Amitóza propůjčuje rodu Tetrahymena výhody pohlaví v nepřítomnosti pohlaví

Ačkoli jsou u všech řasinek vzácné, obligátně asexuální linie jsou u rodu Tetrahymena hojné a pravděpodobně starobylé19. Důvod tohoto hojného výskytu není znám. Jednou z možností je, že zvláštní genomická architektura rodu Tetrahymena mu umožňuje vyhnout se některým negativním důsledkům asexuality19, 24. Ciliáti jsou mikrobiální eukaryota, pro která je charakteristické oddělení zárodečných a somatických funkcí do dvou odlišných typů jader v rámci jedné buňky. Somatické makrojádro (MAC) je místem veškeré transkripce během růstu a asexuálního rozmnožování a zárodečné mikrojádro (MIC) je zodpovědné za přenos genetického materiálu během pohlavního spojení (obr. 1). Po konjugaci se zygotické jádro rozdělí a diferencuje na dva typy jader (obr. 1a,b). Během této diferenciace prochází makrojaderný genom masivními přestavbami, jejichž výsledkem je genom s mnoha malými, vysoce polyploidními, acentromerními chromozomy25. Tato struktura genomu vede k amitotickému makrojadernému dělení (obr. 1c,d). Amitóza vytváří mezi jedinci rozdíly v počtu jednotlivých alel na lokusu. U většiny řasinek vede amitóza k rozdílnému počtu chromozomů mezi potomky, což nakonec vede ke stárnutí a smrti26. Tetrahymeny však mají neznámý mechanismus kontroly počtu kopií chromozomů během amitózy, který vede ke zhruba konstantní ploidii27. U 25 % z 2609 divokých izolátů podobných Tetrahymeně chyběla MIC, a proto byly asexuální19. Abychom otestovali, zda amitóza s kontrolou počtu kopií chromozomů může vysvětlit relativní úspěšnost asexuálních Tetrahymen, zkoumali jsme evoluční důsledky různých forem rozmnožování, jaderného dělení a ploidie.

Většina mutací s vlivem na fitness je škodlivá, ale přírodní výběr je nedokáže všechny z populace odstranit. V důsledku toho nese mnoho jedinců škodlivé mutace, které snižují jejich fitness, což vede ke snížení průměrné fitness populace neboli mutační zátěži. Začneme zkoumáním toho, do jaké míry ovlivňuje amitóza s kontrolou počtu kopií chromozomů mutační zátěž. Očekává se, že populace asexuálních diploidů, která se rozmnožuje mitózou, bude v rovnovážném stavu vykazovat následující střední fitness30-33:kde Ud = 2Lµd je míra delečních mutací na diploidní genom za generaci, L je počet lokusů ovlivňujících fitness a µd je míra delečních mutací na lokus za generaci (viz doplňkové informace). Naopak pokud se asexuální diploidní populace rozmnožuje amitózou, je její průměrná fitness v rovnovážném stavu dána vztahemkde sd < 0 je vliv deleční mutace v homozygotním stavu na fitness (viz Doplňkové informace). Tento scénář je čistě teoretický, protože není známo, že by se diploidní jádro rozmnožovalo amitoticky. Rovnice 1 a 2 se opírají o několik předpokladů: (i) velikost populace je velmi velká, takže můžeme ignorovat genetický drift; (ii) mutace jsou nevratné; µd je (iii) nízká a (iv) stejná napříč lokusy; (v) mezi lokusy fitness existuje vazebná rovnováha; všechny mutace (vi) mají stejný škodlivý účinek sd a přispívají k fitness (vii) aditivně v rámci lokusů (tj. jsou kodominantní) a (viii) multiplicitně mezi lokusy (tj. neinteragují epistaticky). Rovnice 1 a 2 ukazují, že amitóza může snížit mutační zátěž ve srovnání s mitózou v diploidních populacích. Například pokud Ud = 0,1 a sd = -0,1, je průměrná fitness v rovnovážném stavu Ŵmit = 0,905 při mitóze a Ŵamit = 0,945 při amitóze. Amitóza má tedy oproti mitóze selektivní výhodu Ŵamit/Ŵmit – 1 = 4,4 %. Míra škodlivých mutací, Ud, má velký vliv na výhodu amitózy: zdvojnásobení hodnoty Ud více než zdvojnásobí výhodu amitózy na 9,1 % (obr. 2a). Selekční koeficient deleční mutace, sd, má však na výhodu amitózy poměrně malý vliv: pokud jsou mutace o desetinu deleční (sd = -0,01), zvýší se výhoda amitózy na pouhých 5,0 % (obr. 2b).

Amitózu s kontrolou počtu kopií pozorujeme u rodu Tetrahymena, který má vysokou ploidii ve svém makronukleárním genomu (např. T. thermophila jsou 45ploidní). Je zajímavé, že přínos amitózy ve srovnání s mitoticky se rozmnožujícím organismem se stejnou ploidií roste s ploidií (obr. 2). Například pokud Ud = 0,1 a sd = -0,1, přínos amitózy se zvyšuje na 6,7 % u tetraploidů, 7,9 % u oktoploidů, 8,7 % u 16ploidů atd. Při dalším zvyšování ploidie se přínos amitózy snižuje. Tyto očekávané přínosy jsou konzervativní, protože předpokládají, že míra škodlivých mutací Ud je u všech ploidií konstantní. Pokud například zdvojnásobení ploidie způsobí zvýšení Ud o 10 %, bude podstatně většího přínosu amitózy dosaženo při vysokých ploidiích (obr. 2a, přerušovaná čára). Studie akumulace mutací odhadla, že T. thermophila má škodlivou míru mutací v MIC na genom za generaci a že mutace mají očekávaný škodlivý účinek v homozygotním stavu34. Pokud předpokládáme, že genom MAC má a , odhadujeme, že amitóza má u tohoto druhu přínos 21,0 % oproti mitóze.

Dosavadní analýzy ignorovaly vliv genetického driftu. Drift může způsobit, že se v populaci stochasticky hromadí škodlivé mutace, což dále zvyšuje genetickou zátěž neboli driftovou zátěž32, 35, 36 . U asexuálů je tento jev znám jako Müllerova západka6, 37, 38. Nyní hodnotíme, do jaké míry může amitóza s kontrolou počtu kopií zpomalit akumulaci driftové zátěže. U populací o N = 10 nebo 100 diploidních mitotických jedinců dochází k silné Mullerově ráčně, když Ud = 0,1 a sd = -0,1 (obr. 3a). Zvýšení velikosti populace na N = 103 jedinců způsobí, že se ratchet výrazně zpomalí, což populacím umožní dosáhnout mutačně-selekční rovnováhy (obr. 3a). Reprodukce prostřednictvím amitózy činí populace méně náchylné k Müllerově skřipci. Akumulace driftové zátěže se zpomalí o 39 % (95% interval spolehlivosti, CI: 31 %, 46 %) v diploidních populacích o N = 10 jedinců a účinně se zastaví v populacích o N = 100 jedinců (obr. 3c).

Přínos amitózy při zpomalení akumulace driftové zátěže, stejně jako deterministický přínos, roste s ploidií. Mullerova západka funguje v populacích o velikosti až N = 104 mitotických 45ploidních jedinců (obr. 3b). Amitóza je schopna zastavit akumulaci driftové zátěže v populacích s pouhým N = 100 45-ploidních jedinců (obr. 3d). I když jsou amitotické populace dostatečně malé na to, aby akumulovaly driftovou zátěž, děje se tak pomaleji než u mitotických populací. Například populace o N = 10 amitotických 45-ploidních jedincích akumulují driftovou zátěž o 64 % (95% CI: 59 %, 68 %) pomaleji než mitotické populace stejné velikosti (obr. 3b,d).

Dosud zjištěné výhody amitózy oproti mitóze jsou analogické výhodám pohlavního rozmnožování oproti asexuálnímu. U diploidů poskytuje pohlavní rozmnožování samoplozením deterministickou výhodu oproti mitóze téměř totožnou s výhodou asexuální amitózy uvedenou v rovnicích 1 a 2 (viz Doplňkové informace). Na rozdíl od amitózy poskytuje pohlavní rozmnožování s náhodným pářením u diploidů deterministickou výhodu oproti asexuálnímu rozmnožování pouze v případě, že existuje negativní epistáze mezi delečními mutacemi7, 39 nebo jsou-li deleční mutace částečně recesivní40, 41 . Pohlaví může také působit proti Müllerově západce6, 37, podobně jako amitóza (obr. 3a, c). Jsou výhody asexuální amitózy při vysoké ploidii také podobné výhodám pohlavního rozmnožování? Tuto otázku jsme zkoumali v populacích o N = 20 jedincích 45ploidního organismu, jako je T. thermophila, který zažívá Ud = 0,1 a sd = -0,1. Amitóza zpomaluje akumulaci driftové zátěže oproti mitóze o 90 % (95% CI: 88 %, 92 %; obr. 4a). Organismus podobný T. thermophila, ale rozmnožující se pohlavně s outcrossingem každou generaci (tj. obligátní sex bez amitózy) a poté generující 45-ploidní makrojádro z rekombinantního diploidního mikrojádra (viz obr. 1a,b), by zpomalil akumulaci driftové zátěže o 92 % (95% CI: 90 %, 94 %; τ = 1, obr. 4a). T. thermophila se však nemůže rozmnožovat pohlavně každou generaci, naopak k dosažení pohlavní zralosti potřebuje ∼100 asexuálních buněčných dělení42, 43 . Fakultativní sex každých τ = 100 generací zpomaluje chřestění pouze o 68 % (95% CI: 64 %, 72 %; měřeno na základě fitness v generaci bezprostředně před pohlavním rozmnožováním populace), tedy mnohem méně než amitóza (obr. 4a). Přínos amitózy je rovněž srovnatelný s přínosem sexu ve větších populacích za přítomnosti prospěšných mutací. V evolučním scénáři, podle kterého se asexuální populace nejsou schopny přizpůsobit, amitóza i obligátní sex každou generaci (τ = 1) umožňují populacím přizpůsobit se, a to rychleji než fakultativní sex každou τ = 100 generací (obr. 4b).

Výsledky uvedené na obr. 4 vyvolávají zajímavou možnost, že amitóza je u T. thermophila a jeho příbuzných, kteří mají τ ≈ 100, ve skutečnosti evolučně lepší než fakultativní sex. Pokud by to byla pravda, vedlo by to k předpovědi, že asexuální linie by měly u Tetrahymena předstihnout sexuální. To by mohlo vysvětlit, proč jsou u Tetrahymeny hojně zastoupeny obligátně asexuální linie19. Pokud je toto vysvětlení správné, očekávali bychom, že asexuální linie Tetrahymena nevykazují typické známky zrychlené akumulace škodlivých mutací ve srovnání se svými pohlavními příbuznými13-18.

Hypotéza nastíněná v předchozím odstavci může být neplatná ze dvou důvodů. Za prvé, naše analýza může nadhodnocovat přínos amitózy ve srovnání s fakultativním pohlavím. Naše hypotéza předpokládá, že kontrola počtu kopií chromozomů během amitózy je dokonalá, nebo alespoň velmi přesná v evolučním časovém měřítku. Přesnost kontroly počtu kopií však není známa ani u T. thermophila. Kontrola počtu kopií chromozomů by mohla být méně přesná, než jsme předpokládali, a proto přinášet Tetrahymeně menší výhody. Za druhé, naše analýza může podcenit přínos fakultativního pohlaví ve srovnání s amitózou. Uvažovali jsme pouze dva možné přínosy sexu, oba „mutační“ povahy4. U ostatních výhod sexu není zaručeno, že budou vykazovat stejný vzorec. Například jsme neuvažovali o potenciálních výhodách sexu tváří v tvář biotickým interakcím3, 10, 11. I v případě, že je naše hypotéza správná, lze předpokládat, že k relativnímu úspěchu asexuální Tetrahymeny přispívají i další faktory. Bylo například navrženo, že samotná vysoká ploidie může bránit akumulaci škodlivých mutací prostřednictvím genové konverze23. Tato navrhovaná výhoda však nebyla modelována, a proto je obtížné ji vyhodnotit.

Jaký je mechanistický základ zde zjištěných výhod amitózy? Hlavní rozdíl mezi oběma typy jaderného dělení spočívá v tom, že amitóza, stejně jako sex, může generovat větší genetickou variabilitu fitness než mitóza. Například n-ploidní jedinec (pro jednoduchost předpokládáme, že n je sudé) s n/2 alelami divokého typu a n/2 delečními alelami bude mít fitness W = 1 – sd/2. Mutace bude generovat variabilitu fitnesskaždou generaci, kde ud = nµd je míra delečních mutací na lokusu za generaci. Očekává se, že mitóza nebude kromě mutace generovat žádnou odchylku ve fitness (tj. Vmit = Vmut). Amitóza však bude dále zvyšovat rozptyl ve fitnesskaždou generaci44. Protože Ud bude pravděpodobně nízké, očekává se, že amitóza zvýší rozptyl ve fitness v mnohem větší míře než mutace, a tedy mitóza (Vamit ≫ Vmit).

Předpokládáme, že amitóza způsobuje zvýšení aditivního genetického rozptylu ve fitness, a proto činí přírodní výběr účinnějším – což je obdoba Weismannovy hypotézy o výhodě pohlaví1, 4, 5. V souladu s touto myšlenkou se variance fitness generovaná amitózou oproti mitóze zvyšuje přibližně lineárně s ploidií (Vamit/Vmit ≈ n/(8Ud)), což vysvětluje, proč se výhoda amitózy oproti mitóze zvyšuje s ploidií. Došli jsme k závěru, že amitóza s kontrolou počtu kopií chromozomů poskytuje výhody pohlaví v nepřítomnosti pohlaví a může vysvětlit vysoký výskyt obligátně asexuálních linií u Tetrahymena19.

.