L’amitosi conferisce benefici del sesso in assenza di sesso a Tetrahymena

Anche se raro in tutti i ciliati, i lignaggi obbligatoriamente asessuati sono abbondanti, e forse antichi, nel genere Tetrahymena19. La ragione di questa abbondanza è sconosciuta. Una possibilità è che la peculiare architettura genomica di Tetrahymena le permetta di evitare alcune delle conseguenze negative dell’asessualità19, 24. I ciliati sono eucarioti microbici caratterizzati dalla separazione delle funzioni germinali e somatiche in due tipi distinti di nuclei all’interno di una singola cellula. Il macronucleo somatico (MAC) è il sito di tutta la trascrizione durante la crescita e la riproduzione asessuale, e il micronucleo germinale (MIC) è responsabile della trasmissione del materiale genetico durante la coniugazione sessuale (Fig. 1). Dopo la coniugazione, un nucleo zigotico si divide e si differenzia in due tipi di nuclei (Fig. 1a,b). Durante questa differenziazione, il genoma macronucleare subisce massicci riarrangiamenti con il risultato di un genoma con molti piccoli cromosomi acentromerici altamente poliploidi25. Questa struttura del genoma risulta nella divisione macronucleare amitotica (Fig. 1c,d). L’amitosi genera una variazione tra gli individui nel numero di ciascun allele in un locus. Nella maggior parte dei ciliati, l’amitosi si traduce in un diverso numero di cromosomi tra le progenie, che alla fine porta alla senescenza e alla morte26. Tuttavia, i Tetrahymena hanno un meccanismo sconosciuto per controllare il numero di copie dei cromosomi durante l’amitosi che risulta in una ploidia approssimativamente costante27. Il 25% dei 2.609 isolati selvatici Tetrahymena-like mancava di un MIC ed era, quindi, asessuato19. Per verificare se l’amitosi con controllo del numero di copie dei cromosomi può spiegare il successo relativo del Tetrahymena asessuale, abbiamo esaminato le conseguenze evolutive di varie forme di riproduzione, divisione nucleare e ploidia.

La maggior parte delle mutazioni con effetti sulla fitness sono deleterie, ma la selezione naturale non può eliminarle tutte dalle popolazioni. Di conseguenza, molti individui portano mutazioni deleterie che riducono la loro fitness, il che porta a una riduzione della fitness media delle popolazioni, o carico di mutazioni. Iniziamo a studiare la misura in cui l’amitosi con controllo del numero di copie dei cromosomi influisce sul carico di mutazioni. Una popolazione di diploidi asessuati che si riproduce per mitosi dovrebbe mostrare la seguente fitness media all’equilibrio30-33:dove Ud = 2Lµd è il tasso di mutazione deleteria per genoma diploide per generazione, L è il numero di loci che influenzano la fitness e µd è il tasso di mutazione deleteria per locus per generazione (vedi Informazioni supplementari). Al contrario, se una popolazione diploide asessuata si riproduce per amitosi, la sua fitness media all’equilibrio è data dadove sd < 0 è l’effetto sulla fitness di una mutazione deleteria in uno stato omozigote (vedi Informazioni supplementari). Questo scenario è puramente teorico perché nessun nucleo diploide è noto per riprodursi amitoticamente. Le equazioni 1 e 2 si basano su diverse ipotesi: (i) la dimensione della popolazione è molto grande, quindi possiamo ignorare la deriva genetica; (ii) le mutazioni sono irreversibili; µd è (iii) basso e (iv) uguale tra i loci; (v) c’è equilibrio di collegamento tra i loci di fitness; tutte le mutazioni (vi) hanno lo stesso effetto deleterio sd, e contribuiscono alla fitness (vii) additivamente all’interno dei loci (cioè, sono codominanti) e (viii) moltiplicativamente tra i loci (cioè, non interagiscono epistaticamente). Le equazioni 1 e 2 mostrano che l’amitosi può ridurre il carico di mutazioni rispetto alla mitosi nelle popolazioni diploidi. Per esempio, se Ud = 0,1 e sd = -0,1, la fitness media all’equilibrio è Ŵmit = 0,905 sotto mitosi e Ŵamit = 0,945 sotto amitosi. Quindi, l’amitosi ha un vantaggio selettivo sulla mitosi di Ŵamit/Ŵmit – 1 = 4,4%. Il tasso di mutazione deleteria, Ud, ha un grande effetto sul vantaggio dell’amitosi: raddoppiando il valore di Ud più che raddoppia il vantaggio dell’amitosi al 9,1% (Fig. 2a). Il coefficiente di selezione di una mutazione deleteria, sd, tuttavia, ha un effetto relativamente piccolo sul beneficio dell’amitosi: rendendo le mutazioni un decimo più deleterie (sd = -0,01) il vantaggio dell’amitosi aumenta solo al 5,0% (Fig. 2b).

L’amitosi con controllo del numero di copie si osserva nel genere Tetrahymena, che hanno un’alta ploidia nel loro genoma macronucleare (ad esempio, T. thermophila sono 45-ploidi). È interessante notare che il beneficio dell’amitosi rispetto ad un organismo che si riproduce mitoticamente con la stessa ploidia aumenta con la ploidia (Fig. 2). Per esempio, se Ud = 0,1 e sd = -0,1, il beneficio dell’amitosi aumenta al 6,7% nei tetraploidi, al 7,9% negli octoploidi, all’8,7% nei 16-ploidi, e così via. Ulteriori aumenti della ploidia causano rendimenti decrescenti nel beneficio dell’amitosi. Questi benefici previsti sono conservativi perché presuppongono che il tasso di mutazione deleteria, Ud, sia costante tra le ploidie. Se, per esempio, il raddoppio della ploidia causa un aumento del 10% di Ud, un beneficio sostanzialmente maggiore dell’amitosi si otterrebbe a ploidie elevate (Fig. 2a, linea tratteggiata). Uno studio sull’accumulo di mutazioni ha stimato che T. thermophila ha un tasso di mutazioni deleterie nel MIC di per genoma per generazione e che le mutazioni hanno un effetto deleterio atteso di in uno stato omozigote34. Se assumiamo che il genoma MAC abbia e , stimiamo che l’amitosi abbia un beneficio del 21,0% rispetto alla mitosi in questa specie.

Le analisi finora hanno ignorato l’effetto della deriva genetica. La deriva può far sì che una popolazione accumuli stocasticamente mutazioni deleterie, aumentando ulteriormente il carico genetico, o drift load32, 35, 36. Negli asessuati questo fenomeno è noto come ratchet di Muller6, 37, 38. Ora valutiamo la misura in cui l’amitosi con controllo del numero di copie può rallentare l’accumulo del carico di deriva. Popolazioni di N = 10 o 100 individui diploidi mitotici esperienza forte ratchet di Muller quando Ud = 0,1 e sd = -0,1 (Fig. 3a). Aumentando la dimensione della popolazione a N = 103 individui, il cricchetto rallenta considerevolmente, permettendo alle popolazioni di raggiungere l’equilibrio di mutazione-selezione (Fig. 3a). La riproduzione attraverso l’amitosi rende le popolazioni meno suscettibili al cricchetto di Muller. L’accumulo del carico di deriva rallenta del 39% (intervallo di confidenza del 95%, CI: 31%, 46%) nelle popolazioni diploidi di N = 10 individui, e si ferma effettivamente nelle popolazioni di N = 100 individui (Fig. 3c).

Il beneficio dell’amitosi nel rallentare l’accumulo del carico di deriva, come il beneficio deterministico, aumenta con la ploidia. Il cricchetto di Muller opera in popolazioni grandi come N = 104 individui mitotici 45-ploidi (Fig. 3b). L’amitosi è in grado di arrestare l’accumulo di carico di deriva in popolazioni con un numero di individui 45-ploidi pari a N = 100 (Fig. 3d). Anche quando le popolazioni amitotiche sono abbastanza piccole da accumulare il carico di deriva, lo fanno più lentamente di quelle mitotiche. Per esempio, le popolazioni di N = 10 individui amitotici 45-ploidi accumulano il carico di deriva 64% (95% CI: 59%, 68%) più lentamente delle popolazioni mitotiche delle stesse dimensioni (Fig. 3b,d).

I benefici dell’amitosi rispetto alla mitosi identificati finora sono analoghi ai benefici della riproduzione sessuale rispetto a quella asessuale. Nei diploidi, la riproduzione sessuata per selfing conferisce un vantaggio deterministico rispetto alla mitosi quasi identico a quello dell’amitosi asessuata mostrato nelle equazioni 1 e 2 (vedi informazioni supplementari). A differenza dell’amitosi, il sesso con accoppiamento casuale nei diploidi conferisce un vantaggio deterministico rispetto alla riproduzione asessuale solo se c’è epistasi negativa tra mutazioni deleterie7, 39, o se le mutazioni deleterie sono parzialmente recessive40, 41. Il sesso può anche contrastare il cricchetto di Muller6, 37, proprio come l’amitosi (Fig. 3a,c). I benefici dell’amitosi asessuale sono anche simili a quelli della riproduzione sessuale quando la ploidia è alta? Abbiamo studiato questa domanda in popolazioni di N = 20 individui di un organismo 45-ploide come T. thermophila che sperimenta Ud = 0,1 e sd = -0,1. L’amitosi rallenta l’accumulo di carico di deriva rispetto alla mitosi del 90% (95% CI: 88%, 92%; Figura 4a). Un organismo come T. thermophila ma che si riproduce sessualmente, con outcrossing, ogni generazione (cioè, sesso obbligato senza amitosi) e poi genera un macronucleo 45-ploide dal micronucleo diploide ricombinante (vedi Fig. 1a,b) rallenterebbe l’accumulo di carico di deriva del 92% (95% CI: 90%, 94%; τ = 1, Fig. 4a). Tuttavia, T. thermophila non può riprodursi sessualmente ogni generazione; piuttosto, richiede ∼ 100 divisioni cellulari asessuali per raggiungere la maturità sessuale42, 43. Il sesso facoltativo ogni τ = 100 generazioni rallenta il cricchetto solo del 68% (95% CI: 64%, 72%; misurato sulla base di fitness nella generazione immediatamente prima che la popolazione si riproduce sessualmente), molto meno di amitosi (Fig. 4a). Il beneficio dell’amitosi è anche paragonabile a quello del sesso in popolazioni più grandi in presenza di mutazioni benefiche. In uno scenario evolutivo in cui le popolazioni asessuate non sono in grado di adattarsi, sia l’amitosi che il sesso obbligatorio ogni generazione (τ = 1) permettono alle popolazioni di adattarsi, e più rapidamente del sesso facoltativo ogni τ = 100 generazioni (Fig. 4b).

I risultati mostrati in Fig. 4 sollevano l’intrigante possibilità che l’amitosi sia effettivamente evolutivamente superiore al sesso facoltativo in T. thermophila e nei suoi parenti, che hanno τ ≈ 100. Se fosse vero, questo porterebbe alla previsione che i lignaggi asessuali dovrebbero superare quelli sessuali in Tetrahymena. Questo potrebbe spiegare perché i lignaggi obbligatoriamente asessuati sono abbondanti in Tetrahymena19. Se questa spiegazione è corretta, ci aspetteremmo che i lignaggi asessuati di Tetrahymena non mostrino i tipici segni di accumulo accelerato di mutazioni deleterie rispetto ai loro parenti sessuali13-18.

L’ipotesi delineata nel paragrafo precedente potrebbe non essere valida per due motivi. In primo luogo, la nostra analisi può sovrastimare il beneficio dell’amitosi rispetto al sesso facoltativo. La nostra ipotesi presuppone che il controllo del numero di copie dei cromosomi durante l’amitosi sia perfetto, o almeno, altamente preciso su una scala temporale evolutiva. Tuttavia, la precisione del controllo del numero di copie è sconosciuta anche in T. thermophila. Il controllo del numero di copie dei cromosomi potrebbe essere meno preciso di quanto abbiamo ipotizzato e, quindi, conferire un beneficio minore a Tetrahymena. In secondo luogo, la nostra analisi potrebbe sottostimare il beneficio del sesso facoltativo rispetto all’amitosi. Abbiamo considerato solo due possibili benefici del sesso, entrambi di natura “mutazionale “4 . Altri benefici del sesso non sono garantiti per mostrare lo stesso modello. Per esempio, non abbiamo considerato i potenziali benefici del sesso di fronte alle interazioni biotiche3, 10, 11. Anche se la nostra ipotesi è corretta, è anche concepibile che ci siano ulteriori fattori che contribuiscono al successo relativo della Tetrahymena asessuata. Per esempio, è stato proposto che l’alta ploidia da sola può inibire l’accumulo di mutazioni deleterie attraverso la conversione genica23. Tuttavia, questo vantaggio proposto non è stato modellato, e quindi è difficile da valutare.

Qual è la base meccanicistica dei benefici dell’amitosi identificati qui? La principale differenza tra i due tipi di divisione nucleare è che l’amitosi, come il sesso, può generare una maggiore variazione genetica nella fitness rispetto alla mitosi. Per esempio, un individuo n-ploide (assumiamo che n sia pari per semplicità) con n/2 alleli wild-type e n/2 alleli deleteri avrà una fitness di W = 1 – sd/2. La mutazione genererà una varianza nella fitness diogni generazione, dove ud = nµd è il tasso di mutazione deleteria al locus per generazione. Non ci si aspetta che la mitosi generi alcuna varianza di fitness oltre alla mutazione (cioè, Vmit = Vmut). L’amitosi, tuttavia, aumenterà ulteriormente la varianza di fitnessad ogni generazione44. Poiché Ud è probabilmente bassa, ci si aspetta che l’amitosi aumenti la varianza di fitness in misura molto maggiore della mutazione, e quindi della mitosi (Vamit ≫ Vmit).

Proponiamo che l’amitosi provochi un aumento della varianza genetica additiva di fitness, rendendo così la selezione naturale più efficiente – un analogo dell’ipotesi di Weismann per il vantaggio del sesso1, 4, 5. Coerentemente con questa idea, la varianza di fitness generata dall’amitosi rispetto alla mitosi aumenta in modo approssimativamente lineare con la ploidia (Vamit/Vmit ≈ n/(8Ud)), il che spiega perché il beneficio dell’amitosi rispetto alla mitosi aumenta con la ploidia. Concludiamo che l’amitosi con controllo del numero di copie cromosomiche conferisce i benefici del sesso in assenza di sesso e può spiegare l’alta incidenza di lignaggi obbligatoriamente asessuati in Tetrahymena19.