The duplication of entire genomes has long been recognized as having great potential for evolutionary novelties, but the mechanisms underlying their resolution through gene loss are poorly understood. Here we show that in the unicellular eukaryote Paramecium tetraurelia, a ciliate, most of the nearly 40,000 genes arose through at least three successive whole-genome duplications. Phylogenetic analysis indicates that the most recent duplication coincides with an explosion of speciation events that gave rise to the P. aurelia complex of 15 sibling species. We observed that gene loss occurs over a long timescale, not as an initial massive event. Genes from the same metabolic pathway or protein complex have common patterns of gene loss, and highly expressed genes are over-retained after all duplications. The conclusion of this analysis is that many genes are maintained after whole-genome duplication not because of functional innovation but because of gene dosage constraints.

Whole genome duplications (WGDs) are found in a variety of tumors and are associated with chromosomal instability (CIN) and poor prognosis [1,2]. When induced experimentally, through cytokinesis failure, polyploid cells generate tumors [3]. Cytokinesis failure results in the accumulation of double DNA content, but also of cytoplasmic organelles, such as centrosomes, which are the major microtubule (MT) organizing centers of animal cells. Importantly, even if there is a correlation between polyploidy and CIN [4], the underlying mechanisms generating error-prone mitosis in cells with extra DNA and extra centrosomes are not known. When considering polyploid mitosis, it is essential to take into account the increase in MT nucleation due to the presence of extra centrosomes and extra DNA. The presence of supernumerary centrosomes in a cell, centrosome amplification [5], is associated with mitotic spindle multipolarity and CIN [6-9]. Importantly, additional MTs can be nucleated from the chromatin (chromatin mediated pathway- CMP) or from pre-existing MTs- through the Augmin pathway. We hypothesized that the increase in DNA and centrosome content in a cell could lead to an increased MT mass, which might account for abnormal mitosis described in polyploid cells [4, 10, 11, 12]. Using genetics, live imaging and modeling approaches, we investigated the mechanisms establishing multipolarity in vivo in polyploid cells. We found that MT nucleation from the centrosomes is the major contributor to multipolarity, while other pathways seem to play minor roles. Unexpectedly, we found that even if Ncd/HSET, plays an essential role in promoting centrosome clustering in early mitosis, the increase in chromosome mass associated with cytokinesis failure functions as a barrier to centrosome clustering into two main poles. Our work provides a mechanistic link between polyploidy and the generation of CIN.

Ciliogenesis is a general process in eukaryotic cells and its different steps begin to be well characterised. However, the molecular mechanisms leading to decilation or ciliary shedding are still poorly understood. This process, observed from unicellular organisms such as Chlamydomonas or Paramecium to multiciliated cells from trachea or fallopian tube of vertebrates, seems to be a general process since recent observations demonstrates its requirement during the cell cycle or neurogenesis. Interestingly, in all cellular models, ciliary shedding occurs distal to the transition zone, essentially known to act as a diffusion barrier between the intracellular space and the cilium, suggesting conserved molecular mechanisms. To determine if MKS and NPHP modules, known to cooperate to establish transition zone formation and function, could control ciliary shedding, we studied in Paramecium the function of TMEM216/MKS2 and TMEM107 (two members of the MKS module), NPHP4 (one member of the NPHP module), CEP290/NPHP6 and RPGRIP1L/MKS5. We show that all these proteins are recruited to the TZ as soon as growing cilia are detected and localise with a 9-fold symmetry at the level of the axonemal plate. Interestingly, we demonstrate that the depletion of the two MKS module proteins induces spontaneous cilia shedding, while the depletion of either NPHP4, CEP290 or RPGRIP1L inhibits the process. Our results constitute the first evidence for a role of conserved TZ proteins in deciliation and open new directions for understanding motile cilia physiology.