La sélection de parenté et l’évolution de la virulence

La façon dont la parenté, par son effet sur les traits coopératifs et malveillants, est censée affecter la virulence dépend du type de comportement social intraspécifique affiché par les parasites. Ici, nous distinguons trois types de comportements sociaux : (1) la prudence ; (2) la coopération en matière de biens publics et (3) le dépit.

Prudence

La virulence est souvent supposée être une conséquence nécessaire de l’exploitation de l’hôte et donc de la transmission à de nouveaux hôtes (fitness du parasite) (Anderson et May, 1982 ; Bremermann et Pickering, 1983 ; Nowak et May, 1994 ; Frank, 1996 ; Ebert et Bull, 2003). La virulence a également un impact négatif sur le succès de la transmission, par exemple, si les parasites ne peuvent transmettre qu’à partir d’hôtes vivants ou si la transmission est réduite à partir d’hôtes débilités. En raison de ce compromis, un certain niveau intermédiaire d’exploitation des hôtes (virulence optimale) maximisera le succès de transmission de la population de parasites. La parenté des génotypes de parasites co-infectants est également susceptible d’affecter la virulence des infections ; les modèles de sélection de parenté prédisent que le niveau de virulence du parasite qui maximise l’aptitude du parasite augmente avec la diminution de la parenté des parasites co-infectants (Bremermann et Pickering, 1983 ; Nowak et May, 1994 ; Frank, 1996) (Figure 1a). Cela s’explique par le fait que la virulence optimale n’est affichée que si les individus exploitent prudemment les ressources de l’hôte, ce qui devrait se produire lorsque la parenté entre les génotypes de parasites co-infectants est élevée. Lorsque la parenté est faible, la compétition entre les parasites ayant des génotypes non apparentés au sein d’un hôte entraîne la sélection des individus qui utilisent les ressources le plus rapidement possible, augmentant ainsi la virulence malgré la réduction du succès du groupe, une idée incarnée par la  » tragédie des communs  » de Hardin (Hardin, 1968 ; Frank, 1998).

Certaines études dans les populations naturelles sont cohérentes avec le modèle de prudence. Lorsqu’elle est mesurée sur des espèces étroitement apparentées, la virulence des nématodes parasites qui infectent les guêpes des figues augmente avec le nombre moyen croissant de fondatrices qui pondent leurs œufs dans une seule figue (Herre, 1993). Ce résultat a été interprété en termes de sélection de parenté : un plus grand nombre de fondatrices augmente les chances d’infections par des nématodes de génotype mixte, et donc l’évolution d’une virulence plus élevée (Herre, 1993 ; Frank, 1996). La nature corrélationnelle des données signifie qu’elles peuvent être interprétées d’autres façons, d’où la nécessité de tests expérimentaux.

Les preuves expérimentales de la relation négative entre parenté et virulence sont limitées (Brown et al., 2002 ; West et Buckling, 2003). En effet, dans les études où la diminution de la parenté entraîne une augmentation de la virulence, peu d’éléments suggèrent qu’elle résulte d’une exploitation accrue au sein de l’hôte au détriment de la transmission entre hôtes. Par exemple, les infections par des génotypes mixtes de parasites du paludisme (Plasmodium chabaudi) infectant des souris étaient plus virulentes (en termes de perte de poids de l’hôte et d’anémie) que les infections par un seul clone, mais ne présentaient pas de taux élevés de reproduction ou de densité (Taylor et al., 1998). Ceci suggère que le système immunitaire était moins capable de contrôler les infections en raison de leur diversité antigénique, plutôt qu’une virulence accrue, résultant d’une exploitation accrue de l’hôte. De même, des infections mixtes de chenilles (Panolis flammea) avec des baculovirus ont atteint une virulence plus élevée, mais dans ce système, la mort de l’hôte est nécessaire pour la transmission ; par conséquent, le compromis classique transmission-virulence ne s’applique pas et la virulence n’a pas de coût (Hodgson et al., 2004). Cependant, chez ce parasite et d’autres parasites à mort obligatoire, il est probable qu’il existe un compromis entre le temps nécessaire pour tuer et le rendement de la progéniture, car la prudence (c’est-à-dire de faibles taux d’exploitation de l’hôte) peut maximiser le rendement de la progéniture et, par extension, les possibilités de transmission (Hodgson et al., 2004). Aucune preuve d’une différence dans le temps jusqu’à la mort entre les infections à génotype unique et celles à génotype mixte n’a été détectée. Une autre étude sur les schistosomes (Schistosoma mansoni) infectant les escargots (Biomphalaria glabrata) a rapporté un taux de reproduction total élevé dans les infections à génotype mixte par rapport aux infections à génotype unique, mais il a été impossible de distinguer si cela était dû à des souches individuelles se répliquant plus rapidement ou à nouveau dû au fait que le système immunitaire n’est pas bon pour contrôler les infections à génotype mixte (Davies et al, 2002).

Il existe de nombreuses raisons probables pour lesquelles les données sont généralement incompatibles avec le modèle de prudence, la plus évidente étant que les hypothèses du modèle sont souvent inappropriées pour le système hôte-parasite particulier. Ces questions ont été traitées en détail ailleurs (Read et Taylor, 2001 ; Ebert et Bull, 2003 ; Lambrechts et al., 2006), et nous limitons la discussion sur l’importance des détails biologiques aux différents types d’interactions sociales (voir ci-dessous). Cependant, un autre facteur contributif est que la grande majorité des expériences testant le modèle ont été des études écologiques à court terme, où les infections ont été établies avec un ou plusieurs génotypes de parasites. Pour fournir un soutien expérimental à la prudence, il faut donc que les parasites soient capables de réguler facultativement à la hausse leur taux de reproduction lorsqu’ils détectent un autre génotype de parasite chez le même hôte. Nous n’avons pas connaissance de preuves démontrant que cela se produit.

Une approche alternative pour tester la théorie serait de faire évoluer expérimentalement les parasites dans des conditions de haute et de basse parenté, puis de déterminer la virulence des lignées évoluées. La seule expérience que nous connaissons, qui pourrait avoir fait cela, a été conçue dans un but différent : aborder l’effet de la mortalité extrinsèque de l’hôte de Daphnia magna sur l’évolution de la virulence d’un parasite microsporidien transmis horizontalement (Glugoides intestinalis) (Ebert et Mangin, 1997). Il a été prédit qu’une virulence plus élevée devrait être favorisée dans un traitement à mortalité élevée, en raison du coût réduit pour le parasite de tuer l’hôte tôt. Le résultat inverse a été observé. Une explication possible est que le traitement à forte mortalité de l’hôte a réduit les chances d’infections mixtes, et donc la compétition intra-hôte, puisque les hôtes extrinsèquement « tués » (éliminés) ont été remplacés par des hôtes non infectés (Ebert et Mangin, 1997 ; Gandon et al., 2001). Cette interprétation est soutenue par le grand nombre d’expériences dans lesquelles la virulence du parasite augmente après un transfert en série d’un hôte à l’autre (revue dans Ebert, 1998). Dans ces conditions, la sélection naturelle favorisera les parasites qui ont la plus grande capacité compétitive au sein de l’hôte. Ces données suggèrent donc fortement l’existence d’une corrélation génétique positive entre la capacité de compétition intra-hôte et la virulence, une hypothèse cruciale du modèle de prudence. Les études qui ont tenté de mesurer directement les corrélations génétiques sont moins cohérentes, avec des corrélations positives (de Roode et al., 2005) et négatives (Gower et Webster, 2005) rapportées pour P. chabaudi et S. mansoni, respectivement. De nombreuses autres expériences sont nécessaires pour tester pleinement l’impact évolutif de la parenté des parasites sur la prudence au sein de l’hôte.

Coopération des biens publics

Contrairement aux modèles qui supposent que la prudence maximise la transmission, une relation positive entre la parenté et la virulence est prédite si l’exploitation de l’hôte dépend de la coopération des parasites entre eux (Chao et al., 2000 ; Brown et al., 2002 ; West et Buckling, 2003) (figure 1b). De telles situations se produisent si les parasites produisent une certaine forme de bien public qui peut être exploité par les tricheurs non producteurs. Le peu de travaux expérimentaux portant directement sur le rôle de la parenté dans la détermination de la virulence des parasites dans le cadre d’une coopération en matière de biens publics (ainsi que des exemples d’observation ; voir Chao et al, Turner et Chao (1999) ont fait évoluer des phages lytiques sur des bactéries (Pseudomonas syringae) dans des conditions de parenté élevée et faible (multiplicité d’infection faible et élevée, respectivement) et ont constaté qu’un corrélat de la virulence (fitness compétitif viral) a évolué pour être beaucoup plus faible dans des conditions de parenté faible. Les bactériophages produisent des enzymes réplicatives qui peuvent être utilisées par tous les virions de la cellule et, à ce titre, peuvent être considérés comme un bien public. Dans des conditions de faible parenté, lorsque l’infection multiple est probable, les mutants tricheurs qui ne paient pas le coût métabolique de la production d’enzymes de réplication ont évolué et ont bénéficié d’un avantage sélectif lors de la co-infection avec des coopérateurs producteurs de réplicase. En revanche, dans des conditions de forte parenté, les tricheurs n’ont pas évolué car ils ne pouvaient pas partager leurs cellules avec les coopérateurs.

Un autre exemple raisonnablement bien étudié de coopération de bien public est la production de molécules extracellulaires piégeant le fer (sidérophores) par la bactérie pathogène opportuniste, Pseudomonas aeruginosa. La production de sidérophores est bénéfique lorsque le fer est limité, mais elle est également coûteuse sur le plan métabolique. Par conséquent, dans les populations mixtes où des bactéries de type sauvage et mutant sont présentes, les mutants peuvent bénéficier de la production de sidérophore sans en payer le coût et donc augmenter en fréquence, car ils supplantent le type sauvage coopératif (Griffin et al., 2004). Conformément aux résultats in vitro ci-dessus, des tricheurs sidérophores négatifs ont été observés dans les populations naturelles de P. aeruginosa qui ont infecté les poumons de patients atteints de mucoviscidose (de Vos et al, 2001).

Le rôle de la parenté dans la coopération et la virulence médiées par les sidérophores a été étudié en inoculant à des chenilles (Galleria mellonella) des clones uniques d’une souche de P. aeruginosa de type sauvage, productrice de sidérophores (cooperators), un mutant isogénique sidérophore-minus (cheats), ou les deux (Harrison et al., 2006). Les cheats se sont développés plus rapidement dans les infections mixtes que dans les infections à un seul clone, alors que le schéma inverse a été observé pour les cooperators. Les infections à faible degré de parenté sont donc plus susceptibles de favoriser l’évolution des cheats sidérophores que les infections à degré de parenté élevé (Harrison et al., 2006). Les infections contenant des tricheurs étaient moins virulentes que les infections de coopérateurs purs, comme cela a été observé dans une étude précédente (Meyer et al., 1996). Par conséquent, les infections à faible degré de parenté sont moins virulentes.

Cependant, dans ces expériences simples de compétition entre les tricheurs et les coopérateurs de sidérophore, les tricheurs n’ont jamais eu un avantage sélectif détectable : au mieux, leur fitness était le même que celui des coopérateurs (Harrison et al., 2006). Cela contraste avec les travaux in vitro où les tricheurs étaient systématiquement plus aptes dans des conditions limitées en fer (Griffin et al., 2004). Cela pose un problème majeur pour la théorie : si les tricheurs n’ont jamais d’avantage sélectif in vivo, alors la virulence ne diminuera pas dans les infections à faible parenté. Nous avons cependant observé depuis que les tricheurs évoluent effectivement de novo et augmentent en fréquence lorsqu’ils sont passés par des chenilles (Racey, Harrison et Buckling, en prépa).

Des travaux récents in vitro suggèrent que la relation positive entre parenté et virulence où les biens publics déterminent le taux de croissance peut être plus complexe (Brockhurst et al., 2006). Les bactéries pathogènes existent souvent sous forme de biofilms – un groupe de bactéries attachées à des surfaces et recouvertes de polymère. La vie en biofilm confère un avantage de groupe, par exemple en termes de résistance aux antibiotiques et aux attaques immunitaires. Le polymère du biofilm est un autre exemple de bien public, et les tricheurs non producteurs sont susceptibles d’avoir un avantage sélectif dans des conditions de génotypes mixtes et de faible parenté. En tant que telles, les infections à génotypes mixtes devraient entraîner la rupture de la coopération et une réduction de la virulence. Cependant, la diversité des traits coopératifs est également susceptible d’être corrélée à la diversité d’autres traits, comme l’utilisation des ressources. Une étude récente a montré que les biofilms constitués de mélanges de génotypes spécialisés sur différentes ressources, en raison de compromis de fitness, étaient plus résistants à l’invasion par des tricheurs que les biofilms constitués d’un seul génotype, probablement parce que les tricheurs ont également échangé l’utilisation des ressources, et donc étaient meilleurs pour tromper un génotype coopérant qu’un autre. En tant que telle, la sélection contre la coopération, résultant de la réduction de la parenté (par définition, au locus coopératif) dans les infections mixtes, peut potentiellement être contrée par une augmentation du partage de la niche, ce qui peut limiter l’invasion des tricheurs, et également augmenter la densité de la population en raison d’une utilisation plus efficace des ressources (Brockhurst et al., 2006). Cela pourrait affaiblir ou même éliminer la relation entre la virulence et la parenté.

Spite

Si les comportements malveillants sont un déterminant clé dans le résultat de la compétition entre les lignées de parasites, alors la virulence est prédite pour atteindre un pic à des niveaux élevés et faibles de parenté (Figure 1c) (Gardner et al., 2004). Cela s’explique par le fait que les comportements malveillants réduisent le taux de croissance total de la population et sont également censés être maximisés à des niveaux intermédiaires de parenté. Lorsque le degré de parenté est élevé, il y a peu d’avantages à nuire aux proches parents, et les comportements malveillants ne sont donc pas favorisés. Dans le cas d’une parenté très faible, une lignée sera nécessairement à faible fréquence et ne pourra donc pas affecter tous les concurrents ; par conséquent, l’avantage du comportement malveillant en termes de préjudice causé aux concurrents et de libération des ressources sera ressenti par les non-apparents autant que par les apparentés. Ce n’est que lorsqu’une lignée malveillante est à une fréquence suffisamment élevée, et qu’il y a suffisamment de concurrents à léser (parenté intermédiaire) que les avantages inclusifs de la malveillance en termes de fitness seront réalisés.

Les toxines anticompétiteurs produites par les bactéries (bactériocines) sont un bon exemple de comportements malveillants. Les bactériocines sont coûteuses à produire (impliquant souvent la lyse cellulaire pour leur libération) et sont capables de tuer des concurrents sensibles. Les gènes de bactériocines sont généralement liés à des gènes d’immunité appropriés, rendant les proches parents immunisés (Riley et Wertz, 2002). À notre connaissance, une seule étude s’est penchée sur le rôle de la  » parenté  » dans la virulence, où les comportements malveillants déterminent les résultats de la compétition (Massey et al., 2004). Différentes souches de bactéries pathogènes pour les insectes, Photorhabdus et Xenorhabdus spp., ont été inoculées à des chenilles sous forme d’infections à clone unique ou mixte. La virulence était réduite dans les infections mixtes par rapport aux infections simples où les deux souches pouvaient se tuer mutuellement. En outre, la capacité de produire des bactériocines uniquement dans le cadre d’infections mixtes présentait un avantage compétitif important. Cela suggère que les infections composées de deux génotypes favorisent la production de bactériocines par rapport aux infections à génotype unique et que la production de bactériocines réduit la virulence. Notez que les différentes souches de cette étude sont probablement plus éloignées les unes des autres que ce qui est généralement supposé pour une seule  » espèce « .