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 được 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.
Sự tiến hóa của ký sinh trùng vi khuẩn liên quan đến sự đối kháng giữa chọn lọc tự nhiên, khiến ký sinh trùng trở nên tốt hơn, và sự trôi dạt di truyền, khiến ký sinh trùng mất đi các gen và tích lũy các đột biến có hại. Ở đây, để hiểu cách thức sự đối kháng này diễn ra ở 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 được biết đến trước đây và rRNA không có chỗ phình. Ngoài ra, ribosome của E. cuniculi đã tồn tại sau khi mất các mảnh rRNA và protein bằng cách phát triển khả năng sử dụng các phân tử nhỏ làm chất bắt chước cấu trúc của các mảnh rRNA và protein bị phân hủy. Nhìn chung, chúng tôi cho thấy rằng các cấu trúc phân tử từ lâu được cho là bị giảm, thoái hóa và chịu các đột biến gây suy yếu có một số cơ chế bù trừ giúp chúng hoạt động bất chấp sự co rút 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 của ký sinh trùng có tính 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 nghiên cứu trước đây đã xác định một xu hướng tiến hóa phổ biến ở các ký sinh trùng vi khuẩn được gọi là giảm kích thước bộ gen hoặc suy thoái 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 nội cộng sinh), bộ gen của chúng trải qua quá trình biến đổi chậm nhưng đáng kinh ngạc trong hàng triệu năm9,11. Trong một quá trình được gọi là suy thoái bộ gen, các ký sinh trùng vi khuẩn tích lũy các đột biến có hại, biến nhiều gen quan trọng trước đây thành gen giả, dẫn đến mất gen dần dần và sụp đổ do đột biến14,15. Sự sụp đổ này có thể phá hủy tới 95% số gen ở các sinh vật nội bào lâu đời nhất so với các loài sống tự do có quan hệ gần gũi. Do đó, sự tiến hóa của các ký sinh trùng nội bào là một cuộc giằng co giữa hai lực lượng 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 ký sinh trùng có thể vượt qua cuộc giằng co này và duy trì hoạt động của cấu trúc phân tử của nó vẫn chưa rõ ràng.
Mặc dù cơ chế suy thoái bộ gen chưa được hiểu đầy đủ, nhưng dường như nó chủ yếu xảy ra do sự trôi dạt gen thường xuyên. Bởi vì ký sinh trùng sống trong các quần thể nhỏ, sinh sản vô tính và bị giới hạn 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 lũy không thể đảo ngược các đột biến có hại và làm giảm kích thước bộ gen của ký sinh trùng. Kết quả là, ký sinh trùng không chỉ mất đi các gen không còn cần thiết cho sự sống sót 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 đã khiến các đột biến này tích lũy khắp bộ gen, bao gồm cả các gen quan trọng nhất của chúng.
Phần lớn hiểu biết hiện tại của chúng ta về sự thu nhỏ bộ gen chỉ dựa trên việc so sánh trình tự bộ gen, mà ít chú ý đến những thay đổi trong các phân tử thực tế thực hiện các chức năng duy trì hoạt động và đóng vai trò là mục tiêu tiềm năng cho thuốc. Các nghiên cứu so sánh đã chỉ ra rằng gánh nặng của các đột biến vi khuẩn nội bào có hại dường như làm cho protein và axit nucleic dễ bị gấp sai và kết tụ, khiến chúng phụ thuộc nhiều hơn vào chaperone và nhạy cảm hơn với nhiệt độ19,20,21,22,23. Ngoài ra, nhiều loại ký sinh trùng—quá trình tiến hóa độc lập đôi khi cách nhau tới 2,5 tỷ năm—đã trải qua sự mất mát tương tự về các trung tâm kiểm soát chất lượng 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 sự thích nghi phân tử với gánh nặng ngày càng tăng của các đột biến có hại.
Trong nghiên cứu này, để hiểu rõ hơn về sự tiến hóa của protein và axit nucleic của vi sinh vật nội bào, chúng tôi đã xác định cấu trúc ribosome của ký sinh trùng nội bào Encephalitozoon cuniculi. E. cuniculi là một sinh vật giống nấm thuộc nhóm vi bào tử ký sinh có bộ gen sinh vật 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 cho các bộ gen bị giảm kích thước vừa phải của Microsporidia, Paranosema locustae và Vairimorpha necatrix31,32 (~3,2 Mb bộ gen). Những cấu trúc này cho thấy rằng một số mất mát trong quá trình khuếch đại rRNA được bù đắp bằng sự phát triển của các tiếp xúc mới giữa các protein ribosome lân cận hoặc sự hình thành các protein ribosome msL131,32 mới. Loài Encephalitozoon (bộ gen ~2,5 triệu bp), cùng với họ hàng gần nhất là Ordospora, thể hiện mức độ giảm thiểu bộ gen tối đa ở sinh vật nhân chuẩn – chúng có ít hơn 2000 gen mã hóa protein, và người ta dự đoán rằng ribosome của chúng không chỉ thiếu các đoạn mở rộng rRNA (các đoạn rRNA phân biệt ribosome của sinh vật nhân chuẩn với ribosome của vi khuẩn) mà còn có bốn protein ribosome do thiếu các protein tương đồng trong bộ gen của E. cuniculi26,27,28. Do đó, chúng tôi kết luận rằng ribosome của E. cuniculi có thể tiết lộ các chiến lược thích nghi phân tử chưa được biết đến trước đây đối với sự suy giảm bộ gen.
Cấu trúc cryo-EM của chúng tôi đại diện cho ribosome tế bào chất nhỏ nhất của sinh vật nhân chuẩn được mô tả và cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mức độ giảm thiểu bộ gen cuối cùng ảnh hưởng đến cấu trúc, sự lắp ráp và sự tiến hóa của bộ máy phân tử cấu thành nên tế bào. Chúng tôi phát hiện ra rằng ribosome của E. cuniculi vi phạm nhiều nguyên tắc được bảo tồn rộng rãi về gấp nếp RNA và lắp ráp ribosome, và đã phát hiện ra một protein ribosome mới, chưa từng được biết đến trước đây. Một cách khá bất ngờ, chúng tôi chứng minh rằng ribosome của vi bào tử đã tiến hóa khả năng liên kết với các phân tử nhỏ, và đưa ra giả thuyết rằng sự cắt ngắn trong rRNA và protein kích hoạt những đổi mới tiến hóa mà cuối cùng có thể mang lại những đặc tính hữu ích cho ribosome.
Để nâng cao hiểu biết về sự 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 nhằm tinh chế ribosome và xác định cấu trúc của các ribosome này. Việc thu được một lượng lớn vi bào tử ký sinh rất khó khăn vì chúng không thể được nuôi cấy trong môi trường dinh dưỡng. Thay vào đó, chúng chỉ phát triển và sinh sản bên trong tế bào chủ. Do đó, để thu được sinh khối E. cuniculi cho việc tinh chế ribosome, chúng tôi đã nhiễm dòng tế bào thận động vật có vú RK13 với bào tử E. cuniculi và nuôi cấy các tế bào bị nhiễm này trong vài tuần để cho phép E. cuniculi phát triển và nhân lên. Sử dụng lớp tế bào đơn bị nhiễm có diện tích khoảng nửa mét vuông, chúng tôi đã 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 được tinh chế bằng các hạt thủy tinh và phân lập ribosome thô bằng phương pháp phân đoạn polyethylene glycol từng bước của dịch ly giải. Điều này cho phép chúng tôi thu được khoảng 300 µg ribosome thô của E. cuniculi 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 cách sử dụng 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 cryo-EM để mô hình hóa rRNA, protein ribosome và yếu tố ngủ đông Mdf1 liên kết với ribosome của E. cuniculi (Hình 1a, b).
a Cấu trúc ribosome của E. cuniculi phức hợp với yếu tố ngủ đông Mdf1 (mã pdb 7QEP). b Bản đồ yếu tố ngủ đông Mdf1 liên kết với ribosome của E. cuniculi. c Bản đồ cấu trúc bậc hai so sánh rRNA thu được ở các loài Microsporidia với các cấu trúc ribosome đã biết. Các hình ảnh 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 chuyển peptidyl (PTC). d Mật ​​độ điện tử tương ứng với trung tâm chuyển peptidyl của ribosome E. cuniculi cho thấy vị trí xúc tác này có cấu trúc giống nhau ở ký sinh trùng E. cuniculi và vật chủ của nó, bao gồm cả H. sapiens. Hình e, f cho thấy 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 gốc U1491 thay vì A1491 (theo số thứ tự của E. coli) trong nhiều sinh vật nhân chuẩn khác. Sự thay đổi này cho thấy E. cuniculi có thể nhạy cảm với các loại kháng sinh nhắm vào vị trí hoạt động này.
Ngược lại với cấu trúc ribosome của V. necatrix và P. locustae đã được xác định trước đó (cả hai cấu trúc đều thuộc cùng một họ vi bào tử Nosematidae và rất giống nhau), 31,32 ribosome của E. cuniculi trải qua nhiều quá trình phân mảnh rRNA và protein. Sự biến tính tiếp tục (Hình bổ sung 4-6). Trong rRNA, những thay đổi đáng chú ý nhất bao gồm mất hoàn toàn đoạn rRNA 25S được khuếch đại ES12L và thoái hóa một phần các xoắn 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 ở các loài Encephalotozoon/Ordospora được phản ánh trong cấu trúc ribosome của chúng: Ribosome của E. cuniculi trải qua sự mất mát hàm lượng protein mạnh mẽ nhất trong số các ribosome tế bào chất của sinh vật nhân chuẩn được nghiên cứu về cấu trúc, và chúng thậm chí không có các đoạn rRNA và protein được bảo tồn rộng rãi không chỉ ở sinh vật nhân chuẩn mà còn ở cả ba lĩnh vực 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 bỏ qua bởi cả nghiên cứu so sánh bộ gen và nghiên cứu cấu trúc sinh học phân tử nội bào (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 của ribosome.
Sau đó, chúng tôi phát hiện ra rằng, ngoài các đoạn rRNA bị cắt ngắn lớn, ribosome của E. cuniculi còn có các biến thể rRNA tại một trong các vị trí hoạt động của chúng. Mặc dù trung tâm chuyển peptidyl của ribosome E. cuniculi có cấu trúc tương tự như các ribosome sinh vật nhân chuẩn khác (Hình 1d), nhưng trung tâm giải mã lại khác biệt do biến thể trình tự tại nucleotide 1491 (theo số thứ tự của E. coli, Hình 1e, f). Quan sát này rất quan trọng vì vị trí giải mã của ribosome sinh vật nhân chuẩn thường chứa các gốc G1408 và A1491 so với các gốc A1408 và G1491 kiểu vi khuẩn. Sự khác biệt này là nguyên nhân dẫn đến sự nhạy cảm khác nhau của ribosome vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn đối với nhóm kháng sinh aminoglycoside và các phân tử nhỏ khác nhắm vào vị trí giải mã. Tại vị trí giải mã của ribosome E. cuniculi, dư lượng A1491 đã được thay thế bằng U1491, có khả năng tạo ra một giao diện liên kết độc đáo cho các phân tử nhỏ nhắm mục tiêu vào vị trí hoạt động này. Biến thể A14901 tương tự cũng có mặt trong các loài vi bào tử khác như P. locustae và V. necatrix, cho thấy nó phổ biến rộng rãi trong các loài vi bào tử (Hình 1f).
Vì các mẫu ribosome E. cuniculi của chúng tôi được phân lập từ bào tử không hoạt động về mặt chuyển hóa, chúng tôi đã kiểm tra bản đồ cryo-EM của E. cuniculi để tìm các vị trí liên kết ribosome đã được mô tả trước đây trong điều kiện căng thẳng hoặc thiếu chất dinh dưỡng. Các yếu tố ngủ đông 31, 32, 36, 37, 38. Chúng tôi đã đối chiếu cấu trúc ribosome ngủ đông đã được thiết lập trước đây với bản đồ cryo-EM của ribosome E. cuniculi. Để ghép nối, chúng tôi đã sử dụng ribosome S. cerevisiae phức hợp với yếu tố ngủ đông Stm138, ribosome châu chấu 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 còn lại Mdf1. Tương tự như cách Mdf1 liên kết với ribosome của V. necatrix, Mdf1 cũng liên kết với ribosome của E. cuniculi, nơi nó chặn vị trí E của ribosome, có thể giúp ribosome sẵn sàng hoạt động khi bào tử ký sinh trùng trở nên không hoạt động về mặt chuyển hóa sau khi cơ thể bị bất hoạt (Hình 2).
Mdf1 chặn vị trí E của ribosome, điều này dường 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 phát hiện ra rằng Mdf1 tạo ra một liên kết chưa từng được biết đến trước đây với thân ribosome L1, phần của ribosome tạo điều kiện giải phóng tRNA đã bị khử acetyl khỏi ribosome trong quá trình tổng hợp protein. Những liên kết này cho thấy Mdf1 tách khỏi ribosome bằng cùng một cơ chế như tRNA đã bị khử acetyl, cung cấp một lời giải thích khả thi về cách ribosome loại bỏ Mdf1 để kích hoạt lại quá trình tổng hợp protein.
Tuy nhiên, cấu trúc mà chúng tôi nghiên cứu đã hé lộ một điểm tiếp xúc chưa được biết đến giữa Mdf1 và chân ribosome L1 (phần của ribosome giúp giải phóng tRNA đã bị khử acetyl khỏi ribosome trong quá trình tổng hợp protein). Cụ thể, Mdf1 sử dụng cùng các điểm tiếp xúc với đoạn khuỷu của phân tử tRNA đã bị khử acetyl (Hình 2). Mô hình phân tử chưa được biết đến trước đây này cho thấy Mdf1 tách khỏi ribosome bằng cùng cơ chế với tRNA đã bị 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 nhận thấy ribosome của E. cuniculi có các đoạn rRNA gấp khúc bất thường, mà chúng tôi gọi là rRNA hợp nhất (Hình 3). Trong các ribosome trải rộng khắp ba lĩnh vực của sự sống, rRNA gấp khúc thành các cấu trúc trong đó hầu hết các bazơ rRNA hoặc bắt cặp và gấp khúc với nhau hoặc tương tác với các protein ribosome38,39,40. Tuy nhiên, trong ribosome của E. cuniculi, rRNA dường như vi phạm nguyên tắc gấp khúc này bằng cách chuyển đổi một số xoắn ốc của chúng thành các vùng rRNA chưa gấp khúc.
Cấu trúc xoắn ốc rRNA 25S H18 ở S. cerevisiae, V. necatrix và E. cuniculi. Thông thường, trong ribosome thuộc ba lĩnh vực sinh học này, đoạn nối này cuộn lại thành một xoắn ốc RNA chứa từ 24 đến 34 gốc. Ngược lại, ở Microsporidia, đoạn nối rRNA này dần dần bị rút gọn thành hai đoạn nối đơn sợi giàu uridine chỉ chứa 12 gốc. Hầu hết các gốc này đều tiếp xúc với dung môi. Hình minh họa cho thấy các loài Microsporidia ký sinh dường như vi phạm các nguyên tắc chung về gấp nếp rRNA, trong đó các bazơ rRNA thường được liên kết với các bazơ khác hoặc tham gia vào tương tác rRNA-protein. Ở Microsporidia, một số đoạn rRNA có cấu trúc gấp nếp không thuận lợi, trong đó xoắn ốc rRNA trước đó trở thành một đoạn đơn sợi 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 số lượng bazơ RNA tối thiểu.
Ví dụ nổi bật nhất về quá trình chuyển đổi tiến hóa này có thể được quan sát thấy trong chuỗi xoắn rRNA 25S H18 (Hình 3). Ở các loài từ E. coli đến con người, các bazơ của chuỗi xoắn rRNA này chứa 24-32 nucleotide, tạo thành một chuỗi xoắn hơi không đều. Trong các cấu trúc ribosome đã được xác định trước đây từ V. necatrix và P. locustae,31,32 các bazơ của chuỗi xoắn H18 bị duỗi xoắn một phần, nhưng sự ghép cặp bazơ nucleotide vẫn được bảo tồn. Tuy nhiên, ở E. cuniculi, đoạn rRNA này trở thành các đoạn nối ngắn nhất 228UUUGU232 và 301UUUUUUUUU307. Không giống như các đoạn rRNA điển hình, các đoạn nối giàu uridine này không cuộn xoắn hoặc tiếp xúc rộng rãi với các protein ribosome. Thay vào đó, chúng có cấu trúc mở với dung môi và hoàn toàn không gấp lại, trong đó các sợi rRNA được kéo dài gần như thẳng. Cấu trúc 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 đó.
Như vậy, chúng ta có thể chứng minh rằng, thông qua quá trình gấp nếp không thuận lợi về mặt năng lượng, các loài vi bào tử ký sinh đã phát triển một chiến lược để thu nhỏ ngay cả những đoạn rRNA vẫn được bảo tồn rộng rãi giữa các loài trong ba lĩnh vực của sự sống. Rõ ràng, bằng cách tích lũy các đột biến biến đổi các chuỗi xoắn rRNA thành các đoạn liên kết poly-U ngắn, E. cuniculi có thể tạo ra các đoạn rRNA bất thường chứa càng ít nucleotide càng tốt để nối các đoạn rRNA ở xa. Điều này giúp giải thích làm thế nào các loài vi bào tử đạt được sự giảm đáng kể trong cấu trúc phân tử cơ bản của chúng mà không làm mất đi tính toàn vẹn về cấu trúc và chức năng.
Một đặc điểm bất thường khác của rRNA E. cuniculi là sự xuất hiện của rRNA không có chỗ phình (Hình 4). Chỗ phình là các nucleotide không có cặp bazơ xoắn ra khỏi chuỗi xoắn RNA thay vì ẩn bên trong. 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. Phần nhô ra của rRNA (theo số thứ tự của S. cerevisiae) không có trong cấu trúc ribosome của E. cuniculi, nhưng lại có ở hầu hết các sinh vật nhân chuẩn khác. b. E. coli, S. cerevisiae, H. sapiens và ribosome bên trong của E. cuniculi. Ký sinh trùng thiếu nhiều phần phình rRNA cổ xưa, được bảo tồn cao. Những phần dày lên này giúp ổn định cấu trúc ribosome; do đó, sự vắng mặt của chúng ở vi bào tử cho thấy sự ổn định của quá trình gấp nếp rRNA ở ký sinh trùng vi bào tử bị giảm. So sánh với các đoạn thân P (đoạn thân L7/L12 ở vi khuẩn) cho thấy sự mất đi các phần phình rRNA đôi khi trùng với sự xuất hiện của các phần phình mới bên cạnh các phần phình đã mất. Xoắn ốc H42 trong rRNA 23S/28S có một phần phình cổ xưa (U1206 ở Saccharomyces cerevisiae) được ước tính có tuổi đời ít nhất 3,5 tỷ năm do được bảo vệ trong ba lĩnh vực của sự sống. Ở vi bào tử, phần phình này bị loại bỏ. Tuy nhiên, một chỗ phình mới xuất hiện bên cạnh chỗ phình đã biến mất (A1306 ở E. cuniculi).
Đáng chú ý, chúng tôi phát hiện ra rằng ribosome của 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 chuỗi xoắn rRNA liền kề, đôi khi tạo ra các khoảng trống lớn bên trong ribosome, làm cho ribosome của E. cuniculi xốp hơn so với các ribosome truyền thống hơn (Hình 4b). Đáng chú ý, chúng tôi phát hiện ra rằng hầu hết các chỗ phình này cũng bị mất trong cấu trúc ribosome của V. necatrix và P. locustae đã được xác định trước đó, điều mà các phân tích cấu trúc trước đây đã bỏ qua31,32.
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) đã tồn tại từ E. coli đến con người và do đó được ước tính có tuổi đời 3,5 tỷ năm. 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 của E. cuniculi, sự dày lên này không có; tuy nhiên, một sự dày lên mới (G883) chỉ nằm trong 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 chỗ phình cho thấy rằng sự tối thiểu hóa rRNA không chỉ giới hạn ở việc mất các yếu tố 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 mà chưa được mô tả ở các tế bào sống tự do.
Sau khi mô hình hóa các protein ribosome và rRNA chuẩn, chúng tôi nhận 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). Đoạn đầu tiên nằm giữa các protein ribosome uL15 và eL18 ở vị trí thường do đầu C của eL18 chiếm giữ, đầu này 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 vùng mật độ này được giải thích rõ ràng bởi 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 trong protein uL15 (Asp51 và Arg56), dường như làm tăng ái lực của ribosome đối với phân tử nhỏ này, vì chúng cho phép uL15 bao bọc phân tử nhỏ thành 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 của E. cuniculi. Trong ribosome của E. cuniculi, nucleotide này chiếm cùng vị trí với nucleotide A3186 của rRNA 25S (theo số thứ tự của Saccharomyces cerevisiae) trong hầu hết các ribosome sinh vật 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. cd Phân tích bảo tồn trình tự eL20 giữa các loài Microsporidia. Cây phát sinh chủng loài của các loài Microsporidia (c) và sự sắp xếp trình tự đa dạng của protein eL20 (d) cho thấy các dư lượng liên kết nucleotide F170 và K172 được bảo tồn trong hầu hết các loài Microsporidia điển hình, ngoại trừ S. lophii, và ngoại trừ các loài Microsporidia 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 mặt trong eL20 của bộ gen vi bào tử bị khử mạnh, nhưng không có ở các sinh vật nhân chuẩn khác. Nhìn chung, những dữ liệu này cho thấy ribosome của vi bào tử 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 và sự vắng mặt của nó ở các sinh vật nhân chuẩn khác cho thấy vị trí này có thể mang lại lợi thế sinh tồn chọn lọc cho vi bào tử. Do đó, túi liên kết nucleotide trong ribosome của vi bào tử dường như không phải là một đặc điểm thoái hóa hoặc dạng cuối cùng của sự phân hủy rRNA như đã mô tả trước đây, mà là một sự đổi mới tiến hóa hữu ích cho phép ribosome của vi bào tử liên kết trực tiếp với các phân tử nhỏ, sử dụng chúng làm các khối xây dựng phân tử cho ribosome. Phát hiện này làm cho ribosome của vi bào tử 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 định bắt nguồn từ liên kết nucleotide.
Vùng mật độ 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 ribosome của 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 thoái hóa của P. locustae, giao diện này liên kết với một nucleotide đơn lẻ chưa xác định 31, và người ta cho rằng nucleotide này là dạng cuối cùng bị khử của rRNA, trong đó chiều dài của rRNA là ~130-230 base. ES39L bị khử thành một nucleotide đơn lẻ 32,43. Hình ảnh cryo-EM của chúng tôi ủng hộ 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 đặt câu hỏi liệu vị trí liên kết nucleotide có xuất hiện trong ribosome của E. cuniculi hay đã tồn tại từ trước. Vì sự liên kết nucleotide chủ yếu được trung gian bởi các gốc Phe170 và Lys172 trong protein ribosome eL30, chúng tôi đã đánh giá mức độ bảo tồn của các gốc này trong 4396 sinh vật nhân chuẩn đại diện. Cũng như trường hợp của uL15 ở trên, chúng tôi nhận thấy rằng các gốc Phe170 và Lys172 chỉ được bảo tồn cao ở các loài Microsporidia điển hình, nhưng lại vắng mặt ở các sinh vật nhân chuẩn khác, bao gồm cả các loài Microsporidia không điển hình như Mitosporidium và Amphiamblys, trong đó đoạn rRNA ES39L không bị khử 44, 45, 46 (Hình 5c -e).
Tóm lại, những dữ liệu này ủng hộ giả thuyết rằng E. cuniculi và có thể cả các loài vi bào tử điển hình khác đã tiến hóa khả năng thu giữ hiệu quả một lượng lớn các chất chuyển hóa nhỏ trong cấu trúc ribosome để bù đắp cho sự suy giảm mức độ rRNA và protein. Bằng cách đó, chúng đã phát triển khả năng độc đáo trong việc liên kết các nucleotide bên ngoài ribosome, cho thấy các cấu trúc phân tử ký sinh bù đắp bằng cách thu giữ các chất chuyển hóa nhỏ dồi dào và sử dụng chúng như những bản sao cấu trúc của các mảnh RNA và protein bị phân hủy.
Phần thứ ba chưa 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 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 được biết đến trước đây mà chúng tôi đã 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 các loài Microsporidia khác. Trong cấu trúc ribosome, msL2 chiếm một khoảng trống được hình thành do sự mất đi của rRNA ES31L mở rộng. Trong khoảng trống này, msL2 giúp ổn định sự gấp nếp của rRNA và có thể bù đắp cho sự mất mát của ES31L (Hình 6).
a Mật độ electron và mô hình protein ribosome đặc hiệu của Microsporidia msL2 được tìm thấy trong ribosome của E. cuniculi. b Hầu hết các ribosome của sinh vật nhân chuẩn, bao gồm cả ribosome 80S của Saccharomyces cerevisiae, đều bị mất sự khuếch đại rRNA ES19L ở hầu hết các loài Microsporidia. Cấu trúc ribosome của Microsporidia V. necatrix đã được xác định trước đó cho thấy sự mất mát 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 nhận thấy rằng ribosome của E. cuniculi cũng phát triển thêm một protein bắt chước RNA ribosome như một sự bù đắp rõ ràng cho sự mất mát ES19L. Tuy nhiên, msL2 (hiện được chú thích là protein giả định ECU06_1135) 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 rằng nếu ribosome tích lũy các đột biến có hại trong rRNA của chúng, chúng có thể đạt được mức độ đa dạng về thành phần chưa từng có ngay cả trong một nhóm nhỏ các loài có quan hệ gần gũi. Phát hiện này có thể giúp làm sáng tỏ nguồn gốc và sự tiến hóa của ribosome ty thể, vốn được biết đến với rRNA bị giảm đáng kể và sự biến đổi bất thường về thành phần protein giữa các loài.
Sau đó, chúng tôi so sánh protein msL2 với protein msL1 đã được mô tả trước đó, protein ribosome đặc hiệu duy nhất của vi bào tử được tìm thấy trong ribosome của V. necatrix. Chúng tôi muốn kiểm tra xem msL1 và msL2 có liên quan đến nhau về mặt tiến hóa hay không. Phân tích của chúng tôi cho thấy msL1 và msL2 cùng nằm trong một khoang của 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, phát hiện về msL2 của chúng tôi cung cấp bằng chứng cho thấy các nhóm loài sinh vật nhân chuẩn nhỏ gọn có thể tiến hóa độc lập các protein ribosome có cấu trúc khác biệt để bù đắp cho sự mất mát các đoạn rRNA. Phát hiện này đáng chú ý ở chỗ hầu hết các ribosome sinh vật 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 các nhánh khác nhau của vi bào tử để đáp ứng với sự mất đi các đoạn rRNA mở rộng cho thấy rằng sự suy thoái cấu trúc phân tử của ký sinh trùng khiến chúng tìm kiếm các đột biến bù trừ, điều này cuối cùng có thể dẫn đến việc chúng được hình thành trong 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 của E. cuniculi do sự vắng mặt rõ ràng của các protein tương đồng 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 sinh vật cộng sinh khác có kích thước giảm mạnh. Ví dụ, mặc dù hầu hết các vi khuẩn sống tự do đều chứa cùng một họ 54 protein ribosome, nhưng chỉ có 11 trong số các họ protein này có protein tương đồng có thể phát hiện được trong mỗi bộ gen được phân tích của các vi khuẩn bị giới hạn vật chủ. Để củng cố quan điểm này, sự mất mát các protein ribosome đã được quan sát thấy trong thí nghiệm ở vi bào tử V. necatrix và P. locustae, những loài thiếu 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 của E. cuniculi. Protein eL14 được bảo tồn và cấu trúc của chúng tôi cho thấy lý do tại sao protein này không thể được tìm thấy trong quá trình tìm kiếm tương đồng (Hình 7). Trong ribosome của E. cuniculi, hầu hết vị trí liên kết của eL14 bị mất do sự thoái hóa của ES39L được khuếch đại bởi rRNA. Khi không có ES39L, eL14 mất hầu hết cấu trúc bậc hai 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 rất 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 dư lượng giống nhau trong eL14. Sự mất mát bất thường về khả năng bảo tồn này giải thích tại sao E. cuniculi eL14 hiện được chú thích là protein M970_061160 giả định chứ không phải là protein ribosome eL1427.
Và ribosome của Microsporidia đã mất phần mở rộng rRNA ES39L, điều này đã loại bỏ một phần vị trí liên kết protein ribosome eL14. Khi không có ES39L, protein eL14 của vi bào tử trải qua quá trình mất cấu trúc bậc hai, trong đó xoắn α liên kết rRNA trước đây bị thoái hóa thành một vòng có chiều dài tối thiểu. b Sự sắp xếp trình tự đa dạng cho thấy protein eL14 được bảo tồn rất cao ở các loài sinh vật nhân chuẩn (57% độ tương đồng trình tự giữa các đồng đẳng ở nấm men và người), nhưng lại được bảo tồn kém và khác biệt ở Microsporidia (trong đó không quá 24% dư lượng giống hệt với đồng đẳng eL14). (từ S. cerevisiae hoặc H. sapiens). Sự bảo tồn trình tự kém và tính biến đổi cấu trúc bậc hai này giải thích tại sao đồng đẳng eL14 chưa bao giờ được tìm thấy ở E. cuniculi và tại sao protein này được cho là đã bị mất ở E. cuniculi. Ngược lại, E. cuniculi eL14 trước đây được chú thích là một protein M970_061160 giả định. Quan sát này cho thấy sự đa dạng bộ gen của vi bào tử hiện đang bị đánh giá quá cao: một số gen hiện được cho là đã mất ở vi bào tử thực tế vẫn được bảo tồn, mặc dù ở dạng rất khác biệt; thay vào đó, một số gen được cho là mã hóa các protein đặc hiệu của giun (ví dụ, protein giả định M970_061160) thực chất lại mã hóa các protein rất đa dạng được tìm thấy ở các sinh vật nhân chuẩn khác.
Phát hiện này cho thấy sự biến tính rRNA có thể dẫn đến mất mát đáng kể tính bảo tồn trình tự trong các protein ribosome liền kề, khiến các protein này không thể phát hiện được bằng các tìm kiếm tương đồng. Do đó, chúng ta có thể đánh giá quá cao mức độ thoái hóa phân tử thực tế ở các sinh vật có bộ gen nhỏ, vì một số protein được cho là đã mất thực chất vẫn tồn tại, mặc dù ở dạng bị biến đổi rất nhiều.
Làm thế nào các ký sinh trùng có thể duy trì chức năng của bộ máy phân tử của chúng trong điều kiện giảm thiểu bộ gen đến mức 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.
Từ gần hai thập kỷ nay, người ta đã biết rằng các phân tử protein và RNA trong ký sinh trùng vi khuẩn thường khác với các phân tử tương đồng của chúng trong các loài sống tự do vì chúng thiếu các trung tâm kiểm soát chất lượng, bị giảm kích thước xuống còn 50% so với các vi sinh vật sống tự do, v.v., và nhiều đột biến gây suy yếu làm ảnh hưởng đến quá trình gấp nếp và chức năng. Ví dụ, ribosome của các sinh vật có bộ gen nhỏ, bao gồm nhiều ký sinh trùng nội bào và sinh vật cộng sinh, được cho là thiếu một số protein ribosome và tới một phần ba nucleotide rRNA so với các loài sống tự do 27, 29, 30, 49. Tuy nhiên, cách thức hoạt động của các phân tử này 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 khai thác từ các nghiên cứu so sánh bộ gen truyền thống về ký sinh trùng nội bào và các sinh vật bị giới hạn vật chủ khác (Hình bổ sung 7). Ví dụ, trường hợp 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. Hiện nay, người ta tin rằng ký sinh trùng gây viêm não có hàng trăm gen đặc hiệu của vi bào tử. Tuy nhiên, kết quả của chúng tôi cho thấy một số gen dường như 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 chúng ta đã bỏ qua các protein ribosome mới và đánh giá thấp hàm lượng của các bộ máy phân tử ký sinh. Ví dụ về các phân tử nhỏ cho thấy chúng ta có thể bỏ qua những đổi mới khéo léo nhất trong cấu trúc phân tử ký sinh, những đổi mới có thể mang lại cho chúng hoạt tính sinh học mới.
Tóm lại, những kết quả này giúp chúng ta hiểu rõ hơn sự khác biệt giữa cấu trúc phân tử của các sinh vật sống phụ thuộc vào vật chủ và các cấu trúc tương ứng trong các sinh vật sống tự do. Chúng tôi chỉ ra rằng các cỗ máy phân tử, vốn từ lâu được cho là bị thu nhỏ, thoái hóa và chịu nhiều đột biến gây suy yếu, thực chất lại sở hữu một tập hợp các đặc điểm cấu trúc bất thường thường bị bỏ qua một cách có hệ thống.
Mặt khác, các đoạn rRNA không cồng kềnh và các đoạn hợp nhất mà chúng tôi tìm thấy trong ribosome của E. cuniculi cho thấy rằng sự thu nhỏ bộ gen có thể làm thay đổi ngay cả những phần của bộ máy phân tử cơ bản được bảo tồn trong ba lĩnh vực của sự sống – sau gần 3,5 tỷ năm tiến hóa độc lập của các loài.
Các đoạn rRNA không phình ra và hợp nhất trong ribosome của E. cuniculi đặc biệt đáng quan tâm khi xem xét các nghiên cứu trước đây về các phân tử RNA trong vi khuẩn nội cộng sinh. Ví dụ, ở vi khuẩn nội cộng sinh của rệp Buchnera aphidicola, các phân tử rRNA và tRNA đã được chứng minh là có cấu trúc nhạy cảm với nhiệt độ do sự thiên lệch về thành phần A+T 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 các vi khuẩn nội cộng sinh vào đối tác và sự bất khả năng truyền nhiệt của chúng21, 23. Mặc dù rRNA của vi bào tử ký sinh có những thay đổi cấu trúc khác biệt, bản chất của những thay đổi này cho thấy rằng sự ổn định nhiệt giảm và sự phụ thuộc cao hơn vào protein chaperone có thể là những đặc điểm chung của các phân tử RNA trong các sinh vật có bộ gen bị thu nhỏ.
Mặt khác, cấu trúc của chúng tôi cho thấy ký sinh trùng microsporidia đã tiến hóa khả năng độc đáo để chống lại các mảnh rRNA và protein được bảo tồn rộng rãi, phát triển khả năng sử dụng các chất chuyển hóa nhỏ dồi dào và dễ kiếm làm chất bắt chước cấu trúc của các mảnh rRNA và protein thoái hóa. Sự thoái hóa cấu trúc phân tử. Quan điểm 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 protein uL15 và eL30. Điều này cho thấy sự liên kết của các phân tử nhỏ với ribosome có thể là sản phẩm của chọn lọc tích cực, trong đó các đột biến đặc hiệu của Microsporidia trong 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 tiết lộ 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 của ký sinh trùng duy trì chức năng của chúng bất chấp sự tiến hóa suy giảm.
Hiện tại, việc xác định các phân tử nhỏ này vẫn chưa rõ ràng. Chưa 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. Đặc biệt, chưa rõ tại sao sự liên kết nucleotide được quan sát thấy trong ribosome của E. cuniculi và P. locustae, mà không thấy trong ribosome của V. necatrix, mặc dù có sự hiện diện của gốc F170 trong protein eL20 và K172 của V. necatrix. Sự thiếu hụt này có thể do gốc 43 uL6 (nằm liền kề với túi liên kết nucleotide), 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 sự liên kết nucleotide do sự chồng chéo không gian. Ngoài ra, sự thiếu hụt nucleotide rõ ràng có thể là do độ phân giải thấp của hình ảnh cryo-EM, gây khó khăn cho 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 động lực sáng tạo. Cụ thể, cấu trúc ribosome của E. cuniculi cho thấy sự mất mát rRNA và các mảnh protein trong ribosome của vi bào tử tạo ra áp lực tiến hóa thúc đẩy những thay đổi trong cấu trúc ribosome. Những biến thể này xuất hiện ở xa vị trí hoạt động của ribosome và dường như giúp duy trì (hoặc khôi phục) sự lắp ráp ribosome tối ưu mà nếu không sẽ bị gián đoạn do lượng rRNA giảm. Điều này cho thấy một sự đổi mới quan trọng của ribosome vi bào tử dường như đã tiến hóa thành nhu cầu giảm thiểu sự trôi dạt gen.
Có lẽ điều này được minh họa rõ nhất bằng sự liên kết nucleotide, một hiện tượng chưa từng được quan sát thấy ở các sinh vật khác cho đến nay. Việc các gốc liên kết nucleotide có mặt trong các loài vi bào tử điển hình, nhưng không có ở các sinh vật nhân chuẩn khác, cho thấy rằng các vị trí liên kết nucleotide không chỉ là tàn tích chờ biến mất, hoặc là vị trí cuối cùng để rRNA được khôi phục về dạng các nucleotide riêng lẻ. Thay vào đó, vị trí này dường như là một đặc điểm 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: một khi ES39L bị phân hủy, các loài vi bào tử buộc phải tìm cách bù đắp 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, phân tử nucleotide trở thành một khối cấu tạo của ribosome, sự liên kết của nó được cải thiện hơn nữa nhờ đột biến của trình tự eL30.
Liên quan đến sự tiến hóa phân tử của ký sinh trùng nội bào, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng các lực lượng chọn lọc tự nhiên theo thuyết Darwin và sự trôi dạt di truyền làm suy thoái bộ gen không hoạt động song song mà dao động. Thứ nhất, sự trôi dạt di truyền loại bỏ các đặc điểm quan trọng của các phân tử sinh học, khiến việc bù đắp trở nên vô cùng cần thiết. Chỉ khi ký sinh trùng đáp ứng được nhu cầu này thông qua chọn lọc tự nhiên theo thuyết Darwin thì các đại phân tử của chúng mới có cơ hội phát triển những đặc điểm ấn tượng và đột phá nhất. Quan trọng hơn, sự tiến hóa của các vị trí liên kết nucleotide trong ribosome của E. cuniculi cho thấy rằng mô hình tiến hóa phân tử "mất đi để đạt được" này không chỉ làm giảm thiểu các đột biến có hại mà đôi khi còn mang lại những chức năng hoàn toàn mới cho các đại phân tử của ký sinh trùng.
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 hạn chế khả năng đổi mới của sinh vật51,52,53. Tuy nhiên, nếu sự trôi dạt di truyền làm gián đoạn quá trình chọn lọc tự nhiên, những sự trôi dạt này có thể tạo ra những thay đổi không mang tính thích nghi (hoặc thậm chí có hại) nhưng dẫn đến những thay đổi tiếp theo mang lại khả năng thích nghi cao hơn hoặc hoạt động sinh học mới. Khung lý thuyết của chúng tôi ủng hộ ý tưởng này bằng cách minh họa rằng cùng một loại đột biến làm giảm cấu trúc và chức năng của một phân tử sinh học dường như là yếu tố chính kích hoạt 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 suy thoái bộ gen, theo truyền thống được coi là một quá trình thoái hóa, cũng là một 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.