Kin selection and the evolution of virulence

La forma en que se predice que el parentesco, a través de su efecto sobre los rasgos cooperativos y de despecho, afecta a la virulencia depende del tipo de comportamiento social intraespecífico mostrado por los parásitos. Aquí, distinguimos entre tres tipos de comportamientos sociales: (1) prudencia; (2) cooperación en bienes públicos y (3) rencor.

Prudencia

Se suele suponer que la virulencia es una consecuencia necesaria de la explotación del hospedador y, por tanto, de la transmisión a nuevos hospedadores (fitness del parásito) (Anderson y May, 1982; Bremermann y Pickering, 1983; Nowak y May, 1994; Frank, 1996; Ebert y Bull, 2003). La virulencia también tiene un impacto negativo en el éxito de la transmisión, por ejemplo, si los parásitos sólo pueden transmitir a partir de hospedadores vivos o si la transmisión se reduce a partir de hospedadores debilitados. Como resultado de esta compensación, algún nivel intermedio de explotación del huésped (virulencia óptima) maximizará el éxito de transmisión de la población de parásitos. Los modelos de selección de parientes predicen que el nivel de virulencia del parásito que maximiza la aptitud del parásito aumenta con la disminución del parentesco de los parásitos coinfectados (Bremermann y Pickering, 1983; Nowak y May, 1994; Frank, 1996) (Figura 1a). Esto se debe a que la virulencia óptima sólo se muestra si los individuos explotan los recursos del hospedador con prudencia, y se predice que ocurre cuando el parentesco entre los genotipos de parásitos coinfectados es alto. Cuando el parentesco es bajo, la competencia entre parásitos con genotipos no relacionados dentro de un huésped da lugar a la selección de individuos que utilizan los recursos lo más rápidamente posible, aumentando así la virulencia a pesar de reducir el éxito del grupo, una idea personificada por la «tragedia de los comunes» de Hardin (Hardin, 1968; Frank, 1998).

Algunos estudios en poblaciones naturales son consistentes con el modelo de prudencia. Cuando se mide entre especies estrechamente relacionadas, la virulencia de los nematodos parásitos que infectan a las avispas de la higuera aumenta con el incremento del número medio de fundadoras que ponen sus huevos en un solo higo (Herre, 1993). Este resultado se ha interpretado en términos de selección de parentesco: un mayor número de fundadoras aumenta la posibilidad de infecciones por nematodos de genotipo mixto y, por tanto, la evolución de una mayor virulencia (Herre, 1993; Frank, 1996). La naturaleza correlacional de los datos significa que pueden interpretarse de otras maneras, y de ahí la necesidad de realizar pruebas experimentales.

Las pruebas experimentales de la relación negativa entre parentesco y virulencia son limitadas (Brown et al., 2002; West y Buckling, 2003). De hecho, en los estudios en los que la disminución del parentesco da lugar a un aumento de la virulencia, hay pocas pruebas que sugieran que sea el resultado de una mayor explotación dentro del huésped a expensas de la transmisión entre huéspedes. Por ejemplo, las infecciones de genotipos mixtos de parásitos de malaria de roedores (Plasmodium chabaudi) que infectan a ratones fueron más virulentas (en términos de pérdida de peso del huésped y anemia) que las infecciones de un solo clon, pero no mostraron tasas elevadas de reproducción o densidad (Taylor et al., 1998). Esto sugiere que el sistema inmunitario fue menos capaz de controlar las infecciones debido a su diversidad antigénica, en lugar de una mayor virulencia, resultante de una mayor explotación del huésped. De forma similar, las infecciones mixtas de orugas (Panolis flammea) con baculovirus alcanzaron una mayor virulencia, pero en este sistema se requiere la muerte del hospedador para la transmisión; por lo tanto, no se aplica la clásica compensación entre transmisión y virulencia y no hay coste para la virulencia (Hodgson et al., 2004). Sin embargo, en este y otros parásitos de muerte obligatoria, es probable que exista un compromiso entre el tiempo de muerte y el rendimiento de la progenie, ya que la prudencia (es decir, las bajas tasas de explotación del huésped) puede maximizar el rendimiento de la progenie y, por extensión, las oportunidades de transmisión (Hodgson et al., 2004). No se detectaron pruebas de una diferencia en el tiempo hasta la muerte entre las infecciones de genotipo único y mixto. Otro estudio sobre los esquistosomas (Schistosoma mansoni) que infectan a los caracoles (Biomphalaria glabrata) informó de una tasa de reproducción total elevada en las infecciones de genotipo mixto frente a las de genotipo único, pero fue imposible distinguir si esto se debía a que las cepas individuales se replicaban más rápidamente o, de nuevo, a que el sistema inmunitario no era bueno para controlar las infecciones de genotipo mixto (Davies et al., 2002).

Hay muchas razones probables por las que los datos son generalmente inconsistentes con el modelo de prudencia, siendo la más obvia que las suposiciones del modelo son a menudo inapropiadas para el sistema particular huésped-parásito. Estas cuestiones se han abordado en detalle en otros lugares (Read y Taylor, 2001; Ebert y Bull, 2003; Lambrechts et al., 2006), y limitamos el debate sobre la importancia de los detalles biológicos a los diferentes tipos de interacciones sociales (véase más adelante). Sin embargo, otro factor que contribuye es que la gran mayoría de los experimentos que ponen a prueba el modelo han sido estudios ecológicos a corto plazo, en los que se han establecido infecciones con uno o varios genotipos de parásitos. Por lo tanto, para apoyar experimentalmente la prudencia es necesario que los parásitos sean capaces de aumentar facultativamente sus tasas de reproducción al detectar otro genotipo de parásito en el mismo huésped. No conocemos ninguna prueba que demuestre que esto ocurre.

Un enfoque alternativo para probar la teoría sería evolucionar experimentalmente los parásitos bajo condiciones de alta y baja relación, y luego determinar la virulencia de las líneas evolucionadas. El único experimento del que tenemos conocimiento, que podría haber hecho esto, fue diseñado con un propósito diferente: abordar el efecto de la mortalidad extrínseca del huésped Daphnia magna en la evolución de la virulencia de un parásito microsporidio de transmisión horizontal (Glugoides intestinalis) (Ebert y Mangin, 1997). Se preveía que una mayor virulencia debería verse favorecida en un tratamiento de alta mortalidad, debido al menor coste que supone para el parásito la muerte temprana del hospedador. Se observó el resultado contrario. Una posible explicación es que el tratamiento de alta mortalidad del hospedador redujo las posibilidades de infecciones mixtas y, por tanto, la competencia dentro del hospedador, ya que los hospedadores extrínsecamente «muertos» (eliminados) fueron sustituidos por hospedadores no infectados (Ebert y Mangin, 1997; Gandon et al., 2001). Esta interpretación está respaldada por el gran número de experimentos en los que la virulencia del parásito aumenta tras la transferencia en serie de un huésped a otro (revisado en Ebert, 1998). En estas condiciones, la selección natural favorecerá a los parásitos que tengan la mayor capacidad competitiva dentro del hospedador. Por lo tanto, estos datos sugieren fuertemente una correlación genética positiva entre la capacidad competitiva dentro del hospedador y la virulencia, una suposición crucial del modelo de prudencia. Los estudios que han intentado medir directamente las correlaciones genéticas son menos consistentes, con correlaciones positivas (de Roode et al., 2005) y negativas (Gower y Webster, 2005) para P. chabaudi y S. mansoni, respectivamente. Se necesitan muchos más experimentos para comprobar plenamente el impacto evolutivo del parentesco del parásito en la prudencia dentro del hospedador.

Cooperación de bienes públicos

En contraste con los modelos que asumen que la prudencia maximiza la transmisión, se predice una relación positiva entre el parentesco y la virulencia si la explotación del hospedador depende de que los parásitos cooperen entre sí (Chao et al., 2000; Brown et al., 2002; West y Buckling, 2003) (Figura 1b). Estas situaciones surgen si los parásitos producen alguna forma de bien público que puede ser explotado por los tramposos no productores. Los limitados trabajos experimentales que abordan directamente el papel del parentesco en la determinación de la virulencia de los parásitos bajo la cooperación de bienes públicos (así como los ejemplos observacionales; véase Chao et al., 2000) es ampliamente consistente con la teoría.

Turner y Chao (1999) hicieron evolucionar fagos líticos sobre bacterias (Pseudomonas syringae) bajo condiciones de alta y baja relación (baja y alta multiplicidad de infección, respectivamente) y encontraron que un correlato de la virulencia (la aptitud competitiva viral) evolucionó para ser mucho más bajo la baja relación. Los bacteriófagos producen enzimas replicativas que pueden ser utilizadas por todos los viriones de la célula y, como tales, pueden considerarse un bien público. En condiciones de bajo grado de parentesco, cuando la infección múltiple es probable, los mutantes tramposos que no pagan el coste metabólico de producir enzimas de replicación evolucionan y tienen una ventaja selectiva cuando se coinfectan con cooperadores que producen replicasas. Por el contrario, en condiciones de alto grado de parentesco, los tramposos no evolucionaron porque no podían compartir células con los cooperadores.

Otro ejemplo razonablemente bien estudiado de cooperación de bien público es la producción de moléculas extracelulares captadoras de hierro (sideróforos) por el patógeno bacteriano oportunista Pseudomonas aeruginosa. La producción de sideróforos es beneficiosa cuando el hierro es limitante, pero también es metabólicamente costosa. En consecuencia, en las poblaciones mixtas en las que están presentes tanto las bacterias de tipo salvaje como las mutantes, éstas pueden obtener el beneficio de la producción de sideróforos sin pagar el coste y, por tanto, aumentar su frecuencia, ya que superan al tipo salvaje cooperativo (Griffin et al., 2004). En consonancia con los resultados in vitro anteriores, se han observado tramposos sideróforos negativos en poblaciones naturales de P. aeruginosa que han infectado los pulmones de pacientes con fibrosis quística (de Vos et al., 2001).

El papel del parentesco en la cooperación mediada por sideróforos y la virulencia se abordó inoculando orugas (Galleria mellonella) con clones individuales de una cepa de P. aeruginosa de tipo salvaje productora de sideróforos (cooperadores), un mutante isogénico con sideróforos negativos (tramposos), o ambos (Harrison et al., 2006). Los tramposos crecieron más rápidamente en las infecciones mixtas que en las de un solo clon, mientras que se observó el patrón opuesto para los cooperadores. Por tanto, es más probable que las infecciones de baja relación favorezcan la evolución de los tramposos sideróforos que las infecciones de alta relación (Harrison et al., 2006). Las infecciones que contienen tramposos fueron menos virulentas que las infecciones de cooperadores puros, como se ha observado en un estudio anterior (Meyer et al., 1996). Por lo tanto, las infecciones de baja relación son menos virulentas.

Sin embargo, en estos sencillos experimentos de competencia entre sideróforos tramposos y cooperadores, los tramposos nunca tuvieron una ventaja selectiva detectable: en el mejor de los casos, su aptitud fue la misma que la de los cooperadores (Harrison et al., 2006). Esto contrasta con el trabajo in vitro en el que los tramposos eran sistemáticamente más aptos en condiciones de hierro limitado (Griffin et al., 2004). Esto plantea un problema importante para la teoría: si los tramposos nunca tienen una ventaja selectiva in vivo, entonces la virulencia no disminuirá bajo infecciones de baja relación. Sin embargo, desde entonces hemos observado que los tramposos sí evolucionan de novo y aumentan su frecuencia cuando son pasados por las orugas (Racey, Harrison y Buckling, en prep).

Trabajos recientes in vitro sugieren que la relación positiva entre parentesco y virulencia cuando los bienes públicos determinan la tasa de crecimiento puede ser más compleja (Brockhurst et al., 2006). Las bacterias patógenas suelen existir en forma de biopelículas, es decir, un grupo de bacterias adheridas a superficies y cubiertas de polímero. La vida en biofilm confiere una ventaja al grupo, por ejemplo, en términos de resistencia a los antibióticos y al ataque inmunológico. El polímero de la biopelícula es otro ejemplo de bien público, y es probable que los tramposos que no producen tengan una ventaja selectiva en condiciones de genotipos mixtos y bajo parentesco. Como tal, las infecciones de genotipos mixtos deberían dar lugar a la ruptura de la cooperación y a la reducción de la virulencia. Sin embargo, es probable que la diversidad con respecto a los rasgos de cooperación también se correlacione con la diversidad en otros rasgos, como el uso de recursos. Un estudio reciente descubrió que las biopelículas formadas por mezclas de genotipos especializados en diferentes recursos, como resultado de la compensación de la aptitud, eran más resistentes a la invasión de los tramposos que las biopelículas formadas por un solo genotipo, presumiblemente porque los tramposos también intercambiaban el uso de los recursos y, por tanto, eran mejores para engañar a un genotipo cooperador que a otro. Como tal, la selección contra la cooperación, resultante de la reducción del parentesco (por definición, en el locus cooperativo) en las infecciones mixtas, puede oponerse potencialmente a una mayor partición del nicho, que puede limitar la invasión de los tramposos, y también aumentar la densidad de población debido a un uso más eficiente de los recursos (Brockhurst et al., 2006). Esto podría debilitar o incluso eliminar la relación entre virulencia y parentesco.

Spite

Si los comportamientos de despecho son un determinante clave en el resultado de la competencia entre linajes de parásitos, entonces se predice que la virulencia alcanza su punto máximo en niveles altos y bajos de parentesco (Figura 1c) (Gardner et al., 2004). Esto se debe a que los comportamientos de despecho reducen la tasa de crecimiento total de la población y también se predice que se maximiza a niveles intermedios de parentesco. En niveles altos de parentesco, hay poco beneficio en dañar a los parientes cercanos y, por tanto, no se favorecen los comportamientos rencorosos. Bajo niveles de parentesco muy bajos, un linaje estará necesariamente en una frecuencia baja y por lo tanto no podrá afectar a todos los competidores; por lo tanto, el beneficio del comportamiento rencoroso en términos de dañar a los competidores y liberar recursos será experimentado por los no parientes tanto como por los parientes. Sólo cuando un linaje rencoroso tiene una frecuencia lo suficientemente alta, y hay suficientes competidores a los que dañar (parentesco intermedio), se obtendrán los beneficios de fitness inclusivos del rencor.

Las toxinas anticompetidoras producidas por las bacterias (bacteriocinas) son un buen ejemplo de comportamientos rencorosos. Las bacteriocinas son costosas de producir (a menudo implican la lisis celular para su liberación) y son capaces de matar a competidores susceptibles. Los genes de las bacteriocinas suelen estar ligados a genes de inmunidad adecuados, lo que hace que los parientes cercanos sean inmunes (Riley y Wertz, 2002). Sólo conocemos un estudio que haya abordado el papel del «parentesco» en la virulencia, donde los comportamientos de despecho determinan los resultados competitivos (Massey et al., 2004). Se inocularon diferentes cepas de las bacterias patógenas de insectos Photorhabdus y Xenorhabdus spp. en orugas como infecciones de un solo clon o mixtas. La virulencia se redujo en las infecciones mixtas en relación con las infecciones simples, en las que ambas cepas podían matarse mutuamente. Además, hubo una gran ventaja competitiva al poder producir bacteriocinas sólo en las infecciones mixtas. Esto sugiere que las infecciones compuestas por dos genotipos favorecen la producción de bacteriocina en relación con las infecciones de un solo genotipo y que la producción de bacteriocina reduce la virulencia. Obsérvese que las diferentes cepas de este estudio están probablemente más relacionadas entre sí de lo que se suele suponer para una sola «especie».