Slægtskabsvalg og udviklingen af virulens

Hvordan slægtskab, gennem dets effekt på samarbejds- og spydige egenskaber, forventes at påvirke virulensen afhænger af den type intraspecifik social adfærd, som parasitter udviser. Her skelner vi mellem tre typer social adfærd: (1) forsigtighed; (2) samarbejde om offentlige goder og (3) ondskabsfuldhed.

Førsigtighed

Virulens antages ofte at være en nødvendig konsekvens af værtsudnyttelse og dermed overførsel til nye værter (parasiternes fitness) (Anderson og May, 1982; Bremermann og Pickering, 1983; Nowak og May, 1994; Frank, 1996; Ebert og Bull, 2003). Virulens har også en negativ indvirkning på transmissionssuccesen, f.eks. hvis parasitterne kun kan transmittere fra levende værter, eller hvis transmissionen er reduceret fra svækkede værter. Som følge af denne afvejning vil et vist mellemliggende niveau af værtsudnyttelse (optimal virulens) maksimere parasitpopulationens transmissionssucces. Det er også sandsynligt, at slægtskabet mellem de parasitgenotyper, der smitter sammen, påvirker infektionernes virulens; modeller for slægtsselektion forudsiger, at det niveau af parasitvirulens, der maksimerer parasittens fitness, stiger med faldende slægtskab mellem parasitter, der smitter sammen (Bremermann og Pickering, 1983; Nowak og May, 1994; Frank, 1996) (Figur 1a). Dette skyldes, at optimal virulens kun vises, hvis individerne udnytter værtsressourcerne med omtanke, og det forudsiges at forekomme, når slægtskabet mellem de medinficerende parasitgenotyper er højt. Når slægtskabet er lavt, resulterer konkurrencen mellem parasitter med ubeslægtede genotyper inden for en vært i en udvælgelse af individer, der udnytter ressourcerne hurtigst muligt, hvilket øger virulensen på trods af reduceret gruppesucces, en idé, der er indbegrebet af Hardins “tragedy of the commons” (Hardin, 1968; Frank, 1998).

Nogle undersøgelser i naturlige populationer er i overensstemmelse med forsigtighedsmodellen. Når den måles på tværs af nært beslægtede arter, øges virulensen af parasitære nematoder, der inficerer figenhvepse, med stigende gennemsnitligt antal foundresser, der lægger deres æg i en enkelt figen (Herre, 1993). Dette resultat er blevet fortolket som et resultat af en udvælgelse af slægtninge: flere foundresses øger chancen for infektioner med nematoder af blandet genotype og dermed for udvikling af højere virulens (Herre, 1993; Frank, 1996). Dataenes korrelationelle karakter betyder, at de kan fortolkes på andre måder, og derfor er der behov for eksperimentelle tests.

Den eksperimentelle dokumentation for det negative forhold mellem slægtskab og virulens er begrænset (Brown et al., 2002; West og Buckling, 2003). I undersøgelser, hvor nedsat beslægtethed resulterer i øget virulens, er der nemlig kun få beviser for, at det er resultatet af øget udnyttelse inden for værten på bekostning af overførsel mellem værterne. For eksempel var infektioner med blandede genotyper af gnaver-malariaparasitter (Plasmodium chabaudi), der inficerede mus, mere virulente (med hensyn til vægttab og anæmi hos værten) end infektioner med en enkelt klon, men de viste ikke forhøjede reproduktions- eller tæthedsrater (Taylor et al., 1998). Dette tyder på, at immunsystemet var mindre i stand til at kontrollere infektionerne på grund af deres antigeniske diversitet, snarere end øget virulens, som følge af øget værtsudnyttelse. Tilsvarende opnåede blandede infektioner af larver (Panolis flammea) med baculovirus højere virulens, men i dette system er værtsdød nødvendig for overførsel; derfor gælder den klassiske afvejning mellem overførsel og virulens ikke, og der er ingen omkostninger ved virulens (Hodgson et al., 2004). I denne og andre obligat dræbende parasitter er der dog sandsynligvis en afvejning mellem tid til aflivning og afkomsudbytte, da forsigtighed (dvs. lav værtsudnyttelse) kan maksimere afkomsudbyttet og i forlængelse heraf transmissionsmulighederne (Hodgson et al., 2004). Der blev ikke fundet beviser for en forskel i tid til død mellem infektioner med enkelt- og blandede genotyper. En anden undersøgelse af schistosomer (Schistosoma mansoni), der inficerer snegle (Biomphalaria glabrata), rapporterede om forhøjet total reproduktionsrate i infektioner med blandet genotype i forhold til infektioner med enkeltgenotype, men det var umuligt at skelne, om dette skyldtes, at de enkelte stammer replikerede hurtigere, eller om det igen skyldtes, at immunsystemet ikke var så godt til at kontrollere infektioner med blandet genotype (Davies et al, 2002).

Der er mange sandsynlige årsager til, at dataene generelt er inkonsistente med forsigtighedsmodellen, hvoraf den mest indlysende er, at modellens antagelser ofte er uhensigtsmæssige for det pågældende vært-parasitsystem. Disse spørgsmål er blevet behandlet i detaljer andre steder (Read og Taylor, 2001; Ebert og Bull, 2003; Lambrechts et al., 2006), og vi begrænser yderligere diskussion af betydningen af biologiske detaljer til forskellige typer af sociale interaktioner (se nedenfor). En anden medvirkende faktor er imidlertid, at langt de fleste eksperimenter, der har testet modellen, har været kortvarige økologiske undersøgelser, hvor infektioner er blevet etableret med enten en enkelt eller flere parasitgenotyper. Eksperimentel støtte til forsigtighed kræver derfor, at parasitterne er i stand til fakultativt at opregulere deres reproduktionshastighed ved opdagelse af en anden parasitgenotype i den samme vært. Vi er ikke bekendt med nogen beviser for, at dette sker.

En alternativ tilgang til at teste teorien ville være at eksperimentelt udvikle parasitter under forhold med høj og lav slægtskab, og derefter bestemme virulensen af de udviklede linjer. Det eneste eksperiment, vi har kendskab til, som muligvis har gjort dette, var designet til et andet formål: at undersøge effekten af ekstrinsisk værtsdødelighed hos Daphnia magna på udviklingen af virulens af en horisontalt overført mikrosporidieparasit (Glugoides intestinalis) (Ebert og Mangin, 1997). Det blev forudsagt, at en højere virulens skulle være begunstiget ved behandling med høj dødelighed på grund af de reducerede omkostninger for parasitten ved at dræbe værten tidligt. Det modsatte resultat blev observeret. En mulig forklaring er, at behandling med høj værtsdødelighed reducerede chancerne for blandede infektioner og dermed konkurrence inden for værten, da ekstrinsisk “dræbte” (fjernede) værter blev erstattet med uinficerede værter (Ebert og Mangin, 1997; Gandon et al., 2001). Denne fortolkning understøttes af det store antal eksperimenter, hvor parasittens virulens øges efter seriel overførsel fra den ene vært til den anden (gennemgået i Ebert, 1998). Under disse betingelser vil den naturlige selektion favorisere parasitter, der har den højeste konkurrenceevne inden for værten. Disse data tyder derfor stærkt på, at der er en positiv genetisk korrelation mellem konkurrenceevnen inden for værten og virulens, hvilket er en afgørende antagelse i forsigtighedsmodellen. Undersøgelser, der har forsøgt at måle genetiske korrelationer direkte, er mindre konsekvente, idet der er rapporteret både positive (de Roode et al., 2005) og negative (Gower og Webster, 2005) korrelationer for henholdsvis P. chabaudi og S. mansoni. Der er behov for mange flere eksperimenter for fuldt ud at teste den evolutionære indvirkning af parasitbeslægtethed på forsigtighed inden for værten.

Samarbejde om offentlige goder

I modsætning til modeller, der antager, at forsigtighed maksimerer transmission, forudsiges et positivt forhold mellem beslægtethed og virulens, hvis værtsudnyttelse er afhængig af, at parasitterne samarbejder med hinanden (Chao et al., 2000; Brown et al., 2002; West og Buckling, 2003) (Figur 1b). Sådanne situationer opstår, hvis parasitterne producerer en eller anden form for offentligt gode, som kan udnyttes af ikkeproducerende snydere. Det begrænsede eksperimentelle arbejde, der direkte omhandler slægtskabets rolle i bestemmelsen af parasitvirulens i forbindelse med samarbejde om offentlige goder (såvel som observationelle eksempler; se Chao et al,

Turner og Chao (1999) udviklede lytiske fager på bakterier (Pseudomonas syringae) under forhold med høj og lav relaterethed (henholdsvis lav og høj infektionsmultiplicitet) og fandt, at et korrelat af virulens (viral konkurrencemæssig fitness) udviklede sig til at være meget lavere under lav relaterethed. Bakteriofager producerer replikationsenzymer, der kan anvendes af alle virioner i cellen, og som sådan kan de anses for at være et offentligt gode. Under lavt beslægtethed, hvor der var sandsynlighed for multipelinfektion, udviklede der sig snydemutanter, som ikke betalte de metaboliske omkostninger ved at producere replikationsenzymer, og som havde en selektiv fordel ved co-infektion med replikaseproducerende samarbejdspartnere. I modsætning hertil udviklede snydere sig ikke under forhold med høj beslægtethed, fordi de ikke kunne dele celler med samarbejdspartnere.

Et andet rimeligt velundersøgt eksempel på samarbejde om offentlige goder er produktionen af ekstracellulære jernoptagende molekyler (siderophorer) af det opportunistiske bakteriepatogen Pseudomonas aeruginosa. Produktion af siderofore er gavnlig, når jern er begrænsende, men det er også metabolisk dyrt. Derfor kan mutanterne i blandede populationer, hvor der både er vildtype- og mutantbakterier til stede, opnå fordelene ved produktion af siderofore uden at betale omkostningerne og dermed øge deres hyppighed, da de udkonkurrerer den samarbejdsvillige vildtype (Griffin et al., 2004). I overensstemmelse med ovenstående in vitro-resultater er der i naturlige populationer af P. aeruginosa, der har inficeret lungerne hos cystisk fibrose-patienter, observeret siderofer-negative snydere i naturlige populationer af P. aeruginosa (de Vos et al, 2001).

Rollen af slægtskab i siderophore-medieret samarbejde og virulens blev behandlet ved at inokulere larver (Galleria mellonella) med enkelte kloner af en wild-type, siderophore-producerende stamme af P. aeruginosa (cooperators), en isogen siderophore-minus mutant (cheats) eller begge (Harrison et al., 2006). Cheats voksede hurtigere i blandede infektioner i modsætning til infektioner med enkeltkloner, mens det modsatte mønster blev observeret for cooperators. Infektioner med lav relaterethed er derfor mere tilbøjelige til at begunstige udviklingen af siderophore cheats end infektioner med høj relaterethed (Harrison et al., 2006). Infektioner, der indeholdt snyderier, var mindre virulente end rene cooperator-infektioner, som det er blevet observeret i en tidligere undersøgelse (Meyer et al., 1996). Derfor er infektioner med lav relaterethed mindre virulente.

I disse simple konkurrenceeksperimenter mellem snydere og samarbejdspartnere havde snydere imidlertid aldrig en påviselig selektiv fordel: i bedste fald var deres fitness den samme som samarbejdspartnernes (Harrison et al., 2006). Dette står i kontrast til in vitro-arbejde, hvor snydere konsekvent var mere veltrænede under jernbegrænsede forhold (Griffin et al., 2004). Dette udgør et stort problem for teorien: Hvis snydere aldrig har en selektiv fordel in vivo, så vil virulensen ikke falde under infektioner med lav relaterethed. Vi har imidlertid siden observeret, at snyderier faktisk udvikler sig de novo og stiger i hyppighed, når de passerer gennem larver (Racey, Harrison og Buckling, in prep).

Nyere in vitro-arbejde tyder på, at det positive forhold mellem beslægtethed og virulens, hvor offentlige goder bestemmer væksthastigheden, kan være mere komplekst (Brockhurst et al., 2006). Patogene bakterier eksisterer ofte som biofilm – en gruppe af bakterier, der er fastgjort til overflader og dækket af polymer. Biofilmlevetiden giver en gruppefordel, f.eks. med hensyn til modstandsdygtighed over for antibiotika og immunforsvar. Biofilmpolymeren er et andet eksempel på et offentligt gode, og ikkeproducerende snydere vil sandsynligvis have en selektiv fordel under forhold med blandede genotyper og lavt slægtskab. Som sådan bør infektioner med blandede genotyper resultere i nedbrydning af samarbejdet og reduceret virulens. Diversiteten med hensyn til samarbejdsegenskaber vil dog sandsynligvis også korrelere med diversiteten i andre egenskaber som f.eks. ressourceudnyttelse. En nylig undersøgelse viste, at biofilm bestående af blandinger af genotyper, der var specialiseret på forskellige ressourcer, som følge af fitness trade-offs, var mere modstandsdygtige over for invasion af snydere end biofilm bestående af en enkelt genotype, formentlig fordi snydere også byttede ressourceudnyttelse, og derfor var bedre til at snyde en samarbejdende genotype end en anden. Som sådan kan selektion mod samarbejde som følge af den reducerede beslægtethed (pr. definition på det kooperative locus) i blandede infektioner potentielt modvirkes af øget nicheopdeling, hvilket kan begrænse invasionen af snydere og også øge populationstætheden på grund af mere effektiv ressourceudnyttelse (Brockhurst et al., 2006). Dette kunne svække eller endog eliminere forholdet mellem virulens og beslægtethed.

Spies

Hvis spiesadfærd er en afgørende faktor for resultatet af konkurrencen mellem parasitlinjer, så forudsiges virulens at toppe ved høje og lave niveauer af beslægtethed (figur 1c) (Gardner et al., 2004) (Gardner et al., 2004). Dette skyldes, at ondskabsfuld adfærd reducerer den samlede populationsvæksthastighed og også forudsiges at være maksimeret ved mellemliggende niveauer af slægtskab. Ved høje niveauer af slægtskab er der kun en lille fordel ved at skade nære slægtninge, og derfor favoriseres ondskabsfuld adfærd ikke. Ved meget lavt slægtskab vil en slægt nødvendigvis have en lav frekvens og vil derfor ikke være i stand til at påvirke alle konkurrenter; derfor vil fordelen ved ondskabsfuld adfærd med hensyn til at skade konkurrenter og frigøre ressourcer i lige så høj grad blive oplevet af ikke-slægtninge som af slægtninge. Det er kun, når en ondskabsfuld slægt har en tilstrækkelig høj frekvens, og der er tilstrækkeligt mange konkurrenter at skade (mellemliggende slægtskab), at de inkluderende fitnessfordele ved ondskabsfuldhed vil blive realiseret.

Antikonkurrencetoksiner produceret af bakterier (bakteriociner) er et godt eksempel på ondskabsfuld adfærd. Det er dyrt at producere bakteriociner (ofte med cellelysis for at frigive dem) og er i stand til at dræbe modtagelige konkurrenter. Bakteriocingener er generelt knyttet til passende immunitetsgener, hvilket gør nære slægtninge immune (Riley og Wertz, 2002). Vi kender kun til én undersøgelse, der har behandlet “slægtskabets” rolle i virulens, hvor ondskabsfuld adfærd er afgørende for konkurrencemæssige resultater (Massey et al., 2004). Forskellige stammer af de insektpatogene bakterier Photorhabdus og Xenorhabdus spp. blev inokuleret i larver som enkelt- eller blandede kloninfektioner. Virulensen var reduceret i blandede infektioner i forhold til enkeltinfektioner, hvor begge stammer kunne dræbe hinanden. Desuden var der en stor konkurrencemæssig fordel ved kun at kunne producere bakteriociner i blandede infektioner. Dette tyder på, at infektioner bestående af to genotyper fremmer bakteriocinproduktion i forhold til infektioner med en enkelt genotype, og at bakteriocinproduktion reducerer virulensen. Bemærk, at de forskellige stammer i denne undersøgelse sandsynligvis er mere fjernt beslægtede med hinanden, end man typisk antager for en enkelt “art”.