Sukulaisuusvalinta ja virulenssin evoluutio

Miten sukulaisuuden ennustetaan vaikuttavan virulenssiin sen vaikutuksen kautta, joka sillä on yhteistoiminnallisiin ja ilkeämielisiin ominaisuuksiin, riippuu siitä, millaista lajinsisäistä sosiaalista käyttäytymistä loiset osoittavat. Tässä erotamme toisistaan kolmenlaista sosiaalista käyttäytymistä: (

Varovaisuus

Virulenssin oletetaan usein olevan välttämätön seuraus isännän hyväksikäytöstä ja siten siirtymisestä uusiin isäntiin (loisen fitness) (Anderson ja May, 1982; Bremermann ja Pickering, 1983; Nowak ja May, 1994; Frank, 1996; Ebert ja Bull, 2003). Virulenssilla on myös kielteinen vaikutus tarttumisen onnistumiseen, esimerkiksi jos loiset voivat tarttua vain elävistä isännistä tai jos tarttuminen heikkenee heikentyneistä isännistä. Tämän kompromissin tuloksena jokin isännän hyväksikäytön välitaso (optimaalinen virulenssi) maksimoi loispopulaation tartuntamenestyksen. Samanaikaisesti tartuttavien loisgenotyyppien sukulaisuus vaikuttaa todennäköisesti myös infektioiden virulenssiin; sukulaisvalintamallit ennustavat, että loisen virulenssin taso, joka maksimoi loisen kelpoisuuden, kasvaa samanaikaisesti tartuttavien loisten sukulaisuuden vähentyessä (Bremermann ja Pickering, 1983; Nowak ja May, 1994; Frank, 1996) (kuva 1a). Tämä johtuu siitä, että optimaalinen virulenssi ilmenee vain, jos yksilöt hyödyntävät isännän resursseja harkiten, ja sen ennustetaan tapahtuvan, kun samanaikaisten loisten genotyyppien sukulaisuus on suuri. Kun sukulaisuussuhde on alhainen, isännän genotyypeiltään toisistaan riippumattomien loisten välinen kilpailu johtaa sellaisten yksilöiden valikoitumiseen, jotka käyttävät resursseja mahdollisimman nopeasti, mikä lisää virulenssia, vaikka ryhmän menestys vähenee, ja tämä on ajatus, jota ilmentää Hardinin ”yhteisten hyödykkeiden tragedia” (Hardin, 1968; Frank, 1998).

Jotkut luonnollisissa populaatioissa tehdyistä tutkimuksista ovat sopusoinnussa varovaisuusmallin kanssa. Tiiviisti sukulaislajeittain mitattuna viikunan ampiaisia infektoivien loissääskien virulenssi lisääntyy sitä mukaa, kun yhteen viikunaan munivien löytöeläinten keskimääräinen lukumäärä kasvaa (Herre, 1993). Tätä tulosta on tulkittu sukulaisvalinnan kannalta: useammat säätiöemännät lisäävät sekamuotoisten sukkulamatodi-infektioiden mahdollisuutta ja siten korkeamman virulenssin kehittymistä (Herre, 1993; Frank, 1996). Tietojen korrelaatioluonne tarkoittaa, että niitä voidaan tulkita muillakin tavoin, ja siksi tarvitaan kokeellisia testejä.

Kokeellinen näyttö sukulaisuuden ja virulenssin välisestä negatiivisesta suhteesta on vähäistä (Brown ym., 2002; West ja Buckling, 2003). Tutkimuksissa, joissa sukulaisuuden väheneminen johtaa virulenssin lisääntymiseen, ei ole juurikaan näyttöä siitä, että se johtuisi lisääntyneestä isännän sisäisestä hyväksikäytöstä isännän välisen siirtymisen kustannuksella. Esimerkiksi hiiriä infektoivien jyrsijöiden malariaparasiittien (Plasmodium chabaudi) sekamuotoiset genotyyppi-infektiot olivat virulentimpia (isännän painonpudotuksen ja anemian suhteen) kuin yhden kloonin infektiot, mutta niissä ei havaittu kohonneita lisääntymisnopeuksia tai tiheyttä (Taylor et al., 1998). Tämä viittaa siihen, että immuunijärjestelmä pystyi heikommin hallitsemaan infektioita niiden antigeenisen monimuotoisuuden vuoksi eikä niinkään lisääntyneen virulenssin vuoksi, joka johtui lisääntyneestä isännän hyväksikäytöstä. Vastaavasti toukkien (Panolis flammea) sekainfektioissa bakulovirusten kanssa saavutettiin korkeampi virulenssi, mutta tässä järjestelmässä isännän kuolema on edellytys tartunnalle; näin ollen klassista tartunnan ja virulenssin välistä kompromissia ei sovelleta eikä virulenssille ole kustannuksia (Hodgson ym., 2004). Tässä ja muissa pakollisesti tappavissa loisissa on kuitenkin todennäköisesti olemassa kompromissi tappamiseen kuluvan ajan ja jälkeläistuoton välillä, sillä varovaisuus (eli matala isännän hyväksikäyttöaste) voi maksimoida jälkeläistuoton ja siten myös siirtymismahdollisuudet (Hodgson et al., 2004). Yksittäisten ja sekamuotoisten genotyyppi-infektioiden välillä ei havaittu eroa kuolemaan kuluvassa ajassa. Etanoita (Biomphalaria glabrata) infektoivista skistosomeista (Schistosoma mansoni) tehdyssä toisessa tutkimuksessa raportoitiin kohonneesta kokonaislisääntymisnopeudesta sekatyyppisissä infektioissa verrattuna yhden genotyypin infektioihin, mutta oli mahdotonta erottaa, johtuiko tämä siitä, että yksittäiset kannat lisääntyivät nopeammin, vai johtuiko se taas siitä, että immuunijärjestelmä ei ole hyvä hallitsemaan sekatyyppisiä genotyyppisiä infektioita (Davies ym.), 2002).

On monia todennäköisiä syitä siihen, miksi tiedot ovat yleensä ristiriidassa varovaisuusmallin kanssa, joista ilmeisin on se, että mallin oletukset ovat usein sopimattomia kyseiselle isäntä-parasiitti-järjestelmälle. Näitä kysymyksiä on käsitelty yksityiskohtaisesti muualla (Read ja Taylor, 2001; Ebert ja Bull, 2003; Lambrechts ym., 2006), ja rajoitamme jatkokeskustelun biologisten yksityiskohtien merkityksestä erityyppisiin sosiaalisiin vuorovaikutuksiin (ks. jäljempänä). Tähän on kuitenkin vaikuttanut myös se, että valtaosa mallia testaavista kokeista on ollut lyhytaikaisia ekologisia tutkimuksia, joissa tartunnat on perustettu joko yhdellä tai useammalla loisgenotyypillä. Kokeellisen tuen antaminen varovaisuudelle edellyttää siis, että loiset pystyvät fakultatiivisesti säätelemään lisääntymisnopeuttaan havaitessaan toisen loisen genotyypin samassa isännässä. Meillä ei ole tiedossa mitään todisteita, jotka osoittaisivat, että näin tapahtuu.

Vaihtoehtoinen lähestymistapa teorian testaamiseksi olisi kehittää kokeellisesti loisia korkean ja matalan sukulaisuuden olosuhteissa ja määrittää sitten kehittyneiden linjojen virulenssi. Ainoa tiedossamme oleva koe, jossa näin on voitu tehdä, suunniteltiin toista tarkoitusta varten: selvitettiin Daphnia magnan ekstrinsisen isäntäkuolleisuuden vaikutusta horisontaalisesti tarttuvan mikrosporiaalisen loisen (Glugoides intestinalis) virulenssin kehittymiseen (Ebert ja Mangin, 1997). Ennustettiin, että korkeampaa virulenssia pitäisi suosia korkean kuolleisuuden hoidossa, koska isännän varhainen tappaminen vähentää loisen kustannuksia. Tulos oli päinvastainen. Mahdollinen selitys on, että korkea isäntäkuolleisuus vähensi sekainfektioiden mahdollisuutta ja siten isännän sisäistä kilpailua, kun ulkoisesti ”tapetut” (poistetut) isännät korvattiin infektoitumattomilla isännillä (Ebert ja Mangin, 1997; Gandon et al., 2001). Tätä tulkintaa tukee suuri määrä kokeita, joissa loisen virulenssi lisääntyy sen jälkeen, kun loinen on siirtynyt sarjamuodossa isännästä toiseen (ks. Ebert, 1998). Näissä olosuhteissa luonnonvalinta suosii loisia, joiden kilpailukyky isännän sisällä on korkein. Nämä tiedot viittaavat siis vahvasti positiiviseen geneettiseen korrelaatioon isännän sisäisen kilpailukyvyn ja virulenssin välillä, mikä on varovaisuusmallin keskeinen oletus. Tutkimukset, joissa on pyritty mittaamaan suoraan geneettisiä korrelaatioita, eivät ole yhtä johdonmukaisia, sillä P. chabaudin ja S. mansonin osalta on raportoitu sekä positiivisia (de Roode et al., 2005) että negatiivisia (Gower ja Webster, 2005) korrelaatioita. Tarvitaan paljon lisää kokeita, jotta voidaan täysin testata loisten sukulaisuuden evolutiivinen vaikutus isännän sisäiseen varovaisuuteen.

Julkishyödykkeiden yhteistyö

Kontrastina malleihin, joissa oletetaan, että varovaisuus maksimoi transmissiota, ennustetaan positiivista suhdetta sukulaisuuden ja virulenssin välillä, jos isännän hyväksikäyttö on riippuvainen siitä, että loiset tekevät yhteistyötä toistensa kanssa (Chao ym., 2000; Brown ym., 2002; West ja Buckling, 2003) (kuva 1b). Tällaisia tilanteita syntyy, jos loiset tuottavat jonkinlaista julkishyödykettä, jota ei-tuottavat huijarit voivat hyödyntää. Rajallinen kokeellinen työ, jossa käsitellään suoraan sukulaisuuden roolia loisten virulenssin määrittämisessä julkishyödykkeiden yhteistyöhön perustuvassa tilanteessa (sekä havainnollisia esimerkkejä; ks. Chao et al., 2000) on pitkälti sopusoinnussa teorian kanssa.

Turner ja Chao (1999) kehittivät lyyttisiä faageja bakteereihin (Pseudomonas syringae) korkeassa ja matalassa sukulaisuussuhteessa (alhaisella ja korkealla infektiokertoimella) ja havaitsivat, että virulenssin korrelaatti (viruksen kilpailullinen soveltuvuus) kehittyi paljon alhaisessa sukulaisuussuhteessa. Bakteriofagit tuottavat replikaatioentsyymejä, joita kaikki solussa olevat virionit voivat käyttää, ja näin ollen niitä voidaan pitää julkishyödykkeenä. Alhaisen sukulaisuussuhteen vallitessa, kun moninkertainen tartunta oli todennäköistä, kehittyivät huijaavat mutantit, jotka eivät maksaneet replikaasientsyymien tuottamisesta aiheutuvia metabolisia kustannuksia, ja niillä oli valikoiva etu, kun ne infektoituivat yhdessä replikaasia tuottavien yhteistyökumppaneiden kanssa. Sitä vastoin korkean sukulaisuuden olosuhteissa huijarit eivät kehittyneet, koska ne eivät voineet jakaa soluja yhteistyökumppaneiden kanssa.

Toinen kohtuullisen hyvin tutkittu esimerkki yleishyödyllisestä yhteistyöstä on opportunistisen bakteeripatogeenin Pseudomonas aeruginosan solunulkoisten raudanpoistomolekyylien (sideroforien) tuotanto. Sideroforituotanto on hyödyllistä, kun rauta on rajallista, mutta se on myös metabolisesti kallista. Näin ollen sekapopulaatioissa, joissa esiintyy sekä villityyppisiä että mutanttisia bakteereja, mutantit voivat hyötyä sideroforituotannosta maksamatta siitä aiheutuvia kustannuksia, ja näin ollen niiden esiintymistiheys kasvaa, kun ne kilpailevat yhteistyökykyisen villityypin kanssa (Griffin et al., 2004). Edellä esitettyjen in vitro -tulosten kanssa yhdenmukaisesti sideroforinegatiivisia huijareita on havaittu P. aeruginosa -bakteerin luonnollisissa populaatioissa, jotka ovat infektoineet kystistä fibroosia sairastavien potilaiden keuhkoja (de Vos et al.,

Sukulaisuuden merkitystä sideroforivälitteisessä yhteistyössä ja virulenssissa tutkittiin inokuloimalla toukkia (Galleria mellonella) yksittäisillä klooneilla, jotka koostuivat P. aeruginosa -bakteerin villityyppisestä, sideroforia tuottavasta kannasta (yhteistyökumppanit), isogeenisestä siderofori-miinus-mutantista (huijarit) tai molemmista (Harrison ym., 2006). Huijaajat kasvoivat nopeammin sekainfektioissa kuin yhden kloonin infektioissa, kun taas cooperatorien kohdalla havaittiin päinvastainen malli. Matalan sukulaisuusasteen infektiot suosivat siis todennäköisemmin sideroforihuijausten kehittymistä kuin korkean sukulaisuusasteen infektiot (Harrison ym., 2006). Huijareita sisältävät infektiot olivat vähemmän virulentteja kuin puhtaat cooperator-infektiot, kuten aiemmassa tutkimuksessa on havaittu (Meyer ym., 1996). Näin ollen matalan sukulaisuusasteen infektiot ovat vähemmän virulentteja.

Mutta näissä yksinkertaisissa sideroforihuijareiden ja yhteistyökumppaneiden välisissä kilpailukokeissa huijareilla ei koskaan ollut havaittavaa valikoivaa etua: parhaimmillaan niiden kunto oli sama kuin yhteistyökumppaneilla (Harrison ym., 2006). Tämä on ristiriidassa in vitro -tutkimusten kanssa, joissa huijarit olivat jatkuvasti parempia rautarajoitteisissa olosuhteissa (Griffin ym., 2004). Tämä aiheuttaa teorian kannalta merkittävän ongelman: jos huijareilla ei koskaan ole valikoivaa etua in vivo, virulenssi ei vähene alhaisen sukulaisuuden infektioissa. Olemme kuitenkin sittemmin havainneet, että huijarit todellakin kehittyvät de novo ja niiden esiintymistiheys kasvaa, kun toukkia passivoidaan (Racey, Harrison ja Buckling, valmisteilla).

Uudemmat in vitro -työt viittaavat siihen, että sukulaisuuden ja virulenssin välinen positiivinen suhde, jossa julkiset hyödykkeet määräävät kasvunopeuden, voi olla monimutkaisempi (Brockhurst ym., 2006). Patogeeniset bakteerit esiintyvät usein biofilminä – bakteeriryhmänä, joka on kiinnittynyt pintoihin ja jota peittää polymeeri. Biofilmissä eläminen antaa ryhmälle etulyöntiaseman esimerkiksi antibioottien ja immuunipuolustuksen vastustuskyvyn suhteen. Biofilmipolymeeri on toinen esimerkki julkishyödykkeestä, ja sitä tuottamattomilla huijareilla on todennäköisesti valikoiva etu olosuhteissa, joissa genotyypit sekoittuvat ja sukulaisuus on vähäistä. Sinänsä sekamuotoisten genotyyppi-infektioiden pitäisi johtaa yhteistyön hajoamiseen ja virulenssin vähenemiseen. Yhteistyöhön liittyvien ominaisuuksien monimuotoisuus korreloi kuitenkin todennäköisesti myös muiden ominaisuuksien, kuten resurssien käytön, monimuotoisuuden kanssa. Eräässä hiljattain tehdyssä tutkimuksessa havaittiin, että biofilmit, jotka koostuivat eri resursseihin erikoistuneiden genotyyppien sekoituksista kuntovaihtojen seurauksena, olivat vastustuskykyisempiä huijareiden invaasiolle kuin biofilmit, jotka koostuivat yhdestä genotyypistä, oletettavasti siksi, että myös huijarit kävivät vaihtokauppaa resurssien käytöstä ja olivat siten parempia huijareita yhdessä yhteistyöhön osallistuvassa genotyypissä kuin toisessa. Yhteistyön vastaista valikoitumista, joka johtuu sukulaisuuden vähenemisestä (määritelmän mukaan yhteistyölokuksessa) sekainfektioissa, voidaan mahdollisesti vastustaa lisääntyneellä kapeikkojen jakamisella, joka voi rajoittaa huijareiden invaasiota ja myös lisätä populaation tiheyttä tehokkaamman resurssien käytön vuoksi (Brockhurst ym., 2006). Tämä voisi heikentää tai jopa poistaa virulenssin ja sukulaisuuden välisen suhteen.

Spite

Jos spitaalinen käyttäytyminen on keskeinen tekijä loislinjojen välisen kilpailun lopputuloksessa, virulenssin ennustetaan saavan huippunsa korkeilla ja matalilla sukulaisuustasoilla (kuva 1c) (Gardner ym., 2004). Tämä johtuu siitä, että pahansuopa käyttäytyminen vähentää populaation kokonaiskasvunopeutta, ja sen ennustetaan myös maksimoituvan sukulaisuuden keskitasoilla. Korkealla sukulaisuustasolla lähisukulaisten vahingoittamisesta ei ole juurikaan hyötyä, joten pahansuopaa käyttäytymistä ei suosita. Kun sukulaisuussuhteet ovat hyvin alhaiset, sukulaisuussuhteet ovat väistämättä harvinaisia, eikä sukulaisuussuhde näin ollen pysty vaikuttamaan kaikkiin kilpailijoihin; näin ollen kilpailijoiden vahingoittamisen ja resurssien vapauttamisen kannalta ilkeästä käytöksestä saatava hyöty kohdistuu yhtä lailla ei-sukulaisiin kuin sukulaisiin. Vasta kun pahansuopa sukulinja on riittävän korkealla frekvenssillä ja kilpailijoita on riittävästi vahingoitettavaksi (välimuotoinen sukulaisuus), pahansuovuuden kokonaisvaltainen kuntohyöty realisoituu.

Bakteerien tuottamat kilpailevat toksiinit (bakteeriosiinit) ovat hyvä esimerkki pahansuovasta käyttäytymisestä. Bakteeriosiinien tuottaminen on kallista (usein niiden vapauttaminen edellyttää solujen lyysiä), ja ne kykenevät tappamaan herkkiä kilpailijoita. Bakteriosiinigeenit ovat yleensä yhteydessä sopiviin immuniteettigeeneihin, mikä tekee lähisukulaisista immuuneja (Riley ja Wertz, 2002). Tiedossamme on vain yksi tutkimus, jossa on käsitelty ”sukulaisuuden” roolia virulenssissa, jossa pahansuopa käyttäytyminen määrittää kilpailutulokset (Massey ym., 2004). Hyönteispatogeenisten Photorhabdus- ja Xenorhabdus spp. -bakteerien eri kantoja inokuloitiin toukkiin yksi- tai sekaklooni-infektioina. Virulenssi väheni sekainfektioissa verrattuna yksittäisiin infektioihin, joissa molemmat kannat pystyivät tappamaan toisensa. Lisäksi oli suuri kilpailuetu siitä, että vain sekainfektioissa pystyttiin tuottamaan bakteeriosiinia. Tämä viittaa siihen, että kahden genotyypin infektiot suosivat bakteeriosiinituotantoa suhteessa yhden genotyypin infektioihin ja että bakteeriosiinituotanto vähentää virulenssia. On huomattava, että tässä tutkimuksessa eri kannat ovat todennäköisesti kauempana toisistaan kuin yleensä oletetaan yhden ”lajin” osalta.