Selv om de er sjældne i alle ciliater, er der mange og muligvis gamle, obligatorisk aseksuelle slægter i slægten Tetrahymena19. Årsagen til denne hyppighed er ukendt. En mulighed er, at den ejendommelige genomiske arkitektur hos Tetrahymena gør det muligt for den at undgå nogle af de negative konsekvenser af aseksualitet19, 24. Ciliater er mikrobielle eukaryoter, der er kendetegnet ved adskillelse af kim- og somatiske funktioner i to forskellige typer kerner inden for en enkelt celle. Den somatiske makronukleus (MAC) er stedet for al transkription under vækst og aseksuel reproduktion, og kimlinemikronukleus (MIC) er ansvarlig for overførsel af genetisk materiale under seksuel konjugation (fig. 1). Efter konjugationen deler en zygotisk kerne sig og differentierer sig i de to typer kerner (fig. 1a,b). Under denne differentiering gennemgår det makronukleære genom massive omlægninger, hvilket resulterer i et genom med mange små, meget polyploide, acentromeriske kromosomer25. Denne genomstruktur resulterer i en amitotisk makronuklear deling (fig. 1c,d). Amitosis genererer variation mellem individer i antallet af hver allel på et locus. Hos de fleste ciliater resulterer amitose i forskelligt antal kromosomer blandt afkommet, hvilket i sidste ende fører til senescens og død26. Tetrahymena har imidlertid en ukendt mekanisme til at kontrollere antallet af kromosomkopier under amitose, som resulterer i en nogenlunde konstant ploidy27. 25 % af 2 609 Tetrahymena-lignende vilde isolater manglede en MIC og var derfor aseksuelle19. For at teste, om amitose med kontrol af kromosomkopienummeret kan forklare den relative succes for aseksuelle Tetrahymena, undersøgte vi de evolutionære konsekvenser af forskellige former for reproduktion, kernedeling og ploidy.
Skematisk fremstilling af seksuel konjugation efterfulgt af to runder af aseksuel deling. For enkelhedens skyld er kun ét kromosom vist: det forekommer i to kopier i mikronukleus (MIC) og seks kopier i makronukleus (MAC) (i virkeligheden forekommer hvert kromosom i 45 kopier i Tetrahymena thermophila MAC). a, Under seksuel reproduktion (konjugation) gennemgår den diploide MIC meiose27, 28. b, To celler kan fusionere forbigående og udveksle haploide meiotiske produkter. Et resident meiotisk produkt fusionerer derefter med det overførte meiotiske produkt for at producere en ny diploid zygotisk kerne, som deler sig for at generere den nye MIC og MAC (den gamle MAC ødelægges). Under aseksuel reproduktion (c, d) deler MIC’en sig ved mitose, mens MAC’en deler sig ved amitose. Amitosis giver mulighed for tilfældig adskillelse af forældrenes kromosomer mellem dattercellerne, hvilket skaber variation mellem individer. I sidste ende resulterer dette i fænotypisk assortering, hvor individuelle kromosomer i MAC bliver fuldstændig homozygote i løbet af flere generationer29 (e). T. thermophila, har en ukendt mekanisme til kontrol af antallet af kopier, der resulterer i et omtrent lige stort antal homologe kromosomer i hver dattercelle27.
De fleste mutationer med virkninger på fitness er skadelige, men den naturlige selektion kan ikke fjerne dem alle fra populationer. Som følge heraf bærer mange individer skadelige mutationer, der reducerer deres fitness, hvilket fører til en reduktion i populationernes gennemsnitlige fitness, eller mutationsbelastning. Vi begynder med at undersøge, i hvilket omfang amitose med kontrol af kromosomkopiantal påvirker mutationsbelastningen. En population af aseksuelle diploider, der reproducerer sig ved mitose, forventes at udvise følgende gennemsnitlige fitness ved ligevægt30-33:
hvor Ud = 2Lµd er den skadelige mutationsrate pr. diploid genom pr. generation, L er antallet af loci, der påvirker fitness, og µd er den skadelige mutationsrate pr. locus pr. generation (se Supplerende oplysninger). Hvis en aseksuel diploid population derimod reproducerer sig ved amitose, er dens gennemsnitlige fitness ved ligevægt givet ved
hvor sd < 0 er effekten på fitness af en skadelig mutation i en homozygot tilstand (se supplerende oplysninger). Dette scenario er rent teoretisk, fordi ingen diploid kerne er kendt for at reproducere amitotisk. Ligninger 1 og 2 er baseret på flere antagelser: (i) populationsstørrelsen er meget stor, så vi kan ignorere genetisk drift; (ii) mutationer er irreversible; µd er (iii) lav og (iv) lige stor på tværs af loci; (v) der er linkage ligevægt mellem fitness loci; alle mutationer (vi) har den samme skadelige effekt sd og bidrager til fitness (vii) additivt inden for loci (dvs. er kodominante) og (viii) multiplikativt mellem loci (dvs. interagerer ikke epistatisk). Ligninger 1 og 2 viser, at amitose kan reducere mutationsbelastningen i forhold til mitose i diploide populationer. Hvis Ud = 0,1 og sd = -0,1, er den gennemsnitlige fitness ved ligevægt f.eks. Ŵmit = 0,905 under mitose og Ŵamit = 0,945 under amitose. Amitose har således en selektiv fordel i forhold til mitose på Ŵamit/Ŵmit – 1 = 4,4 %. Den skadelige mutationsrate, Ud, har en stor virkning på fordelen ved amitose: en fordobling af værdien af Ud mere end fordobler fordelen ved amitose til 9,1 % (fig. 2a). Selektionskoefficienten for en skadelig mutation, sd, har imidlertid en forholdsvis lille virkning på fordelen ved amitose: Hvis mutationer gøres en tiendedel så skadelige (sd = -0,01), øges fordelen ved amitose til kun 5,0 % (fig. 2b).
Værdierne viser den selektive fordel ved amitose i forhold til mitose, Ŵamit/Ŵmit – 1, ved forskellige ploidier (ŴX er den gennemsnitlige fitness ved ligevægt i en population af individer, der følger reproduktionsstrategi X for en bestemt ploidie). a, Virkningen af den genomiske skadelige mutationsrate, Ud. Gennemgående linjer viser selektive fordele svarende til konstante værdier af Ud ved alle ploidier. Den stiplede linje antager, at en fordobling af ploidien resulterer i en stigning på 10 % i Ud. Mutationer har en skadelig virkning på sd = -0,1 ved alle ploidier. b, Virkningen af selektionskoefficienten for en skadelig mutation, sd. Vi sætter Ud = 0,1 ved alle ploidier. I både a og b antog vi, at der var L = 100 fitness loci. Bemærk, at ploidie er vist i en log-skala.
Amitose med kopiantalskontrol er observeret i slægten Tetrahymena, som har høj ploidie i deres makronukleære genom (f.eks. er T. thermophila 45-ploid). Interessant nok stiger fordelen ved amitose i forhold til en mitotisk reproducerende organisme med samme ploidy med ploidy med ploidy (Fig. 2). Hvis Ud = 0,1 og sd = -0,1, stiger for eksempel fordelen ved amitose til 6,7 % hos tetraploider, 7,9 % hos octoploider, 8,7 % hos 16-ploider og så videre. En yderligere forøgelse af ploidien medfører et faldende afkast i fordelene ved amitose. Disse forventede fordele er konservative, fordi de antager, at den skadelige mutationsrate, Ud, er konstant på tværs af ploidier. Hvis f.eks. en fordobling af ploidien medfører en stigning på 10 % i Ud, vil der blive opnået en væsentlig større fordel ved amitose ved høje ploidier (fig. 2a, stiplet linje). En undersøgelse af mutationsakkumulering anslog, at T. thermophila har en skadelig mutationsrate i MIC på 
pr. genom pr. generation, og at mutationer har en forventet skadelig virkning på 
i homozygot tilstand34. Hvis vi antager, at MAC-genomet har 
og 
, anslår vi, at amitose har en fordel på 21,0 % i forhold til mitose i denne art.
De hidtidige analyser har ikke taget hensyn til effekten af genetisk drift. Drift kan få en population til at akkumulere skadelige mutationer stokastisk, hvilket yderligere øger den genetiske belastning, eller driftbelastning32, 35, 36. Hos aseksuelle dyr er dette fænomen kendt som Muller’s ratchet6, 37, 38. Vi vurderer nu, i hvilket omfang amitose med kopiantalkontrol kan bremse ophobningen af driftbelastning. Populationer med N = 10 eller 100 diploide mitotiske individer oplever en stærk Muller’s ratchet, når Ud = 0,1 og sd = -0,1 (fig. 3a). En forøgelse af populationsstørrelsen til N = 103 individer bevirker, at skridtet bremses betydeligt, hvilket gør det muligt for populationerne at opnå ligevægt mellem mutation og selektion (fig. 3a). Reproduktion gennem amitose gør populationerne mindre modtagelige over for Muller’s ratchet. Akkumuleringen af driftbelastningen bremses med 39 % (95 % konfidensinterval, CI: 31 %, 46 %) i diploide populationer på N = 10 individer og stopper reelt i populationer på N = 100 individer (fig. 3c).
Evolutionære reaktioner af gennemsnitlig fitness i populationer af forskellig størrelse (N) og plodier (n), der følger forskellige reproduktionsstrategier. Linjerne viser middelværdierne af stokastiske simuleringer af 100 populationer; skraverede områder repræsenterer 95 % CIs. a, Mitose i diploider (n = 2). b, Mitose med en ploidie på n = 45. c, Amitose i diploider (n = 2). d, Amitose med en ploidie på n = 45. Vi antog L = 100 fitness loci, en genomisk skadelig mutationsrate på Ud = 0,1 pr. generation, at mutationer har en skadelig virkning på sd = -0,1 i homozygot tilstand, og at alle individer i begyndelsen er umuterede. Bemærk, at fitness er vist i en logaritmisk skala.
Nyttevirkningen af amitose med hensyn til at bremse ophobningen af driftbelastningen stiger ligesom den deterministiske fordel med ploidy. Muller’s ratchet opererer i populationer så store som N = 104 mitotiske 45-ploide individer (Fig. 3b). Amitosis er i stand til at standse ophobningen af driftbelastning i populationer med så få som N = 100 45-ploide individer (fig. 3d). Selv når amitotiske populationer er små nok til at akkumulere driftbelastning, gør de det langsommere end mitotiske populationer. For eksempel akkumulerer populationer med N = 10 amitotiske 45-ploide individer driftbelastning 64% (95% CI: 59%, 68%) langsommere end mitotiske populationer af samme størrelse (Fig. 3b,d).
De fordele ved amitose frem for mitose, der er identificeret indtil nu, er analoge til fordelene ved seksuel frem for aseksuel reproduktion. Hos diploider giver seksuel reproduktion ved selfing en deterministisk fordel i forhold til mitose næsten identisk med den fordel ved aseksuel amitose, der er vist i ligning 1 og 2 (se Supplerende oplysninger). I modsætning til amitose giver sex med tilfældig parring i diploider kun en deterministisk fordel i forhold til aseksuel reproduktion, hvis der er negativ epistase mellem skadelige mutationer7, 39, eller hvis skadelige mutationer er delvist recessive40, 41. Køn kan også modvirke Muller’s ratchet6, 37, ligesom amitosis (Fig. 3a,c). Er fordelene ved aseksuel amitosis også lig med fordelene ved seksuel reproduktion, når ploidy er høj? Vi undersøgte dette spørgsmål i populationer på N = 20 individer af en 45-ploid organisme som T. thermophila, der oplever Ud = 0,1 og sd = -0,1. Amitose bremser ophobningen af driftbelastning i forhold til mitose med 90% (95% CI: 88%, 92%; Figur 4a). En organisme som T. thermophila, men som reproducerer sig seksuelt med udkrydsning i hver generation (dvs. obligatorisk køn uden amitose) og derefter genererer en 45-ploid makronukleus fra den rekombinante diploide mikronukleus (se fig. 1a,b), ville bremse ophobningen af driftbelastning med 92 % (95 % CI: 90 %, 94 %; τ = 1, fig. 4a). T. thermophila kan imidlertid ikke reproducere sig seksuelt hver generation; det kræver snarere ∼ 100 aseksuelle celledelinger for at nå seksuel modenhed42, 43. Facultativ sex hver τ = 100 generation bremser kun skridtet med 68 % (95 % CI: 64 %, 72 %; målt på grundlag af fitness i generationen umiddelbart før populationen reproducerer sig seksuelt), hvilket er meget mindre end amitosis (Fig. 4a). Fordelen ved amitosis er også sammenlignelig med fordelen ved køn i større populationer i tilstedeværelsen af gavnlige mutationer. I et evolutionært scenarie, hvor aseksuelle populationer ikke er i stand til at tilpasse sig, giver både amitosis og obligatorisk sex hver generation (τ = 1) populationerne mulighed for at tilpasse sig, og det hurtigere end fakultativt sex hver τ = 100 generation (Fig. 4b).
Evolutionære reaktioner af populationens gennemsnitlige fitness under forskellige reproduktionsstrategier. Linjerne viser middelværdierne af stokastiske simuleringer af 500 populationer; skraverede områder repræsenterer 95 % CIs. a, Populationer med N = 20 individer med en skadelig mutationsrate på Ud = 0,1 pr. genom pr. generation. Alle mutationer er skadelige og har en udvælgelseskoefficient på sd = -0,1 i homozygot tilstand. b, Populationer med N = 103 individer med en genomisk mutationsrate på U = 0,1 pr. generation; 99 % af mutationerne er skadelige og 1 % er gavnlige med udvælgelseskoefficienter på henholdsvis sd = -0,1 og sb = 0,1. Vi antager, at individerne har en MAC ploidy på n = 45 med L = 100 fitness loci, og at de i begyndelsen ikke bærer nogen mutationer. Den seksuelle reproduktion finder sted med tilfældig parring og fri rekombination hver τ generation. Bemærk, at fitness er vist i en log-skala.
Resultaterne vist i fig. 4 rejser den spændende mulighed, at amitosis faktisk er evolutionært overlegen i forhold til fakultativ sex hos T. thermophila og dens slægtninge, som har τ ≈ 100. Hvis det er sandt, ville dette føre til forudsigelsen, at aseksuelle slægtslinjer skulle udkonkurrere seksuelle slægtslinjer i Tetrahymena. Dette kunne forklare, hvorfor obligatorisk aseksuelle slægtslinjer er talrige i Tetrahymena19. Hvis denne forklaring er korrekt, ville vi forvente, at aseksuelle slægtslinjer i Tetrahymena ikke viser de typiske tegn på accelereret akkumulering af skadelige mutationer sammenlignet med deres seksuelle slægtninge13-18.
Hypotesen, der er skitseret i det foregående afsnit, kan være ugyldig af to grunde. For det første overvurderer vores analyse måske fordelen ved amitose i forhold til fakultativ kønsliggørelse. Vores hypotese antager, at kontrollen af kromosomkopiantalet under amitose er perfekt eller i det mindste meget præcis på en evolutionær tidsskala. Præcisionen af kontrol af antallet af kopier er imidlertid ukendt, selv i T. thermophila. Kontrollen af kromosomkopienummeret kan være mindre præcis, end vi har antaget, og derfor give en mindre fordel for Tetrahymena. For det andet kan vores analyse undervurdere fordelen ved fakultativt køn i forhold til amitose. Vi har kun overvejet to mulige fordele ved køn, som begge er af “mutationsmæssig” art4. Det er ikke sikkert, at andre fordele ved sex viser det samme mønster. Vi har f.eks. ikke taget hensyn til de mulige fordele ved køn i forbindelse med biotiske interaktioner3, 10, 11. Selv hvis vores hypotese er korrekt, er det også tænkeligt, at der er yderligere faktorer, der bidrager til den relative succes for aseksuelle Tetrahymena. Det er f.eks. blevet foreslået, at høj ploiditet alene kan hæmme ophobningen af skadelige mutationer gennem genkonvertering23. Denne foreslåede fordel er imidlertid ikke blevet modelleret, og derfor er den vanskelig at vurdere.
Hvad er det mekanistiske grundlag for de fordele ved amitose, der er identificeret her? Den vigtigste forskel mellem de to typer af kernedeling er, at amitosis ligesom køn kan generere mere genetisk variation i fitness end mitose. For eksempel vil et n-ploidt individ (vi antager for nemheds skyld, at n er lige) med n/2 wild-type alleler og n/2 skadelige alleler have en fitness på W = 1 – sd/2. Mutationer vil generere en varians i fitness på
hver generation, hvor ud = nµd er den skadelige mutationsrate på locus pr. generation. Mitose forventes ikke at skabe nogen varians i fitness ud over mutation (dvs. Vmit = Vmut). Amitose vil imidlertid øge variansen i fitness yderligere
hver generation44. Da Ud sandsynligvis vil være lavt, forventes amitose at øge variansen i fitness i langt højere grad end mutation og dermed mitose (Vamit ≫ Vmit).
Vi foreslår, at amitose medfører en stigning i den additive genetiske varians i fitness og derfor gør den naturlige selektion mere effektiv – en analogi til Weismanns hypotese om fordelene ved køn1, 4, 5. I overensstemmelse med denne idé stiger variansen i fitness, der genereres af amitose i forhold til mitose, omtrent lineært med ploidy (Vamit/Vmit ≈ n/(8Ud)), hvilket forklarer, hvorfor fordelen ved amitose i forhold til mitose stiger med ploidy. Vi konkluderer, at amitose med kontrol af kromosomkopiantal giver fordele ved køn i fravær af køn og kan forklare den høje forekomst af obligatorisk aseksuelle slægter i Tetrahymena19.