Миниатюрная версия рибосомы обнаружена у микроспоридий
Исследовательская группа под руководством лидера группы MIMS/SciLifeLab Йонаса Барандуна из Университета Умео (Швеция) использовала криоэлектронную микроскопию, чтобы получить детали строения самой маленькой известной эукариотической цитоплазматической машины синтеза белка — рибосомы микроспоридий.
Микроспоридиоз поражает не только шелкопрядов. Разнообразный тип микроспоридий включает тысячи видов, паразитирующих практически на всех животных. По крайней мере 14 из них могут инфицировать человека. Особому риску подвержены аквакультуры, шелководство и популяции медоносных пчёл, где инфекции могут уничтожать целые ульи, а также пациенты с иммунодефицитом. Микроспоридии представляют угрозу для окружающей среды, сельского хозяйства и здоровья человека. Даже если инфекции микроспоридий относятся к числу наиболее распространённых паразитарных заболеваний у всех животных, об их увлекательной молекулярной жизни, сформированной ускоренной эволюционной скоростью и экстремальной компактификацией генома, известно относительно мало.
Вместе с исследователями из Университета Рокфеллера и Коннектикутской сельскохозяйственной экспериментальной станции Йонас Барандун опубликовал структуру рибосомы микроспоридий, полученную методом криоэлектронной микроскопии, которая визуализирует влияние экстремальной компактификации генома на важную молекулярную машину (Nature Microbiology, 22 июля 2019 г.).
Микроспоридии могут выживать в виде спор в почве, воде и воздухе, находясь в состоянии покоя. Попав в организм хозяина, они используют уникальный сверхбыстрый механизм заражения, чтобы ввести всё содержимое споры в клетку хозяина. Оказавшись внутри клетки, микроспоридии крадут у хозяина малые молекулы, такие как АТФ. Это позволило им избавиться от многих важных генов, сократив свои геномы для производства этих малых молекул. Эта компактификация привела к появлению самого маленького генома, когда-либо описанного у эукариот — даже меньше, чем некоторые бактериальные геномы, — содержащего около 2000 высококомпактизированных генов.
Неожиданные находки с помощью криоэлектронной микроскопии
Первым шагом было получение достаточного количества клеточного материала для выделения рибосом. Чтобы преодолеть эту проблему, Йонас Барандун объединился со специалистом по микроспоридиям Чарльзом Фоссбринком, который выращивал микроспоридии Vairimorpha necatrix в личинках хлопковой совки Helicoverpa zea. После экстракции спор из организма хозяина из них были выделены рибосомы, а крио-ЭМ и масс-спектрометрические исследования были проведены в лаборатории Себастьяна Клинге в Университете Рокфеллера. Это позволило команде создать модель самой маленькой известной эукариотической цитоплазматической рибосомы с почти атомарным разрешением.
У изученного организма Vairimorpha nectatrix рибосомная РНК примерно на 30% короче, чем рРНК у дрожжей, и даже на 15% короче, чем бактериальная рРНК в E. coli.
«Несмотря на потерю некоторых сайтов связывания с РНК, почти все рибосомные белки всё ещё присутствовали в структуре, некоторые из них связывались исключительно с другими рибосомными белками и больше не контактировали с РНК», — объясняет Йонас.
По сравнению с наиболее близкой структурой рибосомы грибов, рибосомы микроспоридий потеряли только два рибосомных белка. В одной области рибосомы, где было удалено несколько элементов РНК, ранее неизвестный специфичный для микроспоридий белок компенсирует обширную потерю РНК и служит «заполнителем».
В ходе эволюции микроспоридии удалили практически все эукариотические экспансионные сегменты — вставки, присутствующие в эукариотической рибосомной РНК. Эти находки представляют собой обращение эволюционного расширения, обнаруженного в эукариотических рибосомах.
«Самым удивительным открытием было то, что охарактеризованная рибосома оказалась функционально инактивирована двумя факторами покоя микроспоридий (MDF1, MDF2), и теперь мы можем предположить потенциальную роль этих двух белков с неизвестной функцией», — говорит Йонас.
Рибосомы были выделены из спор микроспоридий — внеклеточной покоящейся стадии организма. Поскольку паразит сильно зависит от ресурсов хозяина, эффективный механизм остановки клеточных процессов может быть полезен для сохранения энергии на стадии споры. Один из этих двух идентифицированных факторов существует у всех эукариотических организмов, даже у человека, но его роль оставалась неясной. Для подтверждения аналогичной роли этого белка у других эукариотических организмов потребуются дальнейшие исследования.