Obwohl in allen Wimpertierchen selten, sind obligat asexuelle Linien in der Gattung Tetrahymena19 reichlich vorhanden und möglicherweise alt. Der Grund für diese Häufigkeit ist unbekannt. Eine Möglichkeit besteht darin, dass die besondere Genomarchitektur von Tetrahymena es ihr ermöglicht, einige der negativen Folgen der Asexualität zu vermeiden19, 24. Wimperntierchen sind mikrobielle Eukaryoten, die sich durch die Trennung von Keimbahn- und somatischen Funktionen in zwei verschiedene Arten von Kernen innerhalb einer einzigen Zelle auszeichnen. Der somatische Makronukleus (MAC) ist der Ort der gesamten Transkription während des Wachstums und der ungeschlechtlichen Fortpflanzung, während der Keimbahn-Mikronukleus (MIC) für die Übertragung des genetischen Materials während der sexuellen Konjugation verantwortlich ist (Abb. 1). Nach der Konjugation teilt sich der zygotische Kern und differenziert sich in die beiden Arten von Kernen (Abb. 1a,b). Während dieser Differenzierung erfährt das makronukleare Genom massive Umstrukturierungen, die zu einem Genom mit vielen kleinen, hochpolyploiden, akzentromeren Chromosomen führen25. Diese Genomstruktur führt zu einer amitotischen makronukleären Teilung (Abb. 1c,d). Die Amitose führt dazu, dass die Anzahl der Allele an einem Locus zwischen den Individuen variiert. Bei den meisten Wimpertierchen führt die Amitose zu einer unterschiedlichen Anzahl von Chromosomen bei den Nachkommen, was schließlich zu Seneszenz und Tod führt26. Tetrahymena verfügen jedoch über einen unbekannten Mechanismus zur Kontrolle der Chromosomenkopienzahl während der Amitose, der zu einer annähernd konstanten Ploidie führt27. 25 % der 2 609 Tetrahymena-ähnlichen Wildisolate hatten kein MIC und waren daher asexuell19. Um zu prüfen, ob Amitose mit Chromosomenkopienzahlkontrolle den relativen Erfolg asexueller Tetrahymena erklären kann, untersuchten wir die evolutionären Folgen verschiedener Formen der Fortpflanzung, der Kernteilung und der Ploidie.
Schematische Darstellung der sexuellen Konjugation, gefolgt von zwei Runden asexueller Teilung. Der Einfachheit halber ist nur ein Chromosom dargestellt: Es kommt in zwei Kopien im Mikronukleus (MIC) und in sechs Kopien im Makronukleus (MAC) vor (in Wirklichkeit kommt jedes Chromosom in 45 Kopien im MAC von Tetrahymena thermophila vor). a, Während der sexuellen Fortpflanzung (Konjugation) durchläuft der diploide MIC eine Meiose27, 28. b, Zwei Zellen können vorübergehend fusionieren und haploide meiotische Produkte austauschen. Ein residentes meiotisches Produkt fusioniert dann mit dem übertragenen meiotischen Produkt, um einen neuen diploiden zygotischen Kern zu erzeugen, der sich teilt, um den neuen MIC und MAC zu erzeugen (der alte MAC wird zerstört). Bei der ungeschlechtlichen Fortpflanzung (c, d) teilt sich der MIC durch Mitose, während sich der MAC durch Amitose teilt. Die Amitose ermöglicht die zufällige Aufteilung der elterlichen Chromosomen auf die Tochterzellen, was zu Variationen zwischen den Individuen führt. Letztendlich führt dies zu einer phänotypischen Selektion, bei der einzelne Chromosomen im MAC innerhalb mehrerer Generationen vollständig homozygot werden29 (e). T. thermophila verfügt über einen unbekannten Mechanismus zur Kontrolle der Kopienzahl, der dazu führt, dass in jeder Tochterzelle eine annähernd gleiche Anzahl homologer Chromosomen vorhanden ist27.
Die meisten Mutationen mit Auswirkungen auf die Fitness sind schädlich, aber die natürliche Selektion kann nicht alle aus den Populationen entfernen. Infolgedessen tragen viele Individuen schädliche Mutationen, die ihre Fitness verringern, was zu einer Verringerung der durchschnittlichen Fitness von Populationen oder der Mutationslast führt. Wir untersuchen zunächst, inwieweit die Amitose mit Chromosomenkopienzahlkontrolle die Mutationslast beeinflusst. Eine Population von ungeschlechtlichen Diploiden, die sich durch Mitose fortpflanzt, dürfte im Gleichgewicht die folgende mittlere Fitness aufweisen30-33:
wobei Ud = 2Lµd die schädliche Mutationsrate pro diploidem Genom pro Generation ist, L die Anzahl der Loci ist, die die Fitness beeinflussen, und µd die schädliche Mutationsrate pro Locus pro Generation ist (siehe ergänzende Informationen). Wenn sich dagegen eine ungeschlechtliche diploide Population durch Amitose fortpflanzt, ist ihre mittlere Fitness im Gleichgewicht gegeben durch
wobei sd < 0 die Auswirkung einer schädlichen Mutation im homozygoten Zustand auf die Fitness ist (siehe ergänzende Informationen). Dieses Szenario ist rein theoretisch, da kein diploider Kern dafür bekannt ist, sich amitotisch zu vermehren. Die Gleichungen 1 und 2 beruhen auf mehreren Annahmen: (i) die Populationsgröße ist sehr groß, so dass wir die genetische Drift ignorieren können; (ii) Mutationen sind irreversibel; µd ist (iii) niedrig und (iv) über alle Loci hinweg gleich; (v) es besteht ein Kopplungsgleichgewicht zwischen den Fitness-Loci; alle Mutationen (vi) haben den gleichen schädlichen Effekt sd und tragen (vii) additiv innerhalb der Loci zur Fitness bei (d. h., sie sind kodominant) und (viii) multiplikativ zwischen den Loci (d. h., sie interagieren nicht epistatisch). Die Gleichungen 1 und 2 zeigen, dass die Amitose die Mutationslast im Vergleich zur Mitose in diploiden Populationen verringern kann. Wenn beispielsweise Ud = 0,1 und sd = -0,1, beträgt die mittlere Fitness im Gleichgewicht Ŵmit = 0,905 unter Mitose und Ŵamit = 0,945 unter Amitose. Somit hat die Amitose gegenüber der Mitose einen Selektionsvorteil von Ŵamit/Ŵmit – 1 = 4,4 %. Die schädliche Mutationsrate Ud hat einen großen Einfluss auf den Vorteil der Amitose: eine Verdoppelung des Wertes von Ud führt zu einer Verdoppelung des Vorteils der Amitose auf 9,1 % (Abb. 2a). Der Selektionskoeffizient einer schädlichen Mutation, sd, hat dagegen eine vergleichsweise geringe Auswirkung auf den Nutzen der Amitose: Wenn Mutationen nur ein Zehntel so schädlich sind (sd = -0,01), steigt der Vorteil der Amitose auf nur 5,0 % (Abb. 2b).
Die Werte zeigen den Selektionsvorteil der Amitose gegenüber der Mitose, Ŵamit/Ŵmit – 1, bei verschiedenen Ploidien (ŴX ist die mittlere Fitness im Gleichgewicht einer Population von Individuen, die der Fortpflanzungsstrategie X für eine bestimmte Ploidie folgen). a, Auswirkung der genomischen schädlichen Mutationsrate, Ud. Die durchgezogenen Linien zeigen die Selektionsvorteile, die konstanten Werten von Ud bei allen Ploidien entsprechen. Die gestrichelte Linie geht davon aus, dass eine Verdoppelung der Ploidie zu einem Anstieg von Ud um 10 % führt. Mutationen haben bei allen Ploidien eine schädliche Wirkung von sd = -0,1. b, Wirkung des Selektionskoeffizienten einer schädlichen Mutation, sd. Wir setzen Ud = 0,1 für alle Ploidien. Sowohl bei a als auch bei b haben wir angenommen, dass es L = 100 Fitness-Loci gibt. Beachten Sie, dass die Ploidie in einer logarithmischen Skala dargestellt ist.
Amitose mit Kopienzahlkontrolle wird in der Gattung Tetrahymena beobachtet, die in ihrem makronuklearen Genom eine hohe Ploidie aufweist (z. B. ist T. thermophila 45-ploid). Interessanterweise steigt der Nutzen der Amitose im Vergleich zu einem sich mitotisch reproduzierenden Organismus mit der gleichen Ploidie (Abb. 2). Wenn z. B. Ud = 0,1 und sd = -0,1 ist, steigt der Nutzen der Amitose bei Tetraploiden auf 6,7 %, bei Oktoploiden auf 7,9 %, bei 16-Ploiden auf 8,7 % und so weiter. Weitere Erhöhungen der Ploidie führen zu einer Verringerung des Nutzens der Amitose. Diese erwarteten Vorteile sind konservativ, da sie davon ausgehen, dass die schädliche Mutationsrate, Ud, über alle Ploidien hinweg konstant ist. Wenn beispielsweise eine Verdoppelung der Ploidie zu einem Anstieg von 10 % bei Ud führt, würde der Nutzen der Amitose bei hohen Ploidien wesentlich größer ausfallen (Abb. 2a, gestrichelte Linie). In einer Studie zur Mutationsakkumulation wurde geschätzt, dass T. thermophila eine schädliche Mutationsrate im MIC von 
pro Genom und Generation aufweist und dass Mutationen im homozygoten Zustand eine erwartete schädliche Wirkung von 
haben34. Wenn wir davon ausgehen, dass das MAC-Genom 
und 
hat, schätzen wir, dass die Amitose bei dieser Spezies einen Vorteil von 21,0 % gegenüber der Mitose hat.
Bei den bisherigen Analysen wurde die Wirkung der genetischen Drift außer Acht gelassen. Die Drift kann dazu führen, dass eine Population stochastisch schädliche Mutationen akkumuliert, was die genetische Belastung oder Driftlast weiter erhöht32, 35, 36. Bei ungeschlechtlichen Tieren ist dieses Phänomen als Muller’s ratchet6, 37, 38 bekannt. Wir untersuchen nun, inwieweit Amitose mit Kopienzahlkontrolle die Anhäufung der Driftlast verlangsamen kann. Populationen mit N = 10 oder 100 diploiden mitotischen Individuen weisen eine starke Muller’s Ratchet auf, wenn Ud = 0,1 und sd = -0,1 (Abb. 3a). Bei einer Erhöhung der Populationsgröße auf N = 103 Individuen verlangsamt sich die Ratsche beträchtlich, so dass die Populationen ein Gleichgewicht zwischen Mutation und Selektion erreichen (Abb. 3a). Die Vermehrung durch Amitose macht die Populationen weniger anfällig für die Mullersche Ratsche. Die Akkumulation der Driftbelastung verlangsamt sich in diploiden Populationen mit N = 10 Individuen um 39 % (95 % Konfidenzintervall, CI: 31 %, 46 %) und kommt in Populationen mit N = 100 Individuen praktisch zum Stillstand (Abb. 3c).
Evolutionäre Reaktionen der mittleren Fitness in Populationen unterschiedlicher Größe (N) und Plodies (n), die verschiedenen Reproduktionsstrategien folgen. Die Linien zeigen die Mittelwerte der stochastischen Simulationen von 100 Populationen; die schattierten Bereiche stellen 95% CIs dar. a, Mitose in Diploiden (n = 2). b, Mitose mit einer Ploidie von n = 45. c, Amitose in Diploiden (n = 2). d, Amitose mit einer Ploidie von n = 45. Wir haben L = 100 Fitness-Loci, eine genomische schädliche Mutationsrate von Ud = 0,1 pro Generation, eine schädliche Wirkung von sd = -0,1 im homozygoten Zustand und die Annahme, dass anfangs alle Individuen nicht mutiert sind, angenommen. Man beachte, dass die Fitness in einer logarithmischen Skala dargestellt ist.
Der Nutzen der Amitose bei der Verlangsamung der Anhäufung der Driftlast steigt, wie der deterministische Nutzen, mit der Ploidie. Mullers Ratsche funktioniert in Populationen mit einer Größe von N = 104 mitotischen 45-ploiden Individuen (Abb. 3b). Die Amitose ist in der Lage, die Anhäufung von Driftlasten in Populationen mit nur N = 100 45-ploiden Individuen zu stoppen (Abb. 3d). Selbst wenn amitotische Populationen klein genug sind, um Driftlast zu akkumulieren, tun sie dies langsamer als mitotische Populationen. Beispielsweise akkumulieren Populationen mit N = 10 amitotischen 45-ploiden Individuen die Driftlast um 64 % (95 % CI: 59 %, 68 %) langsamer als mitotische Populationen derselben Größe (Abb. 3b,d).
Die bisher ermittelten Vorteile der Amitose gegenüber der Mitose sind analog zu den Vorteilen der sexuellen gegenüber der asexuellen Fortpflanzung. Bei Diploiden bietet die sexuelle Fortpflanzung durch Selbstbefruchtung einen deterministischen Vorteil gegenüber der Mitose, der fast identisch ist mit dem in den Gleichungen 1 und 2 dargestellten Vorteil der asexuellen Amitose (siehe ergänzende Informationen). Im Gegensatz zur Amitose bietet die sexuelle Vermehrung mit zufälliger Paarung bei Diploiden nur dann einen deterministischen Vorteil gegenüber der ungeschlechtlichen Vermehrung, wenn eine negative Epistase zwischen schädlichen Mutationen besteht7, 39, oder wenn schädliche Mutationen teilweise rezessiv sind40, 41. Sex kann auch der Mullerschen Ratsche6, 37 entgegenwirken, ähnlich wie Amitose (Abb. 3a,c). Sind die Vorteile der ungeschlechtlichen Amitose auch mit denen der sexuellen Fortpflanzung vergleichbar, wenn die Ploidie hoch ist? Wir untersuchten diese Frage in Populationen von N = 20 Individuen eines 45-ploiden Organismus wie T. thermophila mit Ud = 0,1 und sd = -0,1. Die Amitose verlangsamt die Akkumulation der Driftlast im Vergleich zur Mitose um 90 % (95 % CI: 88 %, 92 %; Abbildung 4a). Ein Organismus wie T. thermophila, der sich jedoch in jeder Generation sexuell mit Auskreuzung fortpflanzt (d. h. obligater Sex ohne Amitose) und dann aus dem rekombinanten diploiden Mikrokern einen 45-ploiden Makronukleus erzeugt (siehe Abb. 1a,b), würde die Akkumulation der Driftlast um 92 % verlangsamen (95 % CI: 90 %, 94 %; τ = 1, Abb. 4a). T. thermophila kann sich jedoch nicht in jeder Generation sexuell fortpflanzen, sondern benötigt ∼ 100 ungeschlechtliche Zellteilungen bis zur Geschlechtsreife42, 43. Fakultativer Sex alle τ = 100 Generationen verlangsamt die Ratsche nur um 68 % (95 % CI: 64 %, 72 %; gemessen an der Fitness in der Generation unmittelbar vor der sexuellen Fortpflanzung der Population), viel weniger als Amitose (Abb. 4a). Der Nutzen der Amitose ist auch in größeren Populationen bei Vorhandensein vorteilhafter Mutationen mit dem der Sexualität vergleichbar. In einem evolutionären Szenario, in dem asexuelle Populationen nicht in der Lage sind, sich anzupassen, ermöglichen sowohl Amitose als auch obligater Sex in jeder Generation (τ = 1) eine Anpassung der Populationen, und zwar schneller als fakultativer Sex alle τ = 100 Generationen (Abb. 4b).
Evolutionäre Reaktionen der mittleren Fitness von Populationen unter verschiedenen Fortpflanzungsstrategien. Die Linien zeigen die Mittelwerte von stochastischen Simulationen von 500 Populationen; die schattierten Bereiche stellen 95% CIs dar. a, Populationen mit N = 20 Individuen mit einer schädlichen Mutationsrate von Ud = 0,1 pro Genom und Generation. Alle Mutationen sind schädlich und haben einen Selektionskoeffizienten von sd = -0,1 im homozygoten Zustand. b, Populationen von N = 103 Individuen mit einer genomischen Mutationsrate von U = 0,1 pro Generation; 99% der Mutationen sind schädlich und 1% sind vorteilhaft mit Selektionskoeffizienten von sd = -0,1 bzw. sb = 0,1. Wir haben angenommen, dass die Individuen eine MAC-Ploidie von n = 45 mit L = 100 Fitness-Loci haben und dass sie anfangs keine Mutationen tragen. Die sexuelle Fortpflanzung erfolgt durch zufällige Paarung und freie Rekombination alle τ Generationen. Man beachte, dass die Fitness in einer logarithmischen Skala dargestellt ist.
Die in Abb. 4 gezeigten Ergebnisse lassen die faszinierende Möglichkeit aufkommen, dass Amitose bei T. thermophila und seinen Verwandten, die τ ≈ 100 haben, dem fakultativen Sex evolutionär tatsächlich überlegen ist. Sollte dies zutreffen, würde dies zu der Vorhersage führen, dass asexuelle Linien in Tetrahymena sexuelle Linien verdrängen sollten. Dies könnte erklären, warum obligat asexuelle Linien in Tetrahymena häufig vorkommen19. Wenn diese Erklärung richtig ist, würden wir erwarten, dass asexuelle Linien von Tetrahymena nicht die typischen Anzeichen einer beschleunigten Akkumulation schädlicher Mutationen im Vergleich zu ihren sexuellen Verwandten zeigen13-18.
Die im vorigen Absatz skizzierte Hypothese könnte aus zwei Gründen ungültig sein. Erstens überschätzt unsere Analyse möglicherweise den Nutzen der Amitose im Vergleich zum fakultativen Geschlecht. Unsere Hypothese geht davon aus, dass die Kontrolle der Chromosomenkopienzahl während der Amitose perfekt oder zumindest auf einer evolutionären Zeitskala sehr präzise ist. Die Präzision der Kopienzahlkontrolle ist jedoch selbst bei T. thermophila unbekannt. Die Kontrolle der Chromosomenkopienzahl könnte weniger präzise sein, als wir angenommen haben, und daher einen geringeren Nutzen für Tetrahymena bringen. Zweitens unterschätzt unsere Analyse möglicherweise den Nutzen des fakultativen Geschlechts im Vergleich zur Amitose. Wir haben nur zwei mögliche Vorteile von Sex in Betracht gezogen, die beide „mutationsbedingt“ sind4. Bei anderen Vorteilen von Sex ist nicht gewährleistet, dass sie das gleiche Muster aufweisen. So haben wir beispielsweise die potenziellen Vorteile von Sex angesichts biotischer Interaktionen nicht berücksichtigt3, 10, 11. Selbst wenn unsere Hypothese richtig ist, ist es auch denkbar, dass es zusätzliche Faktoren gibt, die zum relativen Erfolg von asexuellen Tetrahymena beitragen. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, dass eine hohe Ploidie allein die Anhäufung schädlicher Mutationen durch Genkonversion verhindern kann23. Dieser vorgeschlagene Vorteil wurde jedoch nicht modelliert und ist daher schwer zu bewerten.
Was ist die mechanistische Grundlage für die hier festgestellten Vorteile der Amitose? Der Hauptunterschied zwischen den beiden Arten der Kernteilung besteht darin, dass die Amitose, wie auch der Sex, eine größere genetische Variation der Fitness erzeugen kann als die Mitose. Ein n-ploides Individuum (wir nehmen der Einfachheit halber an, dass n gerade ist) mit n/2 Wildtyp-Allelen und n/2 schädlichen Allelen hat beispielsweise eine Fitness von W = 1 – sd/2. Mutation erzeugt eine Varianz in der Fitness von
jeder Generation, wobei ud = nµd die schädliche Mutationsrate an dem Locus pro Generation ist. Es wird erwartet, dass die Mitose zusätzlich zur Mutation keine Varianz in der Fitness erzeugt (d.h. Vmit = Vmut). Die Amitose wird jedoch die Varianz der Fitness in jeder Generation weiter erhöhen44. Da Ud wahrscheinlich niedrig ist, wird erwartet, dass Amitose die Varianz in der Fitness in einem viel größeren Ausmaß erhöht als Mutation und daher Mitose (Vamit ≫ Vmit).
Wir schlagen vor, dass Amitose eine Erhöhung der additiven genetischen Varianz in der Fitness verursacht und daher die natürliche Selektion effizienter macht – ein Analogon zu Weismanns Hypothese für den Vorteil von Geschlecht1, 4, 5. In Übereinstimmung mit dieser Idee steigt die durch Amitose im Vergleich zur Mitose erzeugte Varianz in der Fitness ungefähr linear mit der Ploidie (Vamit/Vmit ≈ n/(8Ud)), was erklärt, warum der Vorteil der Amitose im Vergleich zur Mitose mit der Ploidie zunimmt. Wir schlussfolgern, dass Amitose mit Chromosomenkopienzahl-Kontrolle die Vorteile von Sex in Abwesenheit von Sex mit sich bringt und die hohe Inzidenz von obligat asexuellen Linien in Tetrahymena erklären kann19.