L’amitose confère les avantages du sexe en l’absence de sexe à Tetrahymena

Bien que rares dans l’ensemble des ciliés, les lignées obligatoirement asexuées sont abondantes, et peut-être anciennes, dans le genre Tetrahymena19. La raison de cette abondance est inconnue. Une possibilité est que l’architecture génomique particulière de Tetrahymena lui permet d’éviter certaines des conséquences négatives de l’asexualité19, 24. Les ciliés sont des eucaryotes microbiens caractérisés par la séparation des fonctions germinales et somatiques en deux types distincts de noyaux au sein d’une seule cellule. Le macronoyau somatique (MAC) est le site de toute la transcription pendant la croissance et la reproduction asexuée, et le micronoyau germinal (MIC) est responsable de la transmission du matériel génétique pendant la conjugaison sexuelle (Fig. 1). Après la conjugaison, le noyau zygotique se divise et se différencie en deux types de noyaux (Fig. 1a,b). Au cours de cette différenciation, le génome macronucléaire subit des réarrangements massifs qui aboutissent à un génome comportant de nombreux petits chromosomes acentromères hautement polyploïdes25. Cette structure du génome entraîne une division amitotique des macronucléaires (Fig. 1c,d). L’amitose génère une variation entre les individus du nombre de chaque allèle à un locus. Chez la plupart des ciliés, l’amitose entraîne un nombre différent de chromosomes parmi la progéniture, ce qui conduit finalement à la sénescence et à la mort26. Cependant, les Tetrahymena ont un mécanisme inconnu pour contrôler le nombre de copies de chromosomes pendant l’amitose, ce qui entraîne une ploïdie à peu près constante27. 25 % des 2 609 isolats sauvages de Tetrahymena-like étaient dépourvus de CMI et étaient donc asexués19. Pour vérifier si l’amitose avec contrôle du nombre de copies de chromosomes peut expliquer le succès relatif des Tetrahymena asexués, nous avons examiné les conséquences évolutives de diverses formes de reproduction, de division nucléaire et de ploïdie.

La plupart des mutations ayant des effets sur la fitness sont délétères mais la sélection naturelle ne peut pas toutes les éliminer des populations. Par conséquent, de nombreux individus sont porteurs de mutations délétères qui réduisent leur fitness, ce qui entraîne une réduction de la fitness moyenne des populations, ou charge de mutation. Nous commençons par étudier dans quelle mesure l’amitose avec contrôle du nombre de copies de chromosomes affecte la charge de mutation. Une population de diploïdes asexués qui se reproduit par mitose devrait présenter la fitness moyenne suivante à l’équilibre30-33:où Ud = 2Lµd est le taux de mutation délétère par génome diploïde par génération, L est le nombre de loci influençant la fitness, et µd est le taux de mutation délétère par locus par génération (voir Informations supplémentaires). En revanche, si une population diploïde asexuée se reproduit par amitose, sa fitness moyenne à l’équilibre est donnée paroù sd < 0 est l’effet sur la fitness d’une mutation délétère dans un état homozygote (voir Informations supplémentaires). Ce scénario est purement théorique car aucun noyau diploïde n’est connu pour se reproduire de manière amitotique. Les équations 1 et 2 reposent sur plusieurs hypothèses : (i) la taille de la population est très grande, ce qui permet d’ignorer la dérive génétique ; (ii) les mutations sont irréversibles ; µd est (iii) faible et (iv) égal entre les loci ; (v) il existe un équilibre de liaison entre les loci de fitness ; toutes les mutations (vi) ont le même effet délétère sd, et contribuent au fitness (vii) de manière additive au sein des loci (c’est-à-dire qu’elles sont codominantes) et (viii) de manière multiplicative entre les loci (c’est-à-dire qu’elles n’interagissent pas de manière épistatique). Les équations 1 et 2 montrent que l’amitose peut réduire la charge de mutation par rapport à la mitose dans les populations diploïdes. Par exemple, si Ud = 0,1 et sd = -0,1, la fitness moyenne à l’équilibre est Ŵmit = 0,905 sous mitose et Ŵamit = 0,945 sous amitose. Ainsi, l’amitose présente un avantage sélectif sur la mitose de Ŵamit/Ŵmit – 1 = 4,4%. Le taux de mutation délétère, Ud, a un effet important sur l’avantage de l’amitose : doubler la valeur de Ud fait plus que doubler l’avantage de l’amitose à 9,1% (Fig. 2a). Le coefficient de sélection d’une mutation délétère, sd, a cependant un effet comparativement faible sur le bénéfice de l’amitose : rendre les mutations un dixième aussi délétères (sd = -0,01) fait passer l’avantage de l’amitose à seulement 5,0% (Fig. 2b).

L’ammitose avec contrôle du nombre de copies est observée dans le genre Tetrahymena, qui a une ploïdie élevée dans son génome macronucléaire (par exemple, T. thermophila sont 45-ploïdes). Il est intéressant de noter que le bénéfice de l’amitose par rapport à un organisme à reproduction mitotique de même ploïdie augmente avec la ploïdie (Fig. 2). Par exemple, si Ud = 0,1 et sd = -0,1, le bénéfice de l’amitose passe à 6,7% chez les tétraploïdes, 7,9% chez les octoploïdes, 8,7% chez les 16-ploïdes, et ainsi de suite. Des augmentations supplémentaires de la ploïdie entraînent des rendements décroissants du bénéfice de l’amitose. Ces bénéfices attendus sont prudents car ils supposent que le taux de mutation délétère, Ud, est constant entre les ploïdies. Si, par exemple, le doublement de la ploïdie entraîne une augmentation de 10 % de Ud, le bénéfice de l’amitose serait nettement plus important pour les ploïdies élevées (figure 2a, ligne pointillée). Une étude sur l’accumulation des mutations a estimé que T. thermophila a un taux de mutation délétère dans le MAC de par génome par génération et que les mutations ont un effet délétère attendu de à l’état homozygote34. Si nous supposons que le génome de MAC a et , nous estimons que l’amitose a un avantage de 21,0% par rapport à la mitose dans cette espèce.

Les analyses jusqu’à présent ont ignoré l’effet de la dérive génétique. La dérive peut amener une population à accumuler des mutations délétères de manière stochastique, augmentant encore la charge génétique, ou charge de dérive32, 35, 36. Chez les asexués, ce phénomène est connu sous le nom de cliquet de Muller6, 37, 38. Nous évaluons maintenant dans quelle mesure l’amitose avec contrôle du nombre de copies peut ralentir l’accumulation de la charge de dérive. Les populations de N = 10 ou 100 individus mitotiques diploïdes connaissent un fort cliquet de Muller lorsque Ud = 0,1 et sd = -0,1 (Fig. 3a). En augmentant la taille de la population à N = 103 individus, le cliquet ralentit considérablement, permettant aux populations d’atteindre l’équilibre mutation-sélection (Fig. 3a). La reproduction par amitose rend les populations moins sensibles au cliquet de Muller. L’accumulation de la charge de dérive ralentit de 39% (intervalle de confiance à 95%, IC : 31%, 46%) dans les populations diploïdes de N = 10 individus, et s’arrête effectivement dans les populations de N = 100 individus (Fig. 3c).

Le bénéfice de l’amitose pour ralentir l’accumulation de la charge de dérive, comme le bénéfice déterministe, augmente avec la ploïdie. Le cliquet de Muller fonctionne dans des populations aussi grandes que N = 104 individus mitotiques 45-ploïdes (figure 3b). L’amitose est capable de stopper l’accumulation de la charge de dérive dans des populations comportant aussi peu que N = 100 individus 45-ploïdes (Fig. 3d). Même lorsque les populations amitotiques sont suffisamment petites pour accumuler la charge de dérive, elles le font plus lentement que les populations mitotiques. Par exemple, les populations de N = 10 individus 45-ploïdes amitotiques accumulent la charge de dérive 64% (95% CI : 59%, 68%) plus lentement que les populations mitotiques de la même taille (Fig. 3b,d).

Les avantages de l’amitose par rapport à la mitose identifiés jusqu’à présent sont analogues aux avantages de la reproduction sexuelle par rapport à la reproduction asexuée. Chez les diploïdes, la reproduction sexuée par selfing confère un avantage déterministe sur la mitose presque identique à celui de l’amitose asexuée montré dans les équations 1 et 2 (voir Informations supplémentaires). Contrairement à l’amitose, le sexe avec accouplement aléatoire chez les diploïdes ne confère un avantage déterministe par rapport à la reproduction asexuée que s’il existe une épistasie négative entre les mutations délétères7, 39, ou si les mutations délétères sont partiellement récessives40, 41. Le sexe peut également contrecarrer le cliquet de Muller6, 37, tout comme l’amitose (Fig. 3a,c). Les avantages de l’amitose asexuée sont-ils également similaires à ceux de la reproduction sexuée lorsque la ploïdie est élevée ? Nous avons étudié cette question dans des populations de N = 20 individus d’un organisme 45-ploïde comme T. thermophila avec Ud = 0,1 et sd = -0,1. L’amitose ralentit l’accumulation de la charge de dérive par rapport à la mitose de 90% (95% CI : 88%, 92% ; Figure 4a). Un organisme comme T. thermophila mais se reproduisant sexuellement, avec des croisements externes, à chaque génération (c’est-à-dire, sexe obligatoire sans amitose) et générant ensuite un macronoyau 45-ploïde à partir du micronoyau diploïde recombinant (voir Fig. 1a,b) ralentirait l’accumulation de la charge de dérive de 92% (95% CI : 90%, 94% ; τ = 1, Fig. 4a). Cependant, T. thermophila ne peut pas se reproduire sexuellement à chaque génération ; il lui faut plutôt ∼ 100 divisions cellulaires asexuées pour atteindre la maturité sexuelle42, 43. Le sexe facultatif toutes les τ = 100 générations ne ralentit le cliquet que de 68 % (IC 95 % : 64 %, 72 % ; mesuré sur la base de la fitness de la génération immédiatement avant la reproduction sexuelle de la population), soit beaucoup moins que l’amitose (Fig. 4a). Le bénéfice de l’amitose est également comparable à celui du sexe dans des populations plus importantes en présence de mutations bénéfiques. Dans un scénario évolutif dans lequel les populations asexuées ne sont pas capables de s’adapter, l’amitose et le sexe obligatoire à chaque génération (τ = 1) permettent tous deux aux populations de s’adapter, et plus rapidement que le sexe facultatif tous les τ = 100 générations (Fig. 4b).

Les résultats présentés dans la figure 4 soulèvent la possibilité intrigante que l’amitose est en fait supérieure sur le plan évolutif au sexe facultatif chez T. thermophila et ses parents, qui ont τ ≈ 100. Si cela est vrai, cela conduirait à la prédiction que les lignées asexuées devraient supplanter les lignées sexuées chez Tetrahymena. Cela pourrait expliquer pourquoi les lignées obligatoirement asexuées sont abondantes chez Tetrahymena19. Si cette explication est correcte, nous nous attendrions à ce que les lignées asexuées de Tetrahymena ne présentent pas les signes typiques d’accumulation accélérée de mutations délétères par rapport à leurs parents sexuels13-18.

L’hypothèse exposée dans le paragraphe précédent peut être invalide pour deux raisons. Premièrement, notre analyse peut surestimer le bénéfice de l’amitose par rapport au sexe facultatif. Notre hypothèse suppose que le contrôle du nombre de copies de chromosomes pendant l’amitose est parfait, ou du moins, très précis sur une échelle de temps évolutive. Cependant, la précision du contrôle du nombre de copies est inconnue, même chez T. thermophila. Le contrôle du nombre de copies de chromosomes pourrait être moins précis que nous l’avons supposé et, par conséquent, conférer un avantage moindre à Tetrahymena. Deuxièmement, notre analyse peut sous-estimer l’avantage du sexe facultatif par rapport à l’amitose. Nous n’avons considéré que deux avantages possibles du sexe, tous deux de nature « mutationnelle « 4. Il n’est pas garanti que d’autres avantages du sexe présentent le même schéma. Par exemple, nous n’avons pas considéré les avantages potentiels du sexe face aux interactions biotiques3, 10, 11. Même si notre hypothèse est correcte, il est également concevable que d’autres facteurs contribuent au succès relatif des Tetrahymena asexués. Par exemple, il a été proposé que la ploïdie élevée seule puisse inhiber l’accumulation de mutations délétères par la conversion de gènes23. Cependant, cet avantage proposé n’a pas été modélisé, et il est donc difficile à évaluer.

Quelle est la base mécanistique des avantages de l’amitose identifiés ici ? La principale différence entre les deux types de division nucléaire est que l’amitose, comme le sexe, peut générer plus de variation génétique dans la fitness que la mitose. Par exemple, un individu n-ploïde (nous supposons que n est pair pour simplifier) avec n/2 allèles de type sauvage et n/2 allèles délétères aura une valeur adaptative de W = 1 – sd/2. La mutation générera une variance dans la valeur adaptative dechaque génération, où ud = nµd est le taux de mutation délétère au locus par génération. On ne s’attend pas à ce que la mitose génère une variance de la fitness en plus de la mutation (c’est-à-dire Vmit = Vmut). Cependant, l’amitose augmentera encore la variance de la valeur adaptativeà chaque génération44. Puisque Ud est susceptible d’être faible, on s’attend à ce que l’amitose augmente la variance de la fitness dans une mesure beaucoup plus importante que la mutation, et donc que la mitose (Vamit ≫ Vmit).

Nous proposons que l’amitose entraîne une augmentation de la variance génétique additive de la fitness, rendant ainsi la sélection naturelle plus efficace – un analogue de l’hypothèse de Weismann pour l’avantage du sexe1, 4, 5. Conformément à cette idée, la variance de la fitness générée par l’amitose par rapport à la mitose augmente approximativement linéairement avec la ploïdie (Vamit/Vmit ≈ n/(8Ud)), ce qui explique pourquoi l’avantage de l’amitose par rapport à la mitose augmente avec la ploïdie. Nous concluons que l’amitose avec contrôle du nombre de copies chromosomiques confère des avantages du sexe en l’absence de sexe et peut expliquer la forte incidence des lignées obligatoirement asexuées chez Tetrahymena19.