Many epithelial tissues within large multicellular organisms are continually replenished by small independent populations of stem cells. These stem cells divide within their niches and differentiate into the constituent cell types of the tissue, and are largely responsible for maintaining tissue homeostasis. Mutations can accumulate in stem cell niches and change the rate of stem cell division and differentiation, contributing to both aging and tumorigenesis. Here, we create a mathematical model of the intestinal stem cell niche, crypt system, and epithelium. We calculate the expected effect of fixed mutations in stem cell niches and their expected effect on tissue homeostasis throughout the intestinal epithelium over the lifetime of an organism. We find that, due to the small population size of stem cell niches, fixed mutations are expected to accumulate via genetic drift and decrease stem cell fitness, leading to niche and tissue attrition, and contributing to organismal aging. We also explore mutation accumulation at various stem cell niche sizes, and demonstrate that an evolutionary trade-off exists between niche size, tissue aging, and the risk of tumorigenesis; where niches exist at a size that minimizes the probability of tumorigenesis, at the expense of accumulating deleterious mutations due to genetic drift. Finally, we show that the probability of tumorigenesis and the extent of aging trade-off differently depending on whether mutational effects confer a selective advantage, or not, in the stem cell niche.

Somatic tissue evolves over a vertebrate's lifetime due to the accumulation of mutations in stem cell populations. Mutations may alter cellular fitness and contribute to tumorigenesis or aging. The distribution of mutational effects within somatic cells is not known. Given the unique regulatory regime of somatic cell division we hypothesize that mutational effects in somatic tissue fall into a different framework than whole organisms; one in which there are more mutations of large effect. Through simulation analysis we investigate the fit of tumor incidence curves generated using exponential and power law Distributions of Fitness Effects (DFE) to known tumorigenesis incidence. Modeling considerations include the architecture of stem cell populations, i.e., a large number of very small populations, and mutations that do and do not fix neutrally in the stem cell niche. We find that the typically quantified DFE in whole organisms is sufficient to explain tumorigenesis incidence. Further, due to the effects of small stem cell population sizes, i.e., strong genetic drift, deleterious mutations are predicted to accumulate, resulting in reduced tissue maintenance. Thus, despite there being a large number of stem cells throughout the intestine, its compartmental architecture leads to significant aging, a prime example of Muller's Ratchet.