Aunque raro a través de ciliados, los linajes obligatoriamente asexuales son abundantes, y posiblemente antiguo, en el género Tetrahymena19. La razón de esta abundancia es desconocida. Una posibilidad es que la peculiar arquitectura genómica de Tetrahymena le permita evitar algunas de las consecuencias negativas de la asexualidad19, 24. Los ciliados son eucariotas microbianos caracterizados por la separación de las funciones germinales y somáticas en dos tipos distintos de núcleos dentro de una sola célula. El macronúcleo somático (MAC) es el lugar de toda la transcripción durante el crecimiento y la reproducción asexual, y el micronúcleo de la línea germinal (MIC) es responsable de la transmisión del material genético durante la conjugación sexual (Fig. 1). Tras la conjugación, el núcleo cigótico se divide y se diferencia en los dos tipos de núcleos (Fig. 1a,b). Durante esta diferenciación, el genoma macronuclear sufre reordenamientos masivos que dan lugar a un genoma con muchos cromosomas pequeños, altamente poliploides y acentroméricos25. Esta estructura del genoma da lugar a la división macronuclear amitótica (Fig. 1c,d). La amitosis genera una variación entre individuos en el número de cada alelo en un locus. En la mayoría de los ciliados, la amitosis da lugar a un número diferente de cromosomas entre la progenie, lo que finalmente conduce a la senescencia y la muerte26. Sin embargo, los Tetrahymena tienen un mecanismo desconocido para controlar el número de copias de los cromosomas durante la amitosis que da como resultado una ploidía aproximadamente constante27. El 25% de los 2.609 aislados silvestres de Tetrahymena carecían de MIC y eran, por tanto, asexuales19. Para probar si la amitosis con control del número de copias cromosómicas puede explicar el éxito relativo del Tetrahymena asexual, examinamos las consecuencias evolutivas de varias formas de reproducción, división nuclear y ploidía.
Esquema de la conjugación sexual seguida de dos rondas de división asexual. Para simplificar, sólo se muestra un cromosoma: se presenta en dos copias en el micronúcleo (MIC) y seis copias en el macronúcleo (MAC) (en realidad, cada cromosoma se presenta en 45 copias en el MAC de Tetrahymena thermophila). a, Durante la reproducción sexual (conjugación), el MIC diploide se somete a meiosis27, 28. b, Dos células pueden fusionarse transitoriamente e intercambiar productos meióticos haploides. Un producto meiótico residente se fusiona entonces con el producto meiótico transferido para producir un nuevo núcleo cigótico diploide, que se divide para generar el nuevo MIC y MAC (el antiguo MAC se destruye). Durante la reproducción asexual (c, d), el MIC se divide por mitosis mientras que el MAC se divide por amitosis. La amitosis permite la segregación aleatoria de los cromosomas parentales entre las células hijas generando variación entre los individuos. En última instancia, esto da lugar a un surtido fenotípico, en el que los cromosomas individuales en el MAC se vuelven completamente homocigotos en varias generaciones29 (e). T. thermophila, tiene un mecanismo de control del número de copias desconocido que resulta en un número aproximadamente igual de cromosomas homólogos en cada célula hija27.
La mayoría de las mutaciones con efectos sobre la aptitud son deletéreas pero la selección natural no puede eliminarlas todas de las poblaciones. Como resultado, muchos individuos son portadores de mutaciones deletéreas que reducen su aptitud, lo que conduce a una reducción de la aptitud media de las poblaciones, o carga de mutaciones. Comenzamos investigando hasta qué punto la amitosis con control del número de copias cromosómicas afecta a la carga de mutaciones. Se espera que una población de diploides asexuales que se reproduce por mitosis muestre la siguiente aptitud media en equilibrio30-33:
donde Ud = 2Lµd es la tasa de mutación deletérea por genoma diploide por generación, L es el número de loci que influyen en la aptitud, y µd es la tasa de mutación deletérea por locus por generación (véase la información suplementaria). Por el contrario, si una población diploide asexual se reproduce por amitosis, su aptitud media en el equilibrio viene dada por
donde sd < 0 es el efecto sobre la aptitud de una mutación deletérea en un estado homocigoto (véase la Información complementaria). Este escenario es puramente teórico porque no se conoce ningún núcleo diploide que se reproduzca amitóticamente. Las ecuaciones 1 y 2 se basan en varios supuestos: (i) el tamaño de la población es muy grande, por lo que podemos ignorar la deriva genética; (ii) las mutaciones son irreversibles; µd es (iii) baja e (iv) igual en todos los loci; (v) hay equilibrio de ligamiento entre los loci de aptitud; todas las mutaciones (vi) tienen el mismo efecto deletéreo sd, y contribuyen a la aptitud (vii) aditivamente dentro de los loci (es decir, son codominantes) y (viii) multiplicativamente entre los loci (es decir, no interactúan epistáticamente). Las ecuaciones 1 y 2 muestran que la amitosis puede reducir la carga de mutaciones en comparación con la mitosis en poblaciones diploides. Por ejemplo, si Ud = 0,1 y sd = -0,1, la aptitud media en equilibrio es Ŵmit = 0,905 bajo mitosis y Ŵamit = 0,945 bajo amitosis. Así, la amitosis tiene una ventaja selectiva sobre la mitosis de Ŵamit/Ŵmit – 1 = 4,4%. La tasa de mutación deletérea, Ud, tiene un gran efecto sobre el beneficio de la amitosis: duplicar el valor de Ud más que duplica la ventaja de la amitosis hasta el 9,1% (Fig. 2a). El coeficiente de selección de una mutación deletérea, sd, sin embargo, tiene un efecto comparativamente pequeño sobre el beneficio de la amitosis: hacer que las mutaciones sean una décima parte de deletéreas (sd = -0,01) hace que la ventaja de la amitosis aumente a sólo el 5,0% (Fig. 2b).
Los valores muestran la ventaja selectiva de la amitosis sobre la mitosis, Ŵamit/Ŵmit – 1, en diferentes ploidías (ŴX es la aptitud media en equilibrio de una población de individuos que siguen la estrategia reproductiva X para una determinada ploidía). a, Efecto de la tasa de mutación deletérea genómica, Ud. Las líneas sólidas muestran las ventajas selectivas correspondientes a valores constantes de Ud en todas las ploidías. La línea discontinua supone que una duplicación de la ploidía da lugar a un aumento del 10% de Ud. Las mutaciones tienen un efecto deletéreo de sd = -0,1 en todas las ploidías. b, Efecto del coeficiente de selección de una mutación deletérea, sd. Fijamos Ud = 0,1 en todas las ploidías. Tanto en a como en b asumimos que había L = 100 loci de fitness. Nótese que la ploidía se muestra en una escala logarítmica.
La amitosis con control del número de copias se observa en el género Tetrahymena, que tiene una alta ploidía en su genoma macronuclear (por ejemplo, T. thermophila es 45-ploide). Curiosamente, el beneficio de la amitosis en relación con un organismo que se reproduce mitóticamente con la misma ploidía aumenta con la ploidía (Fig. 2). Por ejemplo, si Ud = 0,1 y sd = -0,1, el beneficio de la amitosis aumenta al 6,7% en los tetraploides, al 7,9% en los octoploides, al 8,7% en los 16-ploides, y así sucesivamente. Los aumentos adicionales de la ploidía provocan rendimientos decrecientes en el beneficio de la amitosis. Estos beneficios esperados son conservadores porque suponen que la tasa de mutación deletérea, Ud, es constante en todas las ploidías. Si, por ejemplo, duplicar la ploidía provoca un aumento del 10% en Ud, se conseguiría un beneficio sustancialmente mayor de la amitosis en ploidías altas (Fig. 2a, línea discontinua). Un estudio de acumulación de mutaciones estimó que T. thermophila tiene una tasa de mutación deletérea en el MIC de 
por genoma por generación y que las mutaciones tienen un efecto deletéreo esperado de 
en un estado homocigoto34. Si suponemos que el genoma del MAC tiene 
y 
, estimamos que la amitosis tiene un beneficio del 21,0% en relación con la mitosis en esta especie.
Los análisis realizados hasta ahora han ignorado el efecto de la deriva genética. La deriva puede hacer que una población acumule mutaciones deletéreas de forma estocástica, aumentando aún más la carga genética, o carga de deriva32, 35, 36. En los asexuales este fenómeno se conoce como trinquete de Muller6, 37, 38. Ahora evaluamos hasta qué punto la amitosis con control del número de copias puede frenar la acumulación de la carga de deriva. Las poblaciones de N = 10 o 100 individuos mitóticos diploides experimentan un fuerte trinquete de Muller cuando Ud = 0,1 y sd = -0,1 (Fig. 3a). Aumentar el tamaño de la población a N = 103 individuos hace que el trinquete se ralentice considerablemente, permitiendo que las poblaciones alcancen el equilibrio mutación-selección (Fig. 3a). La reproducción por amitosis hace que las poblaciones sean menos susceptibles al trinquete de Muller. La acumulación de la carga de deriva se ralentiza en un 39% (intervalo de confianza del 95%, IC: 31%, 46%) en poblaciones diploides de N = 10 individuos, y se detiene efectivamente en poblaciones de N = 100 individuos (Fig. 3c).
Respuestas evolutivas de la aptitud media en poblaciones de diferentes tamaños (N) y plodias (n), siguiendo diferentes estrategias reproductivas. Las líneas muestran las medias de simulaciones estocásticas de 100 poblaciones; las regiones sombreadas representan los IC del 95%. a, Mitosis en diploides (n = 2). b, Mitosis con una ploidía de n = 45. c, Amitosis en diploides (n = 2). d, Amitosis con una ploidía de n = 45. Asumimos L = 100 loci de fitness, una tasa de mutación genómica deletérea de Ud = 0,1 por generación, que las mutaciones tienen un efecto deletéreo de sd = -0,1 en un estado homocigoto y que, inicialmente, todos los individuos no están mutados. Nótese que la aptitud se muestra en una escala logarítmica.
El beneficio de la amitosis en la ralentización de la acumulación de la carga de deriva, al igual que el beneficio determinista, aumenta con la ploidía. El trinquete de Muller funciona en poblaciones tan grandes como N = 104 individuos mitóticos de 45 ploides (Fig. 3b). La amitosis es capaz de detener la acumulación de la carga de deriva en poblaciones con tan sólo N = 100 individuos 45-ploides (Fig. 3d). Incluso cuando las poblaciones amitóticas son lo suficientemente pequeñas como para acumular carga de deriva, lo hacen más lentamente que las mitóticas. Por ejemplo, las poblaciones de N = 10 individuos amitóticos de 45 polos acumulan la carga de deriva un 64% (IC 95%: 59%, 68%) más lentamente que las poblaciones mitóticas del mismo tamaño (Fig. 3b,d).
Los beneficios de la amitosis sobre la mitosis identificados hasta ahora son análogos a los beneficios de la reproducción sexual sobre la asexual. En los diploides, la reproducción sexual por autofecundación confiere una ventaja determinista sobre la mitosis casi idéntica a la de la amitosis asexual mostrada en las ecuaciones 1 y 2 (véase la información suplementaria). A diferencia de la amitosis, el sexo con apareamiento aleatorio en diploides sólo confiere una ventaja determinista sobre la reproducción asexual si hay epistasis negativa entre las mutaciones deletéreas7, 39, o si las mutaciones deletéreas son parcialmente recesivas40, 41. El sexo también puede contrarrestar el trinquete de Muller6, 37, al igual que la amitosis (Fig. 3a,c). ¿Son los beneficios de la amitosis asexual también similares a los de la reproducción sexual cuando la ploidía es alta? Hemos investigado esta cuestión en poblaciones de N = 20 individuos de un organismo 45-ploide como T. thermophila que experimenta Ud = 0,1 y sd = -0,1. La amitosis ralentiza la acumulación de la carga de deriva en relación con la mitosis en un 90% (IC del 95%: 88%, 92%; Figura 4a). Un organismo como T. thermophila pero que se reprodujera sexualmente, con cruces externos, en cada generación (es decir, sexo obligado sin amitosis) y que luego generara un macronúcleo 45-ploide a partir del micronúcleo diploide recombinante (ver Fig. 1a,b) frenaría la acumulación de la carga de deriva en un 92% (IC del 95%: 90%, 94%; τ = 1, Fig. 4a). Sin embargo, T. thermophila no puede reproducirse sexualmente cada generación; más bien, requiere ∼ 100 divisiones celulares asexuales para alcanzar la madurez sexual42, 43. El sexo facultativo cada τ = 100 generaciones ralentiza el trinquete sólo en un 68% (IC 95%: 64%, 72%; medido en base a la aptitud en la generación inmediatamente anterior a que la población se reproduzca sexualmente), mucho menos que la amitosis (Fig. 4a). El beneficio de la amitosis es también comparable al del sexo en poblaciones más grandes en presencia de mutaciones beneficiosas. En un escenario evolutivo en el que las poblaciones asexuales no son capaces de adaptarse, tanto la amitosis como el sexo obligatorio cada generación (τ = 1) permiten a las poblaciones adaptarse, y más rápidamente que el sexo facultativo cada τ = 100 generaciones (Fig. 4b).
Respuestas evolutivas de la aptitud media de la población bajo diferentes estrategias reproductivas. Las líneas muestran las medias de simulaciones estocásticas de 500 poblaciones; las regiones sombreadas representan los IC del 95%. a, Poblaciones de N = 20 individuos con una tasa de mutación deletérea de Ud = 0,1 por genoma por generación. Todas las mutaciones son deletéreas y tienen un coeficiente de selección de sd = -0,1 en un estado homocigoto. b, Poblaciones de N = 103 individuos con una tasa de mutación genómica de U = 0,1 por generación; el 99% de las mutaciones son deletéreas y el 1% son beneficiosas con coeficientes de selección de sd = -0,1 y sb = 0,1, respectivamente. Suponemos que los individuos tienen una ploidía MAC de n = 45 con L = 100 loci de aptitud, y que, inicialmente, no llevan mutaciones. La reproducción sexual tiene lugar con apareamiento aleatorio y recombinación libre cada τ generaciones. Nótese que la aptitud se muestra en una escala logarítmica.
Los resultados mostrados en la Fig. 4 plantean la intrigante posibilidad de que la amitosis sea realmente superior evolutivamente al sexo facultativo en T. thermophila y sus parientes, que tienen τ ≈ 100. De ser cierto, esto llevaría a la predicción de que los linajes asexuales deberían superar a los sexuales en Tetrahymena. Esto podría explicar por qué los linajes obligatoriamente asexuales son abundantes en Tetrahymena19. Si esta explicación es correcta, esperaríamos que los linajes asexuales de Tetrahymena no muestren los típicos signos de acumulación acelerada de mutaciones deletéreas en comparación con sus parientes sexuales13-18.
La hipótesis esbozada en el párrafo anterior puede ser inválida por dos razones. En primer lugar, nuestro análisis puede sobrestimar el beneficio de la amitosis en relación con el sexo facultativo. Nuestra hipótesis asume que el control del número de copias de los cromosomas durante la amitosis es perfecto, o al menos, altamente preciso en una escala de tiempo evolutiva. Sin embargo, la precisión del control del número de copias se desconoce incluso en T. thermophila. El control del número de copias cromosómicas podría ser menos preciso de lo que hemos supuesto y, por tanto, conferir un beneficio menor a Tetrahymena. En segundo lugar, nuestro análisis puede subestimar el beneficio del sexo facultativo en relación con la amitosis. Sólo hemos considerado dos posibles beneficios del sexo, ambos de naturaleza «mutacional «4 . No está garantizado que otros beneficios del sexo muestren el mismo patrón. Por ejemplo, no hemos considerado los posibles beneficios del sexo frente a las interacciones bióticas3, 10, 11. Incluso si nuestra hipótesis es correcta, también es concebible que haya factores adicionales que contribuyan al éxito relativo de la Tetrahymena asexual. Por ejemplo, se ha propuesto que la alta ploidía por sí sola puede inhibir la acumulación de mutaciones deletéreas a través de la conversión de genes23. Sin embargo, esta ventaja propuesta no ha sido modelada, y por lo tanto es difícil de evaluar.
¿Cuál es la base mecanística de los beneficios de la amitosis identificados aquí? La principal diferencia entre los dos tipos de división nuclear es que la amitosis, al igual que el sexo, puede generar más variación genética en la aptitud que la mitosis. Por ejemplo, un individuo n-ploide (suponemos que n es par para simplificar) con n/2 alelos de tipo salvaje y n/2 alelos deletéreos tendrá una aptitud de W = 1 – sd/2. La mutación generará una variación en la aptitud de
cada generación, donde ud = nµd es la tasa de mutación deletérea en el locus por generación. No se espera que la mitosis genere ninguna variación en la aptitud además de la mutación (es decir, Vmit = Vmut). Sin embargo, la amitosis aumentará la varianza de la aptitud aún más
en cada generación44. Dado que es probable que Ud sea baja, se espera que la amitosis aumente la varianza de la aptitud en mucha mayor medida que la mutación y, por tanto, la mitosis (Vamit ≫ Vmit).
Proponemos que la amitosis provoca un aumento de la varianza genética aditiva de la aptitud, lo que hace que la selección natural sea más eficiente, un análogo de la hipótesis de Weismann sobre la ventaja del sexo1, 4, 5. En consonancia con esta idea, la varianza en la aptitud generada por la amitosis en relación con la mitosis aumenta aproximadamente de forma lineal con la ploidía (Vamit/Vmit ≈ n/(8Ud)), lo que explica por qué el beneficio de la amitosis en relación con la mitosis aumenta con la ploidía. Concluimos que la amitosis con control del número de copias cromosómicas confiere beneficios del sexo en ausencia de éste y puede explicar la alta incidencia de linajes obligatoriamente asexuales en Tetrahymena19.