Ale rzadkie u wszystkich strzępek, linie obligatoryjnie bezpłciowe są liczne, i prawdopodobnie starożytne, w rodzaju Tetrahymena19. Powód tej obfitości nie jest znany. Jedną z możliwości jest to, że osobliwa genomiczna architektura Tetrahymena pozwala jej uniknąć niektórych negatywnych konsekwencji bezpłciowości19, 24. Giliowce są eukariotami mikrobiologicznymi charakteryzującymi się rozdzieleniem funkcji germinalnych i somatycznych na dwa odrębne typy jąder w obrębie jednej komórki. Makronukleus somatyczne (MAC) jest miejscem transkrypcji podczas wzrostu i rozmnażania bezpłciowego, natomiast mikrojądro germinalne (MIC) jest odpowiedzialne za przekazywanie materiału genetycznego podczas koniugacji płciowej (Ryc. 1). Po koniugacji, jądro zygotyczne dzieli się i różnicuje na dwa typy jąder (Rys. 1a,b). Podczas tego różnicowania genom makrojądrowy ulega masywnej rearanżacji, w wyniku której powstaje genom z wieloma małymi, wysoce poliploidalnymi, acentromerycznymi chromosomami25. Taka struktura genomu skutkuje amitotycznym podziałem makrojądrowym (Ryc. 1c,d). Amitoza generuje zróżnicowanie pomiędzy osobnikami w liczbie każdego allelu w danym locus. U większości rzęsistków amitoza skutkuje różną liczbą chromosomów u potomstwa, co ostatecznie prowadzi do starzenia się i śmierci26. Jednakże Tetrahymena posiadają nieznany mechanizm kontroli liczby kopii chromosomów podczas amitozy, co skutkuje mniej więcej stałą ploidalnością27. 25% z 2 609 dzikich izolatów Tetrahymena-like nie posiadało MIC, a zatem były bezpłciowe19. Aby sprawdzić, czy amitoza z kontrolą liczby kopii chromosomów może odpowiadać za względny sukces bezpłciowych Tetrahymena, zbadaliśmy ewolucyjne konsekwencje różnych form rozmnażania, podziału jądrowego i ploidalności.
Schemat koniugacji płciowej, po której następują dwie rundy podziału bezpłciowego. Dla uproszczenia, pokazano tylko jeden chromosom: występuje on w dwóch kopiach w mikrojądrze (MIC) i sześciu kopiach w makrojądrze (MAC) (w rzeczywistości każdy chromosom występuje w 45 kopiach w MAC Tetrahymena thermophila). a, Podczas rozmnażania płciowego (koniugacji), diploidalne MIC przechodzi mejozę27, 28. b, Dwie komórki mogą łączyć się przejściowo i wymieniać haploidalne produkty mejotyczne. Produkt mejotyczny będący rezydentem łączy się z przeniesionym produktem mejotycznym, tworząc nowe diploidalne jądro zygotyczne, które dzieli się w celu wytworzenia nowego MIC i MAC (stary MAC zostaje zniszczony). Podczas rozmnażania bezpłciowego (c, d), MIC dzieli się przez mitozę, podczas gdy MAC dzieli się przez amitozę. Amitoza pozwala na losową segregację chromosomów rodzicielskich wśród komórek potomnych, generując zróżnicowanie między osobnikami. Ostatecznie prowadzi to do asortymentu fenotypowego, w którym pojedyncze chromosomy w MAC stają się całkowicie homozygotyczne w ciągu kilku pokoleń29 (e). T. thermophila, ma nieznany mechanizm kontroli liczby kopii, który skutkuje w przybliżeniu równą liczbą homologicznych chromosomów w każdej komórce potomnej27.
Większość mutacji mających wpływ na kondycję jest szkodliwa, ale dobór naturalny nie może usunąć ich wszystkich z populacji. W rezultacie, wiele osobników nosi mutacje deleteryjne, które zmniejszają ich kondycję, co prowadzi do zmniejszenia średniej kondycji populacji, czyli obciążenia mutacjami. Rozpoczynamy od zbadania, w jakim stopniu amitoza z kontrolą liczby kopii chromosomów wpływa na obciążenie mutacyjne. Oczekuje się, że populacja bezpłciowych diploidów, która rozmnaża się przez mitozę, wykaże następującą średnią kondycję w stanie równowagi30-33:
gdzie Ud = 2Lµd jest stopą mutacji deleteryjnych na genom diploidalny na pokolenie, L jest liczbą loci wpływających na kondycję, a µd jest stopą mutacji deleteryjnych na locus na pokolenie (patrz Informacje Uzupełniające). Dla kontrastu, jeśli bezpłciowa diploidalna populacja rozmnaża się przez amitozę, jej średnia kondycja w stanie równowagi jest dana przez
gdzie sd < 0 jest wpływem na kondycję mutacji deleteryjnej w stanie homozygotycznym (zobacz Supplementary Information). Ten scenariusz jest czysto teoretyczny, ponieważ nie wiadomo, aby jakiekolwiek diploidalne jądro rozmnażało się amitotycznie. Równania 1 i 2 opierają się na kilku założeniach: (i) rozmiar populacji jest bardzo duży, więc możemy zignorować dryf genetyczny; (ii) mutacje są nieodwracalne; µd jest (iii) niskie i (iv) równe pomiędzy loci; (v) istnieje równowaga powiązań pomiędzy loci fitness; wszystkie mutacje (vi) mają ten sam efekt szkodliwy sd, i przyczyniają się do fitness (vii) addytywnie w obrębie loci (tj. są kodominujące) i (viii) multiplikatywnie pomiędzy loci (tj. nie oddziałują epistatycznie). Równania 1 i 2 pokazują, że amitoza może zmniejszyć obciążenie mutacjami w porównaniu do mitozy w populacjach diploidalnych. Na przykład, jeśli Ud = 0,1 i sd = -0,1, średnia kondycja w równowadze wynosi Ŵmit = 0,905 przy mitozie i Ŵamit = 0,945 przy amitozie. Zatem amitoza ma przewagę selektywną nad mitozą Ŵamit/Ŵmit – 1 = 4,4%. Współczynnik mutacji deleterycznych, Ud, ma duży wpływ na korzyść z amitozy: podwojenie wartości Ud ponad dwukrotnie zwiększa przewagę amitozy do 9,1% (Rys. 2a). Współczynnik selekcji mutacji deleteryjnej, sd, ma jednak stosunkowo niewielki wpływ na korzyść z amitozy: uczynienie mutacji jedną dziesiątą bardziej deleteryjną (sd = -0.01) powoduje wzrost przewagi amitozy do zaledwie 5.0% (Ryc. 2b).
Amitoza z kontrolą liczby kopii jest obserwowana w rodzaju Tetrahymena, które mają wysoką ploidalność w swoim makrojądrowym genomie (np. T. thermophila są 45-ploidalne). Co ciekawe, korzyść z amitozy w stosunku do mitotycznie rozmnażającego się organizmu o tej samej ploidalności rośnie wraz z ploidalnością (Rys. 2). Na przykład, jeśli Ud = 0.1 i sd = -0.1, korzyść z amitozy wzrasta do 6.7% u tetraploidów, 7.9% u oktoploidów, 8.7% u 16-ploidów, i tak dalej. Dalszy wzrost ploidalności powoduje malejące zwroty w korzyściach z amitozy. Te oczekiwane korzyści są konserwatywne, ponieważ zakładają, że współczynnik mutacji destrukcyjnych, Ud, jest stały dla wszystkich ploidów. Jeśli, na przykład, podwojenie ploidalności powoduje wzrost o 10% w Ud, znacznie większa korzyść z amitozy zostałaby osiągnięta przy wysokiej ploidalności (Rys. 2a, linia przerywana). W badaniu akumulacji mutacji oszacowano, że T. thermophila ma tempo mutacji deleteryjnych w MIC na poziomie 
na genom na pokolenie i że mutacje mają spodziewany efekt deleteryjny 
w stanie homozygotycznym34. Jeśli przyjmiemy, że genom MAC ma 
i 
, szacujemy, że amitoza ma korzyść 21,0% w stosunku do mitozy u tego gatunku.
Dotychczasowe analizy ignorowały efekt dryfu genetycznego. Dryf może powodować, że populacja gromadzi szkodliwe mutacje w sposób stochastyczny, dodatkowo zwiększając obciążenie genetyczne lub obciążenie dryfem32, 35, 36. U organizmów bezpłciowych zjawisko to znane jest jako zapadka Mullera6, 37, 38. Oceniamy teraz zakres, w jakim amitoza z kontrolą liczby kopii może spowolnić akumulację obciążenia dryfem. Populacje N = 10 lub 100 diploidalnych osobników mitotycznych doświadczają silnej zapadki Mullera, gdy Ud = 0.1 i sd = -0.1 (Rys. 3a). Zwiększenie rozmiaru populacji do N = 103 osobników powoduje znaczne spowolnienie zapadki, pozwalaj±c populacjom osi±gn±ć równowagę mutacyjno-selekcyjn± (Rys. 3a). Reprodukcja poprzez amitozę czyni populacje mniej podatnymi na działanie zapadki Mullera. Akumulacja ładunku dryfu spowalnia się o 39% (95% przedział ufności, CI: 31%, 46%) w diploidalnych populacjach N = 10 osobników, a efektywnie zatrzymuje się w populacjach N = 100 osobników (Rys. 3c).
Ewolucyjne odpowiedzi średniej kondycji w populacjach o różnych rozmiarach (N) i plodiach (n), podążających za różnymi strategiami reprodukcyjnymi. Linie pokazują średnie z symulacji stochastycznych dla 100 populacji; zacienione regiony reprezentują 95% CI. a, Mitoza u diploidów (n = 2). b, Mitoza przy ploidalności n = 45. c, Amitoza u diploidów (n = 2). d, Amitoza przy ploidalności n = 45. Założyliśmy L = 100 loci fitness, genomową szybkość mutacji deleteryjnych Ud = 0.1 na pokolenie, że mutacje mają deleteryjny efekt sd = -0.1 w stanie homozygotycznym, i że początkowo wszystkie osobniki są niezmutowane. Zauważ, że fitness jest pokazany w skali logicznej.
Korzyść z amitozy w spowalnianiu akumulacji ładunku dryfu, jak deterministyczna korzyść, wzrasta z ploidalnością. Grzechotka Mullera działa w populacjach tak dużych jak N = 104 mitotyczne 45-ploidalne osobniki (Rys. 3b). Amitoza jest w stanie powstrzymać akumulację ładunku dryfu w populacjach liczących zaledwie N = 100 osobników 45-ploidalnych (Rys. 3d). Nawet jeśli populacje amitotyczne są wystarczająco małe, by akumulować ładunek znoszenia, to czynią to wolniej niż populacje mitotyczne. Na przykład, populacje N = 10 amitotycznych 45-ploidalnych osobników akumulują ładunek dryfu o 64% (95% CI: 59%, 68%) wolniej niż populacje mitotyczne tej samej wielkości (Rys. 3b,d).
Zidentyfikowane do tej pory korzyści z przewagi amitozy nad mitozą są analogiczne do korzyści z przewagi rozmnażania płciowego nad bezpłciowym. U diploidów, rozmnażanie płciowe przez samozapłodnienie daje deterministyczną przewagę nad mitozą niemal identyczną do tej, jaką daje bezpłciowa amitoza, pokazana w równaniach 1 i 2 (patrz: Informacje Uzupełniające). W przeciwieństwie do amitozy, seks z losowym kojarzeniem u diploidów daje deterministyczną przewagę nad rozmnażaniem bezpłciowym tylko wtedy, gdy istnieje negatywna epistaza między mutacjami deleteryjnymi7, 39, lub gdy mutacje deleteryjne są częściowo recesywne40, 41. Płeć może również przeciwdziałać zapadce Mullera6, 37, podobnie jak amitoza (Rys. 3a,c). Czy korzyści z bezpłciowej amitozy są również podobne do tych z rozmnażania płciowego, gdy ploidalność jest wysoka? Zbadaliśmy to pytanie w populacjach N = 20 osobników 45-ploidalnego organizmu, takiego jak T. thermophila, doświadczającego Ud = 0,1 i sd = -0,1. Amitoza spowalnia akumulację ładunku dryfu w stosunku do mitozy o 90% (95% CI: 88%, 92%; Rysunek 4a). Organizm taki jak T. thermophila, ale rozmnażający się płciowo, z outcrossingiem, co pokolenie (tj. płeć obligatoryjna bez amitozy), a następnie generujący 45-ploidalne makrojądro z rekombinowanego diploidalnego mikrojądra (patrz Rys. 1a,b) spowolniłby akumulację ładunku dryfu o 92% (95% CI: 90%, 94%; τ = 1, Rys. 4a). Jednakże T. thermophila nie może rozmnażać się płciowo w każdym pokoleniu; raczej potrzebuje ∼ 100 aseksualnych podziałów komórkowych, by osiągnąć dojrzałość płciową42, 43. Fakultatywny seks co τ = 100 pokoleń spowalnia zapadkę tylko o 68% (95% CI: 64%, 72%; mierzone na podstawie kondycji w pokoleniu bezpośrednio przed rozmnażaniem płciowym), znacznie mniej niż amitoza (Rys. 4a). Korzyść z amitozy jest również porównywalna z korzyścią z seksu w większych populacjach w obecności korzystnych mutacji. W scenariuszu ewolucyjnym, w którym aseksualne populacje nie są w stanie się przystosować, zarówno amitoza jak i obligatoryjny seks co pokolenie (τ = 1) pozwalają populacjom się przystosować, i to szybciej niż seks fakultatywny co τ = 100 pokoleń (Ryc. 4b).
Ewolucyjne reakcje średniej kondycji populacji przy różnych strategiach reprodukcyjnych. Linie pokazują średnie z symulacji stochastycznych 500 populacji; zacienione regiony reprezentują 95% CI. a, Populacje N = 20 osobników z tempem mutacji destrukcyjnych Ud = 0.1 na genom na pokolenie. Wszystkie mutacje są szkodliwe i mają współczynnik selekcji sd = -0.1 w stanie homozygotycznym. b, Populacje N = 103 osobników z tempem mutacji genomowych U = 0.1 na pokolenie; 99% mutacji jest szkodliwych i 1% jest korzystnych ze współczynnikami selekcji odpowiednio sd = -0.1 i sb = 0.1. Założyliśmy, że osobniki mają MAC ploidalność n = 45 z L = 100 loci fitness, i że początkowo nie niosą żadnych mutacji. Rozmnażanie płciowe odbywa się z losowym kojarzeniem i swobodną rekombinacją co τ pokoleń. Zauważmy, że fitness jest pokazany w skali logicznej.
Wyniki pokazane na Rys. 4 podnoszą intrygującą możliwość, że amitoza jest faktycznie ewolucyjnie lepsza od fakultatywnego seksu u T. thermophila i jej krewnych, które mają τ ≈ 100. Jeśli to prawda, prowadziłoby to do przewidywań, że linie bezpłciowe powinny wyprzedzać płciowe w Tetrahymena. To mogłoby wyjaśnić, dlaczego linie obligatoryjnie bezpłciowe występują licznie w Tetrahymena19. Jeśli to wyjaśnienie jest poprawne, oczekiwalibyśmy, że bezpłciowe linie Tetrahymena nie wykazują typowych oznak przyspieszonej akumulacji szkodliwych mutacji w porównaniu z ich seksualnymi krewniakami13-18.
Hipoteza przedstawiona w poprzednim akapicie może być nieważna z dwóch powodów. Po pierwsze, nasza analiza może przeceniać korzyści płynące z amitozy w stosunku do płci fakultatywnej. Nasza hipoteza zakłada, że kontrola liczby kopii chromosomów podczas amitozy jest doskonała, a przynajmniej bardzo precyzyjna w ewolucyjnej skali czasowej. Jednakże precyzja kontroli liczby kopii nie jest znana nawet u T. thermophila. Kontrola liczby kopii chromosomów może być mniej precyzyjna, niż zakładamy, i dlatego może przynosić Tetrahymena mniejsze korzyści. Po drugie, nasza analiza może nie doceniać korzyści płynących z fakultatywnej płci w stosunku do amitozy. Rozważyliśmy tylko dwie możliwe korzyści z seksu, obie „mutacyjne” w naturze4. Nie ma gwarancji, że inne korzyści płynące z seksu będą wykazywać ten sam wzór. Na przykład, nie rozważyliśmy potencjalnych korzyści płynących z seksu w obliczu biotycznych interakcji3, 10, 11. Nawet jeśli nasza hipoteza jest poprawna, można sobie również wyobrazić, że istnieją dodatkowe czynniki przyczyniające się do względnego sukcesu bezpłciowej Tetrahymena. Na przykład, zaproponowano, że sama wysoka ploidalność może hamować akumulację szkodliwych mutacji poprzez konwersję genów23. Jednak ta proponowana korzyść nie została wymodelowana, dlatego trudno ją ocenić.
Jaka jest mechanistyczna podstawa zidentyfikowanych tu korzyści z amitozy? Główna różnica między tymi dwoma typami podziału jądrowego polega na tym, że amitoza, podobnie jak płeć, może generować więcej genetycznej zmienności w kondycji niż mitoza. Na przykład, n-ploidalny osobnik (zakładamy, że n jest parzyste dla uproszczenia) z n/2 allelami typu dzikiego i n/2 allelami delecyjnymi będzie miał kondycję W = 1 – sd/2. Mutacja wygeneruje wariancję kondycji
w każdym pokoleniu, gdzie ud = nµd jest tempem mutacji delecyjnych w locus na pokolenie. Nie oczekuje się, że mitoza wygeneruje jakąkolwiek wariancję w kondycji oprócz mutacji (tj. Vmit = Vmut). Amitoza, jednakże, zwiększy wariancję w kondycji dalej
każdego pokolenia44. Ponieważ Ud jest prawdopodobnie niskie, oczekuje się, że amitoza zwiększy wariancję kondycji w znacznie większym stopniu niż mutacja, a zatem i mitoza (Vamit ≫ Vmit).
Proponujemy, że amitoza powoduje wzrost addytywnej genetycznej wariancji kondycji, dzięki czemu dobór naturalny staje się bardziej efektywny – analogicznie do hipotezy Weismanna o przewadze płci1, 4, 5. Zgodnie z tą ideą, wariancja kondycji generowana przez amitozę względem mitozy wzrasta w przybliżeniu liniowo z ploidalnością (Vamit/Vmit ≈ n/(8Ud)), co wyjaśnia, dlaczego korzyść z amitozy względem mitozy wzrasta wraz z ploidalnością. Wnioskujemy, że amitoza z kontrolą liczby kopii chromosomów przynosi korzyści z płci przy jej braku i może tłumaczyć wysoką częstość występowania obligatoryjnie bezpłciowych linii u Tetrahymena19.
.