Amitosis ger Tetrahymena fördelar av kön i avsaknad av kön

Och även om de är sällsynta i alla ciliater, finns det många, och möjligen gamla, könlösa linjer i släktet Tetrahymena19. Orsaken till detta överflöd är okänd. En möjlighet är att Tetrahymenas speciella genomiska arkitektur gör det möjligt för den att undvika några av de negativa konsekvenserna av asexualitet19, 24. Ciliater är mikrobiella eukaryoter som kännetecknas av att de germina och somatiska funktionerna är separerade i två olika typer av kärnor inom en enda cell. Den somatiska makrokärnan (MAC) är platsen för all transkription under tillväxt och asexuell reproduktion, och den germina mikrokärnan (MIC) ansvarar för överföringen av genetiskt material under sexuell konjugation (fig. 1). Efter konjugationen delar sig en zygotisk kärna och differentieras i de två typerna av kärnor (fig. 1a, b). Under denna differentiering genomgår det makronukleära genomet massiva omarrangemang, vilket resulterar i ett genom med många små, mycket polyploida, acentromeriska kromosomer25. Denna genomstruktur resulterar i amitotisk makronukleär delning (fig. 1c,d). Amitosis genererar variation mellan individer i antalet av varje allel vid ett locus. Hos de flesta ciliater resulterar amitosis i olika antal kromosomer bland avkommorna, vilket så småningom leder till senescens och död26. Tetrahymena har dock en okänd mekanism för att kontrollera antalet kromosomkopior under amitos som resulterar i ungefär konstant ploidi27. 25 % av 2 609 vilda Tetrahymena-liknande isolat saknade MIC och var därför asexuella19. För att testa om amitos med kontroll av kromosomkopieantalet kan förklara den relativa framgången för asexuella Tetrahymena undersökte vi de evolutionära konsekvenserna av olika former av reproduktion, kärndelning och ploidi.

De flesta mutationer med effekter på konditionen är skadliga, men det naturliga urvalet kan inte ta bort alla från populationer. Därför bär många individer på skadliga mutationer som minskar deras fitness, vilket leder till en minskning av populationernas genomsnittliga fitness, eller mutationsbelastning. Vi börjar med att undersöka i vilken utsträckning amitosis med kontroll av kromosomkopieringsantalet påverkar mutationsbelastningen. En population av asexuella diploider som reproducerar sig genom mitos förväntas uppvisa följande genomsnittliga fitness vid jämvikt30-33:där Ud = 2Lµd är den skadliga mutationsfrekvensen per diploidgenom per generation, L är antalet loci som påverkar fitnessen och µd är den skadliga mutationsfrekvensen per locus per generation (se tilläggsinformation). Om däremot en asexuell diploid population reproducerar sig genom amitos, ges dess genomsnittliga fitness vid jämvikt av där sd < 0 är effekten på fitness av en skadlig mutation i homozygot tillstånd (se tilläggsinformation). Detta scenario är rent teoretiskt eftersom ingen diploid kärna är känd för att reproducera sig amitotiskt. Ekvationerna 1 och 2 bygger på flera antaganden: (i) populationsstorleken är mycket stor, så vi kan bortse från genetisk drift, (ii) mutationer är irreversibla, µd är (iii) låg och (iv) lika mellan loci, (v) det råder kopplingsjämvikt mellan fitnessloci, alla mutationer (vi) har samma skadliga effekt sd och bidrar till fitness (vii) additivt inom loci (dvs. de är kodominanta) och (viii) multiplicativt mellan loci (dvs. de interagerar inte epistatiskt). Ekvationerna 1 och 2 visar att amitos kan minska mutationsbelastningen jämfört med mitos i diploida populationer. Om Ud = 0,1 och sd = -0,1 är till exempel den genomsnittliga fitnessen vid jämvikt Ŵmit = 0,905 under mitos och Ŵamit = 0,945 under amitos. Således har amitosis en selektiv fördel gentemot mitos på Ŵamit/Ŵmit – 1 = 4,4 %. Den skadliga mutationshastigheten, Ud, har en stor effekt på fördelen med amitos: en fördubbling av värdet på Ud mer än fördubblar fördelen med amitos till 9,1 % (fig. 2a). Selektionskoefficienten för en skadlig mutation, sd, har dock en jämförelsevis liten effekt på fördelarna med amitosis: om mutationer görs en tiondel så skadliga (sd = -0,01) ökar fördelen med amitosis till endast 5,0 % (fig. 2b).

Amitos med kontroll av antalet kopior observeras i släktet Tetrahymena, som har hög ploidiering i sitt makronukleära genom (t.ex. T. thermophila är 45-ploid). Intressant nog ökar nyttan av amitos i förhållande till en mitotiskt reproducerande organism med samma ploidi med ploidi (fig. 2). Om Ud = 0,1 och sd = -0,1 ökar till exempel fördelen med amitos till 6,7 % hos tetraploider, 7,9 % hos oktoploider, 8,7 % hos 16-ploider och så vidare. Ytterligare ökningar av ploiditeten leder till en avtagande avkastning på fördelarna med amitos. Dessa förväntade fördelar är konservativa eftersom de förutsätter att den skadliga mutationshastigheten Ud är konstant i alla ploidier. Om t.ex. en fördubbling av ploidin orsakar en ökning av Ud med 10 %, skulle en väsentligt större fördel av amitosis uppnås vid höga ploidinivåer (fig. 2a, streckad linje). En studie av mutationsackumulering uppskattade att T. thermophila har en skadlig mutationshastighet i MIC på per genom och generation och att mutationer har en förväntad skadlig effekt på i homozygot tillstånd34. Om vi antar att MAC-genomet har och uppskattar vi att amitos har en fördel på 21,0 % i förhållande till mitos hos denna art.

Analyserna hittills har ignorerat effekten av genetisk drift. Drift kan leda till att en population ackumulerar skadliga mutationer på ett stokastiskt sätt, vilket ytterligare ökar den genetiska belastningen, eller driftbelastningen32, 35, 36. Hos asexuella djur är detta fenomen känt som Mullers ratchet6, 37, 38. Vi utvärderar nu i vilken utsträckning amitosis med kontroll av antalet kopior kan bromsa ackumuleringen av driftbelastning. Populationer med N = 10 eller 100 diploida mitotiska individer upplever stark Mullers ratchet när Ud = 0,1 och sd = -0,1 (fig. 3a). Om populationsstorleken ökas till N = 103 individer bromsas ratchet avsevärt, vilket gör att populationerna kan uppnå jämvikt mellan mutation och selektion (fig. 3a). Reproduktion genom amitosis gör populationer mindre mottagliga för Mullers ratchet. Ackumuleringen av driftbelastningen saktar ner med 39 % (95 % konfidensintervall, CI: 31 %, 46 %) i diploida populationer med N = 10 individer, och upphör i praktiken i populationer med N = 100 individer (fig. 3c).

Nyttan av amitosis när det gäller att bromsa ackumuleringen av driftbelastning, liksom den deterministiska nyttan, ökar med ploidy. Mullers ratchet fungerar i så stora populationer som N = 104 mitotiska 45-ploida individer (fig. 3b). Amitosis kan stoppa ackumuleringen av driftlast i populationer med så få som N = 100 45-ploida individer (fig. 3d). Även när amitotiska populationer är tillräckligt små för att ackumulera driftlast gör de det långsammare än mitotiska populationer. Exempelvis ackumulerar populationer med N = 10 amitotiska 45-ploida individer driftbelastning 64 % (95 % CI: 59 %, 68 %) långsammare än mitotiska populationer av samma storlek (fig. 3b,d).

Fördelarna med amitos framför mitos som hittills identifierats är analoga med fördelarna med sexuell framför asexuell reproduktion. Hos diploider ger sexuell reproduktion genom selfing en deterministisk fördel jämfört med mitos som är nästan identisk med den för asexuell amitos som visas i ekvationerna 1 och 2 (se tilläggsinformation). Till skillnad från amitosis ger sexuell reproduktion med slumpmässig parning i diploider endast en deterministisk fördel jämfört med asexuell reproduktion om det finns negativ epistas mellan skadliga mutationer7, 39, eller om skadliga mutationer är delvis recessiva40, 41. Kön kan också motverka Mullers ratchet6, 37, på samma sätt som amitosis (fig. 3a, c). Är fördelarna med asexuell amitosis också likartade med fördelarna med sexuell reproduktion när ploidin är hög? Vi undersökte denna fråga i populationer med N = 20 individer av en 45-ploid organism som T. thermophila som upplever Ud = 0,1 och sd = -0,1. Amitosis fördröjer ackumuleringen av driftbelastning i förhållande till mitosis med 90 % (95 % CI: 88 %, 92 %; figur 4a). En organism som liknar T. thermophila men som reproducerar sig sexuellt, med utkorsning, varje generation (dvs. obligatorisk sex utan amitos) och sedan genererar en 45-ploid makronukleus från den rekombinanta diploida mikronukleusen (se fig. 1a,b) skulle bromsa ackumuleringen av avdriftsbelastning med 92 % (95 % KI: 90 %, 94 %; τ = 1, fig. 4a). T. thermophila kan dock inte reproducera sig sexuellt varje generation, utan det krävs ∼ 100 asexuella celldelningar för att nå könsmognad42, 43. Facultativt kön var τ = 100 generation saktar ner ratchet med endast 68 % (95 % CI: 64 %, 72 %; mätt baserat på fitness i generationen omedelbart innan populationen reproducerar sig sexuellt), vilket är mycket mindre än amitosis (fig. 4a). Fördelen med amitosis är också jämförbar med fördelen med kön i större populationer i närvaro av fördelaktiga mutationer. I ett evolutionärt scenario där asexuella populationer inte kan anpassa sig, gör både amitosis och obligatoriskt kön varje generation (τ = 1) det möjligt för populationer att anpassa sig, och snabbare än fakultativt kön varje τ = 100 generationer (fig. 4b).

Resultaten som visas i figur 4 ger upphov till den spännande möjligheten att amitosis faktiskt är evolutionärt överlägsen fakultativt kön hos T. thermophila och dess släktingar, som har τ ≈ 100. Om detta är sant skulle det leda till förutsägelsen att asexuella linjer borde konkurrera ut sexuella linjer i Tetrahymena. Detta skulle kunna förklara varför obligatoriskt asexuella linjer är rikligt förekommande i Tetrahymena19. Om denna förklaring är korrekt skulle vi förvänta oss att asexuella linjer i Tetrahymena inte uppvisar de typiska tecknen på accelererad ackumulering av skadliga mutationer jämfört med deras sexuella släktingar13-18.

Hypotesen som beskrivs i föregående stycke kan vara ogiltig av två skäl. För det första kan vår analys överskatta fördelarna med amitos i förhållande till fakultativt kön. Vår hypotes förutsätter att kontrollen av kromosomkopieringsantalet under amitosis är perfekt, eller åtminstone mycket exakt på en evolutionär tidsskala. Precisionen i kontrollen av antalet kopior är dock okänd även i T. thermophila. Kontrollen av kromosomkopieringsantalet kan vara mindre exakt än vad vi har antagit och därför ge Tetrahymena en mindre fördel. För det andra kan vår analys underskatta fördelen med fakultativt kön i förhållande till amitos. Vi har bara tagit hänsyn till två möjliga fördelar med sex, båda av ”mutationsmässig” natur4. Det är inte säkert att andra fördelar med sex uppvisar samma mönster. Vi har till exempel inte tagit hänsyn till de möjliga fördelarna med sex i samband med biotiska interaktioner3, 10, 11. Även om vår hypotes är korrekt är det också tänkbart att det finns ytterligare faktorer som bidrar till den relativa framgången för asexuella Tetrahymena. Det har till exempel föreslagits att hög ploiditet i sig kan hindra ackumuleringen av skadliga mutationer genom genomvandling23. Denna föreslagna fördel har dock inte modellerats och är därför svår att utvärdera.

Vad är den mekanistiska grunden för de fördelar med amitos som identifierats här? Den viktigaste skillnaden mellan de två typerna av kärndelning är att amitosis, liksom kön, kan generera mer genetisk variation i fitness än mitos. En n-ploid individ (vi antar att n är jämnt för enkelhetens skull) med n/2 vildtypsalleler och n/2 skadliga alleler kommer till exempel att ha en fitness på W = 1 – sd/2. Mutationer kommer att generera en variation i fitness påvarje generation, där ud = nµd är den skadliga mutationsfrekvensen på lokus per generation. Mitos förväntas inte generera någon varians i fitness utöver mutation (dvs. Vmit = Vmut). Amitosis kommer dock att öka variansen i fitness ytterligareför varje generation44. Eftersom Ud sannolikt är låg förväntas amitosis öka variansen i fitness i mycket större utsträckning än mutation, och därmed mitos (Vamit ≫ Vmit).

Vi föreslår att amitosis orsakar en ökning av den additiva genetiska variansen i fitness, vilket därför gör det naturliga urvalet effektivare – en analogi till Weismanns hypotes om fördelarna med kön1, 4, 5. I överensstämmelse med denna idé ökar variansen i fitness som genereras av amitos i förhållande till mitos ungefär linjärt med ploidy (Vamit/Vmit ≈ n/(8Ud)), vilket förklarar varför fördelen av amitos i förhållande till mitos ökar med ploidy. Vi drar slutsatsen att amitos med kontroll av kromosomkopieantalet ger fördelar av kön i avsaknad av kön och kan förklara den höga förekomsten av obligatoriskt asexuella linjer i Tetrahymena19.