A rokonszelekció és a virulencia evolúciója

Az, hogy a rokonság a kooperatív és rosszindulatú tulajdonságokra gyakorolt hatásán keresztül hogyan befolyásolja a virulenciát, a paraziták által mutatott fajon belüli szociális viselkedés típusától függ. Itt a társas viselkedés három típusát különböztetjük meg: (1) óvatosság; (2) közjavakkal való együttműködés és (3) rosszindulat.

Óvatosság

A virulenciáról gyakran feltételezik, hogy az a gazdaszervezet kizsákmányolásának és így az új gazdákra való átvitelének (parazita fitnesz) szükséges következménye (Anderson és May, 1982; Bremermann és Pickering, 1983; Nowak és May, 1994; Frank, 1996; Ebert és Bull, 2003). A virulencia negatív hatással van a transzmisszió sikerére is, például ha a paraziták csak élő gazdákból tudnak továbbadni, vagy ha a transzmisszió csökkent a legyengült gazdákból. E kompromisszum eredményeként a gazdaszervezetek kihasználásának valamilyen köztes szintje (optimális virulencia) maximalizálja a parazita-populáció átviteli sikerét. Az együttfertőző paraziták genotípusainak rokonsága valószínűleg szintén befolyásolja a fertőzések virulenciáját; a rokonszelekciós modellek azt jósolják, hogy a parazita virulenciájának az a szintje, amely maximalizálja a parazita fitneszét, növekszik az együttfertőző paraziták rokonságának csökkenésével (Bremermann és Pickering, 1983; Nowak és May, 1994; Frank, 1996) (1a. ábra). Ez azért következik be, mert az optimális virulencia csak akkor jelenik meg, ha az egyedek körültekintően használják ki a gazdaszervezet erőforrásait, és az előrejelzések szerint ez akkor következik be, ha az együttfertőző parazita genotípusok közötti rokonsági viszony magas. Ha a rokonság alacsony, a gazdán belüli, nem rokon genotípusú paraziták közötti verseny az erőforrásokat a lehető leggyorsabban kihasználó egyedek szelekcióját eredményezi, ami a csoport sikerének csökkenése ellenére növeli a virulenciát, amit Hardin “a közösek tragédiája” (Hardin, 1968; Frank, 1998) gondolata testesít meg.

A természetes populációkban végzett egyes vizsgálatok összhangban vannak az óvatossági modellel. Közeli rokon fajokon mérve a fügedarazsakat fertőző parazita fonálférgek virulenciája az egy fügébe petéiket lerakó ivadékok átlagos számának növekedésével nő (Herre, 1993). Ezt az eredményt a rokonszelekció szempontjából értelmezték: a több ivadék növeli a vegyes genotípusú fonalféreg-fertőzések esélyét, és ezáltal a magasabb virulencia evolúcióját (Herre, 1993; Frank, 1996). Az adatok korrelációs jellege miatt másképpen is értelmezhetők, ezért van szükség kísérleti vizsgálatokra.

A rokonság és a virulencia közötti negatív kapcsolatra vonatkozó kísérleti bizonyítékok korlátozottak (Brown és mtsai., 2002; West és Buckling, 2003). Valójában azokban a vizsgálatokban, amelyekben a csökkent rokonsági fok megnövekedett virulenciát eredményez, kevés bizonyíték utal arra, hogy ez a gazdán belüli fokozott kihasználás eredménye a gazdák közötti átvitel rovására. Például az egereket fertőző rágcsáló maláriaparaziták (Plasmodium chabaudi) kevert genotípusú fertőzései virulensebbek voltak (a gazdatest súlyvesztése és vérszegénysége szempontjából), mint az egyklónos fertőzések, de nem mutattak megnövekedett szaporodási arányt vagy sűrűséget (Taylor et al., 1998). Ez arra utal, hogy az immunrendszer az antigéndiverzitásuk miatt kevésbé tudta kontrollálni a fertőzéseket, nem pedig a fokozott virulencia miatt, ami a gazdaszervezet fokozott kihasználásából adódott. Hasonlóképpen, a hernyók (Panolis flammea) baculovírusokkal való vegyes fertőzései magasabb virulenciát értek el, de ebben a rendszerben a gazdatest halála szükséges a terjedéshez; így a klasszikus transzmisszió-virulencia kompromisszum nem érvényesül, és a virulenciának nincs költsége (Hodgson et al., 2004). Azonban ebben és más kötelezően ölő parazitákban valószínűleg kompromisszumot kell kötni az ölésig eltelt idő és az utódhozam között, mivel az óvatosság (azaz a gazdaszervezet alacsony kihasználási aránya) maximalizálhatja az utódhozamot és ezáltal a transzmissziós lehetőségeket (Hodgson et al., 2004). Nem találtunk bizonyítékot arra, hogy az egyedüli és a vegyes genotípusú fertőzések között különbség lenne az elpusztulásig eltelt idő tekintetében. Egy másik, csigákat (Biomphalaria glabrata) fertőző skisztoszómák (Schistosoma mansoni) vizsgálatában megemelkedett teljes szaporodási arányról számoltak be a vegyes és az egy genotípusú fertőzések között, de nem lehetett megkülönböztetni, hogy ez az egyes törzsek gyorsabb szaporodásának köszönhető-e, vagy ismét annak, hogy az immunrendszer nem képes jól kontrollálni a vegyes genotípusú fertőzéseket (Davies et al., 2002).

Az, hogy az adatok általában nem állnak összhangban az óvatossági modellel, számos valószínű okból adódhat, a legnyilvánvalóbb az, hogy a modell feltételezései gyakran nem megfelelőek az adott gazdatest-parazita rendszerre. Ezekkel a kérdésekkel máshol részletesen foglalkoztunk (Read és Taylor, 2001; Ebert és Bull, 2003; Lambrechts et al., 2006), és a biológiai részletek fontosságának további tárgyalását a társas kölcsönhatások különböző típusaira korlátozzuk (lásd alább). Ehhez azonban az is hozzájárul, hogy a modellt tesztelő kísérletek túlnyomó többsége rövid távú ökológiai vizsgálat volt, ahol a fertőzéseket vagy egyetlen, vagy több parazita genotípussal hozták létre. Az óvatosság kísérleti alátámasztása ezért megköveteli, hogy a paraziták képesek legyenek fakultatív módon felszabályozni szaporodási rátájukat egy másik parazita genotípus észlelésekor ugyanabban a gazdaszervezetben. Nincs tudomásunk olyan bizonyítékról, amely ezt bizonyítaná.

Az elmélet tesztelésének alternatív megközelítése az lenne, ha kísérleti úton parazitákat fejlesztenénk magas és alacsony rokonsági fokú körülmények között, majd meghatároznánk a kialakult vonalak virulenciáját. Az egyetlen általunk ismert kísérletet, amely ezt megtehette, más céllal tervezték: a Daphnia magna extrinsic gazdaszervezeti mortalitás hatásának vizsgálatára egy horizontálisan terjedő mikrospórás parazita (Glugoides intestinalis) virulenciájának evolúciójára (Ebert és Mangin, 1997). Azt jósolták, hogy magas mortalitású kezelés esetén a magasabb virulenciának kell előnyben részesülnie, mivel a parazita számára kisebb költséget jelent a gazdaszervezet korai elpusztítása. Ezzel ellentétes eredményt figyeltek meg. Ennek egyik lehetséges magyarázata, hogy a magas gazda mortalitású kezelés csökkentette a vegyes fertőzések esélyét, és így a gazdaállaton belüli versenyt, mivel a külsőleg “elölt” (eltávolított) gazdaállatok helyébe nem fertőzött gazdaállatok kerültek (Ebert és Mangin, 1997; Gandon et al., 2001). Ezt az értelmezést támasztja alá azon kísérletek nagy száma, amelyekben a parazita virulenciája az egyik gazdából a másikba történő sorozatos átvitelt követően növekszik (áttekintve: Ebert, 1998). Ilyen körülmények között a természetes szelekció azokat a parazitákat részesíti előnyben, amelyek a legnagyobb gazdán belüli versenyképességgel rendelkeznek. Ezek az adatok tehát erősen utalnak a gazdán belüli kompetitív képesség és a virulencia közötti pozitív genetikai korrelációra, ami az óvatossági modell egyik alapvető feltételezése. A genetikai korrelációk közvetlen mérésére irányuló vizsgálatok kevésbé következetesek: a P. chabaudi és a S. mansoni esetében pozitív (de Roode et al., 2005) és negatív (Gower és Webster, 2005) korrelációról is beszámoltak. Még sok kísérletre van szükség ahhoz, hogy teljes mértékben tesztelni lehessen a paraziták rokonságának evolúciós hatását a gazdán belüli óvatosságra.

Közjavak együttműködése

Az óvatosságot a transzmisszió maximalizálását feltételező modellekkel ellentétben pozitív kapcsolat jósolható a rokonság és a virulencia között, ha a gazdák kihasználása a paraziták egymással való együttműködésétől függ (Chao et al., 2000; Brown et al., 2002; West és Buckling, 2003) (1b. ábra). Ilyen helyzetek akkor alakulnak ki, ha a paraziták valamilyen közjót termelnek, amelyet a nem termelő csalók kihasználhatnak. A korlátozott kísérleti munka, amely közvetlenül foglalkozik a rokonság szerepével a paraziták virulenciájának meghatározásában a közjavak együttműködése esetén (valamint megfigyelési példák; lásd Chao et al., 2000) nagyjából összhangban van az elmélettel.

Turner és Chao (1999) baktériumokon (Pseudomonas syringae) lytikus fágokat fejlesztett ki magas és alacsony rokonsági fokon (alacsony, illetve magas fertőzési multiplicitás), és azt találták, hogy a virulencia egyik korrelátuma (a vírus kompetitív fitnesz) alacsony rokonsági fokon sokkal alacsonyabbra fejlődött. A bakteriofágok olyan replikatív enzimeket termelnek, amelyeket a sejtben lévő összes virion használhat, és mint ilyenek, közjószágnak tekinthetők. Alacsony rokonsági fokon, amikor a többszörös fertőzés valószínű volt, olyan csaló mutánsok fejlődtek ki, amelyek nem fizették meg a replikáz enzimek előállításának metabolikus költségeit, és szelektív előnyre tettek szert, amikor replikáztermelő kooperátorokkal együttfertőződtek. Ezzel szemben magas rokonsági viszonyok között a csalók nem fejlődtek, mert nem tudtak sejteket megosztani az együttműködőkkel.

A közjó együttműködés másik, meglehetősen jól tanulmányozott példája az extracelluláris vasmegkötő molekulák (sziderofórok) termelése az opportunista bakteriális kórokozó, a Pseudomonas aeruginosa által. A sziderofór-termelés előnyös, ha a vas limitáló hatású, de anyagcsere-költséges is. Következésképpen olyan kevert populációkban, ahol vad típusú és mutáns baktériumok egyaránt jelen vannak, a mutánsok a sziderofórtermelés előnyeit a költségek megfizetése nélkül nyerhetik el, és így gyakoriságuk nő, mivel a kooperatív vad típussal versenyeznek (Griffin és mtsai., 2004). A fenti in vitro eredményekkel összhangban sziderofór-negatív csalókat figyeltek meg a P. aeruginosa természetes populációiban, amelyek cisztás fibrózisos betegek tüdejét fertőzték meg (de Vos et al.,

A rokonság szerepét a sziderofór-mediált együttműködésben és virulenciában úgy vizsgálták, hogy hernyókat (Galleria mellonella) oltottak be a P. aeruginosa vad típusú, sziderofórt termelő törzsének (kooperátorok), egy izogén sziderofór-mínusz mutánsnak (csalók) vagy mindkettőnek az egyes klónjaival (Harrison és mtsai., 2006). A csalók gyorsabban növekedtek a vegyes, mint az egyklónos fertőzésekben, míg a kooperátorok esetében ellenkező mintázat volt megfigyelhető. Az alacsony rokonsági fokú fertőzések tehát nagyobb valószínűséggel kedveznek a sziderofór csalók evolúciójának, mint a magas rokonsági fokú fertőzések (Harrison és mtsai., 2006). A csalókat tartalmazó fertőzések kevésbé voltak virulensek, mint a tisztán kooperátoros fertőzések, ahogy azt egy korábbi vizsgálatban is megfigyelték (Meyer és mtsai., 1996). Az alacsony rokonsági fokú fertőzések tehát kevésbé virulensek.

A sziderofór csalók és kooperátorok közötti egyszerű versengési kísérletekben azonban a csalók soha nem rendelkeztek kimutatható szelektív előnnyel: a legjobb esetben is ugyanolyan fitneszük volt, mint a kooperátoroké (Harrison et al., 2006). Ez ellentétben áll az in vitro munkákkal, ahol a csalók következetesen fittebbek voltak vaslimitált körülmények között (Griffin et al., 2004). Ez komoly problémát vet fel az elmélet számára: ha a csalók soha nem rendelkeznek szelektív előnnyel in vivo, akkor a virulencia nem fog csökkenni alacsony rokonsági fokú fertőzésekben. Azóta azonban megfigyeltük, hogy a csalók valóban de novo fejlődnek, és gyakoriságuk növekszik, amikor hernyókon keresztül passzírozzák őket (Racey, Harrison és Buckling, in prep).

A legújabb in vitro munkák azt sugallják, hogy a rokonság és a virulencia közötti pozitív kapcsolat, ahol a közjavak határozzák meg a növekedési sebességet, összetettebb lehet (Brockhurst és mtsai., 2006). A patogén baktériumok gyakran biofilmként léteznek – felületekhez tapadó és polimerrel borított baktériumcsoportként. A biofilmben való élet csoportelőnyt biztosít, például az antibiotikumokkal és az immunrendszer támadásával szembeni ellenálló képesség tekintetében. A biofilm-polimer egy másik példa a közjavakra, és a nem termelő csalók valószínűleg szelektív előnyt élveznek a vegyes genotípusok és az alacsony rokonsági viszonyok között. Mint ilyen, a vegyes genotípusú fertőzéseknek az együttműködés felbomlását és csökkent virulenciát kellene eredményezniük. Az együttműködő tulajdonságok tekintetében mutatkozó diverzitás azonban valószínűleg más tulajdonságok, például az erőforrás-használat diverzitásával is korrelál. Egy nemrégiben végzett tanulmány szerint a különböző erőforrásokra specializálódott genotípusok keverékeiből álló biofilmek – a fitneszkompromisszumok eredményeként – ellenállóbbak voltak a csalók inváziójával szemben, mint az egyetlen genotípusból álló biofilmek, feltehetően azért, mert a csalók is kereskedtek az erőforrás-használattal, és így jobban tudtak csalni az egyik együttműködő genotípuson, mint a másikon. Mint ilyen, a vegyes fertőzésekben a rokonság csökkenéséből (definíció szerint a kooperatív lókuszban) eredő együttműködés elleni szelekcióval szemben potenciálisan a niche felosztásának növekedése állhat, ami korlátozhatja a csalók invázióját, és a hatékonyabb erőforrás-felhasználás miatt növelheti a populáció sűrűségét is (Brockhurst és mtsai., 2006). Ez gyengítheti vagy akár meg is szüntetheti a virulencia és a rokonság közötti kapcsolatot.

Spite

Ha a spite viselkedés kulcsfontosságú meghatározó tényező a parazita vonalvezetések közötti verseny kimenetelében, akkor a virulencia az előrejelzések szerint magas és alacsony rokonsági szinteknél tetőzik (1c. ábra) (Gardner és mtsai., 2004). Ennek az az oka, hogy a rosszindulatú viselkedés csökkenti a teljes populáció növekedési ütemét, és az előrejelzések szerint a rokonsági szintek köztes szintjein is maximalizálódik. Magas rokonsági szintek mellett a közeli rokonok megkárosítása kevés előnnyel jár, ezért a rosszindulatú viselkedésmódok nem kedveznek. Nagyon alacsony rokonsági szint esetén egy rokonsági vonal szükségszerűen alacsony gyakoriságú lesz, és így nem lesz képes az összes versenytársat befolyásolni; ezért a rosszindulatú viselkedés előnyét a versenytársak megkárosítása és az erőforrások felszabadítása szempontjából a nem rokonok éppúgy megtapasztalják, mint a rokonok. Csak akkor valósul meg a rosszindulatból származó átfogó fitneszelőny, ha egy rosszindulatú vonal elég magas frekvencián van, és elegendő konkurens van, akit károsíthat (köztes rokonság).

A baktériumok által termelt antikonkurenciatoxinok (bakteriocinok) jó példái a rosszindulatú viselkedésnek. A bakteriocinek előállítása költséges (gyakran sejtlízissel jár a felszabadításuk), és képesek elpusztítani a fogékony versenytársakat. A bakteriocin-gének általában megfelelő immunitásgénekhez kapcsolódnak, immunissá téve a közeli rokonokat (Riley és Wertz, 2002). Csak egy olyan tanulmányról van tudomásunk, amely a “rokonság” virulenciában betöltött szerepével foglalkozott, ahol a rosszindulatú viselkedés határozza meg a kompetitív eredményeket (Massey és mtsai., 2004). A Photorhabdus és Xenorhabdus spp. rovarpatogén baktériumok különböző törzseit oltották be hernyókba egy- vagy vegyes klónú fertőzésként. A vegyes fertőzésekben csökkent a virulencia az egyszemélyes fertőzésekhez képest, ahol mindkét törzs képes volt elpusztítani egymást. Továbbá, nagy versenyelőnye volt annak, hogy csak vegyes fertőzésekben tudtak bakteriocineket termelni. Ez azt sugallja, hogy a két genotípusból álló fertőzések kedveznek a bakteriocin-termelésnek az egy genotípusú fertőzésekhez képest, és hogy a bakteriocin-termelés csökkenti a virulenciát. Megjegyzendő, hogy a különböző törzsek ebben a vizsgálatban valószínűleg távolabbi rokonságban állnak egymással, mint azt egy “faj” esetében általában feltételezzük.