mikroorganizmalar serbest yaşam tarzlarını bırakıp hücre içi parazitler (veya endosimbiyontlar) haline geldiklerinde, genomlarının milyonlarca yıl boyunca yavaş ama şaşırtıcı metamorfozlar geçirdiğini göstermektedir9,11. Genom bozulması olarak bilinen bir süreçte, mikrobiyal parazitler, daha önce önemli olan birçok geni psödojenlere dönüştüren zararlı mutasyonlar biriktirir ve bu da kademeli gen kaybına ve mutasyonel çöküşe yol açar14,15. Bu çöküş, yakından ilişkili serbest yaşayan türlere kıyasla en eski hücre içi organizmalardaki genlerin %95'ine kadarını yok edebilir. Dolayısıyla, hücre içi parazitlerin evrimi, iki zıt güç arasında bir çekişmedir: Parazitlerin iyileşmesine yol açan Darwinci doğal seçilim ve parazitleri yok olmaya iten genomun çöküşü. Parazitin bu çekişmeden nasıl kurtulduğu ve moleküler yapısının aktivitesini nasıl koruduğu hâlâ belirsizliğini koruyor.
Genom bozulmasının mekanizması tam olarak anlaşılamamış olsa da, bunun esas olarak sık genetik sürüklenme nedeniyle meydana geldiği düşünülmektedir. Parazitler küçük, eşeysiz ve genetik olarak sınırlı popülasyonlarda yaşadıkları için, DNA replikasyonu sırasında bazen meydana gelen zararlı mutasyonları etkili bir şekilde ortadan kaldıramazlar. Bu, zararlı mutasyonların geri dönüşümsüz birikmesine ve parazit genomunun küçülmesine yol açar. Sonuç olarak, parazit sadece hücre içi ortamda hayatta kalması için artık gerekli olmayan genleri kaybetmekle kalmaz. Parazit popülasyonlarının ara sıra meydana gelen zararlı mutasyonları etkili bir şekilde ortadan kaldıramaması, bu mutasyonların en önemli genleri de dahil olmak üzere genom boyunca birikmesine neden olur.
Genom küçülmesine dair mevcut anlayışımızın büyük bir kısmı, yalnızca genom dizilerinin karşılaştırılmasına dayanmaktadır ve hücre içi işlevleri yerine getiren ve potansiyel ilaç hedefleri olarak hizmet eden gerçek moleküllerdeki değişikliklere daha az dikkat edilmektedir. Karşılaştırmalı çalışmalar, zararlı hücre içi mikrobiyal mutasyonların yükünün, proteinleri ve nükleik asitleri yanlış katlanmaya ve kümelenmeye yatkın hale getirdiğini, onları daha fazla şaperon bağımlı ve ısıya karşı aşırı duyarlı hale getirdiğini göstermiştir19,20,21,22,23. Buna ek olarak, çeşitli parazitler—bazen 2,5 milyar yıla kadar ayrı evrimsel süreçlerden geçen—protein sentezlerinde5,6 ve DNA onarım mekanizmalarında24 benzer bir kalite kontrol merkezi kaybı yaşamıştır. Bununla birlikte, hücre içi yaşam tarzının, zararlı mutasyonların artan yüküne moleküler adaptasyon da dahil olmak üzere, hücresel makromoleküllerin diğer tüm özellikleri üzerindeki etkisi hakkında çok az şey bilinmektedir.
Bu çalışmada, hücre içi mikroorganizmaların protein ve nükleik asitlerinin evrimini daha iyi anlamak amacıyla, hücre içi parazit Encephalitozoon cuniculi'nin ribozomlarının yapısını belirledik. E. cuniculi, alışılmadık derecede küçük ökaryotik genomlara sahip parazitik mikrosporidiya grubuna ait, mantar benzeri bir organizmadır ve bu nedenle genom bozulmasını incelemek için model organizmalar olarak kullanılır25,26,27,28,29,30. Son zamanlarda, Microsporidia, Paranosema locustae ve Vairimorpha necatrix'in orta derecede küçültülmüş genomları için (~3,2 Mb genom) kriyoelektron mikroskopi ribozom yapısı belirlenmiştir31,32. Bu yapılar, rRNA amplifikasyonundaki bazı kayıpların, komşu ribozomal proteinler arasında yeni temasların gelişmesi veya yeni msL131,32 ribozomal proteinlerinin edinilmesiyle telafi edildiğini göstermektedir. Encephalitozoon türü (genomu ~2,5 milyon bp), en yakın akrabası Ordospora ile birlikte, ökaryotlarda genom küçülmesinin en uç noktasını göstermektedir – 2000'den az protein kodlayan gene sahiptirler ve ribozomlarının sadece rRNA genişleme parçalarından (ökaryotik ribozomları bakteriyel ribozomlardan ayıran rRNA parçaları) yoksun olmakla kalmayıp, E. cuniculi genomunda homologlarının bulunmaması nedeniyle dört ribozomal proteine ​​sahip olması beklenmektedir26,27,28. Bu nedenle, E. cuniculi ribozomunun, genom bozulmasına moleküler adaptasyon için daha önce bilinmeyen stratejileri ortaya çıkarabileceği sonucuna vardık.
Kriyoelektron mikroskopi (kriyo-EM) yapımız, karakterize edilmiş en küçük ökaryotik sitoplazmik ribozomu temsil etmekte ve genom küçülmesinin nihai derecesinin, hücre için ayrılmaz bir parça olan moleküler mekanizmanın yapısını, montajını ve evrimini nasıl etkilediğine dair bir fikir vermektedir. E. cuniculi ribozomunun, RNA katlanması ve ribozom montajının yaygın olarak korunan birçok ilkesini ihlal ettiğini ve daha önce bilinmeyen yeni bir ribozomal protein keşfettik. Oldukça beklenmedik bir şekilde, mikrosporidia ribozomlarının küçük molekülleri bağlama yeteneği geliştirdiğini gösterdik ve rRNA ve proteinlerdeki kesintilerin, nihayetinde ribozoma yararlı özellikler kazandırabilecek evrimsel yenilikleri tetiklediği hipotezini ortaya koyduk.
Hücre içi organizmalardaki proteinlerin ve nükleik asitlerin evrimini daha iyi anlamak için, enfekte memeli hücre kültürlerinden E. cuniculi sporlarını izole etmeye, ribozomlarını saflaştırmaya ve bu ribozomların yapısını belirlemeye karar verdik. Parazitik mikrosporidilerin besin ortamında kültüre edilememesi nedeniyle, çok sayıda mikrosporidi elde etmek zordur. Bunun yerine, yalnızca konak hücre içinde büyür ve çoğalırlar. Bu nedenle, ribozom saflaştırması için E. cuniculi biyokütlesi elde etmek amacıyla, memeli böbrek hücre hattı RK13'ü E. cuniculi sporlarıyla enfekte ettik ve E. cuniculi'nin büyümesine ve çoğalmasına izin vermek için bu enfekte hücreleri birkaç hafta boyunca kültüre ettik. Yaklaşık yarım metrekarelik enfekte bir hücre tabakası kullanarak, yaklaşık 300 mg mikrosporidi sporunu saflaştırabildik ve bunları ribozomları izole etmek için kullandık. Daha sonra saflaştırılmış sporları cam boncuklarla parçaladık ve lizatların kademeli polietilen glikol fraksiyonlaması kullanılarak ham ribozomları izole ettik. Bu sayede yapısal analiz için yaklaşık 300 µg ham E. cuniculi ribozomu elde edebildik.
Daha sonra elde edilen ribozom örneklerini kullanarak kriyoelektron mikroskopi (kriyo-EM) görüntüleri topladık ve bu görüntüleri büyük ribozomal alt birim, küçük alt birim başı ve küçük alt birime karşılık gelen maskeler kullanarak işledik. Bu işlem sırasında yaklaşık 108.000 ribozomal parçacığın görüntüsünü topladık ve 2,7 Å çözünürlükte kriyo-EM görüntüleri hesapladık (Ek Şekiller 1-3). Daha sonra kriyo-EM görüntülerini kullanarak E. cuniculi ribozomlarıyla ilişkili rRNA, ribozomal protein ve kış uykusu faktörü Mdf1'i modelledik (Şekil 1a, b).
a E. cuniculi ribozomunun, kış uykusu faktörü Mdf1 ile kompleks halindeki yapısı (pdb kimliği 7QEP). b E. cuniculi ribozomu ile ilişkili kış uykusu faktörü Mdf1'in haritası. c Mikrosporidiyen türlerinde elde edilen rRNA'yı bilinen ribozomal yapılarla karşılaştıran ikincil yapı haritası. Paneller, yükseltilmiş rRNA parçalarının (ES) ve ribozom aktif bölgelerinin konumunu göstermektedir; bunlar arasında kod çözme bölgesi (DC), sarsinisin döngüsü (SRL) ve peptidil transferaz merkezi (PTC) yer almaktadır. d E. cuniculi ribozomunun peptidil transferaz merkezine karşılık gelen elektron yoğunluğu, bu katalitik bölgenin E. cuniculi parazitinde ve H. sapiens dahil olmak üzere konaklarında aynı yapıya sahip olduğunu göstermektedir. e, f Kod çözme merkezinin karşılık gelen elektron yoğunluğu (e) ve kod çözme merkezinin şematik yapısı (f), E. cuniculi'nin diğer birçok ökaryotta bulunan A1491 (E. coli numaralandırması) yerine U1491 kalıntılarına sahip olduğunu göstermektedir. Bu değişiklik, E. cuniculi'nin bu aktif bölgeyi hedef alan antibiyotiklere duyarlı olabileceğini düşündürmektedir.
Daha önce belirlenmiş V. necatrix ve P. locustae ribozomlarının yapılarının aksine (her iki yapı da aynı mikrosporidia ailesi Nosematidae'yi temsil eder ve birbirine çok benzer), 31,32 E. cuniculi ribozomları çok sayıda rRNA ve protein parçalanma sürecine uğrar. Daha fazla denatürasyon (Ek Şekiller 4-6). rRNA'da en dikkat çekici değişiklikler arasında, yükseltilmiş 25S rRNA parçası ES12L'nin tamamen kaybı ve h39, h41 ve H18 helislerinin kısmi dejenerasyonu yer almaktadır (Şekil 1c, Ek Şekil 4). Ribozomal proteinler arasında en dikkat çekici değişiklikler, eS30 proteininin tamamen kaybolması ve eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 ve eS7 proteinlerinin kısalmasıydı (Ek Şekiller 4, 5).
Bu nedenle, Encephalotozoon/Ordospora türlerinin genomlarının aşırı derecede küçülmesi, ribozom yapılarına da yansımaktadır: E. cuniculi ribozomları, yapısal karakterizasyona tabi tutulan ökaryotik sitoplazmik ribozomlar arasında protein içeriğinde en dramatik kaybı yaşar ve sadece ökaryotlarda değil, yaşamın üç alanında da yaygın olarak korunan rRNA ve protein parçalarına bile sahip değildirler. E. cuniculi ribozomunun yapısı, bu değişiklikler için ilk moleküler modeli sağlar ve hem karşılaştırmalı genomik hem de hücre içi biyomoleküler yapı çalışmalarında gözden kaçırılan evrimsel olayları ortaya çıkarır (Ek Şekil 7). Aşağıda, bu olayların her birini olası evrimsel kökenleri ve ribozom fonksiyonu üzerindeki potansiyel etkileriyle birlikte açıklıyoruz.
Daha sonra, büyük rRNA kesintilerine ek olarak, E. cuniculi ribozomlarının aktif bölgelerinden birinde rRNA varyasyonları olduğunu bulduk. E. cuniculi ribozomunun peptidil transferaz merkezi diğer ökaryotik ribozomlarla aynı yapıya sahip olmasına rağmen (Şekil 1d), kod çözme merkezi 1491. nükleotitteki dizi varyasyonu nedeniyle farklılık gösterir (E. coli numaralandırması, Şekil 1e, f). Bu gözlem önemlidir çünkü ökaryotik ribozomların kod çözme bölgesi tipik olarak bakteri tipi ribozomlardaki A1408 ve G1491 kalıntılarına kıyasla G1408 ve A1491 kalıntılarını içerir. Bu varyasyon, bakteri ve ökaryotik ribozomların aminoglikozit ailesi ribozomal antibiyotiklere ve kod çözme bölgesini hedef alan diğer küçük moleküllere karşı farklı duyarlılığının temelini oluşturur. E. cuniculi ribozomunun kod çözme bölgesinde, A1491 kalıntısı U1491 ile değiştirilmiş olup, bu durum, bu aktif bölgeyi hedefleyen küçük moleküller için benzersiz bir bağlanma arayüzü oluşturabilir. Aynı A14901 varyantı, P. locustae ve V. necatrix gibi diğer mikrosporidiyalarda da mevcuttur ve bu da mikrosporidiya türleri arasında yaygın olduğunu göstermektedir (Şekil 1f).
E. cuniculi ribozom örneklerimiz metabolik olarak inaktif sporlardan izole edildiğinden, E. cuniculi'nin kriyoelektron mikroskopi haritasını, daha önce tanımlanmış stres veya açlık koşulları altındaki ribozom bağlanması açısından test ettik. Kış uykusu faktörleri 31, 32, 36, 37, 38. Kış uykusundaki ribozomun daha önce belirlenmiş yapısını, E. cuniculi ribozomunun kriyoelektron mikroskopi haritasıyla eşleştirdik. Bağlanma için, S. cerevisiae ribozomları kış uykusu faktörü Stm138 ile, çekirge ribozomları Lso232 faktörü ile ve V. necatrix ribozomları Mdf1 ve Mdf231 faktörleri ile kompleks halinde kullanıldı. Aynı zamanda, dinlenme faktörü Mdf1'e karşılık gelen kriyoelektron mikroskopi yoğunluğunu bulduk. Mdf1'in V. necatrix ribozomuna bağlanmasına benzer şekilde, Mdf1 ayrıca E. cuniculi ribozomuna da bağlanır ve ribozomun E bölgesini bloke ederek, parazit sporları vücut inaktivasyonu üzerine metabolik olarak inaktif hale geldiğinde ribozomların kullanılabilir hale gelmesine yardımcı olabilir (Şekil 2).
Mdf1, ribozomun E bölgesini bloke eder ve bu da parazit sporları metabolik olarak inaktif hale geldiğinde ribozomun devre dışı kalmasına yardımcı olur. E. cuniculi ribozomunun yapısında, Mdf1'in daha önce bilinmeyen bir şekilde L1 ribozom gövdesiyle temas kurduğunu bulduk; bu gövde, protein sentezi sırasında deasetillenmiş tRNA'nın ribozomdan salınmasını kolaylaştıran kısımdır. Bu temaslar, Mdf1'in ribozomdan deasetillenmiş tRNA ile aynı mekanizmayı kullanarak ayrıldığını ve ribozomun protein sentezini yeniden etkinleştirmek için Mdf1'i nasıl uzaklaştırdığına dair olası bir açıklama sağladığını düşündürmektedir.
Ancak, yapımız Mdf1 ile L1 ribozom bacağı (protein sentezi sırasında deasetillenmiş tRNA'nın ribozomdan salınmasına yardımcı olan ribozomun kısmı) arasında bilinmeyen bir teması ortaya çıkardı. Özellikle, Mdf1, deasetillenmiş tRNA molekülünün dirsek segmentiyle aynı temasları kullanır (Şekil 2). Daha önce bilinmeyen bu moleküler modelleme, Mdf1'in ribozomdan deasetillenmiş tRNA ile aynı mekanizmayı kullanarak ayrıldığını gösterdi; bu da ribozomun bu uyku faktörünü nasıl uzaklaştırıp protein sentezini yeniden etkinleştirdiğini açıklıyor.
rRNA modelini oluştururken, E. cuniculi ribozomunun anormal şekilde katlanmış rRNA parçalarına sahip olduğunu bulduk ve bunlara kaynaşmış rRNA adını verdik (Şekil 3). Yaşamın üç alanını kapsayan ribozomlarda, rRNA, çoğu rRNA bazının ya birbirleriyle baz çifti oluşturup katlandığı ya da ribozomal proteinlerle etkileşime girdiği yapılara katlanır38,39,40. Bununla birlikte, E. cuniculi ribozomlarında, rRNA'lar bazı sarmallarını açılmış rRNA bölgelerine dönüştürerek bu katlanma prensibini ihlal ediyor gibi görünmektedir.
Saccharomyces cerevisiae, V. necatrix ve E. cuniculi'deki H18 25S rRNA helisinin yapısı. Tipik olarak, üç yaşam alanını kapsayan ribozomlarda, bu bağlayıcı 24 ila 34 kalıntı içeren bir RNA helisine kıvrılır. Mikrosporidilerde ise, bu rRNA bağlayıcısı kademeli olarak yalnızca 12 kalıntı içeren iki tek zincirli uridin açısından zengin bağlayıcıya indirgenir. Bu kalıntıların çoğu çözücülere maruz kalır. Şekil, parazitik mikrosporidilerin, rRNA bazlarının genellikle diğer bazlarla eşleştiği veya rRNA-protein etkileşimlerine dahil olduğu rRNA katlanmasının genel prensiplerini ihlal ettiğini göstermektedir. Mikrosporidilerde, bazı rRNA parçaları, eski rRNA helisinin neredeyse düz bir çizgide uzamış tek zincirli bir parçaya dönüştüğü elverişsiz bir katlanma alır. Bu sıra dışı bölgelerin varlığı, mikrosporidia rRNA'sının minimum sayıda RNA bazı kullanarak uzak rRNA parçalarına bağlanmasına olanak tanır.
Bu evrimsel geçişin en çarpıcı örneği H18 25S rRNA heliksinde gözlemlenebilir (Şekil 3). E. coli'den insanlara kadar olan türlerde, bu rRNA heliksinin bazları 24-32 nükleotit içerir ve hafif düzensiz bir heliks oluşturur. Daha önce V. necatrix ve P. locustae'den tanımlanmış ribozomal yapılarda,31,32 H18 heliksinin bazları kısmen açılmış durumdadır, ancak nükleotit baz eşleşmesi korunmuştur. Bununla birlikte, E. cuniculi'de bu rRNA parçası en kısa bağlayıcılar olan 228UUUGU232 ve 301UUUUUUUUU307 haline gelir. Tipik rRNA parçalarının aksine, bu uridin açısından zengin bağlayıcılar kıvrılmaz veya ribozomal proteinlerle kapsamlı temas kurmaz. Bunun yerine, rRNA ipliklerinin neredeyse düz bir şekilde uzandığı, çözücüye açık ve tamamen açılmış yapılar benimserler. Bu gerilmiş konformasyon, E. cuniculi'nin H16 ve H18 rRNA sarmalları arasındaki 33 Å'lik boşluğu doldurmak için yalnızca 12 RNA bazı kullanmasını, diğer türlerin ise bu boşluğu doldurmak için en az iki kat daha fazla rRNA bazına ihtiyaç duymasını açıklamaktadır.
Böylece, enerji açısından elverişsiz katlanma yoluyla, parazitik mikrosporidlerin, yaşamın üç alanında türler arasında geniş ölçüde korunmuş olan rRNA segmentlerini bile daraltma stratejisi geliştirdiğini gösterebiliriz. Görünüşe göre, rRNA sarmallarını kısa poli-U bağlayıcılarına dönüştüren mutasyonları biriktirerek, E. cuniculi, distal rRNA parçalarının bağlanması için mümkün olduğunca az nükleotit içeren alışılmadık rRNA parçaları oluşturabilir. Bu, mikrosporidlerin yapısal ve işlevsel bütünlüklerini kaybetmeden temel moleküler yapılarında nasıl dramatik bir azalma sağladıklarını açıklamaya yardımcı olur.
E. cuniculi rRNA'sının bir diğer sıra dışı özelliği, kalınlaşma içermeyen rRNA'nın görünümüdür (Şekil 4). Çıkıntılar, RNA sarmalının içinde saklanmak yerine dışarı doğru kıvrılan, baz çifti içermeyen nükleotidlerdir. Çoğu rRNA çıkıntısı, bitişik ribozomal proteinleri veya diğer rRNA parçalarını bağlamaya yardımcı olan moleküler yapıştırıcılar görevi görür. Bazı çıkıntılar menteşe görevi görerek, rRNA sarmalının verimli protein sentezi için en uygun şekilde bükülmesine ve katlanmasına olanak tanır 41.
a rRNA çıkıntısı (S. cerevisiae numaralandırması) E. cuniculi ribozom yapısında bulunmaz, ancak diğer çoğu ökaryotta mevcuttur. b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens ve E. cuniculi iç ribozomları. Parazitlerde, eski ve oldukça korunmuş birçok rRNA çıkıntısı bulunmaz. Bu kalınlaşmalar ribozom yapısını stabilize eder; bu nedenle, mikrosporidilerde yoklukları, mikrosporidi parazitlerinde rRNA katlanmasının azalmış stabilitesini gösterir. P saplarıyla (bakterilerde L7/L12 sapları) karşılaştırma, rRNA çıkıntılarının kaybının bazen kayıp çıkıntıların yanında yeni çıkıntıların ortaya çıkmasıyla aynı zamana denk geldiğini göstermektedir. 23S/28S rRNA'daki H42 helisi, yaşamın üç alanındaki koruması nedeniyle en az 3,5 milyar yaşında olduğu tahmin edilen eski bir çıkıntıya (Saccharomyces cerevisiae'de U1206) sahiptir. Mikrosporidilerde bu çıkıntı ortadan kalkar. Ancak, kaybolan çıkıntının yanında yeni bir çıkıntı ortaya çıkar (E. cuniculi'de A1306).
Şaşırtıcı bir şekilde, E. cuniculi ribozomlarının diğer türlerde bulunan rRNA çıkıntılarının çoğundan yoksun olduğunu, diğer ökaryotlarda korunan 30'dan fazla çıkıntının da bu türlerde bulunduğunu tespit ettik (Şekil 4a). Bu kayıp, ribozomal alt birimler ile bitişik rRNA sarmalları arasındaki birçok teması ortadan kaldırarak, bazen ribozom içinde büyük boşluklar oluşturur ve E. cuniculi ribozomunu daha geleneksel ribozomlara kıyasla daha gözenekli hale getirir (Şekil 4b). Özellikle, bu çıkıntıların çoğunun daha önce tanımlanmış V. necatrix ve P. locustae ribozom yapılarında da kaybolduğunu ve önceki yapısal analizlerde gözden kaçırıldığını bulduk31,32.
Bazen rRNA çıkıntılarının kaybına, kaybolan çıkıntının yanında yeni çıkıntıların gelişmesi eşlik eder. Örneğin, ribozomal P-sapı, E. coli'den insanlara kadar hayatta kalan ve bu nedenle 3,5 milyar yaşında olduğu tahmin edilen bir U1208 çıkıntısı (Saccharomyces cerevisiae'de) içerir. Protein sentezi sırasında, bu çıkıntı, ribozomun translasyon faktörlerini toplayıp aktif bölgeye iletebilmesi için P sapının açık ve kapalı konformasyonlar arasında hareket etmesine yardımcı olur. E. cuniculi ribozomlarında bu kalınlaşma yoktur; ancak, yalnızca üç baz çiftinde bulunan yeni bir kalınlaşma (G883), P sapının optimum esnekliğinin geri kazanılmasına katkıda bulunabilir (Şekil 4c).
Çıkıntı içermeyen rRNA'ya ilişkin verilerimiz, rRNA minimizasyonunun sadece ribozom yüzeyindeki rRNA elementlerinin kaybıyla sınırlı olmadığını, aynı zamanda ribozom çekirdeğini de içerebileceğini ve serbest yaşayan hücrelerde tanımlanmamış, parazite özgü moleküler bir kusur oluşturabileceğini düşündürmektedir.
Kanonik ribozomal proteinleri ve rRNA'yı modelledikten sonra, geleneksel ribozomal bileşenlerin kriyoelektron mikroskopi görüntüsünün üç bölümünü açıklayamadığını bulduk. Bu parçalardan ikisi küçük molekül boyutundadır (Şekil 5, Ek Şekil 8). İlk segment, genellikle E. cuniculi'de kısaltılmış olan eL18'in C-terminali tarafından işgal edilen bir pozisyonda, ribozomal proteinler uL15 ve eL18 arasında yer almaktadır. Bu molekülün kimliğini belirleyemesek de, bu yoğunluk adasının boyutu ve şekli, spermidin moleküllerinin varlığıyla iyi bir şekilde açıklanmaktadır. Ribozoma bağlanması, uL15 proteinlerindeki (Asp51 ve Arg56) mikrosporidia özgül mutasyonlar tarafından stabilize edilir; bu mutasyonlar, uL15'in küçük molekülü bir ribozomal yapıya sarmasına izin vererek ribozomun bu küçük moleküle olan afinitesini artırıyor gibi görünmektedir (Ek Şekil 2). 8, ek veriler 1, 2).
E. cuniculi ribozomuna bağlı ribozun dışında nükleotidlerin varlığını gösteren kriyoelektron mikroskopi (Cryo-EM) görüntülemesi. E. cuniculi ribozomunda, bu nükleotid, diğer birçok ökaryotik ribozomda 25S rRNA A3186 nükleotidi (Saccharomyces cerevisiae numaralandırması) ile aynı yeri işgal eder. b E. cuniculi'nin ribozomal yapısında, bu nükleotid ribozomal proteinler uL9 ve eL20 arasında yer alır ve böylece iki protein arasındaki teması stabilize eder. cd Mikrosporidia türleri arasında eL20 sekans koruma analizi. Mikrosporidi türlerinin filogenetik ağacı (c) ve eL20 proteininin çoklu dizi hizalaması (d), nükleotid bağlayıcı kalıntılar F170 ve K172'nin, ES39L rRNA uzantısını koruyan erken dallanan Mikrosporidiler hariç, S. lophii dışında çoğu tipik Mikrosporidi türünde korunduğunu göstermektedir. e Bu şekil, nükleotid bağlayıcı kalıntılar F170 ve K172'nin yalnızca oldukça indirgenmiş mikrosporidi genomunun eL20'sinde bulunduğunu, diğer ökaryotlarda bulunmadığını göstermektedir. Genel olarak, bu veriler, Mikrosporidi ribozomlarının AMP moleküllerini bağlayan ve bunları ribozomal yapıdaki protein-protein etkileşimlerini stabilize etmek için kullanan bir nükleotid bağlama bölgesi geliştirdiğini düşündürmektedir. Bu bağlama bölgesinin Mikrosporidilerde yüksek oranda korunması ve diğer ökaryotlarda bulunmaması, bu bölgenin Mikrosporidiler için seçici bir hayatta kalma avantajı sağlayabileceğini düşündürmektedir. Bu nedenle, mikrosporidia ribozomundaki nükleotid bağlama cebi, daha önce tanımlandığı gibi dejenere bir özellik veya rRNA bozunmasının son formu değil, mikrosporidia ribozomunun küçük molekülleri doğrudan bağlamasına ve bunları moleküler yapı taşları olarak kullanmasına olanak tanıyan yararlı bir evrimsel yenilik gibi görünmektedir. Bu keşif, mikrosporidia ribozomunu, yapısal yapı taşı olarak tek bir nükleotid kullanan bilinen tek ribozom yapmaktadır. f Nükleotid bağlanmasından türetilen varsayımsal evrimsel yol.
İkinci düşük moleküler ağırlıklı yoğunluk, ribozomal proteinler uL9 ve eL30 arasındaki arayüzde yer almaktadır (Şekil 5a). Bu arayüz, daha önce Saccharomyces cerevisiae ribozomunun yapısında rRNA A3186'nın (ES39L rRNA uzantısının bir parçası) 25S nükleotidinin bağlanma yeri olarak tanımlanmıştır38. Dejenere P. locustae ES39L ribozomlarında bu arayüzün bilinmeyen tek bir nükleotidi bağladığı gösterilmiştir31 ve bu nükleotidin, rRNA'nın uzunluğunun ~130-230 baz olduğu indirgenmiş bir son rRNA formu olduğu varsayılmaktadır. ES39L tek bir nükleotide indirgenmiştir32.43. Kriyoelektron mikroskopi görüntülerimiz, yoğunluğun nükleotidlerle açıklanabileceği fikrini desteklemektedir. Ancak, yapımızın daha yüksek çözünürlüğü, bu nükleotidin muhtemelen AMP olan ekstraribozomal bir molekül olduğunu gösterdi (Şekil 5a, b).
Daha sonra, nükleotid bağlanma bölgesinin E. cuniculi ribozomunda ortaya çıkıp çıkmadığını veya daha önce var olup olmadığını sorduk. Nükleotid bağlanması esas olarak eL30 ribozomal proteinindeki Phe170 ve Lys172 kalıntıları tarafından sağlandığı için, bu kalıntıların 4396 temsili ökaryotta korunma derecesini değerlendirdik. Yukarıdaki uL15 örneğinde olduğu gibi, Phe170 ve Lys172 kalıntılarının yalnızca tipik Mikrosporidiyum'da yüksek oranda korunduğunu, ancak ES39L rRNA parçasının indirgenmediği atipik Mikrosporidiyum Mitosporidium ve Amphiamblys dahil olmak üzere diğer ökaryotlarda bulunmadığını bulduk (Şekil 5c-e).
Bu veriler bir araya getirildiğinde, E. cuniculi ve muhtemelen diğer kanonik mikrosporidlerin, rRNA ve protein seviyelerindeki düşüşü telafi etmek için ribozom yapısında çok sayıda küçük metaboliti verimli bir şekilde yakalama yeteneği geliştirdiği fikrini desteklemektedir. Bunu yaparken, ribozomun dışında nükleotidleri bağlama konusunda benzersiz bir yetenek geliştirmişlerdir; bu da parazitik moleküler yapıların, bol miktarda küçük metaboliti yakalayarak ve bunları bozulmuş RNA ve protein parçalarının yapısal taklitleri olarak kullanarak telafi ettiğini göstermektedir.
Kriyoelektron mikroskopi haritamızın simüle edilmemiş üçüncü kısmı, büyük ribozomal alt birimde bulundu. Haritamızın nispeten yüksek çözünürlüğü (2,6 Å), bu yoğunluğun büyük yan zincir kalıntılarının benzersiz kombinasyonlarına sahip proteinlere ait olduğunu düşündürmektedir; bu da bu yoğunluğu daha önce bilinmeyen bir ribozomal protein olarak tanımlamamızı sağladı ve bu proteine ​​msL2 (Microsporidia'ya özgü protein L2) adını verdik (yöntemler, şekil 6). Homoloji araştırmamız, msL2'nin Encephaliter ve Orosporidium cinslerinin Microsporidia kladında korunduğunu, ancak diğer Microsporidia türleri de dahil olmak üzere diğer türlerde bulunmadığını gösterdi. Ribozomal yapıda, msL2, uzatılmış ES31L rRNA'nın kaybıyla oluşan bir boşluğu işgal eder. Bu boşlukta, msL2, rRNA katlanmasını stabilize etmeye yardımcı olur ve ES31L kaybını telafi edebilir (Şekil 6).
a E. cuniculi ribozomlarında bulunan Microsporidia'ya özgü ribozomal protein msL2'nin elektron yoğunluğu ve modeli. b Saccharomyces cerevisiae'nin 80S ribozomu da dahil olmak üzere çoğu ökaryotik ribozomda, çoğu Microsporidia türünde ES19L rRNA amplifikasyonu kaybolmuştur. V. necatrix microsporidia ribozomunun daha önce belirlenmiş yapısı, bu parazitlerdeki ES19L kaybının yeni msL1 ribozomal proteininin evrimiyle telafi edildiğini düşündürmektedir. Bu çalışmada, E. cuniculi ribozomunun da ES19L kaybını telafi etmek için ek bir ribozomal RNA taklit proteini geliştirdiğini bulduk. Bununla birlikte, msL2 (şu anda varsayımsal ECU06_1135 proteini olarak adlandırılmıştır) ve msL1'in farklı yapısal ve evrimsel kökenleri vardır. c Evrimsel olarak ilişkisiz msL1 ve msL2 ribozomal proteinlerinin oluşumunun keşfi, ribozomların rRNA'larında zararlı mutasyonlar biriktirmeleri durumunda, yakın akraba türlerin küçük bir alt kümesinde bile benzeri görülmemiş düzeyde bileşimsel çeşitliliğe ulaşabileceklerini düşündürmektedir. Bu keşif, oldukça indirgenmiş rRNA'sı ve türler arası protein bileşimindeki anormal değişkenliğiyle bilinen mitokondriyal ribozomun kökenini ve evrimini aydınlatmaya yardımcı olabilir.
Daha sonra msL2 proteinini, V. necatrix ribozomunda bulunan ve bilinen tek mikrosporidia özgül ribozomal protein olan daha önce tanımlanmış msL1 proteiniyle karşılaştırdık. msL1 ve msL2'nin evrimsel olarak ilişkili olup olmadığını test etmek istedik. Analizimiz, msL1 ve msL2'nin ribozomal yapıda aynı boşluğu işgal ettiğini, ancak farklı birincil ve üçüncül yapılara sahip olduğunu gösterdi; bu da onların bağımsız evrimsel kökenlerini işaret etmektedir (Şekil 6). Dolayısıyla, msL2'nin keşfi, kompakt ökaryotik tür gruplarının, rRNA parçalarının kaybını telafi etmek için yapısal olarak farklı ribozomal proteinleri bağımsız olarak evrimleştirebileceğine dair kanıt sağlamaktadır. Bu bulgu, çoğu sitoplazmik ökaryotik ribozomun, aynı 81 ribozomal protein ailesi de dahil olmak üzere, değişmez bir protein içermesi açısından dikkat çekicidir. Mikrosporidilerin çeşitli soylarında, uzatılmış rRNA segmentlerinin kaybına yanıt olarak msL1 ve msL2'nin ortaya çıkması, parazitin moleküler mimarisinin bozulmasının, parazitleri telafi edici mutasyonlar aramaya yönlendirdiğini ve bunun da nihayetinde farklı parazit popülasyonlarında bu yapıların edinilmesine yol açabileceğini düşündürmektedir.
Son olarak, modelimiz tamamlandığında, E. cuniculi ribozomunun bileşimini genom dizisinden tahmin edilenle karşılaştırdık. eL14, eL38, eL41 ve eS30 dahil olmak üzere çeşitli ribozomal proteinlerin, E. cuniculi genomunda homologlarının görünür yokluğu nedeniyle daha önce E. cuniculi genomunda eksik olduğu düşünülüyordu. Birçok ribozomal proteinin kaybı, diğer birçok yüksek oranda indirgenmiş hücre içi parazit ve endosimbiyontlarda da tahmin edilmektedir. Örneğin, çoğu serbest yaşayan bakteri aynı 54 ribozomal protein ailesini içerse de, bu protein ailelerinden sadece 11'inin konakçıya özgü bakterilerin analiz edilen her genomunda tespit edilebilir homologları vardır. Bu görüşü desteklemek için, eL38 ve eL4131,32 proteinlerinden yoksun olan V. necatrix ve P. locustae mikrosporidilerinde ribozomal protein kaybı deneysel olarak gözlemlenmiştir.
Ancak, yapılarımız yalnızca eL38, eL41 ve eS30'un E. cuniculi ribozomunda kaybolduğunu göstermektedir. eL14 proteini korunmuştur ve yapımız bu proteinin neden homologi aramasında bulunamadığını göstermiştir (Şekil 7). E. cuniculi ribozomlarında, rRNA tarafından yükseltilen ES39L'nin bozulması nedeniyle eL14 bağlanma bölgesinin çoğu kaybolmuştur. ES39L'nin yokluğunda, eL14 ikincil yapısının çoğunu kaybetmiş ve eL14 dizisinin yalnızca %18'i E. cuniculi ve S. cerevisiae'de aynı kalmıştır. Bu zayıf dizi korunumu dikkat çekicidir çünkü 1,5 milyar yıl arayla evrimleşmiş organizmalar olan Saccharomyces cerevisiae ve Homo sapiens bile eL14'te aynı kalıntıların %51'inden fazlasını paylaşmaktadır. Bu anormal koruma kaybı, E. cuniculi eL14'ün şu anda eL1427 ribozomal proteini olarak değil, varsayımsal M970_061160 proteini olarak etiketlenmesinin nedenini açıklamaktadır.
Mikrosporidi ribozomu, ES39L rRNA uzantısını kaybetti ve bu da eL14 ribozomal protein bağlanma bölgesini kısmen ortadan kaldırdı. ES39L yokluğunda, eL14 mikrospor proteini ikincil yapısını kaybeder ve eski rRNA bağlayıcı α-heliks, minimum uzunlukta bir döngüye dönüşür. b Çoklu dizi hizalaması, eL14 proteininin ökaryotik türlerde yüksek oranda korunduğunu (maya ve insan homologları arasında %57 dizi özdeşliği), ancak mikrosporidilerde zayıf korunduğunu ve farklılaştığını (kalıntıların %24'ünden fazlasının eL14 homologuna özdeş olmadığı) göstermektedir. (S. cerevisiae veya H. sapiens'ten). Bu zayıf dizi korunumu ve ikincil yapı değişkenliği, eL14 homologunun E. cuniculi'de neden hiç bulunmadığını ve bu proteinin E. cuniculi'de neden kaybolduğunun düşünüldüğünü açıklamaktadır. Buna karşılık, E. cuniculi eL14 daha önce varsayımsal bir M970_061160 proteini olarak tanımlanmıştı. Bu gözlem, mikrosporidiya genom çeşitliliğinin şu anda abartıldığını göstermektedir: Mikrosporidiyada kaybolduğu düşünülen bazı genler aslında oldukça farklılaşmış formlarda da olsa korunmuştur; bunun yerine, solucana özgü proteinler için mikrosporidiya genlerini kodladığı düşünülen bazı genler (örneğin, varsayımsal M970_061160 proteini) aslında diğer ökaryotlarda bulunan çok çeşitli proteinleri kodlamaktadır.
Bu bulgu, rRNA denatürasyonunun bitişik ribozomal proteinlerdeki dizi korunumunda dramatik bir kayba yol açabileceğini ve bu proteinleri homologi aramaları için tespit edilemez hale getirebileceğini göstermektedir. Dolayısıyla, küçük genomlu organizmalarda moleküler bozulmanın gerçek derecesini abartıyor olabiliriz, çünkü kaybolduğu düşünülen bazı proteinler aslında oldukça değişmiş formlarda da olsa varlığını sürdürmektedir.
Parazitler, aşırı genom küçülmesi koşullarında moleküler makinelerinin işlevini nasıl koruyabilir? Çalışmamız, en küçük ökaryotik genomlardan birine sahip bir organizma olan E. cuniculi'nin karmaşık moleküler yapısını (ribozom) tanımlayarak bu soruyu yanıtlıyor.
Mikrobiyal parazitlerdeki protein ve RNA moleküllerinin, serbest yaşayan türlerdeki homolog moleküllerinden genellikle farklılık gösterdiği, bunun nedenleri arasında kalite kontrol merkezlerinden yoksun olmaları, serbest yaşayan mikroplardaki boyutlarının %50'sine kadar küçülmeleri vb. birçok zayıflatıcı mutasyonun katlanmayı ve işlevi bozması yer almaktadır. Örneğin, birçok hücre içi parazit ve endosimbiyont da dahil olmak üzere küçük genomlu organizmaların ribozomlarının, serbest yaşayan türlere kıyasla birkaç ribozomal proteinden ve rRNA nükleotidlerinin üçte birine kadarından yoksun olması beklenmektedir 27, 29, 30, 49. Bununla birlikte, bu moleküllerin parazitlerde nasıl işlev gördüğü büyük ölçüde gizemini korumakta ve esas olarak karşılaştırmalı genomik yoluyla incelenmektedir.
Çalışmamız, makromoleküllerin yapısının, hücre içi parazitlerin ve diğer konakçıya bağlı organizmaların geleneksel karşılaştırmalı genomik çalışmalarından elde edilmesi zor olan evrimin birçok yönünü ortaya çıkarabileceğini göstermektedir (Ek Şekil 7). Örneğin, eL14 proteini örneği, parazit türlerindeki moleküler aparatın gerçek bozulma derecesini abartabileceğimizi göstermektedir. Ensefalitik parazitlerin artık yüzlerce mikrosporidia özgül genine sahip olduğuna inanılmaktadır. Bununla birlikte, sonuçlarımız, bu görünüşte özgül genlerin bazılarının aslında diğer ökaryotlarda yaygın olan genlerin çok farklı varyantları olduğunu göstermektedir. Dahası, msL2 proteini örneği, yeni ribozomal proteinleri nasıl gözden kaçırdığımızı ve parazit moleküler makinelerinin içeriğini nasıl hafife aldığımızı göstermektedir. Küçük moleküller örneği, parazit moleküler yapılarında onlara yeni biyolojik aktivite kazandırabilecek en zekice yenilikleri nasıl gözden kaçırabileceğimizi göstermektedir.
Bu sonuçlar bir araya getirildiğinde, konakçıya bağımlı organizmaların moleküler yapıları ile serbest yaşayan organizmalardaki karşılıkları arasındaki farklılıklara dair anlayışımızı geliştiriyor. Uzun zamandır indirgenmiş, dejenere olmuş ve çeşitli zayıflatıcı mutasyonlara maruz kalmış olduğu düşünülen moleküler makinelerin, bunun yerine sistematik olarak göz ardı edilen bir dizi sıra dışı yapısal özelliğe sahip olduğunu gösteriyoruz.
Öte yandan, E. cuniculi'nin ribozomlarında bulduğumuz hacimli olmayan rRNA parçaları ve kaynaşmış parçalar, genom küçülmesinin, türlerin bağımsız evriminin neredeyse 3,5 milyar yıl sonrasında bile, yaşamın üç alanında korunmuş olan temel moleküler mekanizmanın bu kısımlarını bile değiştirebileceğini düşündürmektedir.
E. cuniculi ribozomlarındaki şişkinlik içermeyen ve kaynaşmış rRNA parçaları, endosimbiyotik bakterilerdeki RNA molekülleri üzerine yapılan önceki çalışmalar ışığında özellikle ilgi çekicidir. Örneğin, yaprak biti endosimbiyontu Buchnera aphidicola'da, rRNA ve tRNA moleküllerinin A+T bileşim yanlılığı ve yüksek oranda kanonik olmayan baz çiftleri nedeniyle sıcaklığa duyarlı yapılara sahip olduğu gösterilmiştir20,50. RNA'daki bu değişikliklerin yanı sıra protein moleküllerindeki değişikliklerin de endosimbiyontların eşlerine aşırı bağımlılığından ve endosimbiyontların ısıyı aktaramamasından sorumlu olduğu düşünülmektedir21, 23. Parazitik mikrosporidiya rRNA'sında yapısal olarak farklı değişiklikler olmasına rağmen, bu değişikliklerin doğası, azaltılmış genomlu organizmalardaki RNA moleküllerinin ortak özelliklerinin azalmış termal kararlılık ve şaperon proteinlerine daha yüksek bağımlılık olabileceğini düşündürmektedir.
Öte yandan, yapılarımız, parazit mikrosporidilerinin geniş ölçüde korunmuş rRNA ve protein parçalarına direnme konusunda benzersiz bir yetenek geliştirdiğini ve bol miktarda bulunan ve kolayca erişilebilen küçük metabolitleri, dejenere rRNA ve protein parçalarının yapısal taklitleri olarak kullanma yeteneği kazandığını göstermektedir. Moleküler yapı bozulması. Bu görüş, E. cuniculi'nin rRNA ve ribozomlarındaki protein parçalarının kaybını telafi eden küçük moleküllerin, uL15 ve eL30 proteinlerindeki mikrosporidiye özgü kalıntılara bağlanması gerçeğiyle desteklenmektedir. Bu, küçük moleküllerin ribozomlara bağlanmasının, ribozomal proteinlerdeki mikrosporidiye özgü mutasyonların, ribozomların küçük moleküllere olan afinitesini artırma yetenekleri nedeniyle seçildiği ve bunun da daha verimli ribozomal organizmalara yol açabileceği pozitif seçilimin bir ürünü olabileceğini düşündürmektedir. Bu keşif, mikrobiyal parazitlerin moleküler yapısında akıllı bir yeniliği ortaya koymakta ve parazit moleküler yapılarının indirgeyici evrime rağmen işlevlerini nasıl korudukları konusunda daha iyi bir anlayış sağlamaktadır.
Şu anda, bu küçük moleküllerin tanımlanması belirsizliğini koruyor. Bu küçük moleküllerin ribozomal yapıdaki görünümünün mikrosporidya türleri arasında neden farklılık gösterdiği açık değil. Özellikle, V. necatrix'in eL20 ve K172 proteinlerinde F170 kalıntısının bulunmasına rağmen, nükleotid bağlanmasının E. cuniculi ve P. locustae'nin ribozomlarında gözlemlenirken V. necatrix'in ribozomlarında gözlemlenmemesinin nedeni açık değil. Bu silinme, V. necatrix'te tirozin olan ve E. cuniculi ve P. locustae'de treonin olmayan 43 uL6 kalıntısından (nükleotid bağlanma cebine bitişik konumda) kaynaklanıyor olabilir. Tyr43'ün büyük aromatik yan zinciri, sterik örtüşme nedeniyle nükleotid bağlanmasını engelleyebilir. Alternatif olarak, görünen nükleotid silinmesi, V. necatrix ribozomal parçalarının modellenmesini engelleyen kriyoelektron mikroskopi görüntülemesinin düşük çözünürlüğünden kaynaklanıyor olabilir.
Öte yandan, çalışmamız genom bozulma sürecinin yenilikçi bir güç olabileceğini öne sürüyor. Özellikle, E. cuniculi ribozomunun yapısı, mikrosporidia ribozomunda rRNA ve protein parçalarının kaybının, ribozom yapısında değişiklikleri teşvik eden evrimsel bir baskı yarattığını gösteriyor. Bu varyantlar ribozomun aktif bölgesinden uzakta meydana gelir ve aksi takdirde azalmış rRNA tarafından bozulacak olan optimal ribozom montajını korumaya (veya geri kazandırmaya) yardımcı olur gibi görünmektedir. Bu, mikrosporidia ribozomunun önemli bir yeniliğinin, gen kaymasını dengeleme ihtiyacına dönüşmüş olabileceğini düşündürmektedir.
Belki de bu durum, şimdiye kadar diğer organizmalarda hiç gözlemlenmemiş olan nükleotid bağlanmasıyla en iyi şekilde açıklanabilir. Tipik mikrosporidilerde nükleotid bağlayıcı kalıntıların bulunması, ancak diğer ökaryotlarda bulunmaması, nükleotid bağlayıcı bölgelerin sadece kaybolmayı bekleyen kalıntılar veya rRNA'nın tek tek nükleotidler haline geri döndürülmesinin son noktası olmadığını düşündürmektedir. Bunun yerine, bu bölge, birkaç tur pozitif seçilim boyunca evrimleşmiş olabilecek yararlı bir özellik gibi görünmektedir. Nükleotid bağlayıcı bölgeler, doğal seçilimin bir yan ürünü olabilir: ES39L parçalandığında, mikrosporidiler ES39L yokluğunda optimal ribozom biyogenezini geri kazanmak için telafi aramak zorunda kalırlar. Bu nükleotid, ES39L'deki A3186 nükleotidinin moleküler temaslarını taklit edebildiğinden, nükleotid molekülü ribozomun bir yapı taşı haline gelir ve bağlanması eL30 dizisinin mutasyonuyla daha da iyileştirilir.
Hücre içi parazitlerin moleküler evrimiyle ilgili olarak, çalışmamız Darwinci doğal seçilim ve genom bozulmasının genetik sürüklenmesi güçlerinin paralel çalışmadığını, aksine salınım gösterdiğini ortaya koymaktadır. İlk olarak, genetik sürüklenme biyomoleküllerin önemli özelliklerini ortadan kaldırarak telafi ihtiyacını doğurmaktadır. Parazitler bu ihtiyacı Darwinci doğal seçilim yoluyla karşıladığında, makromolekülleri en etkileyici ve yenilikçi özelliklerini geliştirme şansına sahip olacaktır. Önemli olarak, E. cuniculi ribozomundaki nükleotid bağlanma bölgelerinin evrimi, moleküler evrimin bu kayıp-kazanç modelinin sadece zararlı mutasyonları amortize etmekle kalmayıp, bazen parazitik makromoleküllere tamamen yeni işlevler kazandırdığını göstermektedir.
Bu fikir, organizmaların yenilik yapma yeteneğini sınırlayan katı bir doğal seçilim sisteminin varlığını savunan Sewell Wright'ın hareketli denge teorisiyle tutarlıdır51,52,53. Bununla birlikte, genetik sürüklenme doğal seçilimi bozarsa, bu sürüklenmeler kendi başlarına uyarlanabilir (hatta zararlı) olmayan ancak daha yüksek uyum veya yeni biyolojik aktivite sağlayan daha fazla değişikliğe yol açan değişiklikler üretebilir. Çerçevemiz, bir biyomolekülün katlanma ve işlevini azaltan aynı tip mutasyonun, onun iyileştirilmesinin ana tetikleyicisi olduğunu göstererek bu fikri desteklemektedir. Kazan-kazan evrimsel modeliyle uyumlu olarak, çalışmamız, geleneksel olarak dejeneratif bir süreç olarak görülen genom bozulmasının, bazen ve hatta belki de sıklıkla makromoleküllerin yeni parazitik aktiviteler edinmesine olanak tanıyan önemli bir yenilik itici gücü olduğunu göstermektedir.