Příbuzenský výběr a evoluce virulence

Jak příbuzenský vztah prostřednictvím svého vlivu na kooperativní a zlomyslné znaky ovlivňuje virulenci, závisí na typu vnitrodruhového sociálního chování, které parazité vykazují. Zde rozlišujeme tři typy sociálního chování: (1) obezřetnost; (2) spolupráce na veřejných statcích a (3) zlomyslnost.

Obezřetnost

Často se předpokládá, že virulence je nutným důsledkem vykořisťování hostitele, a tedy přenosu na nové hostitele (fitness parazita) (Anderson a May, 1982; Bremermann a Pickering, 1983; Nowak a May, 1994; Frank, 1996; Ebert a Bull, 2003). Virulence má také negativní vliv na úspěšnost přenosu, například pokud parazité mohou přenášet pouze ze živých hostitelů nebo pokud je přenos z oslabených hostitelů omezen. V důsledku tohoto kompromisu bude určitá střední úroveň využívání hostitele (optimální virulence) maximalizovat úspěšnost přenosu populace parazita. Příbuznost genotypů koinfikujících parazitů pravděpodobně také ovlivňuje virulenci infekcí; modely příbuzenské selekce předpovídají, že úroveň virulence parazita, která maximalizuje fitness parazita, se zvyšuje s klesající příbuzností koinfikujících parazitů (Bremermann a Pickering, 1983; Nowak a May, 1994; Frank, 1996) (obr. 1a). To vyplývá z toho, že optimální virulence se projevuje pouze tehdy, pokud jedinci obezřetně využívají zdroje hostitele, a předpokládá se, že k ní dochází, když je příbuznost mezi koinfekčními genotypy parazitů vysoká. Když je příbuznost nízká, konkurence mezi parazity s nepříbuznými genotypy v rámci hostitele vede k selekci jedinců, kteří využívají zdroje co nejrychleji, čímž se zvyšuje virulence navzdory snížení skupinového úspěchu, což je myšlenka ztělesněná Hardinovou „tragédií společných zdrojů“ (Hardin, 1968; Frank, 1998).

Některé studie v přírodních populacích odpovídají modelu obezřetnosti. Při měření u blízce příbuzných druhů se virulence parazitických hlístic, které infikují fíkové vosičky, zvyšuje s rostoucím průměrným počtem zakladatelek, které kladou vajíčka do jednoho fíku (Herre, 1993). Tento výsledek byl interpretován ve smyslu příbuzenské selekce: větší počet zakladatelek zvyšuje pravděpodobnost infekce smíšenými genotypy hlístic, a tedy i evoluci vyšší virulence (Herre, 1993; Frank, 1996). Korelační povaha údajů znamená, že je lze interpretovat i jinak, a proto je třeba provést experimentální testy.

Experimentální důkazy pro negativní vztah mezi příbuzností a virulencí jsou omezené (Brown et al., 2002; West a Buckling, 2003). Ve studiích, kde snížení příbuznosti vede ke zvýšení virulence, je totiž málo důkazů, které by naznačovaly, že je to důsledek zvýšeného využívání uvnitř hostitele na úkor přenosu mezi hostiteli. Například smíšené genotypové infekce parazitů malárie hlodavců (Plasmodium chabaudi) infikujících myši byly virulentnější (z hlediska úbytku hmotnosti hostitele a anémie) než infekce jedním klonem, ale nevykazovaly zvýšenou míru reprodukce nebo hustoty (Taylor et al., 1998). To naznačuje, že imunitní systém byl méně schopný kontrolovat tyto infekce spíše kvůli jejich antigenní rozmanitosti než kvůli zvýšené virulenci, která by byla důsledkem zvýšeného využívání hostitele. Podobně smíšené infekce housenek (Panolis flammea) bakuloviry dosáhly vyšší virulence, ale v tomto systému je k přenosu nutná smrt hostitele; neplatí tedy klasický kompromis mezi přenosem a virulencí a virulence nic nestojí (Hodgson et al., 2004). U tohoto a dalších obligátně zabíjejících parazitů však pravděpodobně existuje kompromis mezi dobou do usmrcení a výnosem potomstva, protože opatrnost (tj. nízká míra využívání hostitele) může maximalizovat výnos potomstva a tím i možnosti přenosu (Hodgson et al., 2004). Nebyl zjištěn žádný důkaz o rozdílu v době do úhynu mezi infekcí jedním a smíšeným genotypem. Další studie schistosom (Schistosoma mansoni) infikujících plže (Biomphalaria glabrata) zaznamenala zvýšenou celkovou míru reprodukce u smíšených infekcí ve srovnání s infekcemi jednoho genotypu, ale nebylo možné rozlišit, zda je to způsobeno rychlejší replikací jednotlivých kmenů, nebo opět tím, že imunitní systém neumí dobře kontrolovat infekce smíšeného genotypu (Davies et al., 2002).

Existuje mnoho pravděpodobných důvodů, proč jsou údaje obecně v rozporu s modelem opatrnosti, přičemž nejzřejmějším je, že předpoklady modelu jsou často nevhodné pro konkrétní systém hostitel-parazit. Těmito otázkami jsme se podrobně zabývali jinde (Read a Taylor, 2001; Ebert a Bull, 2003; Lambrechts a kol., 2006) a další diskusi o významu biologických detailů omezujeme na různé typy sociálních interakcí (viz níže). Dalším faktorem, který k tomu přispěl, je však skutečnost, že naprostá většina experimentů testujících tento model byla krátkodobými ekologickými studiemi, v nichž byly založeny infekce s jedním nebo několika genotypy parazita. Poskytnutí experimentální podpory obezřetnosti proto vyžaduje, aby parazité byli schopni fakultativně zvýšit svou reprodukční rychlost při zjištění jiného genotypu parazita u téhož hostitele. Nejsme si vědomi žádného důkazu, který by prokazoval, že k tomu dochází.

Alternativním přístupem k ověření teorie by bylo experimentálně vyvinout parazity za podmínek vysoké a nízké příbuznosti a poté určit virulenci vyvinutých linií. Jediný nám známý experiment, který to mohl provést, byl navržen za jiným účelem: zabýval se vlivem vnější úmrtnosti hostitele Daphnia magna na evoluci virulence horizontálně přenášeného mikrosporidiového parazita (Glugoides intestinalis) (Ebert a Mangin, 1997). Předpokládalo se, že vyšší virulence by měla být upřednostňována při léčbě s vysokou mortalitou, protože pro parazita jsou nižší náklady na brzké usmrcení hostitele. Byl však pozorován opačný výsledek. Možným vysvětlením je, že léčba s vysokou mortalitou hostitelů snížila pravděpodobnost smíšených infekcí, a tím i konkurenci uvnitř hostitele, protože externě „usmrcení“ (odstranění) hostitelé byli nahrazeni neinfikovanými hostiteli (Ebert a Mangin, 1997; Gandon et al., 2001). Tuto interpretaci podporuje velké množství experimentů, v nichž se virulence parazita zvyšuje po sériovém přenosu z jednoho hostitele na druhého (přehled v Ebert, 1998). Za těchto podmínek bude přírodní výběr upřednostňovat parazity, kteří mají nejvyšší konkurenční schopnost v rámci hostitele. Tyto údaje tedy silně naznačují pozitivní genetickou korelaci mezi konkurenční schopností uvnitř hostitele a virulencí, což je klíčový předpoklad modelu opatrnosti. Studie, které se pokusily přímo měřit genetické korelace, jsou méně konzistentní, přičemž u P. chabaudi a S. mansoni byly zaznamenány jak pozitivní (de Roode et al., 2005), tak negativní (Gower a Webster, 2005) korelace. K úplnému ověření evolučního dopadu příbuznosti parazitů na obezřetnost uvnitř hostitele je zapotřebí mnoha dalších experimentů.

Spolupráce na veřejných statcích

Na rozdíl od modelů, které předpokládají, že obezřetnost maximalizuje přenos, se předpokládá pozitivní vztah mezi příbuzností a virulencí, pokud je využívání hostitele závislé na vzájemné spolupráci parazitů (Chao et al., 2000; Brown et al., 2002; West a Buckling, 2003) (obr. 1b). Takové situace nastávají, pokud parazité produkují nějakou formu veřejných statků, které mohou být využívány neprodukujícími podvodníky. Omezené experimentální práce, které se přímo zabývají úlohou příbuznosti při určování virulence parazitů v podmínkách spolupráce na veřejných statcích (stejně jako příklady z pozorování; viz Chao et al., 2000) je v zásadě v souladu s touto teorií.

Turner a Chao (1999) vyvíjeli lytické fágy na bakteriích (Pseudomonas syringae) za podmínek vysoké a nízké příbuznosti (nízká, resp. vysoká multiplicita infekce) a zjistili, že korelát virulence (kompetitivní fitness viru) se vyvinul mnohem nižší při nízké příbuznosti. Bakteriofágy produkují replikační enzymy, které mohou využívat všechny viriony v buňce, a jako takové je lze považovat za veřejný statek. Při nízké příbuznosti, kdy byla pravděpodobná vícenásobná infekce, se vyvinuly podvodné mutanty, které neplatily metabolické náklady na produkci replikačních enzymů a měly selektivní výhodu při koinfekci s kooperátory produkujícími replikázy. Naopak za podmínek vysoké příbuznosti se podvodníci nevyvíjeli, protože nemohli sdílet buňky s kooperátory.

Dalším poměrně dobře prostudovaným příkladem kooperace veřejného statku je produkce extracelulárních molekul zachraňujících železo (sideroforů) oportunním bakteriálním patogenem Pseudomonas aeruginosa. Produkce sideroforů je prospěšná, když je železo limitující, ale je také metabolicky nákladná. Ve smíšených populacích, kde jsou přítomny jak divoký typ, tak mutantní bakterie, mohou proto mutanti získat výhodu produkce sideroforů, aniž by platili náklady, a proto se jejich frekvence zvyšuje, protože předčí spolupracující divoký typ (Griffin et al., 2004). V souladu s výše uvedenými výsledky in vitro byli v přírodních populacích P. aeruginosa, které infikovaly plíce pacientů s cystickou fibrózou, pozorováni siderofor-negativní podvodníci (de Vos et al.,

Úloha příbuznosti v kooperaci a virulenci zprostředkované sideroforem byla řešena inokulací housenek (Galleria mellonella) jednotlivými klony divokého kmene P. aeruginosa produkujícího siderofory (kooperátoři), izogenním mutantem s mínus sideroforem (podvodníci) nebo oběma (Harrison et al., 2006). Cheaty rostly rychleji ve smíšených infekcích na rozdíl od infekcí s jedním klonem, zatímco u kooperátorů byl pozorován opačný průběh. Infekce s nízkou příbuzností tedy pravděpodobněji podporují evoluci sideroforových cheatů než infekce s vysokou příbuzností (Harrison et al., 2006). Infekce obsahující cheaty byly méně virulentní než čistě kooperátorové infekce, jak bylo pozorováno v předchozí studii (Meyer et al., 1996). Z toho vyplývá, že infekce s nízkou příbuzností jsou méně virulentní.

V těchto jednoduchých konkurenčních pokusech mezi sideroforovými podvodníky a kooperátory však podvodníci nikdy neměli zjistitelnou selektivní výhodu: v nejlepším případě byla jejich fitness stejná jako fitness kooperátorů (Harrison et al., 2006). To je v rozporu s prací in vitro, kde byli podvodníci v podmínkách s omezeným obsahem železa trvale zdatnější (Griffin et al., 2004). To představuje pro teorii zásadní problém: pokud podvodníci nikdy nemají selektivní výhodu in vivo, pak se virulence při infekcích s nízkou příbuzností nesníží. Od té doby jsme však pozorovali, že podvodníci se skutečně vyvíjejí de novo a zvyšují svou frekvenci při průchodu housenkami (Racey, Harrison a Buckling, in prep).

Nejnovější práce in vitro naznačují, že pozitivní vztah mezi příbuzností a virulencí, kdy veřejné statky určují rychlost růstu, může být složitější (Brockhurst et al., 2006). Patogenní bakterie často existují jako biofilmy – skupiny bakterií přichycené k povrchům a pokryté polymerem. Život v biofilmu poskytuje skupinovou výhodu, například pokud jde o odolnost vůči antibiotikům a imunitnímu útoku. Polymer biofilmu je dalším příkladem veřejného statku a neprodukující podvodníci budou mít pravděpodobně selektivní výhodu v podmínkách smíšených genotypů a nízké příbuznosti. Infekce se smíšenými genotypy jako takové by měly vést k rozpadu spolupráce a snížení virulence. Diverzita s ohledem na kooperační znaky však pravděpodobně koreluje i s diverzitou v jiných znacích, jako je využívání zdrojů. Nedávná studie zjistila, že biofilmy složené ze směsí genotypů, které se specializují na různé zdroje, jsou v důsledku fitness trade-off odolnější vůči invazi podvodníků než biofilmy složené z jediného genotypu, pravděpodobně proto, že podvodníci také obchodují s využitím zdrojů, a tudíž lépe podvádějí jeden kooperující genotyp než jiný. Selekce proti spolupráci jako takové, vyplývající ze snížení příbuznosti (z definice na kooperativním lokusu) ve smíšených infekcích, může být potenciálně potlačena zvýšeným rozdělením niky, což může omezit invazi podvodníků a také zvýšit hustotu populace kvůli efektivnějšímu využívání zdrojů (Brockhurst et al., 2006). To by mohlo oslabit nebo dokonce eliminovat vztah mezi virulencí a příbuzností.

Spite

Jestliže je spitefulní chování klíčovým faktorem určujícím výsledek konkurence mezi parazitickými liniemi, pak se předpokládá, že virulence dosáhne vrcholu při vysoké a nízké úrovni příbuznosti (obrázek 1c) (Gardner et al., 2004). Je tomu tak proto, že zlomyslné chování snižuje celkovou rychlost růstu populace a také se předpokládá, že bude maximalizováno na středních úrovních příbuznosti. Při vysokých úrovních příbuznosti je poškozování blízkých příbuzných málo výhodné, a proto není zlomyslné chování upřednostňováno. Při velmi nízké příbuznosti bude mít rod nutně nízkou frekvenci, a nebude tedy schopen ovlivnit všechny konkurenty; přínos zlomyslného chování ve smyslu poškození konkurentů a uvolnění zdrojů tedy pocítí jak nepříbuzní, tak příbuzní. Teprve když je zlomyslná linie v dostatečně vysoké frekvenci a existuje dostatek konkurentů, které lze poškodit (střední příbuznost), dojde k realizaci inkluzivních fitness výhod zlomyslnosti.

Dobrým příkladem zlomyslného chování jsou antikonkurenční toxiny produkované bakteriemi (bakteriociny). Produkce bakteriocinů je nákladná (často zahrnuje lýzu buněk za účelem jejich uvolnění) a jsou schopny zabíjet citlivé konkurenty. Geny pro bakteriociny jsou obvykle spojeny s příslušnými geny pro imunitu, což činí blízké příbuzné imunními (Riley a Wertz, 2002). Je nám známa pouze jedna studie, která se zabývala úlohou „příbuznosti“ ve virulenci, kdy o výsledcích v soutěži rozhoduje zlomyslné chování (Massey et al., 2004). Různé kmeny hmyzích patogenních bakterií Photorhabdus a Xenorhabdus spp. byly inokulovány housenkám jako jedno- nebo smíšené klonové infekce. Virulence byla snížena u smíšených infekcí ve srovnání s infekcemi s jedním kmenem, kde se oba kmeny mohly navzájem usmrtit. Dále byla zjištěna velká konkurenční výhoda schopnosti produkovat bakteriociny pouze při smíšených infekcích. To naznačuje, že infekce složené ze dvou genotypů zvýhodňují produkci bakteriocinů oproti infekcím s jedním genotypem a že produkce bakteriocinů snižuje virulenci. Všimněte si, že různé kmeny v této studii jsou si pravděpodobně vzdálenější, než se obvykle předpokládá u jednoho „druhu“.