繊毛虫全体では珍しいが、Tetrahymena属では義務的無性系統が豊富で、おそらく古代からのものである19。 この豊富な理由は不明である。 1つの可能性として，テトラヒメナの特異なゲノム構造によって，無性化によってもたらされる負の影響のいくつかを回避することができたと考えられる19, 24． 繊毛虫は、1つの細胞内で生殖機能と体細胞機能が2つの異なるタイプの核に分離していることを特徴とする微生物性真核生物である。 体細胞巨核（MAC）は、成長と無性生殖の際にすべての転写を行う場所であり、生殖細胞微核（MIC）は、有性生殖の際に遺伝物質の伝達を行う場所である（図1）。 結合後、接合核は分裂し、2種類の核に分化する（図1a,b）。 この分化の過程で、大核のゲノムは大規模な再配列を受け、多数の小型の高度倍数体、先体染色体を持つゲノムになる25。 このようなゲノム構造により、アミトーシス的な大核の分裂が起こる（図1c,d）。 アミトーシスにより、遺伝子座の各アレルの数は個体間でばらつきが生じる。 多くの繊毛虫では、アミトーシスによって子孫の染色体数が異なり、最終的には老化と死に至る26。 しかし、四肢動物では、アミトーシス時に染色体コピー数を制御する未知のメカニズムが存在し、その結果、ほぼ一定の倍数性を保っている27。 Tetrahymena-like 野生株2,609株のうち25%はMICを欠き、したがって無性染色体であった19。 染色体コピー数制御を伴うアミトーシスが無性化テトラヒメナの相対的成功を説明できるかどうかを検証するために、様々な生殖形態、核分割、倍数性の進化的帰結を調べた。
有性結合と2回の無性分裂の概略図。 a、有性生殖（conjugation）では、2倍体のMICが減数分裂を行う27,28。 その後、常駐する減数分裂産物が移動した減数分裂産物と融合して新しい二倍体の接合核を生成し、それが分裂して新しいMICとMACを生成する（古いMACは破壊される）。 無性生殖（c,d）では、MICは有糸分裂で、MACは有糸分裂で分裂する。 アミトーシスにより、娘細胞間で親染色体がランダムに分離され、個体間の変異が生じる。 最終的には、MACの個々の染色体が数世代で完全にホモ接合になる表現型の取り合わせが生じる29 (e)。 T. thermophilaは未知のコピー数制御機構を持ち、娘細胞内の相同染色体の数はほぼ等しくなる27.
適応度に影響を与える突然変異はほとんどがdeleteriousだが、自然選択によりそのすべてを集団から取り除くことはできない。 その結果、多くの個体が致死的な突然変異を持ち、その個体の適応度を低下させ、集団の平均適応度の低下、すなわち突然変異負荷につながる。 我々はまず、染色体コピー数制御を伴うアミトーシスが突然変異負荷にどの程度影響を与えるかを調べることから始める。 有糸分裂で生殖する無性二倍体の集団は、平衡状態において以下の平均適応度を示すと予想される30-33：
ここでUd = 2Lμd は世代あたりの二倍体ゲノムあたりの削除性突然変異率、Lは適応度に影響を与える座位の数、μdは世代あたりの座位あたりの削除性突然変異率（補足説明参照）である。 一方、無性二倍体集団がアミトーシスで繁殖する場合、平衡状態での平均適応度は
で与えられ、sd < 0はホモ接合状態での劇症突然変異の適応度に対する影響である（補足情報を参照）。 このシナリオは純粋に理論的なもので、二倍体の核がアミトー的に繁殖することは知られていないからである。 式1および式2はいくつかの仮定に依存している。 (i)集団サイズが非常に大きいので遺伝的ドリフトを無視できる、(ii)突然変異は不可逆的である、µdは(iii)低く(iv)遺伝子座間で等しい、(v)適応度遺伝子座間で連鎖平衡がある、すべての突然変異は(vi)同じ破壊的効果sdを持っていて適応度に寄与する（vii）遺伝子座内で相加的に（つまり、コドミナミ） (viii)遺伝子座間で乗的に（つまり、エピステーショナルに相互作用しない）、です。 式1および式2は、アミトーシスが二倍体集団における有糸分裂に比べて突然変異負荷を減少させることができることを示している。 例えば、Ud = 0.1, sd = -0.1 とすると、平衡時の平均適応度は有糸分裂下ではŴmit = 0.905, 無糸分裂下ではŴamit = 0.945 となる。 したがって、アミトーシスは有糸分裂に対してŴamit/Ŵmit – 1 = 4.4%の選択的優位性を持っている。 このアミトーシスの選択的優位性には劇症突然変異率Udが大きく影響しており、Udの値を2倍にするとアミトーシスの優位性は2倍以上の9.1%になる（図2a）。 しかし、有害な突然変異の選択係数sdはアミトーシスの利点に比較的小さな影響を与える。突然変異を有害性の10分の1にすると（sd = -0.01）、アミトーシスの利点はわずか5.0％に増加する（図2b）。
値は、異なる倍数体における有糸分裂に対するアミトーシスの選択的優位性Ŵamit/Ŵmit – 1を示す（ŴXはある倍数体に対して繁殖戦略Xをとる個体群の平衡時の平均適応度である）。 破線は、倍数体が2倍になるとUdが10%増加すると仮定したもの。突然変異は、すべての倍数体においてsd=-0.1の劣化効果を持つ。 すべての倍数体においてUd = 0.1としている。 a,bともにL=100の適性遺伝子座が存在すると仮定した。 1383>
コピー数制御を伴うアミトーシスは、大核ゲノムの倍数性が高いテトラヒメナ属（例えば、T. thermophilaは45倍体）で観察されている。 興味深いことに、同じ倍数体の有糸分裂生殖生物と比較した場合のアミトーシスの効果は、倍数体とともに増加する（図2）。 例えば、Ud = 0.1, sd = -0.1とすると、アミトーシスの利益は4倍体で6.7%、8倍体で7.9%、16倍体で8.7%、というように増加する。 さらに倍数体が増加すると、アミトーシスの効果は逓減する。 これらの利点は、劇症突然変異率Udが倍数体間で一定であると仮定しているので、保守的である。 例えば、倍数体を2倍にするとUdが10%増加する場合、アミトーシスの利益は高倍数体においてかなり大きくなる（図2a、破線）。 突然変異蓄積研究により、T. thermophilaは1世代あたりゲノムあたり
のMICで、突然変異はホモ接合状態で
の劣化効果が期待できると見積もられている34。 MACのゲノムが
と
を持つと仮定すると、この種では有糸分裂に対して21.0%の利益があると推定される。
これまでの解析では遺伝ドリフトの影響は無視されてきた。 ドリフトは集団に劇症的な突然変異を確率的に蓄積させ、遺伝的負荷、すなわちドリフト負荷をさらに増大させる32, 35, 36。 無性生物ではこの現象はMullerのラチェットとして知られている6, 37, 38. そこで、コピー数制御を伴うアミトーシスによって、ドリフトロードの蓄積をどの程度遅らせることができるかを評価した。 N=10または100の二倍体有糸分裂個体の集団では、Ud=0.1、sd=-0.1のときに強いMullerのラチェットが発生した（図3a）。 N = 103個体まで個体数を増やすと、ラチェットはかなり緩やかになり、個体群は突然変異-選択平衡を達成することができる（図3a）。 アミトーシスによる生殖は、集団がMullerのラチェットの影響を受けにくくする。 ドリフト負荷の蓄積は、N=10個の二倍体集団で39%（95%信頼区間, CI: 31%, 46%）遅くなり、N=100個の集団では事実上停止する（図3c）。
異なるサイズ（N）と体数（n）の集団において、異なる繁殖戦略をとった場合の平均適応度の進化的な応答。 a, 二倍体（n = 2）の有糸分裂, b, n = 45の倍数体での有糸分裂, c, 二倍体（n = 2）の有糸分裂, d, n = 45の倍数体での有糸分裂. L = 100の適性遺伝子座、ゲノム上の突然変異率Ud = 0.1/世代、突然変異はホモ接合状態でsd = -0.1の劣化効果を持ち、初期状態ではすべての個体が突然変異を受けないと仮定した。 体力は対数スケールで示されていることに注意。
ドリフト負荷の蓄積を遅らせるというアミトーシスの利益は、決定論的利益と同様に、倍数性と共に増加する。 MullerのラチェットはN=104の有糸分裂した45倍体の個体で作動する(図3b)。 一方、アミトーシスは、45倍体の個体が100個程度しか存在しない集団においても、ドリフト負荷の蓄積を止めることができる（図3d）。 また、アミトーシスによるドリフト負荷の蓄積は、個体数が少ない場合でも有糸分裂による蓄積よりも緩やかである。 例えば、N=10の45倍体個体からなる集団は、同じサイズの有糸分裂の集団よりも64%（95% CI: 59%, 68%）遅くドリフト負荷を蓄積する（図3b,d）。
これまでに明らかになった有糸分裂に対する有糸分裂のメリットは、無性生殖に対する有性のメリットに類似している。 二倍体では、自殖による有性生殖は有糸分裂に対して、式1および2（補足情報参照）に示す無性アミトーシスの利点とほぼ同じ決定論的な利点を与える。 アミトーシスとは異なり、二倍体におけるランダム交配による有性生殖は、劇症変異の間に負のエピスタシスが存在する場合7, 39、または劇症変異が部分的に劣性である場合40, 41のみ無性生殖に対する決定論的優位性を与える。 また、性差はミュラーのラチェット6, 37を打ち消すことができ、アミトーシスとよく似ている（図3a,c）。 無性アミトーシスの利点も、倍数体数が多い場合の有性生殖の利点と同様なのだろうか？ Ud = 0.1, sd = -0.1であるT. thermophilaのような45倍体のN = 20個体の集団でこの問いを検討したところ、Ud = 0.1, sd = -0.1であった。 アミトーシスは有糸分裂に比べてドリフト負荷の蓄積を90%遅らせた（95% CI: 88%, 92%；図4a）。 T. thermophilaのような生物であっても、毎世代アウトクロスを伴う有性生殖を行い（すなわち、アミトーシスを伴わない義務的な性）、組換え2倍体小核から45倍体大核を生成する場合（図1a,b参照）、ドリフト負荷の蓄積を92%遅らせた（95% CI: 90%、94%、 τ = 1、図4a）ことになります。 しかし、T. thermophilaは毎世代有性生殖を行うことができず、有性成熟に至るまでに約100回の無性細胞分裂を必要とする42, 43。 しかし、T. thermophilaは毎世代有性生殖を行うことができず、有性成熟に至るまでに約100回の細胞分裂を必要とする42, 43。100世代ごとの有性生殖はラチェットの速度を68%（95% CI: 64%, 72%；有性生殖直前の世代の適応度に基づいて測定）と、アミトーシスよりもはるかに遅くする（図4a）。 また、アミトーシスによる利益は、有益な突然変異が存在する大きな集団では、有性による利益と同程度である。 無性生殖の集団が適応できない進化的シナリオでは，アミトーシスと毎世代義務的な性（τ=1）の両方が集団を適応させ，τ=100世代ごとの facultative sex よりも迅速に適応させる（図4b）。 線は500個の集団の確率的シミュレーションの平均値、斜線は95%CIを表す。 b, N = 103個体からなる集団で，1世代あたりのゲノム突然変異率はU = 0.1，突然変異の99%は削除され，1%は有益で，選択係数はそれぞれsd = -0.1, sb = 0.1である． 個体のMAC倍率はn = 45でL = 100の適性遺伝子座を持ち、初期には突然変異を持たないと仮定した。 有性生殖はランダムな交配で行われ、τ世代ごとに自由組換えが行われる。 図4の結果は、T. thermophilaとその近縁種では、アミトーシスはτ=100であり、進化的に優位であるという興味深い可能性を提起している。 もしこれが本当なら、テトラヒメナでは無性生殖の系統が有性生殖の系統に勝るはずだという予想が成り立つ。 このことは、四肢動物において、義務的に無性である系統が豊富であることを説明することができる19。 もしこの説明が正しければ、テトラヒメナの無性系統は有性系統に比べて劇症変異の蓄積が加速されるという典型的な兆候を示さないと予想される13-18。
前項の仮説は二つの理由で無効であると考えられる。 第一に、我々の分析は、小児性愛者に対するアミトーシスの利益を過大評価する可能性がある。 我々の仮説は、アミトーシス中の染色体コピー数制御が完全であるか、少なくとも進化の時間スケールで高精度であることを仮定している。 しかし、T. thermophilaにおいても、コピー数制御の精度は不明である。 しかし、T. thermophilaでもコピー数制御の精度は不明であり、我々が想定しているよりも染色体コピー数制御の精度が低く、そのためテトラヒメナへの恩恵は小さい可能性がある。 第二に、我々の解析はアミトーシスに対する性転換の利点を過小評価している可能性がある。 私たちは、性行為がもたらす可能性のある利益を2つだけ検討しましたが、どちらも「突然変異的」なものでした4。 性による他の利益も、同じパターンを示すとは限らない。 例えば、生物学的相互作用に直面した場合のセックスの潜在的な利益については考慮していない3, 10, 11。 私たちの仮説が正しいとしても、無性テトラヒメナの相対的な成功に寄与する他の要因があることも考えられる。 例えば、高い倍数性だけでは、遺伝子変換による有害な突然変異の蓄積が抑制される可能性が提案されている23。 しかし、この提案された利点はモデル化されていないため、評価は難しい。
ここで明らかになったアミトーシスの利点は、どのようなメカニズムに基づいているのだろうか。 2種類の核分裂の主な違いは、アミトーシスがセックスと同様に、有糸分裂よりもフィットネスに遺伝的変化を生じさせることができることである。 例えば、n/2の野生型対立遺伝子とn/2の欠失型対立遺伝子を持つn倍体の個体は、W = 1 – sd/2の適応度を持つ。 変異は、
世代ごとに適応度に変動を生じ、ここでud = nμdは世代ごとの遺伝子座における欠失型突然変異率である。 有糸分裂は突然変異のほかに適応度の分散を生じないと考えられる(すなわち、Vmit = Vmut)。 しかし、アミトーシスは一世代ごとにさらに
フィットネスの分散を増加させる44。 Udは低いと思われるので、アミトーシスは突然変異、したがって有糸分裂よりもはるかに大きくフィットネスの分散を増加させると予想される（Vamit ≫ Vmit）。
我々は、アミトーシスがフィットネスの付加的遺伝分散の増加をもたらし、したがって自然選択をより効率化するという、性の優位性に関するWeismannの仮説の類似点を提案している1、4、5。 この考えと一致するように、アミトーシスが有糸分裂と比較して生み出す適応度の分散は、倍数体に対してほぼ直線的に増加する（Vamit/Vmit ≈ n/(8Ud) ）ことが分かり、有糸分裂と比較してアミトーシスがもたらす利益が倍数体とともに増加することが説明された。 このことから、染色体コピー数制御を伴う有糸分裂は、性差がない場合でも性差の利益をもたらし、テトラヒメナにおける義務的無性系統の高い発生率を説明することができる19.
と結論づけた。