Vaikka se on harvinaista kaikissa säilykeeläimissä, pakollisesti suvuttomia sukulinjoja on runsaasti ja mahdollisesti muinaisia Tetrahymena-suvussa19. Syytä tähän runsauteen ei tunneta. Yksi mahdollisuus on, että Tetrahymenan erikoisen genomisen arkkitehtuurin ansiosta se voi välttää joitakin suvuttomuuden kielteisiä seurauksia19, 24. Ciliatit ovat mikrobiologisia eukaryootteja, joille on ominaista sukusolujen ja somaattisten toimintojen erottaminen kahdeksi erityyppiseksi ytimeksi yhden solun sisällä. Somaattisessa makronukleuksessa (MAC) tapahtuu kaikki transkriptio kasvun ja suvuttoman lisääntymisen aikana, ja ituradan mikronukleus (MIC) vastaa geneettisen materiaalin siirtymisestä sukupuolisen konjugaation aikana (kuva 1). Konjugaation jälkeen zygoottinen ydin jakautuu ja erilaistuu kahdentyyppisiin ytimiin (kuvat 1a,b). Tämän erilaistumisen aikana makrotumaisen ytimen genomissa tapahtuu massiivisia uudelleenjärjestelyjä, joiden tuloksena syntyy genomi, jossa on monia pieniä, erittäin polyploidisia, akentromerisia kromosomeja25. Tämä genomin rakenne johtaa amitoottiseen makronukleaariseen jakautumiseen (kuva 1c,d). Amitoosi synnyttää yksilöiden välistä vaihtelua kunkin alleelin määrässä lokuksessa. Useimmilla säilyke-eläimillä amitoosi johtaa siihen, että jälkeläisten kromosomien määrä vaihtelee, mikä johtaa lopulta senesenssiin ja kuolemaan26. Tetrahymenoilla on kuitenkin tuntematon mekanismi, jolla kontrolloidaan kromosomien kopiomäärää amitoosin aikana ja joka johtaa suunnilleen pysyvään ploidiaan27. 25 prosentilla 2 609 Tetrahymenan kaltaisesta luonnonvaraisesta isolaatista ei ollut MIC:tä, joten ne olivat suvuttomia19. Testataksemme, voiko amitoosi, jossa kromosomien kopiolukumäärää kontrolloidaan, selittää suvuttoman Tetrahymenan suhteellisen menestyksen, tutkimme eri lisääntymismuotojen, ydinjakautumisen ja ploidian evolutiivisia seurauksia.
Kaavio seksuaalisesta konjugaatiosta ja sitä seuraavasta kahdesta suvuttomasta jakautumissyklistä. Yksinkertaisuuden vuoksi on esitetty vain yksi kromosomi: se esiintyy kahtena kopiona mikrotumakkeessa (MIC) ja kuutena kopiona makrotumakkeessa (MAC) (todellisuudessa kukin kromosomi esiintyy 45 kopiona Tetrahymena thermophilan MAC:ssä). a, Seksuaalisen lisääntymisen (konjugaation) aikana diploidinen MIC läpikäy meioosin27,28. b, Kaksi solua voi fuusioitua ohimenevästi keskenään ja vaihtaa haploidisia meioottisia tuotteita. Paikallaan oleva meioottinen tuote fuusioituu sitten siirretyn meioottisen tuotteen kanssa tuottaen uuden diploidisen zygoottisen ytimen, joka jakautuu tuottaen uuden MIC:n ja MAC:n (vanha MAC tuhoutuu). Sukupuolettomassa lisääntymisessä (c, d) MIC jakautuu mitoosilla, kun taas MAC jakautuu amitoosilla. Amitoosi mahdollistaa vanhempien kromosomien satunnaisen jakautumisen tyttärisolujen kesken, mikä tuottaa vaihtelua yksilöiden välillä. Tämä johtaa lopulta fenotyyppiseen lajittumiseen, jossa MAC:n yksittäisistä kromosomeista tulee täysin homotsygootteja useiden sukupolvien kuluessa29 (e). T. thermophilalla on tuntematon kopioluvun valvontamekanismi, joka johtaa siihen, että jokaisessa tytärsolussa on suunnilleen yhtä monta homologista kromosomia27.
Useimmat mutaatiot, joilla on vaikutuksia kuntoon, ovat haitallisia, mutta luonnonvalinta ei pysty poistamaan niitä kaikkia populaatioista. Tämän seurauksena monet yksilöt kantavat haitallisia mutaatioita, jotka heikentävät niiden kuntoa, mikä johtaa populaatioiden keskimääräisen kunnon alenemiseen eli mutaatiokuormitukseen. Aloitamme tutkimalla, missä määrin amitoosi kromosomien kopioluvun valvonnalla vaikuttaa mutaatiokuormitukseen. Sukupuolimattomien diploidien populaation, joka lisääntyy mitoosin avulla, odotetaan osoittavan seuraavaa keskimääräistä kuntoa tasapainotilanteessa30-33:
jossa Ud = 2Lµd on haitallinen mutaationopeus diploidista genomia kohti sukupolvea kohti, L on kuntoon vaikuttavien lokusten lukumäärä ja µd on haitallinen mutaationopeus lokusta kohti sukupolvea kohti (ks. lisätiedot). Sitä vastoin, jos suvuton diploidinen populaatio lisääntyy amitoosin avulla, sen keskimääräinen kunto tasapainotilanteessa on
, jossa sd < 0 on haitallisen mutaation vaikutus kuntoarvoon homotsygoottisessa tilassa (ks. Supplementary Information). Tämä skenaario on puhtaasti teoreettinen, koska minkään diploidin ytimen ei tiedetä lisääntyvän amitoottisesti. Yhtälöt 1 ja 2 perustuvat useisiin oletuksiin: (i) populaation koko on hyvin suuri, joten geneettinen ajelehtiminen voidaan jättää huomiotta; (ii) mutaatiot ovat peruuttamattomia; µd on (iii) pieni ja (iv) yhtäläinen kaikissa lokuksissa; (v) kuntoilulokusten välillä vallitsee linkitystasapaino; kaikilla mutaatioilla (vi) on sama haitallinen vaikutus sd, ja ne vaikuttavat kuntoiluun (vii) additiivisesti lokusten sisällä (eli ne ovat codominantteja) ja (viii) multiplikatiivisesti lokusten välillä (eli ne eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa epistaattisesti). Yhtälöt 1 ja 2 osoittavat, että amitoosi voi vähentää mutaatiokuormaa verrattuna mitoosiin diploidipopulaatioissa. Jos esimerkiksi Ud = 0,1 ja sd = -0,1, keskimääräinen fitness tasapainossa on Ŵmit = 0,905 mitoosissa ja Ŵamit = 0,945 amitoosissa. Näin ollen amitoosilla on mitoosiin nähden valikoiva etu Ŵamit/Ŵmit – 1 = 4,4 %. Haitallisen mutaationopeudella Ud on suuri vaikutus amitoosin hyötyyn: Ud:n arvon kaksinkertaistaminen yli kaksinkertaistaa amitoosin edun 9,1 prosenttiin (kuva 2a). Haitallisen mutaation valintakertoimella, sd, on kuitenkin verrattain pieni vaikutus amitoosin hyötyyn: mutaatioiden tekeminen kymmenesosan verran haitallisemmiksi (sd = -0,01) saa amitoosin edun kasvamaan vain 5,0 %:iin (kuva 2b).
Arvot osoittavat amitoosin valikoivan edun mitoosiin nähden, Ŵamit/Ŵmit – 1, eri ploidioilla (ŴX on lisääntymisstrategiaa X noudattavien yksilöiden populaation keskimääräinen kunto tasapainossa tietyllä ploidiudella). a, Genomisen haitallisen mutaationopeuden Ud vaikutus. Yhtenäiset viivat kuvaavat valikoivaa etua, joka vastaa vakioarvoja Ud:lle kaikilla ploidioilla. Katkoviivalla oletetaan, että ploidian kaksinkertaistuminen johtaa Ud:n 10 prosentin kasvuun. Mutaatioiden haitallinen vaikutus on sd = -0,1 kaikilla ploidioilla. b, Haitallisen mutaation valintakertoimen sd vaikutus. Asetamme Ud = 0,1 kaikilla ploidioilla. Sekä a:ssa että b:ssä oletimme, että kuntolokuksia on L = 100. Huomaa, että ploidia on esitetty log-asteikolla.
Kopioluvun kontrolloimalla tapahtuvaa amitoosia havaitaan Tetrahymena-suvussa, jonka makronukleaarisen genomin ploidia on korkea (esim. T. thermophila ovat 45-ploidisia). Mielenkiintoista on, että amitoosista saatava hyöty suhteessa mitoottisesti lisääntyvään organismiin, jolla on sama ploidia, kasvaa ploidian myötä (kuva 2). Jos esimerkiksi Ud = 0,1 ja sd = -0,1, amitoosin hyöty kasvaa 6,7 prosenttiin tetraploideissa, 7,9 prosenttiin oktoploideissa, 8,7 prosenttiin 16-ploideissa ja niin edelleen. Jos ploidia kasvaa edelleen, amitoosista saatava hyöty pienenee. Nämä odotetut hyödyt ovat konservatiivisia, koska niissä oletetaan, että haitallinen mutaationopeus Ud on vakio eri ploidioissa. Jos esimerkiksi ploidian kaksinkertaistuminen aiheuttaa Ud:n 10 prosentin kasvun, amitoosista saatava hyöty olisi huomattavasti suurempi korkeilla ploidioilla (kuva 2a, katkoviiva). Mutaatioiden kasautumista koskevassa tutkimuksessa arvioitiin, että T. thermophilan haitallinen mutaatiotiheys MIC:ssä on 
per genomi per sukupolvi ja että mutaatioiden odotettu haitallinen vaikutus on 
homotsygoottisessa tilassa34. Jos oletamme, että MAC-genomissa on 
ja 
, arvioimme, että amitoosilla on 21,0 %:n hyöty suhteessa mitoosiin tässä lajissa.
Tähänastisissa analyyseissä on jätetty huomiotta geneettisen ajautumisen vaikutus. Drift voi aiheuttaa sen, että populaatioon kertyy stokastisesti haitallisia mutaatioita, mikä lisää edelleen geneettistä kuormitusta eli drift-kuormaa32, 35, 36. Sukupuolettomilla lajeilla tämä ilmiö tunnetaan nimellä Muller’s ratchet6, 37, 38. Arvioimme nyt, missä määrin kopioluvun hallintaan liittyvä amitoosi voi hidastaa ajautumiskuorman kasautumista. Populaatioissa, joissa on N = 10 tai 100 diploidista mitoottista yksilöä, esiintyy voimakasta Muller’s ratchet -ilmiötä, kun Ud = 0,1 ja sd = -0,1 (kuva 3a). Populaatiokoon kasvattaminen N = 103 yksilöön saa aikaan sen, että ratchet hidastuu huomattavasti, jolloin populaatiot saavuttavat mutaatio-selektiotasapainon (kuva 3a). Amitoosin kautta tapahtuva lisääntyminen tekee populaatioista vähemmän alttiita Mullerin ratchetille. Drift-kuorman kertyminen hidastuu 39 % (95 %:n luottamusväli, CI: 31 %, 46 %) diploidipopulaatioissa, joissa on N = 10 yksilöä, ja käytännössä pysähtyy populaatioissa, joissa on N = 100 yksilöä (kuva 3c).
Keskimääräisen kelpoisuuden evolutiiviset vasteet erikokoisissa (N) ja -plodisissa (n) populaatioissa, jotka noudattavat erilaisia lisääntymisstrategioita. Viivat osoittavat 100 populaation stokastisten simulaatioiden keskiarvot; tummennetut alueet edustavat 95 %:n CI:tä. a, Mitoosi diploideissa (n = 2). b, Mitoosi, kun ploidia on n = 45. c, Amitoosi diploideissa (n = 2). d, Amitoosi, kun ploidia on n = 45. Oletimme, että L = 100 fitness-locia, että genominen haitallinen mutaationopeus on Ud = 0,1 sukupolvea kohti, että mutaatioiden haitallinen vaikutus on sd = -0,1 homotsygoottisessa tilassa ja että aluksi kaikki yksilöt ovat mutantittomia. Huomaa, että kunto on esitetty log-asteikolla.
Amitoosin hyöty ajelehtimiskuorman kertymisen hidastamisessa, kuten deterministinenkin hyöty, kasvaa ploidian myötä. Mullerin ratchet toimii niinkin suurissa populaatioissa kuin N = 104 mitoottista 45-ploidista yksilöä (kuva 3b). Amitoosi pystyy pysäyttämään ajautumiskuorman kertymisen populaatioissa, joissa on vain N = 100 45-ploidista yksilöä (kuva 3d). Jopa silloin, kun amitoottiset populaatiot ovat tarpeeksi pieniä kasatakseen ajelehtimiskuormaa, ne tekevät sen hitaammin kuin mitoottiset populaatiot. Esimerkiksi populaatiot, joissa on N = 10 amitoottista 45-ploidista yksilöä, kerryttävät ajautumiskuormaa 64 % (95 % CI: 59 %, 68 %) hitaammin kuin samankokoiset mitoottiset populaatiot (Kuva 3b,d).
Tähän mennessä havaitut edut, joita amitoosilla on mitoosiin nähden, ovat samankaltaisia kuin edut, joita seksuaalisella lisääntymisellä on suvuttomaan lisääntymiseen nähden. Diploideissa seksuaalinen lisääntyminen itsemääräämällä antaa deterministisen edun mitoosiin nähden, joka on lähes identtinen yhtälöissä 1 ja 2 esitetyn aseksuaalisen amitoosin edun kanssa (ks. lisätiedot). Toisin kuin amitoosissa, sukupuolisukupuolistuminen satunnaisparittelun avulla diploideissa antaa deterministisen edun suvuttomaan lisääntymiseen nähden vain, jos haitallisten mutaatioiden välillä on negatiivinen epistaasi7, 39 tai jos haitalliset mutaatiot ovat osittain resessiivisiä40, 41. Sukupuoli voi myös vaikuttaa Mullerin salpaan6, 37, samoin kuin amitoosi (kuva 3a, c). Ovatko suvuttoman amitoosin edut myös samanlaisia kuin seksuaalisen lisääntymisen edut, kun ploidia on korkea? Tutkimme tätä kysymystä T. thermophilan kaltaisen 45-ploidisen organismin N = 20 yksilön populaatioissa, joissa Ud = 0,1 ja sd = -0,1. Amitoosi hidastaa ajautumiskuorman kertymistä suhteessa mitoosiin 90 % (95 % CI: 88 %, 92 %; kuva 4a). T. thermophilan kaltainen organismi, joka kuitenkin lisääntyy sukupuolisesti ja risteytyy joka sukupolvella (eli pakollinen sukupuolisuus ilman amitoosia) ja tuottaa sitten 45-ploidisen makrotumakrotumakkeen rekombinanttidiploidisesta mikrotumakkeesta (ks. kuvat 1a,b), hidastaisi ajelehtimiskuorman kertymistä 92 % (95 %:n kriittinen kontaktipiste: 90 %, 94 %; τ = 1, kuva 4a). T. thermophila ei kuitenkaan pysty lisääntymään sukupuolisesti joka sukupolvessa, vaan se tarvitsee ∼ 100 suvutonta solunjakautumista saavuttaakseen sukukypsyyden42, 43. Fakultatiivinen sukupuolittuminen joka τ = 100 sukupolvi hidastaa ratchetia vain 68 % (95 % CI: 64 %, 72 %; mitattuna sen sukupolven kunnon perusteella, joka on välittömästi ennen populaation lisääntymistä sukupuolisesti), mikä on paljon vähemmän kuin amitoosi (kuva 4a). Amitoosista saatava hyöty on myös verrattavissa sukupuolituksesta saatavaan hyötyyn suuremmissa populaatioissa hyödyllisten mutaatioiden esiintyessä. Evolutiivisessa skenaariossa, jossa suvuttomat populaatiot eivät pysty sopeutumaan, sekä amitoosi että pakollinen seksi joka sukupolvi (τ = 1) mahdollistavat populaatioiden sopeutumisen, ja nopeammin kuin fakultatiivinen seksi joka τ = 100 sukupolvi (kuva 4b).
Populaatioiden keskimääräisen kelpoisuuden evolutiiviset reaktiot erilaisilla lisääntymisstrategiakeinoilla. Viivat kuvaavat 500 populaation stokastisten simulaatioiden keskiarvoja; tummennetut alueet edustavat 95 %:n CI:tä. a, N = 20 yksilön populaatiot, joissa haitallisten mutaatioiden määrä on Ud = 0,1 per genomi per sukupolvi. Kaikki mutaatiot ovat haitallisia, ja niiden valintakerroin on sd = -0,1 homotsygoottisessa tilassa. b, N = 103 yksilön populaatiot, joissa perimän mutaationopeus on U = 0,1 sukupolvea kohti; 99 % mutaatioista on haitallisia ja 1 % hyödyllisiä, ja niiden valintakertoimet ovat sd = -0,1 ja sb = 0,1. Oletimme, että yksilöiden MAC-ploidia on n = 45 ja L = 100 fitness-locia ja että aluksi niillä ei ole mutaatioita. Sukupuolinen lisääntyminen tapahtuu satunnaisella parittelulla ja vapaalla rekombinaatiolla τ sukupolven välein. Huomaa, että fitness on esitetty log-asteikolla.
Kuvassa 4 esitetyt tulokset herättävät sen kiehtovan mahdollisuuden, että amitoosi on itse asiassa evolutiivisesti parempi kuin fakultatiivinen sukupuolisuus T. thermophilassa ja sen sukulaisissa, joilla on τ ≈ 100. Jos tämä pitää paikkansa, tämä johtaisi ennusteeseen, jonka mukaan suvuttomien sukulinjojen pitäisi syrjäyttää seksuaaliset Tetrahymenassa. Tämä voisi selittää, miksi pakollisesti suvuttomia sukulinjoja on Tetrahymenassa runsaasti19. Jos tämä selitys pitää paikkansa, odottaisimme, että Tetrahymenan suvuttomissa linjoissa ei näkyisi tyypillisiä merkkejä haitallisten mutaatioiden kiihtyneestä kertymisestä verrattuna niiden seksuaalisiin sukulaisiin13-18.
Edellisessä kappaleessa esitetty hypoteesi voi olla virheellinen kahdesta syystä. Ensinnäkin analyysimme saattaa yliarvioida amitoosista saatavan hyödyn suhteessa fakultatiiviseen sukupuoleen. Hypoteesimme olettaa, että kromosomien kopiolukujen hallinta amitoosin aikana on täydellistä tai ainakin erittäin tarkkaa evolutiivisella aikaskaalalla. Kopiomäärän hallinnan tarkkuutta ei kuitenkaan tunneta edes T. thermophilassa. Kromosomien kopioluvun kontrollointi voi olla epätarkempaa kuin oletimme ja siten antaa Tetrahymenalle pienemmän hyödyn. Toiseksi analyysimme saattaa aliarvioida fakultatiivisen sukupuolen hyötyä amitoosiin verrattuna. Olemme tarkastelleet vain kahta mahdollista sukupuolesta saatavaa hyötyä, jotka molemmat ovat luonteeltaan ”mutaatiohyötyjä ”4 . Muiden sukupuolesta saatavien hyötyjen osalta ei ole varmaa, että ne ovat samankaltaisia. Emme esimerkiksi ole ottaneet huomioon sukupuolen mahdollisia hyötyjä bioottisten vuorovaikutusten yhteydessä3, 10, 11. Vaikka hypoteesimme pitäisikin paikkansa, on myös mahdollista, että suvuttoman Tetrahymenan suhteelliseen menestykseen vaikuttaa muitakin tekijöitä. On esimerkiksi ehdotettu, että pelkkä korkea ploidia voi estää haitallisten mutaatioiden kertymisen geenikonversion kautta23. Tätä ehdotettua etua ei kuitenkaan ole mallinnettu, ja siksi sitä on vaikea arvioida.
Mikä on tässä havaittujen amitoosin etujen mekanistinen perusta? Tärkein ero näiden kahden ydinjakautumistyypin välillä on se, että amitoosi voi sukupuolen tavoin tuottaa enemmän geneettistä kuntovaihtelua kuin mitoosi. Esimerkiksi n-ploidisen yksilön (oletamme yksinkertaisuuden vuoksi, että n on parillinen), jolla on n/2 villityyppistä alleelia ja n/2 haitallista alleelia, kunto on W = 1 – sd/2. Mutaatio tuottaa kuntoarvojen vaihtelua
joka sukupolvi, jossa ud = nµd on haitallisten mutaatioiden määrä lokuksessa sukupolvea kohti. Mitoosin ei odoteta synnyttävän mutaation lisäksi kuntovaihtelua (eli Vmit = Vmut). Amitoosi lisää kuitenkin kuntovariaatiota entisestään
joka sukupolvi44. Koska Ud on todennäköisesti pieni, amitoosin odotetaan lisäävän kelpoisuuden varianssia paljon enemmän kuin mutaatio ja siten mitoosi (Vamit ≫ Vmit).
Esityksemme on, että amitoosi lisää kelpoisuuden additiivista geneettistä varianssia, mikä tekee luonnonvalinnasta tehokkaampaa – analogisesti Weismannin hypoteesiin sukupuolen edusta1, 4, 5. Tämän ajatuksen mukaisesti amitoosin tuottama kuntovarianssi suhteessa mitoosiin kasvaa suunnilleen lineaarisesti ploidian myötä (Vamit/Vmit ≈ n/(8Ud)), mikä selittää, miksi amitoosin hyöty suhteessa mitoosiin kasvaa ploidian myötä. Päättelemme, että amitoosi kromosomien kopioluvun kontrollin kanssa antaa sukupuolen etuja sukupuolen puuttuessa ja voi selittää pakollisesti suvuttomien sukulinjojen suuren esiintyvyyden Tetrahymena19:ssä.