Deși rare în toate ciliatele, liniile asexuate obligatorii sunt abundente și, probabil, vechi, în genul Tetrahymena19. Motivul acestei abundențe este necunoscut. O posibilitate este că arhitectura genomică particulară a Tetrahymena îi permite să evite unele dintre consecințele negative ale asexualității19, 24. Ciliatele sunt eucariote microbiene caracterizate prin separarea funcțiilor germinale și somatice în două tipuri distincte de nuclee în cadrul unei singure celule. Macronucleul somatic (MAC) este locul tuturor transcripțiilor în timpul creșterii și reproducerii asexuate, iar micronucleul germinal (MIC) este responsabil pentru transmiterea materialului genetic în timpul conjugării sexuale (Fig. 1). În urma conjugării, un nucleu zigottic se împarte și se diferențiază în cele două tipuri de nuclee (Fig. 1a,b). În timpul acestei diferențieri, genomul macronuclear suferă rearanjamente masive, rezultând un genom cu mulți cromozomi mici, foarte poliploizi, acentromerici25. Această structură a genomului are ca rezultat diviziunea macronucleară amitotică (Fig. 1c,d). Amitoza generează variații între indivizi în ceea ce privește numărul fiecărei alele la un locus. La majoritatea ciliatelor, amitoza are ca rezultat un număr diferit de cromozomi în rândul progeniturilor, ceea ce duce în cele din urmă la senescență și moarte26. Cu toate acestea, Tetrahymena dispune de un mecanism necunoscut de control al numărului de copii cromozomiale în timpul amitozei, care are ca rezultat o ploidie aproximativ constantă27. 25 % din 2 609 izolate sălbatice asemănătoare Tetrahymena nu aveau un MIC și, prin urmare, erau asexuate19. Pentru a testa dacă amitoza cu control al numărului de copii cromozomiale poate explica succesul relativ al Tetrahymena asexuate, am examinat consecințele evolutive ale diferitelor forme de reproducere, diviziune nucleară și ploidie.
Schema conjugării sexuale urmată de două runde de diviziune asexuată. Pentru simplificare, este prezentat doar un singur cromozom: acesta apare în două copii în micronucleu (MIC) și în șase copii în macronucleu (MAC) (în realitate, fiecare cromozom apare în 45 de copii în MAC din Tetrahymena thermophila). a, În timpul reproducerii sexuale (conjugare), MIC diploid este supus meiozei27, 28. b, Două celule pot fuziona tranzitoriu și pot face schimb de produse meiotice haploide. Un produs meiotic rezident fuzionează apoi cu produsul meiotic transferat pentru a produce un nou nucleu zigot diploid zigot, care se divide pentru a genera noul MIC și MAC (vechiul MAC este distrus). În timpul reproducerii asexuate (c, d), MIC se împarte prin mitoză, în timp ce MAC se împarte prin amitoză. Amitoza permite segregarea aleatorie a cromozomilor parentali între celulele fiice, generând variații între indivizi. În cele din urmă, acest lucru are ca rezultat sortimentul fenotipic, în care cromozomii individuali din MAC devin complet homozigoți în câteva generații29 (e). T. thermophila, are un mecanism necunoscut de control al numărului de copii care are ca rezultat un număr aproximativ egal de cromozomi omologi în fiecare celulă fiică27.
Majoritatea mutațiilor cu efecte asupra capacității fizice sunt dăunătoare, dar selecția naturală nu le poate elimina pe toate din populații. Ca urmare, mulți indivizi sunt purtători de mutații deletere care le reduc fitness-ul, ceea ce duce la o reducere a fitness-ului mediu al populațiilor, sau a încărcăturii de mutații. Începem prin a investiga măsura în care amitoza cu controlul numărului de copii cromozomiale afectează încărcătura de mutații. Se așteaptă ca o populație de diploide asexuate care se reproduce prin mitoză să prezinte următoarea fitness medie la echilibru30-33:
unde Ud = 2Lµd este rata de mutație deleterioasă per genom diploid pe generație, L este numărul de loci care influențează fitness-ul, iar µd este rata de mutație deleterioasă per locus pe generație (a se vedea informațiile suplimentare). În schimb, în cazul în care o populație diploidă asexuată se reproduce prin amitoză, fitness-ul său mediu la echilibru este dat de
unde sd < 0 este efectul asupra fitness-ului al unei mutații dăunătoare într-o stare homozigotă (a se vedea Informații suplimentare). Acest scenariu este pur teoretic, deoarece nu se cunoaște niciun nucleu diploid care să se reproducă amitotic. Ecuațiile 1 și 2 se bazează pe mai multe ipoteze: (i) dimensiunea populației este foarte mare, astfel încât putem ignora deriva genetică; (ii) mutațiile sunt ireversibile; µd este (iii) scăzută și (iv) egală între loci; (v) există un echilibru de legătură între loci de fitness; toate mutațiile (vi) au același efect dăunător sd și contribuie la fitness (vii) adițional în cadrul locilor (adică sunt codominante) și (viii) multiplicativ între loci (adică nu interacționează epistatic). Ecuațiile 1 și 2 arată că amitoza poate reduce încărcătura de mutații în comparație cu mitoza în populațiile diploide. De exemplu, dacă Ud = 0,1 și sd = -0,1, fitnessul mediu la echilibru este Ŵmit = 0,905 în cazul mitosisului și Ŵamit = 0,945 în cazul amitozei. Astfel, amitoza are un avantaj selectiv față de mitoză de Ŵamit/Ŵmit – 1 = 4,4%. Rata mutațiilor dăunătoare, Ud, are un efect mare asupra avantajului amitozei: dublarea valorii lui Ud mai mult decât dublează avantajul amitozei la 9,1% (Fig. 2a). Cu toate acestea, coeficientul de selecție al unei mutații deletere, sd, are un efect comparativ mic asupra beneficiului amitozei: realizarea unor mutații cu o zecime la fel de deletere (sd = -0,01) face ca avantajul amitozei să crească la numai 5,0% (Fig. 2b).
Valorile arată avantajul selectiv al amitozei față de mitoză, Ŵamit/Ŵmit – 1, la diferite ploidii (ŴX este fitness-ul mediu la echilibru al unei populații de indivizi care urmează strategia de reproducere X pentru o anumită ploidie). a, Efectul ratei de mutație deleterioasă genomică, Ud. Liniile continue arată avantajele selective corespunzătoare unor valori constante ale lui Ud la toate ploidiile. Linia punctată presupune că o dublare a ploidiei duce la o creștere de 10 % a lui Ud. Mutațiile au un efect deleteriu de sd = -0,1 la toate ploidiile. b, Efectul coeficientului de selecție al unei mutații deletere, sd. Am stabilit că Ud = 0,1 la toate ploidiile. Atât în a, cât și în b, am presupus că există L = 100 de loci de fitness. Rețineți că ploidia este prezentată pe o scară logaritmică.
Amitoza cu control al numărului de copii este observată în genul Tetrahymena, care are o ploidie ridicată în genomul lor macronuclear (de exemplu, T. thermophila sunt 45-ploide). Este interesant faptul că beneficiul amitozei în raport cu un organism care se reproduce mitotic cu aceeași ploidie crește odată cu ploidia (Fig. 2). De exemplu, dacă Ud = 0,1 și sd = -0,1, beneficiul amitozei crește la 6,7 % în cazul tetraploidelor, 7,9 % în cazul octoploidelor, 8,7 % în cazul 16-ploidelor, și așa mai departe. Creșterile ulterioare ale ploidiei determină randamente descrescătoare în ceea ce privește beneficiul amitozei. Aceste beneficii preconizate sunt conservatoare, deoarece presupun că rata mutațiilor dăunătoare, Ud, este constantă între ploidii. Dacă, de exemplu, dublarea ploidiei determină o creștere de 10 % a lui Ud, beneficiile amitozei ar fi mult mai mari la ploidii ridicate (Fig. 2a, linia punctată). Un studiu de acumulare a mutațiilor a estimat că T. thermophila are o rată de mutații dăunătoare în MIC de 
pe genom pe generație și că mutațiile au un efect dăunător așteptat de 
în stare homozigotă34. Dacă presupunem că genomul MAC are 
și 
, estimăm că amitoza are un beneficiu de 21,0% în raport cu mitoza la această specie.
Analizele de până acum au ignorat efectul driftului genetic. Deriva poate face ca o populație să acumuleze mutații dăunătoare în mod stocastic, crescând și mai mult încărcătura genetică, sau încărcătura de derivă32, 35, 36. La asexuate, acest fenomen este cunoscut sub numele de clichetul lui Muller6, 37, 38. În prezent, evaluăm în ce măsură amitoza cu control al numărului de copii poate încetini acumularea sarcinii de derivă. Populațiile de N = 10 sau 100 de indivizi mitotici diploizi experimentează un ratchet al lui Muller puternic atunci când Ud = 0,1 și sd = -0,1 (Fig. 3a). Creșterea dimensiunii populației până la N = 103 indivizi determină încetinirea considerabilă a șovăielii, permițând populațiilor să atingă echilibrul mutație-selecție (Fig. 3a). Reproducerea prin amitoză face ca populațiile să fie mai puțin susceptibile la clichetul lui Muller. Acumularea încărcăturii de drift încetinește cu 39% (interval de încredere de 95%, IC: 31%, 46%) în populațiile diploide de N = 10 indivizi și se oprește efectiv în populațiile de N = 100 de indivizi (Fig. 3c).
Răspunsuri evolutive ale fitness-ului mediu în populații de diferite dimensiuni (N) și plodii (n), care urmează diferite strategii de reproducere. Liniile arată mediile simulărilor stochastice a 100 de populații; regiunile umbrite reprezintă IC 95%. a, Mitoza în diploide (n = 2). b, Mitoza cu o ploidie de n = 45. c, Amitoza în diploide (n = 2). d, Amitoza cu o ploidie de n = 45. Am presupus că L = 100 de loci de fitness, o rată de mutații genomice dăunătoare de Ud = 0,1 pe generație, că mutațiile au un efect dăunător de sd = -0,1 într-o stare homozigotă și că, inițial, toți indivizii sunt nemutați. Rețineți că fitness-ul este prezentat pe o scară logaritmică.
Beneficiul amitozei de a încetini acumularea încărcăturii de derivă, ca și beneficiul determinist, crește odată cu ploidia. Șovăiala lui Muller funcționează în populații de până la N = 104 indivizi mitotici 45-ploizi (Fig. 3b). Amitoza este capabilă să oprească acumularea încărcăturii de derivă în populații cu un număr atât de mic de N = 100 de indivizi 45-ploizi (Fig. 3d). Chiar și atunci când populațiile amitotice sunt suficient de mici pentru a acumula încărcătură de derivă, acestea o fac mai lent decât cele mitotice. De exemplu, populațiile de N = 10 indivizi amitotici 45-ploizi acumulează sarcina de derivă cu 64% (95% CI: 59%, 68%) mai încet decât populațiile mitotice de aceeași mărime (Fig. 3b,d).
Beneficiile amitozei față de mitoză identificate până acum sunt analoge cu beneficiile reproducerii sexuale față de cea asexuată. La diploide, reproducerea sexuată prin autofecundare conferă un avantaj determinist față de mitoză aproape identic cu cel al amitozei asexuate prezentat în ecuațiile 1 și 2 (a se vedea informațiile suplimentare). Spre deosebire de amitoză, sexul cu împerechere aleatorie la diploide conferă un avantaj determinist față de reproducerea asexuată numai în cazul în care există o epistază negativă între mutațiile dăunătoare7, 39 sau dacă mutațiile dăunătoare sunt parțial recesive40, 41. Sexul poate, de asemenea, să contracareze șovăiala lui Muller6, 37, la fel ca amitoza (Fig. 3a,c). Sunt beneficiile amitozei asexuale, de asemenea, similare cu cele ale reproducerii sexuale atunci când ploidia este ridicată? Am investigat această întrebare în populații de N = 20 de indivizi ai unui organism cu 45 de ploide, cum ar fi T. thermophila, care prezintă Ud = 0,1 și sd = -0,1. Amitoza încetinește acumularea încărcăturii de drift în raport cu mitoza cu 90 % (IC 95%: 88%, 92%; Figura 4a). Un organism ca T. thermophila, dar care se reproduce pe cale sexuală, cu încrucișări, la fiecare generație (adică sex obligatoriu fără amitoză) și care generează apoi un macronucleu 45-ploid din micronucleul diploid recombinant (a se vedea Fig. 1a,b) ar încetini acumularea sarcinii de derivă cu 92% (IC 95%: 90%, 94%; τ = 1, Fig. 4a). Cu toate acestea, T. thermophila nu se poate reproduce pe cale sexuală la fiecare generație; mai degrabă, are nevoie de ∼ 100 de diviziuni celulare asexuate pentru a atinge maturitatea sexuală42, 43. Sexul facultativ la fiecare τ = 100 de generații încetinește clichetul cu doar 68 % (95% CI: 64 %, 72 %; măsurat pe baza fitness-ului în generația imediat înainte ca populația să se reproducă sexual), mult mai puțin decât amitoza (Fig. 4a). Beneficiul amitozei este, de asemenea, comparabil cu cel al sexului în populații mai mari în prezența mutațiilor benefice. Într-un scenariu evolutiv în care populațiile asexuate nu sunt capabile să se adapteze, atât amitoza, cât și sexul obligatoriu la fiecare generație (τ = 1) permit populațiilor să se adapteze, și mai rapid decât sexul facultativ la fiecare τ = 100 de generații (Fig. 4b).
Răspunsuri evolutive ale fitness-ului mediu al populației în cadrul diferitelor strategii de reproducere. Liniile arată mediile simulărilor stocastice a 500 de populații; regiunile umbrite reprezintă IC de 95%. a, Populații de N = 20 de indivizi cu o rată de mutație deleterioasă de Ud = 0,1 per genom pe generație. Toate mutațiile sunt deletere și au un coeficient de selecție de sd = -0,1 în stare homozigotă. b, Populații de N = 103 indivizi cu o rată de mutație genomică de U = 0,1 pe generație; 99 % din mutații sunt deletere și 1 % sunt benefice cu coeficienți de selecție de sd = -0,1 și, respectiv, sb = 0,1. Am presupus că indivizii au o ploidie MAC de n = 45 cu L = 100 de loci de fitness și că, inițial, nu sunt purtători de mutații. Reproducerea sexuală are loc prin împerechere aleatorie și recombinare liberă la fiecare τ generații. Rețineți că fitness-ul este prezentat pe o scară logaritmică.
Rezultatele prezentate în Fig. 4 ridică posibilitatea intrigantă ca amitoza să fie de fapt superioară din punct de vedere evolutiv sexului facultativ la T. thermophila și la rudele sale, care au τ ≈ 100. Dacă este adevărat, acest lucru ar conduce la predicția că liniile asexuate ar trebui să le surclaseze pe cele sexuale în Tetrahymena. Acest lucru ar putea explica motivul pentru care neamurile obligatoriu asexuate sunt abundente în Tetrahymena19. Dacă această explicație este corectă, ne-am aștepta ca neamurile asexuate din Tetrahymena să nu prezinte semnele tipice de acumulare accelerată a mutațiilor dăunătoare în comparație cu rudele lor sexuale13-18.
Ipoteza prezentată în paragraful anterior poate fi invalidă din două motive. În primul rând, este posibil ca analiza noastră să supraestimeze beneficiul amitozei în raport cu sexul facultativ. Ipoteza noastră presupune că controlul numărului de copii cromozomiale în timpul amitozei este perfect sau, cel puțin, foarte precis pe o scară de timp evolutivă. Cu toate acestea, precizia controlului numărului de copii este necunoscută chiar și la T. thermophila. Controlul numărului de copii cromozomiale ar putea fi mai puțin precis decât am presupus și, prin urmare, ar putea conferi un beneficiu mai mic pentru Tetrahymena. În al doilea rând, este posibil ca analiza noastră să subestimeze beneficiul sexului facultativ în raport cu amitoza. Am luat în considerare doar două posibile beneficii ale sexului, ambele de natură „mutațională „4. Nu este garantat că și alte beneficii ale sexului vor prezenta același model. De exemplu, nu am luat în considerare beneficiile potențiale ale sexului în fața interacțiunilor biotice3, 10, 11. Chiar dacă ipoteza noastră este corectă, este, de asemenea, de conceput că există factori suplimentari care contribuie la succesul relativ al Tetrahymena asexuate. De exemplu, s-a propus că numai o ploidie ridicată poate inhiba acumularea de mutații dăunătoare prin conversia genelor23. Cu toate acestea, acest avantaj propus nu a fost modelat și, prin urmare, este dificil de evaluat.
Care este baza mecanică a beneficiilor amitozei identificate aici? Principala diferență între cele două tipuri de diviziune nucleară este că amitoza, ca și sexul, poate genera mai multă variație genetică în fitness decât mitoza. De exemplu, un individ n-ploid (presupunem că n este par pentru simplitate) cu n/2 alele de tip sălbatic și n/2 alele deletere va avea o fitness de W = 1 – sd/2. Mutația va genera o variație a fitness-ului de
la fiecare generație, unde ud = nµd este rata de mutație deleterioasă la locus pe generație. Nu se așteaptă ca mitoza să genereze o variație în fitness în plus față de mutație (de exemplu, Vmit = Vmut). Cu toate acestea, amitoza va crește în continuare variația în fitness
la fiecare generație44. Având în vedere că Ud este probabil să fie scăzută, se așteaptă ca amitoza să crească varianța în fitness într-o măsură mult mai mare decât mutația și, prin urmare, mitoza (Vamit ≫ Vmit).
Apropunem că amitoza determină o creștere a varianței genetice aditive în fitness, făcând astfel ca selecția naturală să fie mai eficientă – un analog al ipotezei lui Weismann pentru avantajul sexului1, 4, 5. În concordanță cu această idee, variația în fitness generată de amitoză în raport cu mitoza crește aproximativ liniar cu ploidia (Vamit/Vmit ≈ n/(8Ud)), ceea ce explică de ce avantajul amitozei în raport cu mitoza crește odată cu ploidia. Concluzionăm că amitoza cu control al numărului de copii cromozomiale conferă beneficii ale sexului în absența sexului și poate explica incidența ridicată a liniilor asexuate obligatorii în Tetrahymena19.
.