Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasida CSS qo'llab-quvvatlashi cheklangan. Eng yaxshi tajriba uchun sizga yangilangan brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, uzluksiz qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublar va JavaScriptsiz renderlaymiz.
Mikrobial parazitlarning evolyutsiyasi parazitlarning yaxshilanishiga olib keladigan tabiiy tanlanish va parazitlarning genlarini yo'qotishiga va zararli mutatsiyalarni to'plashiga olib keladigan genetik drift o'rtasidagi qarama-qarshilikni o'z ichiga oladi. Bu yerda, bu qarama-qarshilik bitta makromolekula miqyosida qanday sodir bo'lishini tushunish uchun biz tabiatdagi eng kichik genomlardan biriga ega bo'lgan eukaryotik organizm Encephalitozoon cuniculi ribosomasining krio-EM tuzilishini tasvirlaymiz. E. cuniculi ribosomalarida rRNKning haddan tashqari kamayishi misli ko'rilmagan strukturaviy o'zgarishlar bilan birga keladi, masalan, ilgari noma'lum bo'lgan birlashgan rRNK bog'lovchilari va bo'rtmalarsiz rRNK evolyutsiyasi. Bundan tashqari, E. cuniculi ribosomasi kichik molekulalardan parchalangan rRNK fragmentlari va oqsillarining strukturaviy taqlidi sifatida foydalanish qobiliyatini rivojlantirish orqali rRNK fragmentlari va oqsillarining yo'qolishidan omon qoldi. Umuman olganda, biz uzoq vaqtdan beri kamaygan, degeneratsiyalangan va zaiflashtiruvchi mutatsiyalarga duchor bo'lgan deb hisoblangan molekulyar tuzilmalar haddan tashqari molekulyar qisqarishlarga qaramay, ularni faol ushlab turadigan bir qator kompensator mexanizmlarga ega ekanligini ko'rsatamiz.
Mikrobial parazitlarning aksariyat guruhlari o'z xo'jayinlaridan foydalanish uchun noyob molekulyar vositalarga ega bo'lganligi sababli, biz ko'pincha turli parazit guruhlari uchun turli xil terapevtik vositalarni ishlab chiqishimiz kerak bo'ladi1,2. Biroq, yangi dalillar parazit evolyutsiyasining ba'zi jihatlari konvergent va asosan oldindan aytib bo'ladigan ekanligini ko'rsatadi, bu esa mikrobial parazitlarga keng terapevtik aralashuvlar uchun potentsial asosni ko'rsatadi3,4,5,6,7,8,9.
Avvalgi ishlar mikrobial parazitlarda genomning qisqarishi yoki genomning parchalanishi deb ataladigan umumiy evolyutsion tendentsiyani aniqladi10,11,12,13. Hozirgi tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, mikroorganizmlar erkin yashash tarzidan voz kechib, hujayra ichidagi parazitlarga (yoki endosimbiontlarga) aylanganda, ularning genomlari millionlab yillar davomida sekin, ammo hayratlanarli metamorfozalarga uchraydi9,11. Genomning parchalanishi deb nomlanuvchi jarayonda mikrobial parazitlar ilgari muhim bo'lgan ko'plab genlarni psevdogenlarga aylantiradigan zararli mutatsiyalarni to'playdi, bu esa genlarning asta-sekin yo'qolishiga va mutatsion qulashga olib keladi14,15. Bu qulash eng qadimgi hujayra ichidagi organizmlardagi genlarning 95% gacha yo'q qilishi mumkin, bu esa yaqin qarindosh erkin tirik turlarga nisbatan. Shunday qilib, hujayra ichidagi parazitlarning evolyutsiyasi ikki qarama-qarshi kuch o'rtasidagi tortishuvdir: Darvin tabiiy tanlanishi, bu parazitlarning yaxshilanishiga olib keladi va genomning qulashi, parazitlarni unutishga olib keladi. Parazit qanday qilib bu tortishuvdan chiqib, molekulyar tuzilishining faolligini saqlab qolgani noma'lumligicha qolmoqda.
Genom parchalanish mexanizmi to'liq tushunilmagan bo'lsa-da, u asosan tez-tez genetik siljish tufayli yuzaga keladigan ko'rinadi. Parazitlar kichik, jinssiz va genetik jihatdan cheklangan populyatsiyalarda yashaganligi sababli, ular ba'zan DNK replikatsiyasi paytida yuzaga keladigan zararli mutatsiyalarni samarali ravishda yo'q qila olmaydi. Bu zararli mutatsiyalarning qaytarib bo'lmaydigan to'planishiga va parazit genomining kamayishiga olib keladi. Natijada, parazit nafaqat hujayra ichidagi muhitda omon qolish uchun endi zarur bo'lmagan genlarni yo'qotadi. Parazit populyatsiyalarining sporadik zararli mutatsiyalarni samarali ravishda yo'q qila olmasligi bu mutatsiyalarning genom bo'ylab, shu jumladan ularning eng muhim genlarida to'planishiga sabab bo'ladi.
Hozirgi kunda genom reduksiyasini tushunishimizning katta qismi faqat genom ketma-ketliklarini taqqoslashga asoslangan bo'lib, uyni saqlash funktsiyalarini bajaradigan va potentsial dori nishonlari bo'lib xizmat qiladigan haqiqiy molekulalardagi o'zgarishlarga kamroq e'tibor beriladi. Qiyosiy tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, zararli hujayra ichidagi mikrobial mutatsiyalar oqsillar va nuklein kislotalarning noto'g'ri buklanishiga va agregatsiyalanishiga moyil bo'lib, ularni chaperonga ko'proq bog'liq va issiqlikka juda sezgir qiladi19,20,21,22,23. Bundan tashqari, turli parazitlar - mustaqil evolyutsiya ba'zan 2,5 milliard yilgacha ajralib turadi - oqsil sintezida sifatni nazorat qilish markazlarining shunga o'xshash yo'qolishini boshdan kechirdi5,6 va DNKni tiklash mexanizmlarida24. Biroq, hujayra ichidagi turmush tarzining hujayra makromolekulalarining boshqa barcha xususiyatlariga, jumladan, zararli mutatsiyalarning ortib borayotgan yukiga molekulyar moslashuvga ta'siri haqida kam narsa ma'lum.
Ushbu ishda, hujayra ichidagi mikroorganizmlarning oqsillari va nuklein kislotalarining evolyutsiyasini yaxshiroq tushunish uchun biz hujayra ichidagi parazit Encephalitozoon cuniculi ribosomalarining tuzilishini aniqladik. E. cuniculi - bu g'ayrioddiy kichik eukaryotik genomlarga ega bo'lgan va shuning uchun genom parchalanishini o'rganish uchun model organizmlar sifatida ishlatiladigan parazit mikrosporidiyalar guruhiga mansub qo'ziqorinsimon organizm25,26,27,28,29,30. Yaqinda Microsporidia, Paranosema locustae va Vairimorpha necatrix31,32 (~3,2 Mb genom) ning o'rtacha darajada kamaytirilgan genomlari uchun krio-EM ribosoma tuzilishi aniqlandi. Bu tuzilmalar rRNK amplifikatsiyasining ba'zi yo'qotilishi qo'shni ribosomal oqsillar o'rtasida yangi kontaktlarning rivojlanishi yoki yangi msL131,32 ribosomal oqsillarning olinishi bilan qoplanishini ko'rsatadi. Ensefalitoz turlari (genom ~2,5 million bp), eng yaqin qarindoshi Ordospora bilan birgalikda, eukaryotlarda genomning eng yuqori darajada kamayishini ko'rsatadi - ularda 2000 dan kam oqsil kodlovchi genlar mavjud va ularning ribosomalarida nafaqat rRNK kengayish fragmentlari (eukaryotik ribosomalarni bakterial ribosomalardan ajratib turadigan rRNK fragmentlari), balki E. cuniculi genomida gomologlar yo'qligi sababli to'rtta ribosomal oqsil ham mavjud bo'lishi kutilmoqda26,27,28. Shuning uchun biz E. cuniculi ribosomasi genom parchalanishiga molekulyar moslashish uchun ilgari noma'lum bo'lgan strategiyalarni ochib berishi mumkin degan xulosaga keldik.
Bizning krio-EM tuzilishimiz tavsiflanishi kerak bo'lgan eng kichik eukaryotik sitoplazmatik ribosomani ifodalaydi va genomning kamayishining yakuniy darajasi hujayraning ajralmas qismi bo'lgan molekulyar mexanizmning tuzilishi, yig'ilishi va evolyutsiyasiga qanday ta'sir qilishini tushunishga imkon beradi. Biz E. cuniculi ribosomasi RNKning katlanishi va ribosoma yig'ilishining keng tarqalgan ko'plab tamoyillarini buzishini aniqladik va ilgari noma'lum bo'lgan yangi ribosomal oqsilni kashf etdik. Kutilmaganda, biz mikrosporidiya ribosomalari kichik molekulalarni bog'lash qobiliyatini rivojlantirganligini ko'rsatamiz va rRNK va oqsillardagi kesishlar oxir-oqibat ribosoma foydali xususiyatlarni berishi mumkin bo'lgan evolyutsion yangiliklarni keltirib chiqaradi, degan farazni ilgari suramiz.
Hujayra ichidagi organizmlarda oqsillar va nuklein kislotalarning evolyutsiyasini tushunishimizni yaxshilash uchun biz yuqtirilgan sutemizuvchi hujayralar kulturalaridan E. cuniculi sporalarini ajratib olishga qaror qildik, bu ularning ribosomalarini tozalash va bu ribosomalarning tuzilishini aniqlash uchun amalga oshiriladi. Ko'p miqdordagi parazit mikrosporidiyalarni olish qiyin, chunki mikrosporidiyalarni ozuqaviy muhitda o'stirib bo'lmaydi. Buning o'rniga ular faqat xo'jayin hujayra ichida o'sadi va ko'payadi. Shuning uchun, ribosomalarni tozalash uchun E. cuniculi biomassasini olish uchun biz sutemizuvchi buyrak RK13 hujayra liniyasini E. cuniculi sporalari bilan yuqtirdik va E. cuniculi o'sishi va ko'payishi uchun bu yuqtirilgan hujayralarni bir necha hafta davomida o'stirdik. Taxminan yarim kvadrat metrlik yuqtirilgan hujayra monoqatlamidan foydalanib, biz taxminan 300 mg Microsporidia sporalarini tozalashga va ulardan ribosomalarni ajratishga muvaffaq bo'ldik. Keyin biz tozalangan sporalarni shisha boncuklar bilan parchaladik va lizatlarning bosqichma-bosqich polietilen glikol fraksiyasiyasi yordamida xom ribosomalarni ajratib oldik. Bu bizga strukturaviy tahlil uchun taxminan 300 µg xom E. cuniculi ribosomalarini olish imkonini berdi.
Keyin biz hosil bo'lgan ribosoma namunalaridan foydalanib, krio-EM tasvirlarini to'pladik va bu tasvirlarni katta ribosoma subbirligi, kichik subbirlik boshi va kichik subbirlikka mos keladigan niqoblar yordamida qayta ishladik. Ushbu jarayon davomida biz taxminan 108 000 ribosoma zarralarining tasvirlarini to'pladik va 2,7 Å aniqlikdagi krio-EM tasvirlarini hisobladik (1-3-qo'shimcha rasmlar). Keyin biz E. cuniculi ribosomalari bilan bog'liq rRNK, ribosoma oqsili va qishki uyqu omili Mdf1 ni modellashtirish uchun krio-EM tasvirlaridan foydalandik (1a, b-rasm).
a E. cuniculi ribosomasining qishki uyqu omili Mdf1 bilan kompleks tuzilishi (pdb id 7QEP). b E. cuniculi ribosomasi bilan bog'liq qishki uyqu omili Mdf1 xaritasi. c Mikrosporidiya turlarida tiklangan rRNKni ma'lum ribosomal tuzilmalar bilan taqqoslaydigan ikkilamchi tuzilish xaritasi. Panellarda amplifikatsiyalangan rRNK fragmentlari (ES) va ribosoma faol joylarining joylashuvi, jumladan, dekodlash joyi (DC), sartsinisin halqasi (SRL) va peptidil transferaza markazi (PTC) ko'rsatilgan. d E. cuniculi ribosomasining peptidil transferaza markaziga mos keladigan elektron zichligi, bu katalitik joyning E. cuniculi parazitida va uning xo'jayinlarida, jumladan, H. sapiensda bir xil tuzilishga ega ekanligini ko'rsatadi. e, f Dekodlash markazining mos keladigan elektron zichligi (e) va dekodlash markazining sxematik tuzilishi (f) E. cuniculi ko'plab boshqa eukaryotlarda A1491 (E. coli raqamlash) o'rniga U1491 qoldiqlariga ega ekanligini ko'rsatadi. Bu o'zgarish E. cuniculi ushbu faol markazni nishonga olgan antibiotiklarga sezgir bo'lishi mumkinligini ko'rsatadi.
V. necatrix va P. locustae ribosomalarining ilgari o'rnatilgan tuzilmalaridan farqli o'laroq (ikkala tuzilma ham bir xil mikrosporidia oilasi Nosematidae ni ifodalaydi va bir-biriga juda o'xshash), 31,32 E. cuniculi ribosomalari ko'plab rRNK va oqsil parchalanish jarayonlaridan o'tadi. Keyingi denaturatsiya (4-6-qo'shimcha rasmlar). rRNKda eng ajoyib o'zgarishlar amplifikatsiyalangan 25S rRNK fragmenti ES12L ning to'liq yo'qolishi va h39, h41 va H18 spirallarining qisman degeneratsiyasini o'z ichiga oladi (1c-rasm, 4-qo'shimcha rasm). Ribosomal oqsillar orasida eng ajoyib o'zgarishlar eS30 oqsilining to'liq yo'qolishi va eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 va eS7 oqsillarining qisqarishini o'z ichiga oladi (4, 5-qo'shimcha rasmlar).
Shunday qilib, Encephalotozoon/Ordospora turlarining genomlarining keskin kamayishi ularning ribosoma tuzilishida aks etadi: E. cuniculi ribosomalari strukturaviy tavsifga ega bo'lgan eukaryotik sitoplazmatik ribosomalarda oqsil miqdorining eng keskin yo'qotilishini boshdan kechiradi va ularda nafaqat eukaryotlarda, balki hayotning uchta sohasida ham keng saqlanib qolgan rRNK va oqsil parchalari ham yo'q. E. cuniculi ribosomasining tuzilishi bu o'zgarishlar uchun birinchi molekulyar modelni taqdim etadi va qiyosiy genomika va hujayra ichidagi biomolekulyar tuzilishni o'rganish tomonidan e'tibordan chetda qolgan evolyutsion hodisalarni ochib beradi (7-qo'shimcha rasm). Quyida biz ushbu hodisalarning har birini ularning ehtimoliy evolyutsion kelib chiqishi va ribosoma funktsiyasiga potentsial ta'siri bilan birga tasvirlaymiz.
Keyin biz katta rRNK kesilishlaridan tashqari, E. cuniculi ribosomalarining faol markazlaridan birida rRNK o'zgarishlari borligini aniqladik. E. cuniculi ribosomasining peptidil transferaza markazi boshqa eukaryotik ribosomalar bilan bir xil tuzilishga ega bo'lsa-da (1d-rasm), dekodlash markazi 1491 nukleotididagi ketma-ketlik o'zgarishi tufayli farq qiladi (E. coli raqamlash, 1e-rasm, f). Bu kuzatish muhim, chunki eukaryotik ribosomalarning dekodlash joyi odatda bakterial tipdagi A1408 va G1491 qoldiqlariga nisbatan G1408 va A1491 qoldiqlarini o'z ichiga oladi. Bu o'zgarish bakterial va eukaryotik ribosomalarning aminoglikozid oilasiga va dekodlash joyini nishonga oluvchi boshqa kichik molekulalarga turlicha sezgirligining asosini tashkil qiladi. E. cuniculi ribosomasining dekodlash joyida A1491 qoldig'i U1491 bilan almashtirildi, bu esa ushbu faol markazni nishonga oluvchi kichik molekulalar uchun noyob bog'lanish interfeysini yaratishi mumkin. Xuddi shu A14901 varianti P. loctake va V. necatrix kabi boshqa mikrosporidiyalarda ham mavjud bo'lib, bu uning mikrosporidiya turlari orasida keng tarqalganligini ko'rsatadi (1f-rasm).
Bizning E. cuniculi ribosoma namunalarimiz metabolik jihatdan faol bo'lmagan sporalardan ajratilganligi sababli, biz stress yoki ochlik sharoitida ilgari tasvirlangan ribosoma bog'lanishi uchun E. cuniculi ning krio-EM xaritasini sinab ko'rdik. Qishki uyqu omillari 31,32,36,37, 38. Biz qishki uyqudagi ribosomaning ilgari aniqlangan tuzilishini E. cuniculi ribosomasining krio-EM xaritasi bilan moslashtirdik. Docking uchun S. cerevisiae ribosomalari qishki uyqu faktori Stm138 bilan kompleksda, chigirtka ribosomalari Lso232 faktori bilan kompleksda va V. necatrix ribosomalari Mdf1 va Mdf231 omillari bilan kompleksda ishlatilgan. Shu bilan birga, biz dam olish faktori Mdf1 ga mos keladigan krio-EM zichligini topdik. Mdf1 ning V. necatrix ribosomasiga bog'lanishiga o'xshab, Mdf1 ham E. cuniculi ribosomasiga bog'lanadi, u yerda u ribosomaning E saytini bloklaydi, bu esa parazit sporalari tananing inaktivatsiyasi natijasida metabolik faol bo'lmaganda ribosomalarning mavjudligiga yordam berishi mumkin (2-rasm).
Mdf1 ribosomaning E saytini bloklaydi, bu parazit sporalari metabolik jihatdan faol bo'lmaganda ribosomani inaktivatsiya qilishga yordam beradi. E. cuniculi ribosomasining tuzilishida biz Mdf1 oqsil sintezi paytida ribosomadan deatsillangan tRNKning ajralib chiqishini osonlashtiradigan ribosomaning qismi bo'lgan L1 ribosoma poyasi bilan ilgari noma'lum aloqa hosil qilishini aniqladik. Bu aloqalar Mdf1 ning deatsetillangan tRNK bilan bir xil mexanizm yordamida ribosomadan ajralib chiqishini ko'rsatadi, bu esa ribosomaning oqsil sintezini qayta faollashtirish uchun Mdf1 ni qanday olib tashlashi uchun mumkin bo'lgan tushuntirishni beradi.
Biroq, bizning tuzilishimiz Mdf1 va L1 ribosoma oyog'i (oqsil sintezi paytida ribosomadan deatsillangan tRNKni chiqarishga yordam beradigan ribosoma qismi) o'rtasida noma'lum aloqani aniqladi. Xususan, Mdf1 deatsillangan tRNK molekulasining tirsak segmenti bilan bir xil aloqalardan foydalanadi (2-rasm). Ilgari noma'lum bo'lgan bu molekulyar modellashtirish shuni ko'rsatdiki, Mdf1 deatsillangan tRNK bilan bir xil mexanizm yordamida ribosomadan ajralib chiqadi, bu esa ribosomaning oqsil sintezini qayta faollashtirish uchun bu qishki uyqu omilini qanday olib tashlashini tushuntiradi.
rRNK modelini yaratishda biz E. cuniculi ribosomasida g'ayritabiiy ravishda katlanmış rRNK parchalari borligini aniqladik, ularni biz birlashgan rRNK deb atadik (3-rasm). Hayotning uchta sohasini qamrab oluvchi ribosomalarda rRNK ko'pgina rRNK asoslari asos juftligi bo'lgan va bir-biri bilan katlanadigan yoki ribosomal oqsillar bilan o'zaro ta'sir qiladigan tuzilmalarga katlanadi38,39,40. Biroq, E. cuniculi ribosomalarida rRNKlar o'zlarining ba'zi spirallarini ochilmagan rRNK mintaqalariga aylantirish orqali bu katlama printsipini buzayotganga o'xshaydi.
S. cerevisiae, V. necatrix va E. cuniculi dagi H18 25S rRNK spiralining tuzilishi. Odatda, uchta hayot domenini qamrab oluvchi ribosomalarda bu bog'lovchi 24 dan 34 gacha qoldiqlarni o'z ichiga olgan RNK spiraliga aylanadi. Mikrosporidiyada esa, aksincha, bu rRNK bog'lovchisi asta-sekin atigi 12 ta qoldiqni o'z ichiga olgan ikkita bitta zanjirli uridinga boy bog'lovchilarga aylanadi. Bu qoldiqlarning aksariyati erituvchilar ta'siriga uchraydi. Rasmda parazit mikrosporidiyalar rRNK katlanishining umumiy tamoyillarini buzayotganga o'xshaydi, bu yerda rRNK asoslari odatda boshqa asoslarga bog'lanadi yoki rRNK-oqsil o'zaro ta'sirida ishtirok etadi. Mikrosporidiyada ba'zi rRNK fragmentlari noqulay burma hosil qiladi, bunda avvalgi rRNK spirali deyarli to'g'ri chiziq bo'ylab cho'zilgan bitta zanjirli fragmentga aylanadi. Bu noodatiy mintaqalarning mavjudligi mikrosporidiya rRNKga minimal miqdordagi RNK asoslari yordamida uzoqdagi rRNK fragmentlarini bog'lash imkonini beradi.
Ushbu evolyutsion o'tishning eng yorqin namunasini H18 25S rRNK spiralida kuzatish mumkin (3-rasm). E. coli dan odamlargacha bo'lgan turlarda bu rRNK spiralining asoslari 24-32 nukleotidni o'z ichiga oladi va biroz tartibsiz spiral hosil qiladi. V. necatrix va P. locustae dan ilgari aniqlangan ribosomal tuzilmalarda31,32 H18 spiralining asoslari qisman ochilgan, ammo nukleotid asos juftligi saqlanib qolgan. Biroq, E. cuniculi da bu rRNK fragmenti eng qisqa bog'lovchilarga aylanadi 228UUUGU232 va 301UUUUUUUUU307. Odatdagi rRNK fragmentlaridan farqli o'laroq, bu uridinga boy bog'lovchilar o'ralmaydi yoki ribosomal oqsillar bilan keng aloqa qilmaydi. Buning o'rniga, ular erituvchiga ochiq va to'liq ochilmagan tuzilmalarni qabul qiladilar, bunda rRNK iplari deyarli tekis cho'zilgan. Bu cho'zilgan konformatsiya E. cuniculi H16 va H18 rRNK spirallari orasidagi 33 Å bo'shliqni to'ldirish uchun atigi 12 ta RNK asoslaridan foydalanishini, boshqa turlar esa bo'shliqni to'ldirish uchun kamida ikki baravar ko'p rRNK asoslarini talab qilishini tushuntiradi.
Shunday qilib, biz energetik jihatdan noqulay katlama orqali parazit mikrosporidiyalar hayotning uchta sohasidagi turlar bo'ylab keng saqlanib qolgan rRNK segmentlarini ham qisqartirish strategiyasini ishlab chiqqanligini ko'rsatishimiz mumkin. Ko'rinishidan, rRNK spirallarini qisqa poli-U bog'lovchilariga aylantiradigan mutatsiyalarni to'plash orqali E. cuniculi distal rRNK fragmentlarini bog'lash uchun iloji boricha kam nukleotidlarni o'z ichiga olgan g'ayrioddiy rRNK fragmentlarini hosil qilishi mumkin. Bu mikrosporidiyalar o'zlarining strukturaviy va funktsional yaxlitligini yo'qotmasdan ularning asosiy molekulyar tuzilishida qanday qilib keskin kamayishga erishganini tushuntirishga yordam beradi.
E. cuniculi rRNK ning yana bir noodatiy xususiyati - rRNK ning qalinlashuvsiz ko'rinishi (4-rasm). BO'RQMALAR - bu RNK spiralida yashirinish o'rniga undan chiqib ketadigan asos juftlari bo'lmagan nukleotidlar. Ko'pgina rRNK chiqishlari molekulyar yopishtiruvchi vazifasini bajaradi va qo'shni ribosomal oqsillarni yoki boshqa rRNK parchalarini bog'lashga yordam beradi. Ba'zi bo'rtiqmalar menteşe vazifasini bajaradi, bu esa rRNK spiralining samarali oqsil sintezi uchun optimal ravishda egilishi va buklanishiga imkon beradi 41.
a rRNK chiqishi (S. cerevisiae raqamlash) E. cuniculi ribosoma tuzilishida yo'q, lekin boshqa ko'pgina eukaryotlarda mavjud b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens va E. cuniculi ichki ribosomalarida. Parazitlarda qadimgi, yuqori darajada saqlangan rRNK bo'rtmalarining ko'pi yo'q. Bu qalinlashuvlar ribosoma tuzilishini barqarorlashtiradi; shuning uchun ularning mikrosporidiyalarda yo'qligi mikrosporidiya parazitlarida rRNK buklanishining barqarorligining pasayishini ko'rsatadi. P poyalari (bakteriyalarda L7/L12 poyalari) bilan taqqoslash shuni ko'rsatadiki, rRNK bo'rtmalarining yo'qolishi ba'zan yo'qolgan bo'rtmalar yonida yangi bo'rtmalar paydo bo'lishi bilan bir vaqtga to'g'ri keladi. 23S/28S rRNKdagi H42 spirali hayotning uchta sohasida himoyalanganligi sababli kamida 3,5 milliard yoshga teng deb taxmin qilingan qadimgi bo'rtma (Saccharomyces cerevisiae da U1206) ga ega. Mikrosporidiyalarda bu bo'rtma yo'q qilinadi. Biroq, yo'qolgan bo'rtiq yonida yangi bo'rtiq paydo bo'ldi (E. cuniculi da A1306).
Ajablanarlisi shundaki, biz E. cuniculi ribosomalarida boshqa turlarda uchraydigan rRNK bo'rtmalarining ko'pchiligi, jumladan, boshqa eukaryotlarda saqlanib qolgan 30 dan ortiq bo'rtmalar yo'qligini aniqladik (4a-rasm). Bu yo'qotish ribosoma subbirliklari va qo'shni rRNK spirallari orasidagi ko'plab aloqalarni yo'q qiladi, ba'zan ribosoma ichida katta bo'shliqlar hosil qiladi, bu esa E. cuniculi ribosomasini an'anaviy ribosomalarga qaraganda ko'proq g'ovak qiladi (4b-rasm). Shunisi e'tiborga loyiqki, biz ushbu bo'rtmalarning aksariyati ilgari aniqlangan V. necatrix va P. locquistae ribosoma tuzilmalarida ham yo'qolganligini aniqladik, ular avvalgi strukturaviy tahlillar tomonidan e'tibordan chetda qolgan31,32.
Ba'zan rRNK bo'rtmalarining yo'qolishi yo'qolgan bo'rtma yonida yangi bo'rtmalarning paydo bo'lishi bilan birga keladi. Masalan, ribosoma P-poyasida E. coli dan odamlarga omon qolgan va shuning uchun 3,5 milliard yil avval paydo bo'lgan U1208 bo'rtmasi (Saccharomyces cerevisiae da) mavjud. Oqsil sintezi paytida bu bo'rtma P poyasining ochiq va yopiq konformatsiyalar o'rtasida harakatlanishiga yordam beradi, shunda ribosoma translyatsiya omillarini jalb qilishi va ularni faol markazga yetkazib berishi mumkin. E. cuniculi ribosomalarida bu qalinlashuv yo'q; ammo, faqat uchta asos juftligida joylashgan yangi qalinlashuv (G883) P poyasining optimal moslashuvchanligini tiklashga hissa qo'shishi mumkin (4c-rasm).
Bizning bo'rtmalarsiz rRNK bo'yicha ma'lumotlarimiz shuni ko'rsatadiki, rRNK minimallashuvi ribosoma yuzasida rRNK elementlarining yo'qolishi bilan cheklanib qolmasdan, balki ribosoma yadrosini ham o'z ichiga olishi mumkin, bu esa erkin tirik hujayralarda tasvirlanmagan parazitga xos molekulyar nuqsonni keltirib chiqaradi. Tirik turlar kuzatiladi.
Kanonik ribosomal oqsillar va rRNKni modellashtirgandan so'ng, biz an'anaviy ribosomal komponentlar krio-EM tasvirining uch qismini tushuntira olmasligini aniqladik. Ushbu fragmentlardan ikkitasi kichik o'lchamdagi molekulalardir (5-rasm, 8-qo'shimcha rasm). Birinchi segment ribosomal oqsillar uL15 va eL18 orasida odatda eL18 ning C-terminusi tomonidan egallangan holatda joylashgan bo'lib, u E. cuniculi da qisqartiriladi. Ushbu molekulaning kimligini aniqlay olmasak ham, bu zichlik orolining hajmi va shakli spermidin molekulalarining mavjudligi bilan yaxshi tushuntiriladi. Uning ribosoma bilan bog'lanishi uL15 oqsillaridagi (Asp51 va Arg56) mikrosporidiyaga xos mutatsiyalar bilan barqarorlashadi, bu esa ribosomaning bu kichik molekulaga yaqinligini oshiradi, chunki ular uL15 ga kichik molekulani ribosomal tuzilishga o'rashga imkon beradi. Qo'shimcha 2-rasm). 8, qo'shimcha ma'lumotlar 1, 2).
Krio-EM tasvirlash E. cuniculi ribosomasiga bog'langan riboza tashqarisida nukleotidlarning mavjudligini ko'rsatadi. E. cuniculi ribosomasida bu nukleotid boshqa eukaryotik ribosomalarning aksariyatida 25S rRNK A3186 nukleotidi (Saccharomyces cerevisiae raqamlash) bilan bir xil o'rinni egallaydi. b E. cuniculi ribosoma tuzilishida bu nukleotid uL9 va eL20 ribosoma oqsillari orasida joylashgan bo'lib, shu bilan ikki oqsil orasidagi aloqani barqarorlashtiradi. cd mikrosporidia turlari orasida eL20 ketma-ketligini saqlash tahlili. Microsporidia turlarining filogenetik daraxti (c) va eL20 oqsilining ko'p ketma-ketlik hizalanishi (d) shuni ko'rsatadiki, nukleotid bilan bog'lanish qoldiqlari F170 va K172 aksariyat tipik Microsporidialarda saqlanib qoladi, S. lophii bundan mustasno, ES39L rRNK kengaytmasini saqlab qolgan erta tarmoqlanuvchi Microsporidia bundan mustasno. e Ushbu rasmda F170 va K172 nukleotid bog'lanish qoldiqlari faqat yuqori darajada kamaytirilgan mikrosporidiya genomining eL20 da mavjudligi, ammo boshqa eukaryotlarda mavjud emasligi ko'rsatilgan. Umuman olganda, bu ma'lumotlar Mikrosporidiya ribosomalari AMP molekulalarini bog'laydigan va ularni ribosomal tuzilishdagi oqsil-oqsil o'zaro ta'sirini barqarorlashtirish uchun ishlatadigan nukleotid bog'lanish joyini yaratganligini ko'rsatadi. Mikrosporidiyadagi ushbu bog'lanish joyining yuqori darajada saqlanishi va boshqa eukaryotlarda yo'qligi, bu joy Mikrosporidiya uchun tanlab omon qolish afzalligini ta'minlashi mumkinligini ko'rsatadi. Shunday qilib, mikrosporidiya ribosomasidagi nukleotid bog'lanish cho'ntagi avval tasvirlanganidek degenerativ xususiyat yoki rRNK degradatsiyasining oxirgi shakli emas, balki mikrosporidiya ribosomasiga kichik molekulalarni molekulyar qurilish bloklari sifatida ishlatib, to'g'ridan-to'g'ri bog'lash imkonini beruvchi foydali evolyutsion innovatsiya bo'lib ko'rinadi. Ushbu kashfiyot mikrosporidiya ribosomasini bitta nukleotidni strukturaviy qurilish bloki sifatida ishlatadigan yagona ribosomaga aylantiradi. f Nukleotid bog'lanishidan kelib chiqqan gipotetik evolyutsion yo'l.
Ikkinchi past molekulyar og'irlikdagi zichlik uL9 va eL30 ribosomal oqsillari orasidagi chegarada joylashgan (5a-rasm). Bu chegara ilgari Saccharomyces cerevisiae ribosomasining tuzilishida rRNA A3186 (ES39L rRNA kengaytmasining bir qismi) ning 25S nukleotidi uchun bog'lanish joyi sifatida tasvirlangan edi38. Degeneratlangan P. loccate ES39L ribosomalarida bu chegara noma'lum bitta nukleotid 31 ga bog'lanishi ko'rsatildi va bu nukleotid rRNA ning qisqartirilgan oxirgi shakli deb taxmin qilinadi, unda rRNA uzunligi ~130-230 asosga teng. ES39L bitta nukleotid 32.43 ga qisqartiriladi. Bizning krio-EM tasvirlarimiz zichlikni nukleotidlar bilan tushuntirish mumkin degan fikrni qo'llab-quvvatlaydi. Biroq, bizning tuzilishimizning yuqori aniqligi bu nukleotidning ekstraribosomal molekula, ehtimol AMP ekanligini ko'rsatdi (5a-rasm, b).
Keyin biz nukleotid bog'lanish joyi E. cuniculi ribosomasida paydo bo'lganmi yoki u ilgari mavjudmi, deb so'radik. Nukleotid bog'lanishi asosan eL30 ribosomal oqsilidagi Phe170 va Lys172 qoldiqlari vositachiligida sodir bo'lganligi sababli, biz bu qoldiqlarning 4396 ta vakillik eukaryotlarda saqlanishini baholadik. Yuqoridagi uL15 holatida bo'lgani kabi, biz Phe170 va Lys172 qoldiqlari faqat tipik Microsporidia'larda yuqori darajada saqlanishini, ammo atipik Microsporidia Mitosporidium va Amphiamblys kabi boshqa eukaryotlarda yo'qligini aniqladik, bunda ES39L rRNK fragmenti kamaymaydi 44, 45, 46 (5c-rasm). -e).
Ushbu ma'lumotlar birgalikda E. cuniculi va ehtimol boshqa kanonik mikrosporidiyalar rRNK va oqsil darajasining pasayishini qoplash uchun ribosoma tuzilishidagi ko'p sonli kichik metabolitlarni samarali ravishda ushlash qobiliyatini rivojlantirgan degan fikrni qo'llab-quvvatlaydi. Shu bilan birga, ular ribosoma tashqarisidagi nukleotidlarni bog'lashning noyob qobiliyatini rivojlantirdilar, bu esa parazit molekulyar tuzilmalar ko'p miqdorda kichik metabolitlarni ushlash va ularni parchalangan RNK va oqsil fragmentlarining strukturaviy taqlidi sifatida ishlatish orqali kompensatsiya qilishini ko'rsatadi.
Krio-EM xaritamizning uchinchi simulyatsiya qilinmagan qismi, katta ribosomal subbirlikda topilgan. Xaritamizning nisbatan yuqori aniqligi (2.6 Å) bu zichlik katta yon zanjir qoldiqlarining noyob kombinatsiyalariga ega oqsillarga tegishli ekanligini ko'rsatadi, bu bizga bu zichlikni ilgari noma'lum bo'lgan ribosomal oqsil sifatida aniqlash imkonini berdi, biz uni msL2 (Microsporidia-specific protein L2) deb nomladik (usullar, 6-rasm). Bizning gomologiya qidiruvimiz shuni ko'rsatdiki, msL2 Encephaliter va Orosporidium turkumidagi Microsporidia kladasida saqlanib qolgan, ammo boshqa turlarda, jumladan, boshqa Microsporidialarda yo'q. Ribosomal tuzilishda msL2 kengaytirilgan ES31L rRNK yo'qolishi natijasida hosil bo'lgan bo'shliqni egallaydi. Bu bo'shliqda msL2 rRNK buklanishini barqarorlashtirishga yordam beradi va ES31L yo'qolishini qoplashi mumkin (6-rasm).
a E. cuniculi ribosomalarida topilgan Microsporidia-spesifik ribosomal oqsil msL2 ning elektron zichligi va modeli. b Saccharomyces cerevisiae ning 80S ribosomasini o'z ichiga olgan ko'pgina eukaryotik ribosomalarda ES19L rRNK amplifikatsiyasi ko'pgina Microsporidian turlarida yo'qolgan. V. necatrix microsporidia ribosomasining ilgari o'rnatilgan tuzilishi shuni ko'rsatadiki, bu parazitlarda ES19L yo'qolishi yangi msL1 ribosomal oqsilining evolyutsiyasi bilan qoplanadi. Ushbu tadqiqotda biz E. cuniculi ribosomasida ES19L yo'qolishi uchun ko'rinadigan kompensatsiya sifatida qo'shimcha ribosomal RNK taqlid oqsili ham ishlab chiqilganligini aniqladik. Biroq, msL2 (hozirda gipotetik ECU06_1135 oqsili sifatida izohlangan) va msL1 turli xil strukturaviy va evolyutsion kelib chiqishga ega. c Evolyutsion jihatdan bog'liq bo'lmagan msL1 va msL2 ribosoma oqsillarining paydo bo'lishi haqidagi bu kashfiyot, agar ribosomalar o'zlarining rRNKlarida zararli mutatsiyalarni to'plasalar, ular hatto yaqin qarindosh turlarning kichik bir qismida ham misli ko'rilmagan darajada tarkibiy xilma-xillikka erishishlari mumkinligini ko'rsatadi. Ushbu kashfiyot mitoxondrial ribosomaning kelib chiqishi va evolyutsiyasini aniqlashtirishga yordam berishi mumkin, bu uning rRNKning yuqori darajada pasayishi va turlar bo'yicha oqsil tarkibidagi g'ayritabiiy o'zgaruvchanligi bilan mashhur.
Keyin biz msL2 oqsilini ilgari tasvirlangan msL1 oqsili bilan taqqosladik, bu V. necatrix ribosomasida topilgan yagona ma'lum mikrosporidiyaga xos ribosomal oqsildir. Biz msL1 va msL2 evolyutsion jihatdan bog'liqligini tekshirmoqchi edik. Bizning tahlilimiz shuni ko'rsatdiki, msL1 va msL2 ribosomal tuzilishda bir xil bo'shliqni egallaydi, ammo turli xil birlamchi va uchlamchi tuzilishlarga ega, bu ularning mustaqil evolyutsion kelib chiqishini ko'rsatadi (6-rasm). Shunday qilib, msL2 ni kashf etishimiz ixcham eukaryotik turlar guruhlari rRNK fragmentlarining yo'qolishini qoplash uchun strukturaviy jihatdan farq qiluvchi ribosomal oqsillarni mustaqil ravishda evolyutsiya qilishi mumkinligiga dalil beradi. Bu topilma aksariyat sitoplazmatik eukaryotik ribosomalarda 81 ta ribosomal oqsillarning bir xil oilasini o'z ichiga olgan invariant oqsil mavjudligi bilan ajralib turadi. Kengaytirilgan rRNK segmentlarining yo'qolishiga javoban turli mikrosporidiya kladalarida msL1 va msL2 ning paydo bo'lishi, parazitning molekulyar arxitekturasining degradatsiyasi parazitlarning kompensator mutatsiyalarni izlashiga olib kelishini va oxir-oqibat ularning turli parazit populyatsiyalarida paydo bo'lishiga olib kelishi mumkinligini ko'rsatadi. tuzilmalar.
Nihoyat, modelimiz yakunlanganda, biz E. cuniculi ribosomasining tarkibini genom ketma-ketligidan bashorat qilingan tarkib bilan taqqosladik. Ilgari bir nechta ribosomal oqsillar, jumladan, eL14, eL38, eL41 va eS30, E. cuniculi genomidan gomologlarining yo'qligi sababli E. cuniculi genomidan yo'q deb hisoblangan. Ko'pgina ribosomal oqsillarning yo'qolishi boshqa yuqori darajada kamaytirilgan hujayra ichidagi parazitlar va endosimbiontlarning ko'pchiligida ham bashorat qilingan. Masalan, ko'pchilik erkin yashovchi bakteriyalar 54 ta ribosomal oqsillardan iborat bir xil oilani o'z ichiga olsa-da, bu oqsil oilalaridan faqat 11 tasi xost tomonidan cheklangan bakteriyalarning har bir tahlil qilingan genomida aniqlanadigan gomologlarga ega. Ushbu fikrni qo'llab-quvvatlash uchun, eL38 va eL4131,32 oqsillariga ega bo'lmagan V. necatrix va P. locustae microsporidia da ribosomal oqsillarning yo'qolishi eksperimental ravishda kuzatilgan.
Biroq, bizning tuzilmalarimiz E. cuniculi ribosomasida faqat eL38, eL41 va eS30 aslida yo'qolganligini ko'rsatadi. eL14 oqsili saqlanib qolgan va bizning tuzilishimiz bu oqsilning gomologiya qidiruvida nima uchun topilmaganligini ko'rsatdi (7-rasm). E. cuniculi ribosomalarida eL14 bog'lanish joyining katta qismi rRNK bilan kuchaytirilgan ES39L ning degradatsiyasi tufayli yo'qoladi. ES39L yo'qligida eL14 ikkilamchi tuzilishining ko'p qismini yo'qotdi va eL14 ketma-ketligining atigi 18% E. cuniculi va S. cerevisiae da bir xil edi. Ketma-ketlikning bu yomon saqlanishi diqqatga sazovordir, chunki hatto 1,5 milliard yil farq bilan evolyutsiyalashgan organizmlar - Saccharomyces cerevisiae va Homo sapiens ham eL14 da bir xil qoldiqlarning 51% dan ortig'ini tashkil qiladi. Konservatsiyaning bu anomal yo'qolishi E. cuniculi eL14 ning hozirda eL1427 ribosoma oqsili sifatida emas, balki taxminiy M970_061160 oqsili sifatida izohlanishini tushuntiradi.
va Microsporidia ribosomasi ES39L rRNK kengaytmasini yo'qotdi, bu esa eL14 ribosoma oqsilining bog'lanish joyini qisman yo'q qildi. ES39L yo'qligida, eL14 mikrospora oqsili ikkilamchi tuzilishni yo'qotadi, bunda avvalgi rRNK bilan bog'langan α-spiral minimal uzunlikdagi halqaga degeneratsiyalanadi. b Ko'p ketma-ketlik hizalanishi shuni ko'rsatadiki, eL14 oqsili eukaryotik turlarda yuqori darajada saqlanib qoladi (xamirturush va inson gomologlari orasidagi ketma-ketlik o'xshashligi 57%), lekin mikrosporidiyada yomon saqlanib qoladi va divergentlanadi (bunda qoldiqlarning 24% dan ko'pi eL14 gomologiga o'xshash emas). S. cerevisiae yoki H. sapiens dan). Ketma-ketlikning bu yomon saqlanishi va ikkilamchi tuzilish o'zgaruvchanligi eL14 gomologi hech qachon E. cuniculida topilmaganligi va nima uchun bu oqsil E. cuniculida yo'qolgan deb hisoblanishini tushuntiradi. Aksincha, E. cuniculi eL14 ilgari taxminiy M970_061160 oqsili sifatida izohlangan edi. Bu kuzatish mikrosporidiya genomining xilma-xilligi hozirda haddan tashqari baholanganligini ko'rsatadi: hozirda mikrosporidiyada yo'qolgan deb hisoblangan ba'zi genlar aslida yuqori darajada farqlangan shakllarda bo'lsa ham, saqlanib qolgan; buning o'rniga, ba'zilari chuvalchanglarga xos oqsillar uchun mikrosporidiya genlarini kodlaydi deb taxmin qilinadi (masalan, gipotetik M970_061160 oqsili) aslida boshqa eukaryotlarda uchraydigan juda xilma-xil oqsillarni kodlaydi.
Bu topilma shuni ko'rsatadiki, rRNK denaturatsiyasi qo'shni ribosoma oqsillarida ketma-ketlikning saqlanishini keskin yo'qotishiga olib kelishi mumkin, bu esa bu oqsillarni gomologiya qidiruvlari uchun aniqlab bo'lmaydigan holga keltiradi. Shunday qilib, biz kichik genom organizmlarida molekulyar degradatsiyaning haqiqiy darajasini yuqori baholay olamiz, chunki yo'qolgan deb hisoblangan ba'zi oqsillar juda o'zgargan shakllarda bo'lsa ham, aslida saqlanib qoladi.
Parazitlar genomning haddan tashqari qisqarishi sharoitida o'zlarining molekulyar mashinalarining funksiyasini qanday saqlab qolishlari mumkin? Bizning tadqiqotimiz bu savolga eng kichik eukaryotik genomlardan biriga ega bo'lgan organizm bo'lgan E. cuniculi ning murakkab molekulyar tuzilishini (ribosomasini) tavsiflash orqali javob beradi.
Mikrobial parazitlardagi oqsil va RNK molekulalari ko'pincha erkin yashovchi turlardagi gomologik molekulalaridan farq qilishi deyarli yigirma yildan beri ma'lum, chunki ularda sifatni nazorat qilish markazlari yo'q, erkin yashovchi mikroblarda o'z hajmining 50% gacha kamayadi va hokazo... bu ko'plab zaiflashtiruvchi mutatsiyalar buklanish va funktsiyani buzadi. Masalan, ko'plab hujayra ichidagi parazitlar va endosimbiontlarni o'z ichiga olgan kichik genom organizmlarining ribosomalarida erkin yashovchi turlarga nisbatan bir nechta ribosomal oqsillar va rRNK nukleotidlarining uchdan bir qismigacha bo'lishi kutilmoqda 27, 29, 30, 49. Biroq, bu molekulalarning parazitda ishlash usuli asosan sir bo'lib qolmoqda, asosan qiyosiy genomika orqali o'rganilgan.
Bizning tadqiqotimiz shuni ko'rsatadiki, makromolekulalarning tuzilishi evolyutsiyaning ko'plab jihatlarini ochib berishi mumkin, ularni hujayra ichidagi parazitlar va boshqa xo'jayin tomonidan cheklangan organizmlarning an'anaviy qiyosiy genomik tadqiqotlaridan ajratib olish qiyin (7-qo'shimcha rasm). Masalan, eL14 oqsilining misoli shuni ko'rsatadiki, biz parazit turlardagi molekulyar apparatning haqiqiy degradatsiya darajasini haddan tashqari oshirib yuborishimiz mumkin. Ensefalit parazitlari endi yuzlab mikrosporidiyaga xos genlarga ega deb ishoniladi. Biroq, bizning natijalarimiz shuni ko'rsatadiki, bu o'ziga xos genlarning ba'zilari aslida boshqa eukaryotlarda keng tarqalgan genlarning juda boshqacha variantlari. Bundan tashqari, msL2 oqsilining misoli biz yangi ribosomal oqsillarni qanday e'tiborsiz qoldirib, parazit molekulyar mashinalarining tarkibini kam baholayotganimizni ko'rsatadi. Kichik molekulalar misoli parazit molekulyar tuzilmalaridagi ularga yangi biologik faollik beradigan eng ajoyib yangiliklarni qanday e'tiborsiz qoldirishimiz mumkinligini ko'rsatadi.
Umuman olganda, bu natijalar mezbon tomonidan cheklangan organizmlarning molekulyar tuzilmalari va erkin tirik organizmlardagi ularning analoglari o'rtasidagi farqlarni tushunishimizni yaxshilaydi. Biz uzoq vaqtdan beri kamaygan, degeneratsiyalangan va turli xil zaiflashtiruvchi mutatsiyalarga duchor bo'lgan deb hisoblangan molekulyar mashinalarning buning o'rniga tizimli ravishda e'tibordan chetda qolgan bir qator g'ayrioddiy strukturaviy xususiyatlarga ega ekanligini ko'rsatamiz.
Boshqa tomondan, E. cuniculi ribosomalarida topilgan katta bo'lmagan rRNK parchalari va birlashgan parchalar shuni ko'rsatadiki, genomning kamayishi hatto hayotning uchta sohasida saqlanib qolgan asosiy molekulyar mexanizmning qismlarini ham o'zgartirishi mumkin - deyarli 3,5 milliard yildan keyin turlarning mustaqil evolyutsiyasi.
E. cuniculi ribosomalaridagi bo'rtib chiqmagan va birlashgan rRNK fragmentlari endosimbiotik bakteriyalardagi RNK molekulalarining avvalgi tadqiqotlari nuqtai nazaridan alohida qiziqish uyg'otadi. Masalan, bit endosimbionti Buchnera aphidicolada rRNK va tRNK molekulalari A+T tarkibining o'zgaruvchanligi va kanonik bo'lmagan asos juftliklarining yuqori ulushi tufayli haroratga sezgir tuzilmalarga ega ekanligi ko'rsatilgan20,50. RNKdagi bu o'zgarishlar, shuningdek, oqsil molekulalaridagi o'zgarishlar endi endosimbiontlarning sheriklarga haddan tashqari bog'liqligi va endosimbiontlarning issiqlikni o'tkaza olmasligi uchun javobgar deb hisoblanadi21,23. Parazit mikrosporidiya rRNKsi strukturaviy jihatdan aniq o'zgarishlarga ega bo'lsa-da, bu o'zgarishlarning tabiati shuni ko'rsatadiki, issiqlik barqarorligining pasayishi va chaperon oqsillariga yuqori bog'liqlik genomlari kamaygan organizmlarda RNK molekulalarining umumiy xususiyatlari bo'lishi mumkin.
Boshqa tomondan, bizning tuzilmalarimiz shuni ko'rsatadiki, parazit mikrosporidiyalari keng saqlanib qolgan rRNK va oqsil fragmentlariga qarshilik ko'rsatishning noyob qobiliyatini rivojlantirgan va degeneratlangan rRNK va oqsil fragmentlarining strukturaviy taqlidi sifatida mo'l-ko'l va oson mavjud bo'lgan kichik metabolitlardan foydalanish qobiliyatini rivojlantirgan. Molekulyar strukturaning degradatsiyasi. Bu fikr E. cuniculi rRNK va ribosomalaridagi oqsil fragmentlarining yo'qolishini qoplaydigan kichik molekulalar uL15 va eL30 oqsillaridagi mikrosporidiyaga xos qoldiqlarga bog'lanishi bilan tasdiqlanadi. Bu shuni ko'rsatadiki, kichik molekulalarning ribosomalarga bog'lanishi ijobiy tanlov mahsuli bo'lishi mumkin, bunda ribosomal oqsillardagi mikrosporidiyaga xos mutatsiyalar ribosomalarning kichik molekulalar uchun yaqinligini oshirish qobiliyati uchun tanlangan, bu esa samaraliroq ribosomal organizmlarga olib kelishi mumkin. Ushbu kashfiyot mikrobial parazitlarning molekulyar tuzilishidagi aqlli innovatsiyani ochib beradi va bizga parazit molekulyar tuzilmalari reduktiv evolyutsiyaga qaramay o'z funktsiyalarini qanday saqlab qolishini yaxshiroq tushunishga imkon beradi.
Hozirgi vaqtda bu kichik molekulalarning identifikatsiyasi noma'lumligicha qolmoqda. Nima uchun bu kichik molekulalarning ribosomal tuzilishdagi ko'rinishi mikrosporidiya turlari orasida farq qilishi noma'lum. Xususan, V. necatrixning eL20 va K172 oqsillarida F170 qoldig'i mavjudligiga qaramay, nima uchun nukleotid bog'lanishi E. cuniculi va P. loccate ribosomalarida kuzatilishi va V. necatrix ribosomalarida kuzatilmasligi noma'lum. Bu o'chirishga V. necatrixda tirozin bo'lgan va E. cuniculi va P. loccateda treonin bo'lmagan 43 uL6 qoldig'i (nukleotid bog'lanish cho'ntagiga yaqin joylashgan) sabab bo'lishi mumkin. Tyr43 ning katta aromatik yon zanjiri sterik qoplama tufayli nukleotid bog'lanishiga xalaqit berishi mumkin. Shu bilan bir qatorda, nukleotidning ko'rinadigan o'chirilishi krio-EM tasvirlashning past aniqligi bilan bog'liq bo'lishi mumkin, bu esa V. necatrix ribosomal fragmentlarini modellashtirishga to'sqinlik qiladi.
Boshqa tomondan, bizning ishimiz shuni ko'rsatadiki, genom parchalanish jarayoni ixtirochi kuch bo'lishi mumkin. Xususan, E. cuniculi ribosomasining tuzilishi mikrosporidia ribosomasida rRNK va oqsil fragmentlarining yo'qolishi ribosoma tuzilishidagi o'zgarishlarni rag'batlantiruvchi evolyutsion bosimni yaratishini ko'rsatadi. Bu variantlar ribosomaning faol joyidan uzoqda paydo bo'ladi va aks holda kamaytirilgan rRNK tomonidan buziladigan optimal ribosoma yig'ilishini saqlashga (yoki tiklashga) yordam beradigan ko'rinadi. Bu mikrosporidia ribosomasining asosiy innovatsiyasi genlarning driftini buferlash zaruratiga aylangan ko'rinadi.
Ehtimol, buni hozirgacha boshqa organizmlarda kuzatilmagan nukleotid bog'lanishi eng yaxshi tarzda ko'rsatadi. Nukleotid bog'lanish qoldiqlari odatiy mikrosporidiyalarda mavjud bo'lishi, ammo boshqa eukaryotlarda mavjud emasligi, nukleotid bog'lanish joylari shunchaki yo'q bo'lib ketishni kutayotgan qoldiqlar yoki rRNKning individual nukleotidlar shaklida tiklanishi uchun oxirgi joy emasligini ko'rsatadi. Buning o'rniga, bu joy bir necha musbat tanlov bosqichlarida rivojlanishi mumkin bo'lgan foydali xususiyatga o'xshaydi. Nukleotid bog'lanish joylari tabiiy tanlanishning yon mahsuloti bo'lishi mumkin: ES39L parchalangandan so'ng, mikrosporidiyalar ES39L yo'qligida optimal ribosoma biogenezini tiklash uchun kompensatsiya izlashga majbur bo'ladilar. Ushbu nukleotid ES39Ldagi A3186 nukleotidining molekulyar kontaktlarini taqlid qila olganligi sababli, nukleotid molekulasi ribosomaning qurilish blokiga aylanadi, uning bog'lanishi eL30 ketma-ketligining mutatsiyasi bilan yanada yaxshilanadi.
Hujayra ichidagi parazitlarning molekulyar evolyutsiyasiga kelsak, bizning tadqiqotimiz shuni ko'rsatadiki, Darvin tabiiy tanlanishi va genom parchalanishining genetik siljishi kuchlari parallel ravishda ishlamaydi, balki tebranadi. Birinchidan, genetik siljish biomolekulalarning muhim xususiyatlarini yo'q qiladi, bu esa kompensatsiyani juda zarur qiladi. Faqat parazitlar bu ehtiyojni Darvin tabiiy tanlanishi orqali qondirganda, ularning makromolekulalari o'zlarining eng ta'sirchan va innovatsion xususiyatlarini rivojlantirish imkoniyatiga ega bo'ladilar. Muhimi, E. cuniculi ribosomasidagi nukleotid bog'lanish joylarining evolyutsiyasi shuni ko'rsatadiki, molekulyar evolyutsiyaning bu yo'qotishdan daromad olish shakli nafaqat zararli mutatsiyalarni amortizatsiya qiladi, balki ba'zan parazit makromolekulalarga butunlay yangi funktsiyalarni beradi.
Bu g'oya Sewell Raytning harakatlanuvchi muvozanat nazariyasiga mos keladi, unda tabiiy tanlanishning qat'iy tizimi organizmlarning innovatsiya qilish qobiliyatini cheklaydi, deyiladi51,52,53. Biroq, agar genetik drift tabiiy tanlanishni buzsa, bu driftlar o'z-o'zidan moslashuvchan bo'lmagan (yoki hatto zararli) o'zgarishlarni keltirib chiqarishi mumkin, ammo yuqori fitnes yoki yangi biologik faollikni ta'minlaydigan keyingi o'zgarishlarga olib keladi. Bizning tizimimiz biomolekulaning burmalanishi va funktsiyasini kamaytiradigan bir xil turdagi mutatsiya uning yaxshilanishining asosiy sababi bo'lib ko'rinishini ko'rsatib, bu g'oyani qo'llab-quvvatlaydi. O'zaro manfaatli evolyutsion modelga muvofiq, bizning tadqiqotimiz shuni ko'rsatadiki, an'anaviy ravishda degenerativ jarayon sifatida qaraladigan genom parchalanishi ham innovatsiyaning asosiy omili bo'lib, ba'zan va hatto ko'pincha makromolekulalarga yangi parazit faolliklarni olishga imkon beradi. ulardan foydalanishi mumkin.