Kin selection and the evolution of virulence

Hoeverwantschap, via haar effect op coöperatieve en spuuglelijke eigenschappen, virulentie zou beïnvloeden hangt af van het type intraspecifiek sociaal gedrag dat parasieten vertonen. Hier maken we onderscheid tussen drie soorten sociaal gedrag: (1) voorzichtigheid; (2) publieke goederen samenwerking en (3) wrok.

Voorzichtigheid

Virulentie wordt vaak verondersteld een noodzakelijk gevolg te zijn van gastheerexploitatie en daarmee transmissie naar nieuwe gastheren (parasiet fitness) (Anderson en May, 1982; Bremermann en Pickering, 1983; Nowak en May, 1994; Frank, 1996; Ebert en Bull, 2003). Virulentie heeft ook een negatieve invloed op het succes van de overdracht, bijvoorbeeld als parasieten alleen kunnen overbrengen vanuit levende gastheren of als de overdracht wordt verminderd vanuit verzwakte gastheren. Als gevolg van deze afweging zal een intermediair niveau van gastheerexploitatie (optimale virulentie) het overdrachtssucces van de parasietenpopulatie maximaliseren. De verwantschap van co-infecterende parasiet genotypen heeft waarschijnlijk ook invloed op de virulentie van infecties; kin-selectie modellen voorspellen dat het niveau van parasiet virulentie dat de parasiet fitness maximaliseert toeneemt met afnemende verwantschap van co-infecterende parasieten (Bremermann en Pickering, 1983; Nowak en May, 1994; Frank, 1996) (figuur 1a). Dit komt omdat optimale virulentie alleen wordt vertoond als individuen de hulpbronnen van de gastheer op een verstandige manier benutten, en dit wordt voorspeld wanneer de verwantschap tussen co-infecterende parasietgenotypen hoog is. Wanneer de verwantschap laag is, leidt concurrentie tussen parasieten met niet-verwante genotypen binnen een gastheer tot selectie van individuen die de hulpbronnen zo snel mogelijk gebruiken, waardoor de virulentie toeneemt ondanks dat het groepssucces afneemt, een idee dat wordt belichaamd door Hardin’s ’tragedy of the commons’ (Hardin, 1968; Frank, 1998).

Enkele studies in natuurlijke populaties zijn consistent met het voorzichtigheidmodel. Bij metingen bij nauw verwante soorten neemt de virulentie van parasitaire nematoden die vijgwespen infecteren toe naarmate het gemiddelde aantal voedsters dat hun eieren in één vijg legt, toeneemt (Herre, 1993). Dit resultaat is geïnterpreteerd in termen van verwantenselectie: meer vondsters verhogen de kans op nematodeninfecties met een gemengd genotype, en dus de evolutie van hogere virulentie (Herre, 1993; Frank, 1996). De correlationele aard van de gegevens betekent dat ze op andere manieren kunnen worden geïnterpreteerd, en vandaar de behoefte aan experimentele tests.

Experimenteel bewijs voor de negatieve relatie tussen verwantschap en virulentie is beperkt (Brown et al., 2002; West and Buckling, 2003). In studies waar verminderde verwantschap resulteert in verhoogde virulentie, zijn er weinig aanwijzingen dat dit het resultaat is van verhoogde exploitatie binnen de gastheer ten koste van transmissie tussen gastheren. Zo waren bijvoorbeeld infecties van knaagdier-malariaparasieten (Plasmodium chabaudi) met gemengde genotypen die muizen infecteerden virulenter (in termen van gewichtsverlies en bloedarmoede) dan infecties met één kloon, maar vertoonden geen verhoogde reproductie- of dichtheidscijfers (Taylor et al., 1998). Dit suggereert dat het immuunsysteem minder goed in staat was om de infecties onder controle te houden door hun antigene diversiteit, eerder dan door een verhoogde virulentie als gevolg van een verhoogde gastheerexploitatie. Op dezelfde manier bereikten gemengde infecties van rupsen (Panolis flammea) met baculovirussen een hogere virulentie, maar in dit systeem is gastheersterfte vereist voor transmissie; vandaar dat de klassieke afweging transmissie-virulentie niet van toepassing is en er geen kosten verbonden zijn aan virulentie (Hodgson et al., 2004). Bij deze en andere obligaat-dodende parasieten is er echter waarschijnlijk een wisselwerking tussen de tijd tot de dood en de opbrengst aan nakomelingen, omdat voorzichtigheid (d.w.z. een lage benuttingsgraad van de gastheer) de opbrengst aan nakomelingen kan maximaliseren en, bij uitbreiding, de kansen op transmissie (Hodgson et al., 2004). Er werden geen aanwijzingen gevonden voor een verschil in de tijd tot de dood optreedt tussen infecties met één genotype en die met een gemengd genotype. Een andere studie van schistosomen (Schistosoma mansoni) die slakken (Biomphalaria glabrata) infecteerden, meldde een verhoogde totale reproductiesnelheid bij gemengde infecties in vergelijking met infecties met één genotype, maar het was onmogelijk te onderscheiden of dit te wijten was aan een snellere replicatie van individuele stammen, dan wel aan het feit dat het immuunsysteem gemengde genotype-infecties niet goed onder controle kon houden (Davies et al., 2002).

Er zijn vele waarschijnlijke redenen waarom de gegevens over het algemeen niet consistent zijn met het voorzichtigheidmodel, waarvan de meest voor de hand liggende is dat de modelveronderstellingen vaak ongeschikt zijn voor het specifieke gastheer-parasiet systeem. Deze kwesties zijn elders uitvoerig behandeld (Read en Taylor, 2001; Ebert en Bull, 2003; Lambrechts et al., 2006), en wij beperken de verdere bespreking van het belang van biologische details tot verschillende soorten sociale interacties (zie verder). Een andere factor die echter bijdraagt is dat de overgrote meerderheid van de experimenten die het model testen ecologische kortetermijnstudies zijn, waarbij infecties zijn vastgesteld met één of meerdere genotypen van de parasiet. Experimentele ondersteuning voor voorzichtigheid vereist daarom dat parasieten in staat zijn om hun voortplantingssnelheid facultatief te verhogen wanneer ze een ander parasietgenotype in dezelfde gastheer aantreffen. Een alternatieve benadering om de theorie te testen zou zijn om parasieten experimenteel te laten evolueren onder omstandigheden van hoge en lage verwantschap, en dan de virulentie van de geëvolueerde lijnen te bepalen. Het enige experiment waarvan wij op de hoogte zijn, dat dit zou kunnen hebben gedaan, was ontworpen voor een ander doel: het onderzoeken van het effect van extrinsieke gastheersterfte van Daphnia magna op de evolutie van virulentie van een horizontaal overgebrachte microsporidiaan parasiet (Glugoides intestinalis) (Ebert en Mangin, 1997). Er werd voorspeld dat een hogere virulentie de voorkeur zou moeten krijgen bij een behandeling met een hoge mortaliteit, omdat het voor de parasiet minder kost om de gastheer vroegtijdig te doden. Het tegenovergestelde resultaat werd waargenomen. Een mogelijke verklaring is dat de hoge sterfte van de gastheer de kans op gemengde infecties verminderde, en daarmee ook de concurrentie binnen de gastheer, omdat extrinsiek ‘gedode’ (verwijderde) gastheren werden vervangen door niet-geïnfecteerde gastheren (Ebert en Mangin, 1997; Gandon et al., 2001). Deze interpretatie wordt ondersteund door het grote aantal experimenten waarin de virulentie van parasieten toeneemt na seriële overdracht van de ene gastheer naar de andere (besproken in Ebert, 1998). Onder deze omstandigheden zal natuurlijke selectie parasieten bevoordelen die het hoogste competitieve vermogen binnen de gastheer hebben. Deze gegevens wijzen daarom sterk op een positieve genetische correlatie tussen het competitieve vermogen binnen de gastheer en virulentie, een cruciale aanname van het voorzichtigheidmodel. Studies die getracht hebben de genetische correlaties rechtstreeks te meten zijn minder consistent, met zowel positieve (de Roode et al., 2005) als negatieve (Gower en Webster, 2005) correlaties gerapporteerd voor respectievelijk P. chabaudi en S. mansoni. Er zijn veel meer experimenten nodig om het evolutionaire effect van de verwantschap van parasieten op de voorzichtigheid binnen de gastheer te testen.

Samenwerking van publieke goederen

In tegenstelling tot modellen die veronderstellen dat voorzichtigheid transmissie maximaliseert, wordt een positieve relatie tussen verwantschap en virulentie voorspeld als de exploitatie door de gastheer afhankelijk is van de onderlinge samenwerking van parasieten (Chao et al., 2000; Brown et al., 2002; West en Buckling, 2003) (figuur 1b). Dergelijke situaties doen zich voor als parasieten een vorm van publiek goed produceren dat geëxploiteerd kan worden door niet-producerende bedriegers. Het beperkte experimentele werk dat direct ingaat op de rol van verwantschap bij het bepalen van parasiet virulentie onder publieke goederen samenwerking (evenals observationele voorbeelden; zie Chao et al, Turner en Chao (1999) evolueerden lytische fagen op bacteriën (Pseudomonas syringae) onder omstandigheden van hoge en lage verwantschap (lage en hoge multipliciteit van infectie, respectievelijk) en ontdekten dat een correlaat van virulentie (virale competitieve fitness) veel lager evolueerde onder lage verwantschap. Bacteriofagen produceren replicatieve enzymen die door alle virionen in de cel kunnen worden gebruikt en als zodanig kunnen worden beschouwd als een collectief goed. Onder lage verwantschap, wanneer meervoudige infectie waarschijnlijk was, ontwikkelden zich bedrieglijke mutanten die de metabolische kosten van het produceren van replicatie-enzymen niet betaalden en die een selectief voordeel hadden bij co-infectie met replicase-producerende coöperatoren. Daarentegen evolueerden bedriegers niet onder omstandigheden van hoge verwantschap, omdat zij geen cellen konden delen met coöperatoren.

Een ander redelijk goed bestudeerd voorbeeld van samenwerking in het algemeen belang is de productie van extracellulaire ijzer-wegvangende moleculen (sideroforen) door de opportunistische bacteriële ziekteverwekker, Pseudomonas aeruginosa. De productie van sideroforen is gunstig wanneer ijzer beperkt is, maar is ook metabolisch duur. Bijgevolg kunnen in gemengde populaties waarin zowel wild-type als gemuteerde bacteriën aanwezig zijn, de mutanten het voordeel van de siderofoorproductie verwerven zonder de kosten ervan te betalen en nemen zij bijgevolg in frequentie toe, aangezien zij het coöperatieve wilde type verdringen (Griffin et al., 2004). In overeenstemming met de bovenstaande in vitro resultaten zijn siderofore-negatieve bedriegers waargenomen in natuurlijke populaties van P. aeruginosa die de longen van cystische fibrose patiënten hebben geïnfecteerd (de Vos et al.,

De rol van verwantschap in siderofore-gemedieerde samenwerking en virulentie werd onderzocht door rupsen (Galleria mellonella) te inoculeren met enkelvoudige klonen van een wild-type, siderofore-producerende stam van P. aeruginosa (cooperators), een isogene siderofore-minus mutant (cheats), of beide (Harrison et al., 2006). Cheats groeiden sneller in gemengde infecties dan in infecties met één kloon, terwijl het omgekeerde patroon werd waargenomen bij cooperators. Infecties met een lage verwantschap bevorderen dus eerder de evolutie van siderofore cheats dan infecties met een hoge verwantschap (Harrison et al., 2006). Infecties die bedriegers bevatten waren minder virulent dan zuivere coöperatieve infecties, zoals werd waargenomen in een eerdere studie (Meyer et al., 1996). Vandaar dat infecties met een lage verwantschap minder virulent zijn.

Hoewel, in deze eenvoudige competitie-experimenten tussen siderofore bedriegers en coöperatoren, hadden bedriegers nooit een detecteerbaar selectief voordeel: in het beste geval was hun fitness gelijk aan die van coöperatoren (Harrison et al., 2006). Dit staat in contrast met in vitro werk waarbij valsspelers consequent fitter waren onder ijzergelimiteerde omstandigheden (Griffin et al., 2004). Dit stelt de theorie voor een groot probleem: als valsspelers in vivo nooit een selectief voordeel hebben, dan zal de virulentie niet afnemen bij infecties met een lage verwantschap. Wij hebben sindsdien echter waargenomen dat valsspelers wel degelijk de novo evolueren en in frequentie toenemen wanneer rupsen worden doorgegeven (Racey, Harrison en Buckling, in prep).

Recent in vitro werk suggereert dat de positieve relatie tussen verwantschap en virulentie waarbij publieke goederen de groeisnelheid bepalen complexer kan zijn (Brockhurst et al., 2006). Pathogene bacteriën bestaan vaak als biofilms – een groep bacteriën die zich vasthechten aan oppervlakken en bedekt zijn met polymeer. Het leven in een biofilm levert een groepsvoordeel op, bijvoorbeeld in termen van resistentie tegen antibiotica en immuunaanvallen. Het biofilmpolymeer is een ander voorbeeld van een collectief goed, en niet-producerende bedriegers hebben waarschijnlijk een selectief voordeel onder omstandigheden van gemengde genotypen en lage verwantschap. Als zodanig zouden gemengde genotype-infecties moeten resulteren in het verbreken van de samenwerking en verminderde virulentie. De diversiteit met betrekking tot coöperatieve eigenschappen zal echter waarschijnlijk ook correleren met diversiteit in andere eigenschappen, zoals het gebruik van hulpbronnen. Een recente studie toonde aan dat biofilms bestaande uit mengsels van genotypes die gespecialiseerd waren in verschillende hulpbronnen, als gevolg van fitness trade-offs, beter bestand waren tegen invasie door bedriegers dan biofilms bestaande uit één genotype, vermoedelijk omdat bedriegers ook ruilhandel dreven in het gebruik van hulpbronnen, en dus beter waren in het bedriegen van één samenwerkend genotype dan een ander. Selectie tegen samenwerking, als gevolg van de verminderde verwantschap (per definitie op de coöperatieve locus) in gemengde infecties, kan mogelijk worden tegengegaan door een betere verdeling van de niche, waardoor de invasie van bedriegers kan worden beperkt en ook de populatiedichtheid kan toenemen door een efficiënter gebruik van de hulpbronnen (Brockhurst et al., 2006). Dit zou de relatie tussen virulentie en verwantschap kunnen verzwakken of zelfs opheffen.

Spite

Als spuuggedrag een belangrijke determinant is in de uitkomst van competitie tussen parasietenlijnen, dan wordt voorspeld dat virulentie piekt bij hoge en lage niveaus van verwantschap (Figuur 1c) (Gardner et al., 2004). Dit komt omdat spuuggedrag de totale populatiegroei vermindert en volgens de voorspellingen ook gemaximaliseerd wordt bij intermediaire niveaus van verwantschap. Bij hoge verwantschapsgraden is er weinig voordeel verbonden aan het schaden van naaste verwanten, en wordt spuuggedrag dus niet bevorderd. Onder zeer lage verwantschapsgraden zal een verwantschap noodzakelijkerwijs een lage frequentie hebben en dus niet in staat zijn om alle concurrenten te treffen; vandaar dat het voordeel van het hatelijke gedrag in termen van het schaden van concurrenten en het vrijmaken van hulpbronnen evenzeer door niet verwanten als door verwanten zal worden ervaren. Alleen wanneer een hatelijke lijn een voldoende hoge frequentie heeft, en er voldoende concurrenten zijn om schade te berokkenen (intermediaire verwantschap), zullen de algemene fitnessvoordelen van hatelijkheid worden gerealiseerd.

Anticompeterende toxinen geproduceerd door bacteriën (bacteriocines) zijn een goed voorbeeld van hatelijk gedrag. Bacteriocines zijn duur om te produceren (vaak is voor het vrijkomen ervan cellyse nodig) en zijn in staat om vatbare concurrenten te doden. Bacteriocinegenen zijn over het algemeen gekoppeld aan geschikte immuniteitsgenen, waardoor naaste verwanten immuun worden (Riley en Wertz, 2002). Er is ons slechts één studie bekend waarin de rol van “verwantschap” bij virulentie aan de orde is gekomen, waarbij spuuggedrag de competitieve resultaten bepaalt (Massey et al., 2004). Verschillende stammen van de insectenpathogene bacteriën Photorhabdus en Xenorhabdus spp. werden in rupsen geïnoculeerd als enkelvoudige of gemengde klooninfecties. Bij gemengde infecties was de virulentie lager dan bij enkelvoudige infecties, waarbij beide stammen elkaar konden doden. Bovendien was het een groot concurrentievoordeel om alleen bacteriocines te kunnen produceren bij gemengde infecties. Dit suggereert dat infecties bestaande uit twee genotypes de bacteriocineproductie bevorderen ten opzichte van infecties met één genotype en dat bacteriocineproductie de virulentie vermindert. Merk op dat de verschillende stammen in deze studie waarschijnlijk verder van elkaar verwant zijn dan gewoonlijk wordt aangenomen voor een enkele “soort”.