Kin selection and the evolution of virulence

Come la parentela, attraverso il suo effetto sui tratti cooperativi e dispettosi, è prevista per influenzare la virulenza dipende dal tipo di comportamento sociale intraspecifico mostrato dai parassiti. Qui, distinguiamo tra tre tipi di comportamenti sociali: (1) prudenza; (2) cooperazione su beni pubblici e (3) dispetto.

Prudenza

La virulenza è spesso assunta come una conseguenza necessaria dello sfruttamento dell’ospite e quindi della trasmissione a nuovi ospiti (fitness del parassita) (Anderson e May, 1982; Bremermann e Pickering, 1983; Nowak e May, 1994; Frank, 1996; Ebert e Bull, 2003). La virulenza ha anche un impatto negativo sul successo della trasmissione, per esempio, se i parassiti possono trasmettere solo da ospiti vivi o se la trasmissione è ridotta da ospiti debilitati. Come risultato di questo trade-off, un certo livello intermedio di sfruttamento dell’ospite (virulenza ottimale) massimizzerà il successo di trasmissione della popolazione del parassita. La parentela dei genotipi di parassiti coinfettanti è anche in grado di influenzare la virulenza delle infezioni; i modelli di kin-selection prevedono che il livello di virulenza del parassita che massimizza la fitness del parassita aumenta con la diminuzione della parentela dei parassiti coinfettanti (Bremermann e Pickering, 1983; Nowak e May, 1994; Frank, 1996) (Figura 1a). Ciò si verifica perché la virulenza ottimale viene visualizzata solo se gli individui sfruttano le risorse dell’ospite in modo prudente, e si prevede che ciò avvenga quando la parentela tra genotipi di parassiti coinfettanti è alta. Quando la parentela è bassa, la competizione tra parassiti con genotipi non correlati all’interno di un ospite si traduce nella selezione di individui che utilizzano le risorse il più rapidamente possibile, aumentando così la virulenza nonostante la riduzione del successo del gruppo, un’idea incarnata dalla “tragedia dei beni comuni” di Hardin (Hardin, 1968; Frank, 1998).

Alcuni studi in popolazioni naturali sono coerenti con il modello della prudenza. Se misurata tra specie strettamente correlate, la virulenza dei nematodi parassiti che infettano le vespe del fico aumenta con l’aumentare del numero medio di fondatrici che depongono le loro uova in un singolo fico (Herre, 1993). Questo risultato è stato interpretato in termini di selezione di parentela: un maggior numero di fondatrici aumenta la possibilità di infezioni da nematodi di genotipo misto, e quindi l’evoluzione di una maggiore virulenza (Herre, 1993; Frank, 1996). La natura correlazionale dei dati significa che possono essere interpretati in altri modi, e quindi la necessità di prove sperimentali.

Le prove sperimentali per la relazione negativa tra parentela e virulenza sono limitate (Brown et al., 2002; West e Buckling, 2003). Infatti, negli studi in cui una minore parentela risulta in una maggiore virulenza, ci sono poche prove che suggeriscono che sia il risultato di un maggiore sfruttamento all’interno dell’ospite a spese della trasmissione tra gli ospiti. Per esempio, le infezioni di genotipi misti di parassiti della malaria dei roditori (Plasmodium chabaudi) che infettano i topi erano più virulente (in termini di perdita di peso dell’ospite e anemia) rispetto alle infezioni da cloni singoli, ma non mostravano tassi elevati di riproduzione o densità (Taylor et al., 1998). Questo suggerisce che il sistema immunitario era meno capace di controllare le infezioni a causa della loro diversità antigenica, piuttosto che una maggiore virulenza, risultante da un maggiore sfruttamento dell’ospite. Allo stesso modo, le infezioni miste di bruchi (Panolis flammea) con baculovirus hanno raggiunto una maggiore virulenza, ma in questo sistema la morte dell’ospite è richiesta per la trasmissione; quindi, il classico trade-off trasmissione-virulenza non si applica e non c’è un costo per la virulenza (Hodgson et al., 2004). Tuttavia, in questo e in altri parassiti ad uccisione obbligatoria, è probabile che ci sia un trade-off tra il tempo di uccisione e il rendimento della progenie, poiché la prudenza (cioè, bassi tassi di sfruttamento dell’ospite) può massimizzare il rendimento della progenie e, per estensione, le opportunità di trasmissione (Hodgson et al., 2004). Non è stata rilevata alcuna prova di una differenza nel tempo alla morte tra infezioni a genotipo singolo e misto. Un ulteriore studio sugli schistosomi (Schistosoma mansoni) che infettano le lumache (Biomphalaria glabrata) ha riportato un elevato tasso di riproduzione totale nelle infezioni miste rispetto a quelle a genotipo singolo, ma non è stato possibile distinguere se ciò fosse dovuto a ceppi individuali che si replicano più velocemente o ancora a causa del fatto che il sistema immunitario non è in grado di controllare le infezioni a genotipo misto (Davies et al., 2002).

Ci sono molte probabili ragioni per cui i dati sono generalmente incoerenti con il modello di prudenza, la più ovvia è che le ipotesi del modello sono spesso inappropriate per il particolare sistema ospite-parassita. Questi problemi sono stati affrontati in dettaglio altrove (Read e Taylor, 2001; Ebert e Bull, 2003; Lambrechts et al., 2006), e limitiamo ulteriori discussioni sull’importanza dei dettagli biologici ai diversi tipi di interazioni sociali (vedi sotto). Tuttavia, un altro fattore che contribuisce è che la stragrande maggioranza degli esperimenti che testano il modello sono stati studi ecologici a breve termine, dove le infezioni sono state stabilite con uno o più genotipi di parassiti. Fornire un supporto sperimentale alla prudenza richiede quindi che i parassiti siano in grado di aumentare facoltativamente i loro tassi di riproduzione al rilevamento di un altro genotipo di parassita nello stesso ospite. Non siamo a conoscenza di alcuna prova che dimostri che questo accada.

Un approccio alternativo per testare la teoria sarebbe quello di far evolvere sperimentalmente i parassiti in condizioni di alta e bassa parentela, e poi determinare la virulenza delle linee evolute. L’unico esperimento di cui siamo a conoscenza, che potrebbe aver fatto questo, è stato progettato per uno scopo diverso: affrontare l’effetto della mortalità estrinseca dell’ospite di Daphnia magna sull’evoluzione della virulenza di un parassita microsporidiano a trasmissione orizzontale (Glugoides intestinalis) (Ebert e Mangin, 1997). È stato previsto che una maggiore virulenza dovrebbe essere favorita in un trattamento ad alta mortalità, a causa del costo ridotto per il parassita di uccidere precocemente l’ospite. È stato osservato il risultato opposto. Una possibile spiegazione è che il trattamento ad alta mortalità dell’ospite ha ridotto le possibilità di infezioni miste, e quindi la competizione all’interno dell’ospite, poiché gli ospiti estrinsecamente “uccisi” (rimossi) sono stati sostituiti con ospiti non infetti (Ebert e Mangin, 1997; Gandon et al., 2001). Questa interpretazione è supportata dal gran numero di esperimenti in cui la virulenza del parassita aumenta in seguito al trasferimento seriale da un ospite all’altro (rivista in Ebert, 1998). In queste condizioni, la selezione naturale favorirà i parassiti che hanno la più alta capacità competitiva all’interno dell’ospite. Questi dati sono quindi fortemente suggestivi di una correlazione genetica positiva tra la capacità competitiva all’interno dell’ospite e la virulenza, un presupposto cruciale del modello di prudenza. Gli studi che hanno tentato di misurare direttamente le correlazioni genetiche sono meno coerenti, con correlazioni sia positive (de Roode et al., 2005) che negative (Gower e Webster, 2005) riportate rispettivamente per P. chabaudi e S. mansoni. Molti altri esperimenti sono necessari per testare pienamente l’impatto evolutivo della parentela del parassita sulla prudenza all’interno dell’ospite.

Cooperazione dei beni pubblici

In contrasto con i modelli che assumono che la prudenza massimizzi la trasmissione, una relazione positiva tra parentela e virulenza è prevista se lo sfruttamento dell’ospite dipende dalla cooperazione dei parassiti tra loro (Chao et al., 2000; Brown et al., 2002; West e Buckling, 2003) (Figura 1b). Tali situazioni si verificano se i parassiti producono qualche forma di bene pubblico che può essere sfruttato da imbroglioni non produttori. Il limitato lavoro sperimentale che affronta direttamente il ruolo della parentela nel determinare la virulenza del parassita sotto la cooperazione dei beni pubblici (così come gli esempi osservativi; vedi Chao et al, 2000) è ampiamente coerente con la teoria.

Turner e Chao (1999) hanno fatto evolvere fagi litici su batteri (Pseudomonas syringae) in condizioni di alta e bassa parentela (bassa e alta molteplicità di infezione, rispettivamente) e hanno scoperto che un correlato della virulenza (fitness virale competitiva) si è evoluto per essere molto più basso sotto bassa parentela. I batteriofagi producono enzimi replicativi che possono essere utilizzati da tutti i virioni nella cellula e, come tali, possono essere considerati un bene pubblico. In condizioni di bassa parentela, quando l’infezione multipla era probabile, si sono evoluti mutanti imbroglioni che non pagavano il costo metabolico della produzione di enzimi replicativi e avevano un vantaggio selettivo quando si coinfettavano con cooperatori produttori di replicasi. Al contrario, in condizioni di alta parentela, gli imbroglioni non si sono evoluti perché non potevano condividere le cellule con i cooperatori.

Un altro esempio ragionevolmente ben studiato di cooperazione del bene pubblico è la produzione di molecole extracellulari per la rimozione del ferro (siderofori) dal patogeno batterico opportunista, Pseudomonas aeruginosa. La produzione di siderofori è benefica quando il ferro è limitante, ma è anche metabolicamente costosa. Di conseguenza, in popolazioni miste in cui sono presenti sia batteri wild-type che mutanti, i mutanti possono ottenere il beneficio della produzione di sideroforo senza pagarne il costo e quindi aumentano in frequenza, poiché superano il tipo selvatico cooperativo (Griffin et al., 2004). Coerentemente con i risultati in vitro di cui sopra, i mutanti siderofori-negativi sono stati osservati in popolazioni naturali di P. aeruginosa che hanno infettato i polmoni di pazienti con fibrosi cistica (de Vos et al., 2001).

Il ruolo della parentela nella cooperazione mediata dal sideroforo e nella virulenza è stato affrontato inoculando bruchi (Galleria mellonella) con singoli cloni di un ceppo wild-type, produttore di sideroforo di P. aeruginosa (cooperatori), un mutante isogenico sideroforo-meno (cheat), o entrambi (Harrison et al., 2006). Gli imbrogli sono cresciuti più rapidamente nelle infezioni miste, rispetto a quelle a clone singolo, mentre il modello opposto è stato osservato per i cooperatori. Le infezioni a bassa correlazione hanno quindi maggiori probabilità di favorire l’evoluzione dei siderofori che non le infezioni ad alta correlazione (Harrison et al., 2006). Le infezioni che contengono imbrogli erano meno virulente delle infezioni di cooperatori puri, come è stato osservato in uno studio precedente (Meyer et al., 1996). Quindi, le infezioni a bassa correlazione sono meno virulente.

Tuttavia, in questi semplici esperimenti di competizione tra imbroglioni siderofori e cooperatori, gli imbroglioni non hanno mai avuto un vantaggio selettivo rilevabile: nel migliore dei casi, la loro fitness era uguale a quella dei cooperatori (Harrison et al., 2006). Questo è in contrasto con il lavoro in vitro dove gli imbroglioni erano costantemente più in forma in condizioni di ferro limitato (Griffin et al., 2004). Questo pone un problema importante per la teoria: se gli imbroglioni non hanno mai un vantaggio selettivo in vivo, allora la virulenza non diminuirà sotto infezioni a bassa correlazione. Tuttavia, da allora abbiamo osservato che gli imbrogli si evolvono de novo e aumentano di frequenza quando vengono fatti passare attraverso i bruchi (Racey, Harrison e Buckling, in prep).

Un recente lavoro in vitro suggerisce che la relazione positiva tra parentela e virulenza, dove i beni pubblici determinano il tasso di crescita, può essere più complessa (Brockhurst et al., 2006). I batteri patogeni spesso esistono come biofilm – un gruppo di batteri attaccati alle superfici e ricoperti di polimeri. La vita in biofilm conferisce un vantaggio di gruppo, per esempio, in termini di resistenza agli antibiotici e all’attacco immunitario. Il polimero del biofilm è un altro esempio di bene pubblico, e gli imbroglioni non produttori hanno probabilmente un vantaggio selettivo in condizioni di genotipi misti e bassa parentela. Come tale, le infezioni da genotipi misti dovrebbero provocare la rottura della cooperazione e una ridotta virulenza. Tuttavia, è probabile che la diversità rispetto ai tratti cooperativi sia anche correlata alla diversità in altri tratti, come l’uso delle risorse. Uno studio recente ha scoperto che i biofilm costituiti da miscele di genotipi che erano specializzati su risorse diverse, come risultato di scambi di fitness, erano più resistenti all’invasione da parte di imbroglioni rispetto ai biofilm costituiti da un singolo genotipo, presumibilmente perché gli imbroglioni hanno anche scambiato l’uso delle risorse, e quindi erano migliori nell’imbrogliare un genotipo cooperante rispetto a un altro. Come tale, la selezione contro la cooperazione, risultante dalla riduzione della parentela (per definizione, al locus cooperativo) nelle infezioni miste, può potenzialmente essere contrastata da una maggiore suddivisione della nicchia, che può limitare l’invasione di imbroglioni, e anche aumentare la densità di popolazione a causa di un uso più efficiente delle risorse (Brockhurst et al., 2006). Questo potrebbe indebolire o addirittura eliminare la relazione tra virulenza e parentela.

Sputo

Se i comportamenti dispettosi sono un fattore determinante nell’esito della competizione tra lignaggi di parassiti, allora si prevede che la virulenza raggiunga un picco ad alti e bassi livelli di parentela (Figura 1c) (Gardner et al., 2004). Questo perché i comportamenti dispettosi riducono il tasso di crescita totale della popolazione e sono anche previsti per essere massimizzati a livelli intermedi di parentela. Sotto alti livelli di parentela, c’è poco beneficio nel danneggiare i parenti stretti, e quindi i comportamenti dispettosi non sono favoriti. In caso di parentela molto bassa, un lignaggio sarà necessariamente a bassa frequenza e quindi non sarà in grado di influenzare tutti i concorrenti; quindi, il beneficio del comportamento dispettoso in termini di danno ai concorrenti e di liberazione di risorse sarà sperimentato dai non parenti tanto quanto dai parenti. È solo quando una stirpe dispettosa ha una frequenza abbastanza alta e ci sono abbastanza concorrenti da danneggiare (parentela intermedia) che i benefici di fitness inclusivi del dispetto saranno realizzati.

Le tossine anticoncorrenziali prodotte dai batteri (batteriocine) sono un buon esempio di comportamenti dispettosi. Le batteriocine sono costose da produrre (spesso comportano la lisi cellulare per il loro rilascio) e sono in grado di uccidere i concorrenti suscettibili. I geni delle batteriocine sono generalmente collegati ai geni dell’immunità appropriata, rendendo immuni i parenti stretti (Riley e Wertz, 2002). Siamo a conoscenza di un solo studio che ha affrontato il ruolo della “parentela” nella virulenza dove i comportamenti dispettosi determinano i risultati competitivi (Massey et al., 2004). Diversi ceppi di batteri patogeni per insetti Photorhabdus e Xenorhabdus spp. sono stati inoculati nei bruchi come infezioni a clone singolo o misto. La virulenza era ridotta nelle infezioni miste rispetto alle infezioni singole in cui entrambi i ceppi potevano uccidersi a vicenda. Inoltre, c’era un grande vantaggio competitivo nell’essere in grado di produrre batteriocine solo nelle infezioni miste. Questo suggerisce che le infezioni composte da due genotipi favoriscono la produzione di batteriocine rispetto alle infezioni a genotipo singolo e che la produzione di batteriocine riduce la virulenza. Si noti che i diversi ceppi in questo studio sono probabilmente più distanti l’uno dall’altro di quanto si presuma tipicamente per una singola “specie”.