Verwandtschaftsselektion und die Evolution der Virulenz

Wie die Verwandtschaft durch ihre Auswirkungen auf kooperative und gehässige Merkmale die Virulenz beeinflussen kann, hängt von der Art des intraspezifischen Sozialverhaltens der Parasiten ab. Hier wird zwischen drei Arten von Sozialverhaltensweisen unterschieden: (1) Umsicht; (2) Kooperation im Sinne des Gemeinwohls und (3) Gehässigkeit.

Umsicht

Virulenz wird oft als notwendige Folge der Wirtsausbeutung und damit der Übertragung auf neue Wirte (Parasitenfitness) angenommen (Anderson und May, 1982; Bremermann und Pickering, 1983; Nowak und May, 1994; Frank, 1996; Ebert und Bull, 2003). Die Virulenz wirkt sich auch negativ auf den Übertragungserfolg aus, z. B. wenn Parasiten nur von lebenden Wirten übertragen können oder wenn die Übertragung von geschwächten Wirten reduziert wird. Infolge dieses Zielkonflikts wird der Übertragungserfolg der Parasitenpopulation durch ein gewisses Zwischenniveau der Wirtsausbeutung (optimale Virulenz) maximiert. Die Verwandtschaft der koinfizierenden Parasitengenotypen wirkt sich wahrscheinlich auch auf die Virulenz der Infektionen aus; Modelle der Verwandtenselektion sagen voraus, dass das Niveau der Parasitenvirulenz, das die Fitness der Parasiten maximiert, mit abnehmender Verwandtschaft der koinfizierenden Parasiten zunimmt (Bremermann und Pickering, 1983; Nowak und May, 1994; Frank, 1996) (Abbildung 1a). Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine optimale Virulenz nur dann gegeben ist, wenn die Individuen die Ressourcen des Wirts umsichtig ausnutzen, und dies dürfte der Fall sein, wenn die Verwandtschaft zwischen koinfizierenden Parasitengenotypen hoch ist. Wenn die Verwandtschaft gering ist, führt der Wettbewerb zwischen Parasiten mit nicht verwandten Genotypen innerhalb eines Wirts zu einer Selektion von Individuen, die die Ressourcen so schnell wie möglich nutzen, wodurch die Virulenz trotz eines geringeren Gruppenerfolgs erhöht wird – eine Idee, die durch Hardins „Tragödie der Allmende“ verkörpert wird (Hardin, 1968; Frank, 1998).

Einige Studien in natürlichen Populationen stimmen mit dem Vorsichtigkeitsmodell überein. Gemessen an eng verwandten Arten nimmt die Virulenz von parasitischen Nematoden, die Feigenwespen befallen, mit zunehmender durchschnittlicher Anzahl von Gründerinnen zu, die ihre Eier in eine einzige Feige legen (Herre, 1993). Dieses Ergebnis wurde im Sinne einer Verwandtenselektion interpretiert: Mehr Gründerinnen erhöhen die Wahrscheinlichkeit einer Infektion mit Nematoden gemischter Genotypen und damit die Entwicklung einer höheren Virulenz (Herre, 1993; Frank, 1996). Der korrelative Charakter der Daten bedeutet, dass sie auf andere Weise interpretiert werden können und daher experimentelle Tests erforderlich sind.

Experimentelle Beweise für die negative Beziehung zwischen Verwandtschaft und Virulenz sind begrenzt (Brown et al., 2002; West und Buckling, 2003). In Studien, in denen eine geringere Verwandtschaft zu einer erhöhten Virulenz führt, gibt es kaum Anhaltspunkte dafür, dass dies das Ergebnis einer verstärkten Ausnutzung innerhalb des Wirtes auf Kosten der Übertragung zwischen den Wirten ist. Beispielsweise waren Infektionen von Mäusen mit gemischten Genotypen von Nagetier-Malariaparasiten (Plasmodium chabaudi) virulenter (in Bezug auf Gewichtsverlust und Anämie des Wirts) als Infektionen mit nur einem Klon, wiesen aber keine erhöhten Reproduktionsraten oder eine höhere Dichte auf (Taylor et al., 1998). Dies deutet darauf hin, dass das Immunsystem weniger in der Lage war, die Infektionen aufgrund ihrer Antigenvielfalt zu kontrollieren, als dass die erhöhte Virulenz auf eine verstärkte Ausbeutung des Wirts zurückzuführen ist. In ähnlicher Weise erreichten Mischinfektionen von Raupen (Panolis flammea) mit Baculoviren eine höhere Virulenz, aber in diesem System ist der Tod des Wirtes für die Übertragung erforderlich; daher gilt der klassische Kompromiss zwischen Übertragung und Virulenz nicht, und es gibt keine Kosten für die Virulenz (Hodgson et al., 2004). Bei diesem und anderen obligat tötenden Parasiten gibt es jedoch wahrscheinlich einen Kompromiss zwischen der Zeit bis zur Tötung und dem Ertrag der Nachkommenschaft, da Vorsicht (d. h. niedrige Raten der Wirtsausbeutung) den Ertrag der Nachkommenschaft und damit auch die Übertragungsmöglichkeiten maximieren kann (Hodgson et al., 2004). Es wurden keine Anzeichen für einen Unterschied in der Zeit bis zum Tod zwischen Infektionen mit einem einzigen und mit gemischten Genotypen festgestellt. In einer weiteren Studie über Schistosomen (Schistosoma mansoni), die Schnecken (Biomphalaria glabrata) infizieren, wurde eine erhöhte Gesamtvermehrungsrate bei Infektionen mit gemischten Genotypen im Vergleich zu Infektionen mit einzelnen Genotypen festgestellt, aber es war nicht möglich zu unterscheiden, ob dies darauf zurückzuführen ist, dass sich einzelne Stämme schneller vermehren, oder darauf, dass das Immunsystem nicht in der Lage ist, Infektionen mit gemischten Genotypen zu kontrollieren (Davies et al, 2002).

Es gibt viele wahrscheinliche Gründe, warum die Daten im Allgemeinen nicht mit dem Vorsichtsmodell übereinstimmen, wobei der offensichtlichste darin besteht, dass die Modellannahmen oft für das jeweilige Wirt-Parasit-System unangemessen sind. Diese Fragen wurden bereits an anderer Stelle ausführlich behandelt (Read und Taylor, 2001; Ebert und Bull, 2003; Lambrechts et al., 2006), und wir beschränken uns bei der weiteren Diskussion der Bedeutung biologischer Details auf verschiedene Arten sozialer Interaktionen (siehe unten). Ein weiterer Faktor ist jedoch, dass es sich bei der überwiegenden Mehrheit der Experimente, in denen das Modell getestet wurde, um ökologische Kurzzeitstudien handelt, bei denen Infektionen mit einem oder mehreren Parasitengenotypen durchgeführt wurden. Die experimentelle Unterstützung der Vorsicht setzt daher voraus, dass die Parasiten in der Lage sind, ihre Reproduktionsraten fakultativ hochzuregulieren, wenn ein anderer Parasiten-Genotyp im selben Wirt entdeckt wird. Uns ist nicht bekannt, dass dies der Fall ist.

Ein alternativer Ansatz zur Überprüfung der Theorie wäre die experimentelle Entwicklung von Parasiten unter Bedingungen mit hoher und geringer Verwandtschaft und die anschließende Bestimmung der Virulenz der entwickelten Linien. Das einzige uns bekannte Experiment, bei dem dies möglich war, diente einem anderen Zweck: Es sollte die Auswirkung der extrinsischen Wirtsmortalität von Daphnia magna auf die Entwicklung der Virulenz eines horizontal übertragenen Mikrosporidienparasiten (Glugoides intestinalis) untersuchen (Ebert und Mangin, 1997). Es wurde vorhergesagt, dass eine höhere Virulenz bei einer Behandlung mit hoher Sterblichkeit begünstigt werden sollte, da es den Parasiten weniger kostet, den Wirt frühzeitig zu töten. Es wurde jedoch das gegenteilige Ergebnis beobachtet. Eine mögliche Erklärung ist, dass die Behandlung mit hoher Wirtssterblichkeit die Wahrscheinlichkeit von Mischinfektionen und damit den Wettbewerb innerhalb des Wirts verringert, da extrinsisch „getötete“ (entfernte) Wirte durch nicht infizierte Wirte ersetzt wurden (Ebert und Mangin, 1997; Gandon et al., 2001). Diese Interpretation wird durch die große Zahl von Experimenten gestützt, in denen die Virulenz der Parasiten nach einem seriellen Transfer von einem Wirt zum anderen zunimmt (Übersicht in Ebert, 1998). Unter diesen Bedingungen begünstigt die natürliche Auslese die Parasiten mit der höchsten Konkurrenzfähigkeit innerhalb des Wirts. Diese Daten deuten daher stark auf eine positive genetische Korrelation zwischen der Konkurrenzfähigkeit innerhalb des Wirts und der Virulenz hin, eine entscheidende Annahme des Prudenzmodells. Studien, in denen versucht wurde, genetische Korrelationen direkt zu messen, sind weniger konsistent, wobei sowohl positive (de Roode et al., 2005) als auch negative (Gower und Webster, 2005) Korrelationen für P. chabaudi bzw. S. mansoni berichtet wurden. Es sind noch viele weitere Experimente erforderlich, um die evolutionären Auswirkungen der Verwandtschaft der Parasiten auf die Vorsicht innerhalb des Wirts vollständig zu testen.

Zusammenarbeit im öffentlichen Interesse

Im Gegensatz zu Modellen, die davon ausgehen, dass Vorsicht die Übertragung maximiert, wird eine positive Beziehung zwischen Verwandtschaft und Virulenz vorhergesagt, wenn die Ausbeutung des Wirts von der Zusammenarbeit der Parasiten untereinander abhängt (Chao et al., 2000; Brown et al., 2002; West und Buckling, 2003) (Abbildung 1b). Solche Situationen entstehen, wenn Parasiten eine Form von öffentlichem Gut produzieren, das von nicht-produzierenden Betrügern ausgebeutet werden kann. Die begrenzten experimentellen Arbeiten, die sich direkt mit der Rolle der Verwandtschaft bei der Bestimmung der Virulenz von Parasiten bei der Kooperation mit öffentlichen Gütern befassen (sowie Beispiele aus Beobachtungen; siehe Chao et al, 2000) stimmen im Großen und Ganzen mit der Theorie überein.

Turner und Chao (1999) entwickelten lytische Phagen auf Bakterien (Pseudomonas syringae) unter Bedingungen hoher und niedriger Verwandtschaft (niedrige bzw. hohe Infektionsmultiplikation) und stellten fest, dass ein Korrelat der Virulenz (virale Wettbewerbsfitness) unter niedriger Verwandtschaft viel geringer ausfiel. Bakteriophagen produzieren Replikationsenzyme, die von allen Virionen in der Zelle genutzt werden können und somit als öffentliches Gut angesehen werden können. Bei geringer Verwandtschaft, wenn Mehrfachinfektionen wahrscheinlich sind, haben sich betrügerische Mutanten entwickelt, die die metabolischen Kosten für die Produktion von Replikationsenzymen nicht tragen und einen Selektionsvorteil haben, wenn sie mit Replikase-produzierenden Koinfektionspartnern koinfizieren. Im Gegensatz dazu entwickelten sich unter Bedingungen hoher Verwandtschaft keine Betrüger, da sie keine Zellen mit Kooperateuren teilen konnten.

Ein weiteres, recht gut untersuchtes Beispiel für eine Kooperation im Sinne des Allgemeinwohls ist die Produktion von extrazellulären eisenfressenden Molekülen (Siderophoren) durch das opportunistische bakterielle Pathogen Pseudomonas aeruginosa. Die Produktion von Siderophoren ist vorteilhaft, wenn Eisen knapp ist, aber sie ist auch mit hohen Stoffwechselkosten verbunden. Folglich können in gemischten Populationen, in denen sowohl Wildtyp- als auch Mutantenbakterien vorhanden sind, die Mutanten den Vorteil der Siderophorproduktion nutzen, ohne die Kosten dafür zu tragen, und daher in ihrer Häufigkeit zunehmen, da sie den kooperativen Wildtyp verdrängen (Griffin et al., 2004). In Übereinstimmung mit den oben genannten In-vitro-Ergebnissen wurden siderophor-negative Betrüger in natürlichen Populationen von P. aeruginosa beobachtet, die die Lungen von Mukoviszidose-Patienten infiziert haben (de Vos et al., 2001).

Die Rolle der Verwandtschaft bei der Siderophor-vermittelten Kooperation und Virulenz wurde untersucht, indem Raupen (Galleria mellonella) mit einzelnen Klonen eines Wildtyps, eines Siderophor-produzierenden Stammes von P. aeruginosa (cooperators), einer isogenen Siderophor-minus-Mutante (cheats) oder beiden beimpft wurden (Harrison et al., 2006). Cheats wuchsen bei gemischten Infektionen schneller als bei Infektionen mit nur einem Klon, während bei Cooperators das umgekehrte Muster beobachtet wurde. Bei Infektionen mit geringer Verwandtschaft ist es daher wahrscheinlicher, dass die Evolution von Siderophoren-Cheats begünstigt wird als bei Infektionen mit hoher Verwandtschaft (Harrison et al., 2006). Infektionen, die Betrüger enthalten, waren weniger virulent als reine Kooperator-Infektionen, wie in einer früheren Studie beobachtet wurde (Meyer et al., 1996). In diesen einfachen Wettbewerbsexperimenten zwischen siderophoren Betrügern und Kooperateuren hatten die Betrüger jedoch nie einen nachweisbaren Selektionsvorteil: Ihre Fitness war bestenfalls die gleiche wie die der Kooperateure (Harrison et al., 2006). Dies steht im Gegensatz zu In-vitro-Arbeiten, bei denen Cheats unter eisenlimitierten Bedingungen durchweg fitter waren (Griffin et al., 2004). Dies stellt ein großes Problem für die Theorie dar: Wenn Betrüger in vivo niemals einen Selektionsvorteil haben, dann wird die Virulenz bei Infektionen mit geringer Verwandtschaft nicht abnehmen. Wir haben jedoch inzwischen beobachtet, dass sich Betrüger tatsächlich de novo entwickeln und ihre Häufigkeit zunimmt, wenn sie durch Raupen weitergegeben werden (Racey, Harrison und Buckling, in Vorbereitung).

Neuere In-vitro-Arbeiten deuten darauf hin, dass die positive Beziehung zwischen Verwandtschaft und Virulenz, bei der öffentliche Güter die Wachstumsrate bestimmen, komplexer sein könnte (Brockhurst et al., 2006). Pathogene Bakterien kommen häufig als Biofilme vor – Gruppen von Bakterien, die an Oberflächen haften und mit Polymeren bedeckt sind. Das Leben in Biofilmen verschafft der Gruppe einen Vorteil, zum Beispiel in Bezug auf die Resistenz gegen Antibiotika und Immunangriffe. Das Biofilmpolymer ist ein weiteres Beispiel für ein öffentliches Gut, und nicht-produzierende Betrüger haben unter Bedingungen gemischter Genotypen und geringer Verwandtschaft wahrscheinlich einen Selektionsvorteil. Daher sollten Infektionen mit gemischten Genotypen zu einem Zusammenbruch der Kooperation und einer geringeren Virulenz führen. Die Diversität in Bezug auf kooperative Merkmale dürfte jedoch auch mit der Diversität in anderen Merkmalen, wie der Ressourcennutzung, korrelieren. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde festgestellt, dass Biofilme, die aus einer Mischung von Genotypen bestehen, die auf unterschiedliche Ressourcen spezialisiert sind, als Ergebnis von Fitness-Abwägungen widerstandsfähiger gegen die Invasion von Betrügern sind als Biofilme, die nur aus einem einzigen Genotyp bestehen, vermutlich weil Betrüger auch bei der Ressourcennutzung abwägen und daher einen kooperierenden Genotyp besser betrügen können als einen anderen. Die Selektion gegen die Kooperation, die sich aus der Verringerung der Verwandtschaft (per definitionem am kooperativen Locus) bei Mischinfektionen ergibt, kann durch eine verstärkte Nischenaufteilung bekämpft werden, die das Eindringen von Betrügern einschränken und die Populationsdichte aufgrund einer effizienteren Ressourcennutzung erhöhen kann (Brockhurst et al., 2006). Dies könnte die Beziehung zwischen Virulenz und Verwandtschaft abschwächen oder sogar aufheben.

Spießigkeit

Wenn boshaftes Verhalten eine Schlüsseldeterminante für das Ergebnis des Wettbewerbs zwischen Parasitenlinien ist, dann wird vorhergesagt, dass die Virulenz bei hohen und niedrigen Verwandtschaftsgraden ihren Höhepunkt erreicht (Abbildung 1c) (Gardner et al., 2004). Dies ist darauf zurückzuführen, dass boshaftes Verhalten die Gesamtwachstumsrate der Population senkt und auch bei mittleren Verwandtschaftsgraden maximiert sein dürfte. Bei einem hohen Verwandtschaftsgrad ist es wenig vorteilhaft, nahen Verwandten zu schaden, und daher werden gehässige Verhaltensweisen nicht bevorzugt. Bei einem sehr geringen Verwandtschaftsgrad ist die Häufigkeit einer Linie zwangsläufig gering, so dass sie nicht alle Konkurrenten beeinflussen kann; daher wird der Nutzen des boshaften Verhaltens in Bezug auf die Schädigung von Konkurrenten und die Freisetzung von Ressourcen sowohl von Nichtverwandten als auch von Verwandten erfahren. Nur wenn die Häufigkeit einer boshaften Linie hoch genug ist und es genügend Konkurrenten gibt, die geschädigt werden können (mittlere Verwandtschaft), werden die umfassenden Fitnessvorteile der Bosheit realisiert.

Ein gutes Beispiel für boshaftes Verhalten sind von Bakterien produzierte Konkurrenzgifte (Bacteriocine). Die Herstellung von Bakteriozinen ist kostspielig (oft ist zu ihrer Freisetzung eine Zelllyse erforderlich), und sie sind in der Lage, anfällige Konkurrenten zu töten. Bacteriocin-Gene sind in der Regel mit entsprechenden Immunitätsgenen verknüpft, so dass nahe Verwandte immun werden (Riley und Wertz, 2002). Uns ist nur eine Studie bekannt, die sich mit der Rolle der „Verwandtschaft“ bei der Virulenz befasst hat, bei der boshaftes Verhalten das Ergebnis des Wettbewerbs bestimmt (Massey et al., 2004). Verschiedene Stämme der insektenpathogenen Bakterien Photorhabdus und Xenorhabdus spp. wurden den Raupen als Einzel- oder Mischkloninfektionen eingeimpft. Die Virulenz war bei Mischinfektionen im Vergleich zu Einzelinfektionen, bei denen sich beide Stämme gegenseitig töten konnten, reduziert. Darüber hinaus war es ein großer Wettbewerbsvorteil, nur bei Mischinfektionen Bakteriozine produzieren zu können. Dies deutet darauf hin, dass Infektionen, die aus zwei Genotypen bestehen, die Bakteriozinproduktion im Vergleich zu Infektionen mit nur einem Genotyp begünstigen und dass die Bakteriozinproduktion die Virulenz verringert. Es ist zu beachten, dass die verschiedenen Stämme in dieser Studie wahrscheinlich weiter miteinander verwandt sind, als dies für eine einzelne „Art“ typischerweise angenommen wird.