Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Quá trình tiến hóa của ký sinh trùng vi khuẩn liên quan đến sự đối kháng giữa chọn lọc tự nhiên, khiến ký sinh trùng cải thiện, và sự trôi dạt di truyền, khiến ký sinh trùng mất gen và tích lũy các đột biến có hại. Ở đây, để hiểu cách phản ứng này xảy ra trên quy mô của một đại phân tử duy nhất, chúng tôi mô tả cấu trúc cryo-EM của ribosome của Encephalitozoon cuniculi, một sinh vật nhân chuẩn có một trong những bộ gen nhỏ nhất trong tự nhiên. Sự giảm cực độ của rRNA trong ribosome của E. cuniculi đi kèm với những thay đổi cấu trúc chưa từng có, chẳng hạn như sự tiến hóa của các liên kết rRNA hợp nhất chưa từng biết trước đây và rRNA không có chỗ phình. Ngoài ra, ribosome của E. cuniculi đã sống sót sau sự mất mát của các mảnh rRNA và protein bằng cách phát triển khả năng sử dụng các phân tử nhỏ làm bản sao cấu trúc của các mảnh rRNA và protein bị phân hủy. Nhìn chung, chúng tôi chỉ ra rằng các cấu trúc phân tử từ lâu được cho là bị giảm, thoái hóa và dễ bị đột biến làm suy yếu có một số cơ chế bù trừ giúp chúng hoạt động mặc dù có sự co thắt phân tử cực độ.
Vì hầu hết các nhóm ký sinh trùng vi khuẩn đều có các công cụ phân tử độc đáo để khai thác vật chủ của chúng, nên chúng ta thường phải phát triển các liệu pháp khác nhau cho các nhóm ký sinh trùng khác nhau1,2. Tuy nhiên, bằng chứng mới cho thấy một số khía cạnh của quá trình tiến hóa ký sinh trùng là hội tụ và phần lớn có thể dự đoán được, cho thấy cơ sở tiềm năng cho các can thiệp điều trị rộng rãi đối với ký sinh trùng vi khuẩn3,4,5,6,7,8,9.
Các công trình nghiên cứu trước đây đã xác định một xu hướng tiến hóa chung ở ký sinh trùng vi khuẩn được gọi là sự suy giảm bộ gen hoặc sự phân rã bộ gen10,11,12,13. Nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng khi các vi sinh vật từ bỏ lối sống tự do và trở thành ký sinh trùng nội bào (hoặc cộng sinh nội bào), bộ gen của chúng trải qua quá trình biến thái chậm nhưng đáng kinh ngạc trong hàng triệu năm9,11. Trong một quá trình được gọi là sự phân rã bộ gen, ký sinh trùng vi khuẩn tích tụ các đột biến có hại biến nhiều gen quan trọng trước đây thành gen giả, dẫn đến mất gen dần dần và sự sụp đổ đột biến14,15. Sự sụp đổ này có thể phá hủy tới 95% gen trong các sinh vật nội bào lâu đời nhất so với các loài sống tự do có họ hàng gần. Do đó, quá trình tiến hóa của ký sinh trùng nội bào là cuộc chiến giằng co giữa hai lực đối lập: chọn lọc tự nhiên theo thuyết Darwin, dẫn đến sự cải thiện của ký sinh trùng và sự sụp đổ của bộ gen, đẩy ký sinh trùng vào quên lãng. Làm thế nào mà ký sinh trùng có thể thoát khỏi cuộc chiến giằng co này và duy trì hoạt động của cấu trúc phân tử của nó vẫn chưa rõ ràng.
Mặc dù cơ chế phân hủy bộ gen chưa được hiểu đầy đủ, nhưng có vẻ như nó xảy ra chủ yếu do sự trôi dạt di truyền thường xuyên. Vì ký sinh trùng sống trong các quần thể nhỏ, vô tính và hạn chế về mặt di truyền, chúng không thể loại bỏ hiệu quả các đột biến có hại đôi khi xảy ra trong quá trình sao chép DNA. Điều này dẫn đến sự tích tụ không thể đảo ngược các đột biến có hại và làm giảm bộ gen của ký sinh trùng. Kết quả là, ký sinh trùng không chỉ mất các gen không còn cần thiết cho sự sống còn của nó trong môi trường nội bào. Chính sự bất lực của quần thể ký sinh trùng trong việc loại bỏ hiệu quả các đột biến có hại lẻ tẻ khiến các đột biến này tích tụ trong toàn bộ bộ gen, bao gồm cả các gen quan trọng nhất của chúng.
Phần lớn hiểu biết hiện tại của chúng ta về quá trình giảm bộ gen chỉ dựa trên việc so sánh trình tự bộ gen, ít chú ý đến những thay đổi trong các phân tử thực tế thực hiện chức năng quản lý và đóng vai trò là mục tiêu thuốc tiềm năng. Các nghiên cứu so sánh đã chỉ ra rằng gánh nặng của các đột biến vi khuẩn nội bào có hại dường như khiến protein và axit nucleic dễ bị gấp sai và kết tụ, khiến chúng phụ thuộc nhiều hơn vào chaperone và quá nhạy cảm với nhiệt19,20,21,22,23. Ngoài ra, nhiều loại ký sinh trùng - quá trình tiến hóa độc lập đôi khi cách nhau tới 2,5 tỷ năm - cũng bị mất các trung tâm kiểm soát chất lượng tương tự trong quá trình tổng hợp protein5,6 và cơ chế sửa chữa DNA24. Tuy nhiên, người ta biết rất ít về tác động của lối sống nội bào đối với tất cả các đặc tính khác của các đại phân tử tế bào, bao gồm cả khả năng thích nghi phân tử với gánh nặng ngày càng tăng của các đột biến có hại.
Trong công trình này, để hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa của protein và axit nucleic của vi sinh vật nội bào, chúng tôi đã xác định cấu trúc của ribosome của ký sinh trùng nội bào Encephalitozoon cuniculi. E. cuniculi là một sinh vật giống nấm thuộc nhóm vi bào tử trùng ký sinh có bộ gen nhân chuẩn nhỏ bất thường và do đó được sử dụng làm sinh vật mô hình để nghiên cứu sự phân hủy bộ gen25,26,27,28,29,30. Gần đây, cấu trúc ribosome cryo-EM đã được xác định đối với bộ gen bị giảm vừa phải của Microsporidia, Paranosema locustae và Vairimorpha necatrix31,32 (bộ gen ~ 3,2 Mb). Những cấu trúc này cho thấy rằng một số mất mát khuếch đại rRNA được bù đắp bằng sự phát triển các tiếp xúc mới giữa các protein ribosome lân cận hoặc sự thu nhận các protein ribosome msL131,32 mới. Loài Encephalitozoon (bộ gen ~2,5 triệu bp), cùng với họ hàng gần nhất của chúng là Ordospora, chứng minh mức độ giảm bộ gen cuối cùng ở sinh vật nhân chuẩn – chúng có ít hơn 2000 gen mã hóa protein và người ta mong đợi rằng ribosome của chúng không chỉ không có các mảnh mở rộng rRNA (các mảnh rRNA phân biệt ribosome của sinh vật nhân chuẩn với ribosome của vi khuẩn) mà còn có bốn protein ribosome do chúng không có đồng đẳng trong bộ gen E. cuniculi26,27,28. Do đó, chúng tôi kết luận rằng ribosome của E. cuniculi có thể tiết lộ các chiến lược trước đây chưa biết để thích nghi phân tử với sự phân hủy bộ gen.
Cấu trúc cryo-EM của chúng tôi đại diện cho ribosome tế bào chất nhân chuẩn nhỏ nhất được mô tả và cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mức độ giảm bộ gen cuối cùng ảnh hưởng đến cấu trúc, lắp ráp và tiến hóa của bộ máy phân tử là một phần không thể thiếu của tế bào. Chúng tôi phát hiện ra rằng ribosome E. cuniculi vi phạm nhiều nguyên tắc được bảo tồn rộng rãi về quá trình gấp RNA và lắp ráp ribosome, và phát hiện ra một loại protein ribosome mới, chưa từng được biết đến trước đây. Khá bất ngờ, chúng tôi chỉ ra rằng ribosome của vi bào tử trùng đã tiến hóa khả năng liên kết các phân tử nhỏ và đưa ra giả thuyết rằng sự cắt cụt trong rRNA và protein kích hoạt các cải tiến tiến hóa cuối cùng có thể mang lại những phẩm chất hữu ích cho ribosome.
Để nâng cao hiểu biết của chúng tôi về quá trình tiến hóa của protein và axit nucleic trong các sinh vật nội bào, chúng tôi quyết định phân lập bào tử E. cuniculi từ các nuôi cấy tế bào động vật có vú bị nhiễm bệnh để tinh chế ribosome của chúng và xác định cấu trúc của các ribosome này. Thật khó để có được một số lượng lớn vi bào tử ký sinh vì vi bào tử không thể được nuôi cấy trong môi trường dinh dưỡng. Thay vào đó, chúng chỉ phát triển và sinh sản bên trong tế bào vật chủ. Do đó, để có được sinh khối E. cuniculi để tinh chế ribosome, chúng tôi đã lây nhiễm dòng tế bào thận động vật có vú RK13 bằng bào tử E. cuniculi và nuôi cấy các tế bào bị nhiễm này trong vài tuần để cho phép E. cuniculi phát triển và sinh sôi. Sử dụng một lớp tế bào bị nhiễm bệnh có diện tích khoảng nửa mét vuông, chúng tôi có thể tinh chế khoảng 300 mg bào tử Microsporidia và sử dụng chúng để phân lập ribosome. Sau đó, chúng tôi phá vỡ các bào tử đã tinh chế bằng hạt thủy tinh và phân lập ribosome thô bằng cách sử dụng phân đoạn polyethylene glycol từng bước của dịch phân hủy. Điều này cho phép chúng tôi thu được khoảng 300 µg ribosome E. cuniculi thô để phân tích cấu trúc.
Sau đó, chúng tôi thu thập hình ảnh cryo-EM bằng cách sử dụng các mẫu ribosome thu được và xử lý các hình ảnh này bằng các mặt nạ tương ứng với tiểu đơn vị ribosome lớn, đầu tiểu đơn vị nhỏ và tiểu đơn vị nhỏ. Trong quá trình này, chúng tôi đã thu thập hình ảnh của khoảng 108.000 hạt ribosome và tính toán hình ảnh cryo-EM với độ phân giải 2,7 Å (Hình bổ sung 1-3). Sau đó, chúng tôi sử dụng hình ảnh cryoEM để mô hình hóa rRNA, protein ribosome và yếu tố ngủ đông Mdf1 liên quan đến ribosome E. cuniculi (Hình 1a, b).
a Cấu trúc của ribosome E. cuniculi phức hợp với yếu tố ngủ đông Mdf1 (pdb id 7QEP). b Bản đồ yếu tố ngủ đông Mdf1 liên kết với ribosome E. cuniculi. c Bản đồ cấu trúc thứ cấp so sánh rRNA phục hồi trong các loài Microsporidian với các cấu trúc ribosome đã biết. Các bảng hiển thị vị trí của các đoạn rRNA được khuếch đại (ES) và các vị trí hoạt động của ribosome, bao gồm vị trí giải mã (DC), vòng sarcinicin (SRL) và trung tâm peptidyl transferase (PTC). d Mật ​​độ điện tử tương ứng với trung tâm peptidyl transferase của ribosome E. cuniculi cho thấy vị trí xúc tác này có cùng cấu trúc trong ký sinh trùng E. cuniculi và vật chủ của nó, bao gồm cả H. sapiens. e, f Mật độ electron tương ứng của trung tâm giải mã (e) và cấu trúc sơ đồ của trung tâm giải mã (f) chỉ ra rằng E. cuniculi có các dư lượng U1491 thay vì A1491 (đánh số E. coli) trong nhiều sinh vật nhân chuẩn khác. Sự thay đổi này cho thấy rằng E. cuniculi có thể nhạy cảm với các loại kháng sinh nhắm vào vị trí hoạt động này.
Ngược lại với các cấu trúc đã được thiết lập trước đó của ribosome V. necatrix và P. locustae (cả hai cấu trúc đều đại diện cho cùng một họ vi bào tử trùng Nosematidae và rất giống nhau), 31,32 ribosome E. cuniculi trải qua nhiều quá trình phân mảnh rRNA và protein. Biến tính thêm (Hình bổ sung 4-6). Trong rRNA, những thay đổi đáng chú ý nhất bao gồm mất hoàn toàn đoạn 25S rRNA khuếch đại ES12L và thoái hóa một phần các xoắn ốc h39, h41 và H18 (Hình 1c, Hình bổ sung 4). Trong số các protein ribosome, những thay đổi đáng chú ý nhất bao gồm mất hoàn toàn protein eS30 và rút ngắn các protein eL8, eL13, eL18, eL22, eL29, eL40, uS3, uS9, uS14, uS17 và eS7 (Hình bổ sung 4, 5).
Do đó, sự suy giảm cực độ của bộ gen của các loài Encephalotozoon/Ordospora được phản ánh trong cấu trúc ribosome của chúng: Ribosome E. cuniculi trải qua sự mất mát đáng kể nhất về hàm lượng protein trong ribosome tế bào chất của sinh vật nhân chuẩn chịu sự mô tả về đặc điểm cấu trúc, và chúng thậm chí không có các rRNA và các mảnh protein được bảo tồn rộng rãi không chỉ ở sinh vật nhân chuẩn mà còn trong cả ba miền của sự sống. Cấu trúc của ribosome E. cuniculi cung cấp mô hình phân tử đầu tiên cho những thay đổi này và tiết lộ các sự kiện tiến hóa đã bị cả nghiên cứu về hệ gen so sánh và nghiên cứu về cấu trúc phân tử sinh học nội bào bỏ qua (Hình bổ sung 7). Dưới đây, chúng tôi mô tả từng sự kiện này cùng với nguồn gốc tiến hóa có thể có của chúng và tác động tiềm tàng của chúng đối với chức năng ribosome.
Sau đó, chúng tôi phát hiện ra rằng, ngoài các đoạn cắt cụt rRNA lớn, ribosome E. cuniculi có các biến thể rRNA tại một trong các vị trí hoạt động của chúng. Mặc dù trung tâm peptidyl transferase của ribosome E. cuniculi có cùng cấu trúc với các ribosome nhân chuẩn khác (Hình 1d), nhưng trung tâm giải mã lại khác do biến thể trình tự tại nucleotide 1491 (đánh số E. coli, Hình 1e, f). Quan sát này rất quan trọng vì vị trí giải mã của ribosome nhân chuẩn thường chứa các gốc G1408 và A1491 so với các gốc A1408 và G1491 của vi khuẩn. Biến thể này là cơ sở cho độ nhạy khác nhau của ribosome vi khuẩn và nhân chuẩn đối với họ aminoglycoside của kháng sinh ribosome và các phân tử nhỏ khác nhắm vào vị trí giải mã. Tại vị trí giải mã của ribosome E. cuniculi, phần còn lại A1491 được thay thế bằng U1491, có khả năng tạo ra một giao diện liên kết duy nhất cho các phân tử nhỏ nhắm vào vị trí hoạt động này. Biến thể A14901 tương tự cũng có trong các loài vi bào tử trùng khác như P. locustae và V. necatrix, cho thấy rằng nó phổ biến trong các loài vi bào tử trùng (Hình 1f).
Vì các mẫu ribosome E. cuniculi của chúng tôi được phân lập từ các bào tử không hoạt động về mặt chuyển hóa, chúng tôi đã thử nghiệm bản đồ cryo-EM của E. cuniculi để tìm liên kết ribosome đã mô tả trước đây trong điều kiện căng thẳng hoặc đói. Các yếu tố ngủ đông 31,32,36,37, 38. Chúng tôi đã khớp cấu trúc đã thiết lập trước đó của ribosome ngủ đông với bản đồ cryo-EM của ribosome E. cuniculi. Đối với việc ghép nối, ribosome S. cerevisiae được sử dụng phức hợp với yếu tố ngủ đông Stm138, ribosome locust phức hợp với yếu tố Lso232 và ribosome V. necatrix phức hợp với các yếu tố Mdf1 và Mdf231. Đồng thời, chúng tôi đã tìm thấy mật độ cryo-EM tương ứng với yếu tố nghỉ ngơi Mdf1. Tương tự như cách Mdf1 liên kết với ribosome V. necatrix, Mdf1 cũng liên kết với ribosome E. cuniculi, tại đó nó chặn vị trí E của ribosome, có thể giúp ribosome có sẵn khi bào tử ký sinh trùng trở nên không hoạt động về mặt chuyển hóa khi cơ thể bị bất hoạt (Hình 2). ).
Mdf1 chặn vị trí E của ribosome, có vẻ như giúp vô hiệu hóa ribosome khi bào tử ký sinh trùng trở nên không hoạt động về mặt chuyển hóa. Trong cấu trúc của ribosome E. cuniculi, chúng tôi thấy rằng Mdf1 tạo thành một tiếp xúc trước đây chưa được biết đến với thân ribosome L1, phần của ribosome tạo điều kiện giải phóng tRNA đã khử acetyl khỏi ribosome trong quá trình tổng hợp protein. Những tiếp xúc này cho thấy rằng Mdf1 tách khỏi ribosome bằng cùng cơ chế như tRNA đã khử acetyl, cung cấp một lời giải thích khả thi cho cách ribosome loại bỏ Mdf1 để kích hoạt lại quá trình tổng hợp protein.
Tuy nhiên, cấu trúc của chúng tôi đã tiết lộ một tiếp xúc chưa biết giữa Mdf1 và chân ribosome L1 (phần ribosome giúp giải phóng tRNA đã khử acylat khỏi ribosome trong quá trình tổng hợp protein). Đặc biệt, Mdf1 sử dụng các tiếp xúc giống như đoạn khuỷu tay của phân tử tRNA đã khử acylat (Hình 2). Mô hình phân tử chưa biết trước đây này cho thấy Mdf1 tách khỏi ribosome bằng cùng cơ chế như tRNA đã khử acetyl, điều này giải thích cách ribosome loại bỏ yếu tố ngủ đông này để kích hoạt lại quá trình tổng hợp protein.
Khi xây dựng mô hình rRNA, chúng tôi thấy rằng ribosome E. cuniculi có các mảnh rRNA gấp bất thường, mà chúng tôi gọi là rRNA hợp nhất (Hình 3). Trong các ribosome trải dài trên ba miền của sự sống, rRNA gấp thành các cấu trúc trong đó hầu hết các bazơ rRNA hoặc ghép cặp bazơ và gấp với nhau hoặc tương tác với các protein ribosome38,39,40. Tuy nhiên, trong ribosome E. cuniculi, rRNA dường như vi phạm nguyên tắc gấp này bằng cách chuyển đổi một số xoắn ốc của chúng thành các vùng rRNA không gấp.
Cấu trúc của chuỗi xoắn rRNA H18 25S ở S. cerevisiae, V. necatrix và E. cuniculi. Thông thường, ở ribosome trải dài trên ba miền sống, liên kết này cuộn thành chuỗi xoắn RNA chứa 24 đến 34 gốc. Ngược lại, ở Microsporidia, liên kết rRNA này dần dần giảm xuống còn hai liên kết giàu uridine mạch đơn chỉ chứa 12 gốc. Hầu hết các gốc này đều tiếp xúc với dung môi. Hình minh họa cho thấy microsporidia ký sinh dường như vi phạm các nguyên tắc chung về quá trình gấp rRNA, trong đó các bazơ rRNA thường được ghép nối với các bazơ khác hoặc tham gia vào tương tác rRNA-protein. Ở microsporidia, một số đoạn rRNA có nếp gấp bất lợi, trong đó chuỗi xoắn rRNA trước đây trở thành một đoạn mạch đơn kéo dài gần như theo đường thẳng. Sự hiện diện của các vùng bất thường này cho phép rRNA của microsporidia liên kết với các đoạn rRNA ở xa bằng cách sử dụng một số lượng tối thiểu các bazơ RNA.
Ví dụ nổi bật nhất về quá trình chuyển đổi tiến hóa này có thể được quan sát thấy trong chuỗi xoắn rRNA H18 25S (Hình 3). Ở các loài từ E. coli đến người, các gốc của chuỗi xoắn rRNA này chứa 24-32 nucleotide, tạo thành một chuỗi xoắn hơi bất thường. Trong các cấu trúc ribosome đã được xác định trước đây từ V. necatrix và P. locustae,31,32 các gốc của chuỗi xoắn H18 không cuộn một phần, nhưng cặp bazơ nucleotide vẫn được bảo tồn. Tuy nhiên, ở E. cuniculi, đoạn rRNA này trở thành các liên kết ngắn nhất 228UUUGU232 và 301UUUUUUUU307. Không giống như các đoạn rRNA thông thường, các liên kết giàu uridine này không cuộn hoặc tiếp xúc rộng rãi với các protein ribosome. Thay vào đó, chúng có cấu trúc mở dung môi và hoàn toàn không được gấp lại trong đó các sợi rRNA được kéo dài gần như thẳng. Cấu hình kéo dài này giải thích tại sao E. cuniculi chỉ sử dụng 12 bazơ RNA để lấp đầy khoảng trống 33 Å giữa các chuỗi xoắn rRNA H16 và H18, trong khi các loài khác cần ít nhất gấp đôi số bazơ rRNA để lấp đầy khoảng trống.
Như vậy, chúng ta có thể chứng minh rằng, thông qua quá trình gấp nếp không thuận lợi về mặt năng lượng, vi bào tử trùng đã phát triển một chiến lược để co lại ngay cả những đoạn rRNA vẫn được bảo tồn rộng rãi giữa các loài trong ba miền của sự sống. Rõ ràng, bằng cách tích lũy các đột biến biến đổi các xoắn rRNA thành các liên kết poly-U ngắn, E. cuniculi có thể tạo ra các đoạn rRNA bất thường chứa càng ít nucleotide càng tốt để gắn các đoạn rRNA xa. Điều này giúp giải thích cách vi bào tử trùng đạt được sự giảm đáng kể về cấu trúc phân tử cơ bản của chúng mà không mất đi tính toàn vẹn về mặt cấu trúc và chức năng.
Một đặc điểm bất thường khác của rRNA E. cuniculi là sự xuất hiện của rRNA không có phần dày (Hình 4). Các chỗ phình là các nucleotide không có cặp bazơ xoắn ra khỏi chuỗi xoắn RNA thay vì ẩn trong đó. Hầu hết các phần nhô ra của rRNA hoạt động như chất kết dính phân tử, giúp liên kết các protein ribosome liền kề hoặc các đoạn rRNA khác. Một số chỗ phình hoạt động như bản lề, cho phép chuỗi xoắn rRNA uốn cong và gấp lại tối ưu để tổng hợp protein hiệu quả 41 .
a Một phần nhô ra của rRNA (đánh số S. cerevisiae) không có trong cấu trúc ribosome của E. cuniculi, nhưng có trong hầu hết các sinh vật nhân chuẩn khác b E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens và E. cuniculi ribosome bên trong. ký sinh trùng thiếu nhiều phần phình ra của rRNA cổ xưa, được bảo tồn cao. Những phần dày lên này ổn định cấu trúc ribosome; do đó, sự vắng mặt của chúng trong vi bào tử trùng cho thấy độ ổn định giảm của quá trình gấp rRNA trong ký sinh trùng vi bào tử trùng. So sánh với thân P (thân L7/L12 ở vi khuẩn) cho thấy sự mất đi của các phần phình ra của rRNA đôi khi trùng với sự xuất hiện của các phần phình ra mới bên cạnh các phần phình ra đã mất. Xoắn ốc H42 trong rRNA 23S/28S có một phần phình ra cổ xưa (U1206 ở Saccharomyces cerevisiae) ước tính có tuổi đời ít nhất là 3,5 tỷ năm do được bảo vệ trong ba miền của sự sống. Ở vi bào tử trùng, phần phình ra này bị loại bỏ. Tuy nhiên, một khối phình mới xuất hiện bên cạnh khối phình đã mất (A1306 ở E. cuniculi).
Đáng chú ý là chúng tôi phát hiện ra rằng ribosome E. cuniculi thiếu hầu hết các chỗ phình rRNA được tìm thấy ở các loài khác, bao gồm hơn 30 chỗ phình được bảo tồn ở các sinh vật nhân chuẩn khác (Hình 4a). Sự mất mát này loại bỏ nhiều điểm tiếp xúc giữa các tiểu đơn vị ribosome và các xoắn rRNA liền kề, đôi khi tạo ra các khoảng rỗng lớn bên trong ribosome, khiến ribosome E. cuniculi có nhiều lỗ xốp hơn so với các ribosome truyền thống hơn (Hình 4b). Đáng chú ý là chúng tôi phát hiện ra rằng hầu hết các chỗ phình này cũng bị mất trong các cấu trúc ribosome V. necatrix và P. locustae đã được xác định trước đó, vốn đã bị bỏ qua trong các phân tích cấu trúc trước đây31,32.
Đôi khi sự mất đi các chỗ phình rRNA đi kèm với sự phát triển của các chỗ phình mới bên cạnh chỗ phình đã mất. Ví dụ, thân P của ribosome chứa một chỗ phình U1208 (trong Saccharomyces cerevisiae) tồn tại từ E. coli đến con người và do đó được ước tính là 3,5 tỷ năm tuổi. Trong quá trình tổng hợp protein, chỗ phình này giúp thân P di chuyển giữa các cấu hình mở và đóng để ribosome có thể tuyển dụng các yếu tố dịch mã và đưa chúng đến vị trí hoạt động. Trong ribosome E. cuniculi, sự dày lên này không có; tuy nhiên, một chỗ dày lên mới (G883) chỉ nằm ở ba cặp bazơ có thể góp phần khôi phục tính linh hoạt tối ưu của thân P (Hình 4c).
Dữ liệu của chúng tôi về rRNA không có phần phình ra cho thấy rằng sự giảm thiểu rRNA không chỉ giới hạn ở việc mất các thành phần rRNA trên bề mặt ribosome mà còn có thể liên quan đến nhân ribosome, tạo ra một khiếm khuyết phân tử đặc trưng của ký sinh trùng chưa được mô tả trong các tế bào sống tự do. Các loài sống được quan sát thấy.
Sau khi mô hình hóa các protein ribosome và rRNA điển hình, chúng tôi thấy rằng các thành phần ribosome thông thường không thể giải thích được ba phần của hình ảnh cryo-EM. Hai trong số các mảnh này có kích thước phân tử nhỏ (Hình 5, Hình bổ sung 8). Phân đoạn đầu tiên nằm giữa các protein ribosome uL15 và eL18 ở vị trí thường do đầu C của eL18 chiếm giữ, bị rút ngắn ở E. cuniculi. Mặc dù chúng tôi không thể xác định danh tính của phân tử này, nhưng kích thước và hình dạng của đảo mật độ này được giải thích rõ ràng bằng sự hiện diện của các phân tử spermidine. Sự liên kết của nó với ribosome được ổn định bởi các đột biến đặc hiệu của vi bào tử trùng trong các protein uL15 (Asp51 và Arg56), dường như làm tăng ái lực của ribosome đối với phân tử nhỏ này, vì chúng cho phép uL15 bọc phân tử nhỏ vào cấu trúc ribosome. Hình bổ sung 2). 8, dữ liệu bổ sung 1, 2).
Hình ảnh Cryo-EM cho thấy sự hiện diện của các nucleotide bên ngoài ribose liên kết với ribosome E. cuniculi. Trong ribosome E. cuniculi, nucleotide này chiếm cùng vị trí với nucleotide A3186 của rRNA 25S (đánh số Saccharomyces cerevisiae) trong hầu hết các ribosome nhân chuẩn khác. b Trong cấu trúc ribosome của E. cuniculi, nucleotide này nằm giữa các protein ribosome uL9 và eL20, do đó ổn định sự tiếp xúc giữa hai protein. Phân tích bảo tồn trình tự cd eL20 giữa các loài vi bào tử trùng. Cây phát sinh loài của các loài vi bào tử trùng (c) và sự sắp xếp trình tự nhiều lần của protein eL20 (d) cho thấy các gốc liên kết nucleotide F170 và K172 được bảo tồn trong hầu hết các loài vi bào tử trùng điển hình, ngoại trừ S. lophii, ngoại trừ loài vi bào tử trùng phân nhánh sớm, vẫn giữ lại phần mở rộng rRNA ES39L. e Hình này cho thấy các gốc liên kết nucleotide F170 và K172 chỉ có trong eL20 của bộ gen vi bào tử trùng bị khử cao, nhưng không có trong các sinh vật nhân chuẩn khác. Nhìn chung, các dữ liệu này cho thấy ribosome của vi bào tử trùng đã phát triển một vị trí liên kết nucleotide dường như liên kết với các phân tử AMP và sử dụng chúng để ổn định tương tác protein-protein trong cấu trúc ribosome. Sự bảo tồn cao của vị trí liên kết này ở vi bào tử trùng và sự vắng mặt của nó ở các sinh vật nhân chuẩn khác cho thấy rằng vị trí này có thể mang lại lợi thế sống sót có chọn lọc cho vi bào tử trùng. Do đó, túi liên kết nucleotide trong ribosome của vi bào tử trùng dường như không phải là một đặc điểm thoái hóa hoặc dạng cuối cùng của quá trình phân hủy rRNA như đã mô tả trước đây, mà đúng hơn là một cải tiến tiến hóa hữu ích cho phép ribosome của vi bào tử trùng liên kết trực tiếp các phân tử nhỏ, sử dụng chúng làm khối xây dựng phân tử. khối xây dựng cho ribosome. Khám phá này khiến ribosome của vi bào tử trùng trở thành ribosome duy nhất được biết đến sử dụng một nucleotide duy nhất làm khối xây dựng cấu trúc của nó. f Con đường tiến hóa giả thuyết bắt nguồn từ liên kết nucleotide.
Mật độ trọng lượng phân tử thấp thứ hai nằm ở giao diện giữa các protein ribosome uL9 và eL30 (Hình 5a). Giao diện này trước đây đã được mô tả trong cấu trúc của ribosome Saccharomyces cerevisiae như một vị trí liên kết cho nucleotide 25S của rRNA A3186 (một phần của phần mở rộng rRNA ES39L)38. Người ta đã chỉ ra rằng trong ribosome ES39L của P. locustae thoái hóa, giao diện này liên kết với một nucleotide đơn chưa biết 31 và người ta cho rằng nucleotide này là dạng cuối cùng được khử của rRNA, trong đó chiều dài của rRNA là ~130-230 bazơ. ES39L được khử thành một nucleotide đơn 32.43. Hình ảnh cryo-EM của chúng tôi hỗ trợ ý tưởng rằng mật độ có thể được giải thích bằng các nucleotide. Tuy nhiên, độ phân giải cao hơn của cấu trúc của chúng tôi cho thấy nucleotide này là một phân tử ngoài ribosome, có thể là AMP (Hình 5a, b).
Sau đó, chúng tôi hỏi liệu vị trí liên kết nucleotide có xuất hiện trong ribosome E. cuniculi hay nó đã tồn tại trước đó. Vì liên kết nucleotide chủ yếu được trung gian bởi các gốc Phe170 và Lys172 trong protein ribosome eL30, chúng tôi đã đánh giá sự bảo tồn các gốc này trong 4396 sinh vật nhân chuẩn tiêu biểu. Giống như trường hợp uL15 ở trên, chúng tôi thấy rằng các gốc Phe170 và Lys172 chỉ được bảo tồn cao ở Microsporidia điển hình, nhưng không có ở các sinh vật nhân chuẩn khác, bao gồm Microsporidia không điển hình Mitosporidium và Amphiamblys, trong đó đoạn rRNA ES39L không bị khử 44, 45, 46 (Hình 5c). -e).
Khi kết hợp lại với nhau, những dữ liệu này ủng hộ ý tưởng rằng E. cuniculi và có thể là các vi bào tử trùng điển hình khác đã tiến hóa khả năng bắt giữ hiệu quả số lượng lớn các chất chuyển hóa nhỏ trong cấu trúc ribosome để bù đắp cho sự suy giảm mức độ rRNA và protein. Khi làm như vậy, chúng đã phát triển một khả năng độc đáo để liên kết các nucleotide bên ngoài ribosome, cho thấy rằng các cấu trúc phân tử ký sinh bù đắp bằng cách bắt giữ các chất chuyển hóa nhỏ dồi dào và sử dụng chúng như các bản sao cấu trúc của các mảnh RNA và protein bị phân hủy.
Phần thứ ba không được mô phỏng của bản đồ cryo-EM của chúng tôi, được tìm thấy trong tiểu đơn vị ribosome lớn. Độ phân giải tương đối cao (2,6 Å) của bản đồ của chúng tôi cho thấy mật độ này thuộc về các protein có sự kết hợp độc đáo của các gốc chuỗi bên lớn, cho phép chúng tôi xác định mật độ này là một protein ribosome chưa biết trước đây mà chúng tôi đã xác định là Nó được đặt tên là msL2 (protein đặc hiệu Microsporidia L2) (phương pháp, hình 6). Tìm kiếm tương đồng của chúng tôi cho thấy msL2 được bảo tồn trong nhánh Microsporidia của chi Encephaliter và Orosporidium, nhưng không có ở các loài khác, bao gồm cả Microsporidia khác. Trong cấu trúc ribosome, msL2 chiếm một khoảng trống được hình thành do mất rRNA ES31L mở rộng. Trong khoảng trống này, msL2 giúp ổn định quá trình gấp rRNA và có thể bù đắp cho sự mất ES31L (Hình 6).
a Mật độ electron và mô hình của protein ribosome msL2 đặc hiệu Microsporidia được tìm thấy trong ribosome E. cuniculi. b Hầu hết các ribosome nhân chuẩn, bao gồm ribosome 80S của Saccharomyces cerevisiae, đều bị mất khuếch đại rRNA ES19L ở hầu hết các loài Microsporidia. Cấu trúc đã được thiết lập trước đó của ribosome microsporidia V. necatrix cho thấy rằng sự mất ES19L ở những ký sinh trùng này được bù đắp bằng sự tiến hóa của protein ribosome msL1 mới. Trong nghiên cứu này, chúng tôi phát hiện ra rằng ribosome E. cuniculi cũng phát triển thêm một protein bắt chước RNA ribosome như một sự bù đắp rõ ràng cho sự mất ES19L. Tuy nhiên, msL2 (hiện được chú thích là protein ECU06_1135 giả định) và msL1 có nguồn gốc cấu trúc và tiến hóa khác nhau. c Phát hiện này về sự hình thành các protein ribosome msL1 và msL2 không liên quan về mặt tiến hóa cho thấy nếu ribosome tích lũy các đột biến có hại trong rRNA của chúng, chúng có thể đạt được mức độ đa dạng thành phần chưa từng có ngay cả trong một nhóm nhỏ các loài có quan hệ họ hàng gần. Phát hiện này có thể giúp làm rõ nguồn gốc và sự tiến hóa của ribosome ty thể, được biết đến với rRNA giảm mạnh và sự biến đổi bất thường trong thành phần protein giữa các loài.
Sau đó, chúng tôi so sánh protein msL2 với protein msL1 đã mô tả trước đó, protein ribosome đặc hiệu của vi bào tử trùng duy nhất được biết đến có trong ribosome V. necatrix. Chúng tôi muốn kiểm tra xem msL1 và msL2 có liên quan về mặt tiến hóa hay không. Phân tích của chúng tôi cho thấy msL1 và msL2 chiếm cùng một khoang trong cấu trúc ribosome, nhưng có cấu trúc bậc một và bậc ba khác nhau, điều này cho thấy nguồn gốc tiến hóa độc lập của chúng (Hình 6). Do đó, khám phá của chúng tôi về msL2 cung cấp bằng chứng cho thấy các nhóm loài nhân chuẩn nhỏ gọn có thể tiến hóa độc lập các protein ribosome riêng biệt về mặt cấu trúc để bù đắp cho sự mất mát các mảnh rRNA. Phát hiện này đáng chú ý ở chỗ hầu hết các ribosome nhân chuẩn trong tế bào chất đều chứa một protein bất biến, bao gồm cùng một họ gồm 81 protein ribosome. Sự xuất hiện của msL1 và msL2 trong nhiều nhóm vi bào tử trùng khác nhau để đáp ứng với sự mất đi các đoạn rRNA mở rộng cho thấy sự thoái hóa cấu trúc phân tử của ký sinh trùng khiến ký sinh trùng tìm kiếm các đột biến bù trừ, cuối cùng có thể dẫn đến sự xâm nhập của chúng vào các quần thể ký sinh trùng khác nhau.
Cuối cùng, khi mô hình của chúng tôi hoàn thành, chúng tôi đã so sánh thành phần của ribosome E. cuniculi với thành phần được dự đoán từ trình tự bộ gen. Một số protein ribosome, bao gồm eL14, eL38, eL41 và eS30, trước đây được cho là bị thiếu trong bộ gen E. cuniculi do sự vắng mặt rõ ràng của các đồng đẳng của chúng trong bộ gen E. cuniculi. Sự mất mát của nhiều protein ribosome cũng được dự đoán ở hầu hết các ký sinh trùng nội bào và cộng sinh nội bào bị khử cao khác. Ví dụ, mặc dù hầu hết các vi khuẩn sống tự do đều chứa cùng một họ gồm 54 protein ribosome, nhưng chỉ có 11 trong số các họ protein này có đồng đẳng có thể phát hiện được trong mỗi bộ gen được phân tích của vi khuẩn bị hạn chế bởi vật chủ. Để hỗ trợ cho quan niệm này, sự mất mát của các protein ribosome đã được quan sát thấy trong thực nghiệm ở vi bào tử trùng V. necatrix và P. locustae, thiếu các protein eL38 và eL4131,32.
Tuy nhiên, cấu trúc của chúng tôi cho thấy chỉ có eL38, eL41 và eS30 thực sự bị mất trong ribosome E. cuniculi. Protein eL14 được bảo tồn và cấu trúc của chúng tôi cho thấy lý do tại sao không thể tìm thấy protein này trong tìm kiếm tương đồng (Hình 7). Trong ribosome E. cuniculi, hầu hết vị trí liên kết eL14 bị mất do sự phân hủy của ES39L được khuếch đại bởi rRNA. Khi không có ES39L, eL14 mất hầu hết cấu trúc thứ cấp của nó và chỉ có 18% trình tự eL14 giống hệt nhau ở E. cuniculi và S. cerevisiae. Sự bảo tồn trình tự kém này là đáng chú ý vì ngay cả Saccharomyces cerevisiae và Homo sapiens—những sinh vật tiến hóa cách nhau 1,5 tỷ năm—cũng chia sẻ hơn 51% các gốc giống nhau trong eL14. Sự mất mát bất thường về bảo tồn này giải thích tại sao E. cuniculi eL14 hiện được chú thích là protein M970_061160 chứ không phải là protein ribosome eL1427.
và Ribosome Microsporidia mất phần mở rộng rRNA ES39L, phần này đã loại bỏ một phần vị trí liên kết protein ribosome eL14. Khi không có ES39L, protein bào tử vi mô eL14 bị mất cấu trúc thứ cấp, trong đó α-helix liên kết rRNA trước đây thoái hóa thành một vòng có chiều dài tối thiểu. b Căn chỉnh trình tự nhiều lần cho thấy protein eL14 được bảo tồn cao ở các loài nhân chuẩn (trình tự đồng nhất 57% giữa nấm men và các đồng đẳng của con người), nhưng được bảo tồn kém và phân kỳ ở microsporidia (trong đó không quá 24% các gốc giống hệt với đồng đẳng eL14). từ S. cerevisiae hoặc H. sapiens). Sự bảo tồn trình tự kém và tính biến đổi cấu trúc thứ cấp này giải thích tại sao đồng đẳng eL14 chưa bao giờ được tìm thấy ở E. cuniculi và tại sao người ta cho rằng protein này đã bị mất ở E. cuniculi. Ngược lại, E. cuniculi eL14 trước đây được chú thích là protein M970_061160 được cho là. Quan sát này cho thấy sự đa dạng bộ gen của vi bào tử trùng hiện đang bị đánh giá quá cao: một số gen hiện được cho là bị mất trong vi bào tử trùng thực tế vẫn được bảo tồn, mặc dù ở dạng rất khác biệt; thay vào đó, một số được cho là mã hóa cho các gen vi bào tử trùng đối với các protein đặc hiệu của giun (ví dụ, protein giả thuyết M970_061160) thực sự mã hóa cho các protein rất đa dạng được tìm thấy ở các sinh vật nhân chuẩn khác.
Phát hiện này cho thấy rằng sự biến tính rRNA có thể dẫn đến mất mát đáng kể về bảo tồn trình tự trong các protein ribosome liền kề, khiến các protein này không thể phát hiện được khi tìm kiếm tương đồng. Do đó, chúng ta có thể đánh giá quá cao mức độ thoái hóa phân tử thực tế trong các sinh vật có bộ gen nhỏ, vì một số protein được cho là bị mất thực sự vẫn tồn tại, mặc dù ở dạng đã bị biến đổi rất nhiều.
Làm thế nào ký sinh trùng có thể duy trì chức năng của các cỗ máy phân tử của chúng trong điều kiện giảm bộ gen cực độ? Nghiên cứu của chúng tôi trả lời câu hỏi này bằng cách mô tả cấu trúc phân tử phức tạp (ribosome) của E. cuniculi, một sinh vật có một trong những bộ gen nhân chuẩn nhỏ nhất.
Người ta đã biết trong gần hai thập kỷ rằng các phân tử protein và RNA trong ký sinh trùng vi khuẩn thường khác với các phân tử tương đồng của chúng ở các loài sống tự do vì chúng thiếu các trung tâm kiểm soát chất lượng, bị giảm xuống còn 50% kích thước của chúng ở các vi khuẩn sống tự do, v.v. nhiều đột biến làm suy yếu làm suy yếu khả năng gấp và chức năng. Ví dụ, ribosome của các sinh vật có bộ gen nhỏ, bao gồm nhiều ký sinh trùng nội bào và cộng sinh nội bào, được cho là thiếu một số protein ribosome và tới một phần ba số nucleotide rRNA so với các loài sống tự do 27, 29, 30, 49. Tuy nhiên, cách các phân tử này hoạt động trong ký sinh trùng vẫn còn là một bí ẩn lớn, chủ yếu được nghiên cứu thông qua hệ gen so sánh.
Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy cấu trúc của các đại phân tử có thể tiết lộ nhiều khía cạnh của quá trình tiến hóa mà khó có thể trích xuất từ ​​các nghiên cứu bộ gen so sánh truyền thống về ký sinh trùng nội bào và các sinh vật bị hạn chế bởi vật chủ khác (Hình bổ sung 7). Ví dụ, ví dụ về protein eL14 cho thấy chúng ta có thể đánh giá quá cao mức độ thoái hóa thực tế của bộ máy phân tử ở các loài ký sinh. Ký sinh trùng não hiện được cho là có hàng trăm gen đặc hiệu của vi bào tử trùng. Tuy nhiên, kết quả của chúng tôi cho thấy một số gen có vẻ đặc hiệu này thực chất chỉ là các biến thể rất khác nhau của các gen phổ biến ở các sinh vật nhân chuẩn khác. Hơn nữa, ví dụ về protein msL2 cho thấy cách chúng ta bỏ qua các protein ribosome mới và đánh giá thấp nội dung của các cỗ máy phân tử ký sinh. Ví dụ về các phân tử nhỏ cho thấy cách chúng ta có thể bỏ qua những cải tiến khéo léo nhất trong cấu trúc phân tử ký sinh có thể mang lại cho chúng hoạt động sinh học mới.
Tổng hợp lại, những kết quả này cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về sự khác biệt giữa các cấu trúc phân tử của các sinh vật bị hạn chế bởi vật chủ và các đối tác của chúng trong các sinh vật sống tự do. Chúng tôi chỉ ra rằng các máy phân tử, từ lâu được cho là bị giảm, thoái hóa và chịu nhiều đột biến làm suy yếu, thay vào đó lại có một tập hợp các đặc điểm cấu trúc bất thường bị bỏ qua một cách có hệ thống.
Mặt khác, các mảnh rRNA không cồng kềnh và các mảnh hợp nhất mà chúng tôi tìm thấy trong ribosome của E. cuniculi cho thấy rằng việc giảm bộ gen thậm chí có thể thay đổi những phần của bộ máy phân tử cơ bản được bảo tồn trong ba miền của sự sống - sau gần 3,5 tỷ năm. sự tiến hóa độc lập của các loài.
Các đoạn rRNA không phình và hợp nhất trong ribosome của E. cuniculi đặc biệt được quan tâm khi xem xét các nghiên cứu trước đây về phân tử RNA trong vi khuẩn cộng sinh nội bào. Ví dụ, trong cộng sinh nội bào rệp Buchnera aphidicola, các phân tử rRNA và tRNA đã được chứng minh là có cấu trúc nhạy cảm với nhiệt độ do thành phần A+T thiên vị và tỷ lệ cao các cặp bazơ không chuẩn20,50. Những thay đổi này trong RNA, cũng như những thay đổi trong các phân tử protein, hiện được cho là nguyên nhân gây ra sự phụ thuộc quá mức của cộng sinh nội bào vào các đối tác và sự bất lực của cộng sinh nội bào trong việc truyền nhiệt 21, 23 . Mặc dù rRNA của vi bào tử ký sinh có những thay đổi riêng biệt về mặt cấu trúc, nhưng bản chất của những thay đổi này cho thấy rằng tính ổn định nhiệt giảm và sự phụ thuộc nhiều hơn vào protein chaperone có thể là những đặc điểm chung của các phân tử RNA trong các sinh vật có bộ gen bị suy giảm.
Mặt khác, cấu trúc của chúng tôi cho thấy rằng ký sinh trùng microsporidia đã tiến hóa một khả năng độc đáo để chống lại rRNA được bảo tồn rộng rãi và các mảnh protein, phát triển khả năng sử dụng các chất chuyển hóa nhỏ dồi dào và sẵn có như các mô phỏng cấu trúc của rRNA thoái hóa và các mảnh protein. Sự thoái hóa cấu trúc phân tử. . Ý kiến ​​này được hỗ trợ bởi thực tế là các phân tử nhỏ bù đắp cho sự mất mát các mảnh protein trong rRNA và ribosome của E. cuniculi liên kết với các dư lượng đặc hiệu của microsporidia trong các protein uL15 và eL30. Điều này cho thấy rằng sự liên kết của các phân tử nhỏ với ribosome có thể là sản phẩm của quá trình chọn lọc tích cực, trong đó các đột biến đặc hiệu của Microsporidia trong các protein ribosome đã được chọn lọc vì khả năng tăng ái lực của ribosome đối với các phân tử nhỏ, điều này có thể dẫn đến các sinh vật ribosome hiệu quả hơn. Phát hiện này cho thấy một sự đổi mới thông minh trong cấu trúc phân tử của ký sinh trùng vi khuẩn và giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách các cấu trúc phân tử ký sinh duy trì chức năng của chúng bất chấp quá trình tiến hóa khử.
Hiện tại, việc xác định các phân tử nhỏ này vẫn chưa rõ ràng. Không rõ tại sao sự xuất hiện của các phân tử nhỏ này trong cấu trúc ribosome lại khác nhau giữa các loài vi bào tử trùng. Đặc biệt, không rõ tại sao liên kết nucleotide được quan sát thấy trong ribosome của E. cuniculi và P. locustae, chứ không phải trong ribosome của V. necatrix, mặc dù có sự hiện diện của gốc F170 trong các protein eL20 và K172 của V. necatrix. Sự xóa đoạn này có thể do gốc 43 uL6 (nằm cạnh túi liên kết nucleotide) gây ra, là tyrosine trong V. necatrix chứ không phải threonine trong E. cuniculi và P. locustae. Chuỗi bên thơm cồng kềnh của Tyr43 có thể cản trở liên kết nucleotide do chồng chéo không gian. Ngoài ra, sự xóa đoạn nucleotide rõ ràng có thể là do độ phân giải thấp của hình ảnh cryo-EM, cản trở việc mô hình hóa các mảnh ribosome của V. necatrix.
Mặt khác, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy quá trình phân hủy bộ gen có thể là một lực sáng tạo. Cụ thể, cấu trúc của ribosome E. cuniculi cho thấy rằng việc mất rRNA và các mảnh protein trong ribosome của vi bào tử trùng tạo ra áp lực tiến hóa thúc đẩy những thay đổi trong cấu trúc ribosome. Những biến thể này xảy ra xa vị trí hoạt động của ribosome và dường như giúp duy trì (hoặc khôi phục) quá trình lắp ráp ribosome tối ưu vốn sẽ bị phá vỡ bởi rRNA bị giảm. Điều này cho thấy một cải tiến lớn của ribosome của vi bào tử trùng dường như đã tiến hóa thành nhu cầu đệm sự trôi dạt gen.
Có lẽ điều này được minh họa tốt nhất bằng sự liên kết nucleotide, điều chưa từng được quan sát thấy ở các sinh vật khác cho đến nay. Thực tế là các dư lượng liên kết nucleotide có trong vi bào tử trùng điển hình, nhưng không có ở các sinh vật nhân chuẩn khác, cho thấy rằng các vị trí liên kết nucleotide không chỉ là di tích chờ biến mất, hoặc vị trí cuối cùng để rRNA được phục hồi thành dạng các nucleotide riêng lẻ. Thay vào đó, vị trí này có vẻ giống như một tính năng hữu ích có thể đã tiến hóa qua nhiều vòng chọn lọc tích cực. Các vị trí liên kết nucleotide có thể là sản phẩm phụ của chọn lọc tự nhiên: khi ES39L bị phân hủy, vi bào tử trùng buộc phải tìm kiếm sự bù trừ để khôi phục quá trình sinh tổng hợp ribosome tối ưu khi không có ES39L. Vì nucleotide này có thể bắt chước các tiếp xúc phân tử của nucleotide A3186 trong ES39L, nên phân tử nucleotide trở thành khối xây dựng của ribosome, khả năng liên kết của nó được cải thiện hơn nữa thông qua đột biến trình tự eL30.
Về mặt tiến hóa phân tử của ký sinh trùng nội bào, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng các lực của chọn lọc tự nhiên Darwin và sự trôi dạt di truyền của sự phân hủy bộ gen không hoạt động song song mà dao động. Đầu tiên, sự trôi dạt di truyền loại bỏ các đặc điểm quan trọng của các phân tử sinh học, khiến cho sự bù trừ trở nên vô cùng cần thiết. Chỉ khi ký sinh trùng đáp ứng được nhu cầu này thông qua chọn lọc tự nhiên Darwin thì các đại phân tử của chúng mới có cơ hội phát triển các đặc điểm ấn tượng và sáng tạo nhất của chúng. Điều quan trọng là sự tiến hóa của các vị trí liên kết nucleotide trong ribosome E. cuniculi cho thấy rằng mô hình mất-để-được này của tiến hóa phân tử không chỉ khấu hao các đột biến có hại mà đôi khi còn mang lại các chức năng hoàn toàn mới cho các đại phân tử ký sinh.
Ý tưởng này phù hợp với lý thuyết cân bằng động của Sewell Wright, trong đó nêu rằng một hệ thống chọn lọc tự nhiên nghiêm ngặt sẽ hạn chế khả năng đổi mới của sinh vật51,52,53. Tuy nhiên, nếu trôi dạt di truyền phá vỡ quá trình chọn lọc tự nhiên, những trôi dạt này có thể tạo ra những thay đổi không tự chúng có tính thích nghi (hoặc thậm chí có hại) nhưng lại dẫn đến những thay đổi tiếp theo mang lại độ thích nghi cao hơn hoặc hoạt động sinh học mới. Khung của chúng tôi hỗ trợ ý tưởng này bằng cách minh họa rằng cùng một loại đột biến làm giảm số lượng và chức năng của một phân tử sinh học dường như là tác nhân chính thúc đẩy sự cải thiện của nó. Phù hợp với mô hình tiến hóa đôi bên cùng có lợi, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy sự phân hủy bộ gen, theo truyền thống được coi là một quá trình thoái hóa, cũng là động lực chính của sự đổi mới, đôi khi và thậm chí có thể thường xuyên cho phép các đại phân tử có được các hoạt động ký sinh mới. có thể sử dụng chúng.