Hoewel zeldzaam in alle ciliaten, zijn obligaat asexuele lijnen overvloedig, en mogelijk al oud, in het genus Tetrahymena19. De reden voor deze overvloed is onbekend. Een mogelijkheid is dat de eigenaardige genomische architectuur van Tetrahymena het mogelijk maakt om enkele van de negatieve gevolgen van asexualiteit te vermijden19, 24. Ciliaten zijn microbiële eukaryoten die gekenmerkt worden door de scheiding van de kiembaan- en de somatische functies in twee verschillende soorten kernen binnen één enkele cel. De somatische macronucleus (MAC) is de plaats van alle transcriptie tijdens groei en aseksuele voortplanting, en de germline micronucleus (MIC) is verantwoordelijk voor de overdracht van genetisch materiaal tijdens seksuele conjugatie (Fig. 1). Na de conjugatie splitst een zygotische kern zich en differentieert in de twee typen kernen (Fig. 1a,b). Tijdens deze differentiatie ondergaat het macronucleaire genoom massale herschikkingen, die resulteren in een genoom met vele kleine, sterk polyploïde, acentromere chromosomen25. Deze genoomstructuur resulteert in amitotische macronucleaire deling (fig. 1c,d). Amitose veroorzaakt variatie tussen individuen in het aantal van elk allel op een locus. Bij de meeste ciliaten resulteert amitose in een verschillend aantal chromosomen bij de nakomelingen, wat uiteindelijk leidt tot senescentie en sterfte26. Tetrahymena hebben echter een onbekend mechanisme om het chromosoomkopiegetal tijdens amitose te controleren, dat resulteert in een ruwweg constante ploïdie27. 25% van 2.609 Tetrahymena-achtige wilde isolaten hadden geen MIC en waren dus aseksueel19. Om te testen of amitose met controle van het chromosoomkopiegetal het relatieve succes van aseksuele Tetrahymena kan verklaren, onderzochten we de evolutionaire gevolgen van verschillende vormen van voortplanting, kerndeling en ploïdie.
Schematische weergave van seksuele conjugatie gevolgd door twee rondes van aseksuele deling. Voor de eenvoud wordt slechts één chromosoom getoond: dit komt in twee kopieën voor in de micronucleus (MIC) en in zes kopieën in de macronucleus (MAC) (in werkelijkheid komt elk chromosoom in 45 kopieën voor in de MAC van Tetrahymena thermophila). a) Tijdens de seksuele voortplanting (conjugatie) ondergaat de diploïde MIC meiose27, 28. b) Twee cellen kunnen tijdelijk fuseren en haploïde meioseproducten uitwisselen. Een inwonend meiotisch product versmelt dan met het overgedragen meiotisch product om een nieuwe diploïde zygotische kern te produceren, die zich deelt om de nieuwe MIC en MAC te genereren (de oude MAC wordt vernietigd). Tijdens de ongeslachtelijke voortplanting (c, d) deelt het WIC zich door mitose, terwijl het MAC zich deelt door amitose. Amitose maakt de willekeurige scheiding van ouderlijke chromosomen onder dochtercellen mogelijk, waardoor variatie tussen individuen ontstaat. Uiteindelijk resulteert dit in fenotypisch assortiment, waarbij individuele chromosomen in de MAC binnen enkele generaties volledig homozygoot worden29 (e). T. thermophila, heeft een onbekend mechanisme voor controle van het kopiegetal, dat resulteert in een ongeveer gelijk aantal homologe chromosomen in elke dochtercel27.
De meeste mutaties met effecten op de fitness zijn deleterieus, maar natuurlijke selectie kan ze niet allemaal uit populaties verwijderen. Als gevolg daarvan dragen veel individuen schadelijke mutaties die hun fitness verminderen, wat leidt tot een vermindering van de gemiddelde fitness van populaties, of mutatiebelasting. We beginnen met te onderzoeken in welke mate amitose met chromosoomkopiegetalcontrole de mutatievracht beïnvloedt. Een populatie van aseksuele diploïden die zich via mitose voortplant, vertoont naar verwachting de volgende gemiddelde fitness bij evenwicht30-33:
waarbij Ud = 2Lµd de deleterieuze mutatiesnelheid per diploïd genoom per generatie is, L het aantal loci dat de fitness beïnvloedt, en µd de deleterieuze mutatiesnelheid per locus per generatie (zie Supplementary Information). Als daarentegen een ongeslachtelijke diploïde populatie zich via amitose voortplant, wordt haar gemiddelde fitness bij evenwicht gegeven door
waarbij sd < 0 het effect is op de fitness van een schadelijke mutatie in een homozygote toestand (zie de Aanvullende Informatie). Dit scenario is zuiver theoretisch omdat geen enkele diploïde kern zich amitotisch kan voortplanten. Vergelijkingen 1 en 2 berusten op verschillende veronderstellingen: (i) de populatiegrootte is zeer groot, zodat we genetische drift kunnen negeren; (ii) mutaties zijn onomkeerbaar; µd is (iii) laag en (iv) gelijk over loci; (v) er is linkage evenwicht tussen fitness loci; alle mutaties (vi) hebben hetzelfde schadelijke effect sd, en dragen bij tot fitness (vii) additief binnen loci (d.w.z., zijn codominant) en (viii) multiplicatief tussen loci (d.w.z., hebben geen epistatische interactie). Uit vergelijkingen 1 en 2 blijkt dat amitose de mutatiebelasting kan verlagen ten opzichte van mitose bij diploïde populaties. Bijvoorbeeld, als Ud = 0.1 en sd = -0.1, dan is de gemiddelde fitness bij evenwicht Ŵmit = 0.905 onder mitose en Ŵamit = 0.945 onder amitosis. Amitose heeft dus een selectief voordeel boven mitose van Ŵamit/Ŵmit – 1 = 4,4%. De deletieuse mutatiegraad, Ud, heeft een groot effect op het voordeel van amitose: een verdubbeling van de waarde van Ud verdubbelt het voordeel van amitose meer dan tot 9.1% (Fig. 2a). De selectiecoëfficiënt van een deleterieuze mutatie, sd, heeft echter een relatief klein effect op het voordeel van amitose: als mutaties een tiende zo deleterieus worden (sd = -0.01), neemt het voordeel van amitose toe tot slechts 5.0% (Fig. 2b).
De waarden tonen het selectieve voordeel van amitose boven mitose, Ŵamit/Ŵmit – 1, bij verschillende ploïdieën (ŴX is de gemiddelde fitness bij evenwicht van een populatie individuen die voortplantingsstrategie X volgen voor een bepaalde ploïdie). a, Effect van de genomische deleterieuze mutatiesnelheid, Ud. De ononderbroken lijnen tonen selectieve voordelen die overeenkomen met constante waarden van Ud bij alle ploïdieën. De stippellijn gaat ervan uit dat een verdubbeling van de ploïdie resulteert in een toename van Ud met 10%. Mutaties hebben een verwoestend effect van sd = -0,1 bij alle ploïdieën. b) Effect van de selectiecoëfficiënt van een verwoestende mutatie, sd. We stellen Ud = 0.1 bij alle ploïdieën. In zowel a als b gingen we ervan uit dat er L = 100 fitness loci waren. Merk op dat de ploïdie wordt weergegeven in een logschaal.
Amitose met kopiegetalcontrole wordt waargenomen bij het genus Tetrahymena, die een hoge ploïdie in hun macronucleaire genoom hebben (bv. T. thermophila zijn 45-ploïd). Interessant is dat het voordeel van amitose ten opzichte van een mitotisch reproducerend organisme met dezelfde ploïdie toeneemt met de ploïdie (Fig. 2). Bijvoorbeeld, als Ud = 0,1 en sd = -0,1, het voordeel van amitosis toeneemt tot 6,7% in tetraploïden, 7,9% in octoploïden, 8,7% in 16-ploïden, enzovoort. Een verdere toename van de ploïdie leidt tot een afnemende opbrengst van het voordeel van amitose. Deze verwachte voordelen zijn conservatief omdat zij ervan uitgaan dat de schadelijke mutatiesnelheid, Ud, constant is voor alle ploïdieën. Als bijvoorbeeld een verdubbeling van de ploïdie een toename van Ud met 10% veroorzaakt, zou een aanzienlijk groter voordeel van amitose worden bereikt bij hoge ploïdieën (fig. 2a, stippellijn). Een mutatieaccumulatiestudie schatte dat T. thermophila een deleterieuze mutatiesnelheid heeft van 
per genoom per generatie en dat mutaties een verwacht deleterisch effect hebben van 
in een homozygote toestand34. Als we aannemen dat het MAC-genoom 
en 
heeft, schatten we dat amitose bij deze soort een voordeel heeft van 21,0% ten opzichte van mitose.
De analyses tot nu toe hebben het effect van genetische drift buiten beschouwing gelaten. Drift kan ertoe leiden dat een populatie stochastisch schadelijke mutaties accumuleert, waardoor de genetische belasting, of drift load, verder toeneemt32, 35, 36. Bij aseksuelen staat dit verschijnsel bekend als de ratel van Muller6, 37, 38. We evalueren nu in welke mate amitose met kopiegetalcontrole de accumulatie van driftbelasting kan vertragen. Populaties van N = 10 of 100 diploïde mitotische individuen ondervinden een sterke Muller’s ratchet wanneer Ud = 0.1 en sd = -0.1 (Fig. 3a). Het verhogen van de populatiegrootte tot N = 103 individuen doet de ratchet aanzienlijk vertragen, waardoor populaties mutatie-selectie evenwicht bereiken (Fig. 3a). Voortplanting door amitose maakt populaties minder vatbaar voor de Muller’s ratchet. De accumulatie van de driftbelasting vertraagt met 39% (95% betrouwbaarheidsinterval, CI: 31%, 46%) in diploïde populaties van N = 10 individuen, en stopt effectief in populaties van N = 100 individuen (Fig. 3c).
Evolutionaire reacties van gemiddelde fitness in populaties van verschillende grootte (N) en plodies (n), volgens verschillende voortplantingsstrategieën. Lijnen tonen de gemiddelden van stochastische simulaties van 100 populaties; gearceerde gebieden geven 95% CI’s weer. a, Mitose bij diploïden (n = 2). b, Mitose met een ploïdie van n = 45. c, Amitose bij diploïden (n = 2). d, Amitose met een ploïdie van n = 45. We veronderstelden dat L = 100 fitness loci, een genomische schadelijke mutatiesnelheid van Ud = 0.1 per generatie, dat mutaties een schadelijk effect hebben van sd = -0.1 in homozygote toestand, en dat, aanvankelijk, alle individuen ongemuteerd zijn. Merk op dat de fitness in een log schaal is weergegeven.
Het voordeel van amitosis bij het vertragen van de accumulatie van driftbelasting neemt, net als het deterministische voordeel, toe met de ploïdie. Muller’s ratchet werkt in populaties zo groot als N = 104 mitotische 45-ploïde individuen (Fig. 3b). Amitose is in staat om de accumulatie van drift te stoppen in populaties met zo weinig als N = 100 45-ploïde individuen (Fig. 3d). Zelfs wanneer amitotische populaties klein genoeg zijn om drift te accumuleren, doen ze dit langzamer dan mitotische. Bijvoorbeeld, populaties van N = 10 amitotische 45-ploïde individuen accumuleren driftbelasting 64% (95% CI: 59%, 68%) langzamer dan mitotische populaties van dezelfde grootte (Fig. 3b,d).
De voordelen van amitose boven mitose die tot nu toe zijn geïdentificeerd zijn analoog aan de voordelen van sexuele boven asexuele voortplanting. Bij diploïden levert sexuele voortplanting door selfing een deterministisch voordeel op ten opzichte van mitose dat bijna identiek is aan dat van asexuele amitosis zoals weergegeven in vergelijkingen 1 en 2 (zie Supplementary Information). In tegenstelling tot amitosis, seks met willekeurige paring in diploïden verleent alleen een deterministisch voordeel boven aseksuele voortplanting als er negatieve epistasis tussen schadelijke mutaties 7, 39, of als schadelijke mutaties zijn gedeeltelijk recessief40, 41. Seks kan ook de ratel van Muller tegenwerken6, 37, net als amitose (Fig. 3a,c). Zijn de voordelen van aseksuele amitose ook vergelijkbaar met die van seksuele voortplanting wanneer de ploïdie hoog is? Wij onderzochten deze vraag in populaties van N = 20 individuen van een 45-ploïd organisme zoals T. thermophila met Ud = 0.1 en sd = -0.1. Amitose vertraagt de accumulatie van driftbelasting ten opzichte van mitose met 90% (95% CI: 88%, 92%; figuur 4a). Een organisme als T. thermophila maar dat zich elke generatie seksueel voortplant, met uitkruising (d.w.z. obligate seks zonder amitose) en dan een 45-ploïde macronucleus genereert uit de gerecombineerde diploïde micronucleus (zie Fig. 1a,b) zou de accumulatie van de driftbelasting vertragen met 92% (95% CI: 90%, 94%; τ = 1, Fig. 4a). T. thermophila kan zich echter niet elke generatie seksueel voortplanten, maar heeft ∼ 100 aseksuele celdelingen nodig om geslachtsrijp te worden42, 43. Facultatieve seks om de τ = 100 generaties vertraagt de ratchet met slechts 68% (95% CI: 64%, 72%; gemeten op basis van fitness in de generatie onmiddellijk voor de populatie zich seksueel voortplant), veel minder dan amitosis (Fig. 4a). Het voordeel van amitosis is ook vergelijkbaar met dat van seks in grotere populaties in de aanwezigheid van gunstige mutaties. In een evolutionair scenario waarin aseksuele populaties niet in staat zijn zich aan te passen, stellen zowel amitosis als obligate sex elke generatie (τ = 1) populaties in staat zich aan te passen, en sneller dan facultatieve sex elke τ = 100 generaties (Fig. 4b).
Evolutionaire reacties van populatiegemiddelde fitness bij verschillende voortplantingsstrategieën. Lijnen tonen de gemiddelden van stochastische simulaties van 500 populaties; gearceerde gebieden geven 95% CI’s weer. a, Populaties van N = 20 individuen met een deleterieuze mutatiesnelheid van Ud = 0.1 per genoom per generatie. Alle mutaties zijn schadelijk en hebben een selectiecoëfficiënt van sd = -0.1 in homozygote toestand. b) Populaties van N = 103 individuen met een genomische mutatiesnelheid van U = 0.1 per generatie; 99% van de mutaties zijn schadelijk en 1% zijn gunstig met selectiecoëfficiënten van sd = -0.1 en sb = 0.1, respectievelijk. We nemen aan dat individuen een MAC ploïdie hebben van n = 45 met L = 100 fitness loci, en dat ze aanvankelijk geen mutaties dragen. Seksuele voortplanting vindt plaats met willekeurige paring en vrije recombinatie om de τ generaties. Merk op dat de fitness wordt weergegeven in een log schaal.
De resultaten in Fig. 4 doen de intrigerende mogelijkheid rijzen dat amitosis eigenlijk evolutionair superieur is aan facultatieve sex in T. thermophila en zijn verwanten, die τ ≈ 100 hebben. Als dit waar is, zou dit leiden tot de voorspelling dat aseksuele lijnen de sexuele in Tetrahymena zouden moeten overvleugelen. Dit zou kunnen verklaren waarom aseksuele lijnen zo talrijk zijn in Tetrahymena19. Als deze verklaring juist is, zouden we verwachten dat aseksuele lijnen van Tetrahymena niet de typische tekenen van versnelde accumulatie van schadelijke mutaties vertonen in vergelijking met hun seksuele verwanten13-18.
De in de vorige paragraaf geschetste hypothese kan om twee redenen ongeldig zijn. Ten eerste kan onze analyse het voordeel van amitose ten opzichte van facultatief geslacht overschatten. Onze hypothese gaat ervan uit dat de controle van het chromosoomkopiegetal tijdens amitose perfect is, of tenminste, zeer nauwkeurig op een evolutionaire tijdschaal. De precisie van de controle van het aantal kopieën is echter zelfs bij T. thermophila onbekend. De controle van het chromosoomkopiegetal zou minder nauwkeurig kunnen zijn dan wij hebben aangenomen en daarom een kleiner voordeel kunnen opleveren voor Tetrahymena. Ten tweede kan onze analyse het voordeel van facultatieve seks ten opzichte van amitose onderschatten. Wij hebben slechts twee mogelijke voordelen van seks in aanmerking genomen, die beide “mutationeel” van aard zijn4. Andere voordelen van sex vertonen niet gegarandeerd hetzelfde patroon. Wij hebben bijvoorbeeld geen rekening gehouden met de mogelijke voordelen van sex bij biotische interacties3, 10, 11. Zelfs als onze hypothese juist is, is het ook denkbaar dat er bijkomende factoren zijn die bijdragen tot het relatieve succes van de aseksuele Tetrahymena. Zo is bijvoorbeeld voorgesteld dat een hoge ploïdie alleen al de accumulatie van schadelijke mutaties door genconversie kan afremmen23. Dit voorgestelde voordeel is echter niet gemodelleerd, en daarom moeilijk te evalueren.
Wat is de mechanistische basis van de hier geïdentificeerde voordelen van amitose? Het belangrijkste verschil tussen de twee vormen van celdeling is dat amitose, net als sex, meer genetische variatie in fitness kan genereren dan mitose. Bijvoorbeeld, een n-ploïd individu (we nemen voor de eenvoud aan dat n even is) met n/2 wild-type allelen en n/2 deleterieuse allelen zal een fitness hebben van W = 1 – sd/2. Mutatie zal een variatie in fitness genereren van
elke generatie, waarbij ud = nµd de deleterieuse mutatiegraad op de locus per generatie is. Mitose zal naar verwachting geen variatie in fitness genereren naast mutatie (d.w.z., Vmit = Vmut). Amitose zal echter elke generatie de variantie in fitness verder doen toenemen
44. Aangezien Ud waarschijnlijk laag is, wordt verwacht dat amitosis de variantie in fitness in veel grotere mate zal verhogen dan mutatie, en dus ook mitosis (Vamit ≫ Vmit).
We stellen voor dat amitosis een verhoging van de additieve genetische variantie in fitness veroorzaakt, en daardoor natuurlijke selectie efficiënter maakt- een analogon van Weismann’s hypothese voor het voordeel van sex1, 4, 5. In overeenstemming met dit idee neemt de variantie in fitness gegenereerd door amitose ten opzichte van mitose ongeveer lineair toe met ploïdie (Vamit/Vmit ≈ n/(8Ud)), wat verklaart waarom het voordeel van amitose ten opzichte van mitose toeneemt met ploïdie. Wij concluderen dat amitose met chromosoomkopiegetalcontrole voordelen van sex toekent in de afwezigheid van sex en de hoge incidentie van obligaat asexuele lijnen in Tetrahymena19 kan verklaren.