Kin selection and the evolution of virulence

Jak pokrewieństwo, poprzez swój wpływ na cechy kooperacyjne i złośliwe, ma wpływać na wirulencję, zależy od rodzaju wewnątrzgatunkowych zachowań społecznych wykazywanych przez pasożyty. Tutaj rozróżniamy trzy typy zachowań społecznych: (1) roztropność; (2) współpracę w zakresie dóbr publicznych i (3) złośliwość.

Roztropność

Zawirusowanie jest często zakładane jako konieczna konsekwencja eksploatacji żywiciela, a tym samym transmisji na nowych żywicieli (fitness pasożyta) (Anderson i May, 1982; Bremermann i Pickering, 1983; Nowak i May, 1994; Frank, 1996; Ebert i Bull, 2003). Wirulencja ma również negatywny wpływ na sukces transmisji, na przykład, jeśli pasożyty mogą przenosić się tylko od żywych żywicieli lub jeśli transmisja jest ograniczona od osłabionych żywicieli. W wyniku tego kompromisu, pewien pośredni poziom eksploatacji żywiciela (optymalna wirulencja) zmaksymalizuje sukces transmisyjny populacji pasożyta. Pokrewieństwo współzakażonych genotypów pasożytów może również wpływać na wirulencję zarażeń; modele selekcji krewniaczej przewidują, że poziom wirulencji pasożyta, który maksymalizuje jego kondycję wzrasta wraz ze zmniejszającym się pokrewieństwem współzakażonych pasożytów (Bremermann i Pickering, 1983; Nowak i May, 1994; Frank, 1996) (rysunek 1a). Wynika to z faktu, że optymalna wirulencja jest wykazywana tylko wtedy, gdy osobniki rozważnie wykorzystują zasoby żywiciela, a przewiduje się, że taka sytuacja ma miejsce, gdy pokrewieństwo pomiędzy współzakażonymi genotypami pasożytów jest wysokie. Gdy pokrewieństwo jest niskie, konkurencja pomiędzy pasożytami o niespokrewnionych genotypach w obrębie żywiciela prowadzi do selekcji osobników, które wykorzystują zasoby tak szybko jak to możliwe, zwiększając w ten sposób wirulencję pomimo zmniejszenia sukcesu grupy, co jest ideą uosabianą przez Hardinowską „tragedię wspólnego dobra” (Hardin, 1968; Frank, 1998).

Niektóre badania w populacjach naturalnych są zgodne z modelem ostrożności. Mierzona wśród blisko spokrewnionych gatunków, zjadliwość pasożytniczych nicieni infekujących osy figowe wzrasta wraz ze wzrostem średniej liczby założycielek, które składają jaja w pojedynczej figi (Herre, 1993). Wynik ten został zinterpretowany w kategoriach selekcji krewniaczej: większa liczba założycielek zwiększa szansę zarażenia nicieniami o mieszanym genotypie, a tym samym ewolucji wyższej zjadliwości (Herre, 1993; Frank, 1996). Korelacyjny charakter danych oznacza, że mogą być one interpretowane w inny sposób, stąd potrzeba badań eksperymentalnych.

Dowody eksperymentalne na negatywny związek między pokrewieństwem a wirulencją są ograniczone (Brown et al., 2002; West i Buckling, 2003). Rzeczywiście, w badaniach, w których zmniejszone pokrewieństwo skutkuje zwiększoną zjadliwością, istnieje niewiele dowodów sugerujących, że jest to wynikiem zwiększonej eksploatacji w obrębie żywiciela kosztem transmisji między żywicielami. Na przykład, infekcje mieszanymi genotypami pasożytów malarii gryzoni (Plasmodium chabaudi) zarażających myszy były bardziej zjadliwe (pod względem utraty wagi żywiciela i anemii) niż infekcje pojedynczym klonem, ale nie wykazywały podwyższonych wskaźników reprodukcji lub zagęszczenia (Taylor et al., 1998). Sugeruje to, że układ odpornościowy był mniej zdolny do kontrolowania infekcji z powodu ich różnorodności antygenowej, a nie zwiększonej zjadliwości, wynikającej ze zwiększonej eksploatacji żywiciela. Podobnie, mieszane infekcje gąsienic (Panolis flammea) bakulowirusami osiągnęły wyższą wirulencję, ale w tym systemie śmierć żywiciela jest wymagana do transmisji; stąd klasyczny kompromis transmisja-wirulencja nie ma zastosowania i nie ma kosztów wirulencji (Hodgson i in., 2004). Jednakże, u tego i innych obligatoryjnie zabijających pasożytów, prawdopodobnie istnieje kompromis pomiędzy czasem do zabicia a wydajnością potomstwa, jako że ostrożność (czyli niskie tempo eksploatacji żywiciela) może maksymalizować wydajność potomstwa, a tym samym możliwości transmisji (Hodgson i in., 2004). Nie znaleziono dowodów na różnicę w czasie do śmierci pomiędzy infekcjami o jednym i mieszanym genotypie. W kolejnym badaniu nad schistosomami (Schistosoma mansoni) zarażającymi ślimaki (Biomphalaria glabrata) odnotowano podwyższony całkowity wskaźnik reprodukcji w infekcjach mieszanych w porównaniu z infekcjami o pojedynczym genotypie, ale nie można było odróżnić, czy było to spowodowane szybszą replikacją poszczególnych szczepów, czy też wynikało z tego, że układ odpornościowy nie radził sobie dobrze z kontrolowaniem infekcji o mieszanym genotypie (Davies et al., 2002).

Istnieje wiele prawdopodobnych powodów, dla których dane są generalnie niespójne z modelem ostrożności, z których najbardziej oczywistym jest to, że założenia modelu są często nieodpowiednie dla danego układu gospodarz-pasożyt. Kwestie te zostały szczegółowo omówione w innym miejscu (Read i Taylor, 2001; Ebert i Bull, 2003; Lambrechts i in., 2006), a my ograniczamy dalszą dyskusję na temat znaczenia szczegółów biologicznych do różnych rodzajów interakcji społecznych (patrz poniżej). Jednakże, innym czynnikiem przyczyniającym się do tego jest fakt, że zdecydowana większość eksperymentów testujących ten model była krótkoterminowymi badaniami ekologicznymi, gdzie infekcje były zakładane z jednym lub kilkoma genotypami pasożytów. Zapewnienie eksperymentalnego wsparcia dla ostrożności wymaga zatem, aby pasożyty były w stanie fakultatywnie podnieść swoje wskaźniki reprodukcyjne po wykryciu innego genotypu pasożyta u tego samego żywiciela. Nie znamy żadnych dowodów wskazujących na to, że tak się dzieje.

Alternatywnym podejściem do testowania tej teorii byłoby eksperymentalne wyewoluowanie pasożytów w warunkach wysokiego i niskiego pokrewieństwa, a następnie określenie zjadliwości wyewoluowanych linii. Jedyny eksperyment, o którym wiemy, a który mógł to zrobić, został zaprojektowany w innym celu: aby zająć się wpływem zewnętrznej śmiertelności żywiciela Daphnia magna na ewolucję wirulencji horyzontalnie przenoszonego pasożyta mikrosporydiów (Glugoides intestinalis) (Ebert i Mangin, 1997). Przewidywano, że wyższa wirulencja powinna być preferowana w przypadku wysokiej śmiertelności, z powodu zmniejszonego kosztu pasożyta związanego z wczesnym zabiciem żywiciela. Zaobserwowano odwrotny wynik. Możliwym wyjaśnieniem jest to, że wysoka śmiertelność żywicieli zmniejszyła szanse na infekcje mieszane, a tym samym konkurencję wewnątrz żywiciela, ponieważ zewnętrznie „zabici” (usunięci) żywiciele zostali zastąpieni niezainfekowanymi (Ebert i Mangin, 1997; Gandon et al., 2001). Interpretacja ta jest poparta dużą liczbą eksperymentów, w których zjadliwość pasożyta wzrasta po seryjnym przeniesieniu z jednego żywiciela na drugiego (patrz Ebert, 1998). W tych warunkach dobór naturalny będzie faworyzował pasożyty, które mają najwyższą zdolność konkurencyjną w obrębie żywiciela. Dane te zatem silnie sugerują istnienie pozytywnej korelacji genetycznej pomiędzy zdolnością konkurencyjną w obrębie żywiciela a wirulencją, co jest kluczowym założeniem modelu ostrożności. Badania, w których próbowano bezpośrednio zmierzyć korelacje genetyczne są mniej spójne, przy czym zarówno dodatnie (de Roode i in., 2005) jak i ujemne (Gower i Webster, 2005) korelacje odnotowano odpowiednio dla P. chabaudi i S. mansoni. Potrzeba jeszcze wielu eksperymentów, aby w pełni zbadać ewolucyjny wpływ pokrewieństwa pasożytów na ostrożność w obrębie żywiciela.

Współpraca dóbr publicznych

W przeciwieństwie do modeli, które zakładają, że ostrożność maksymalizuje transmisję, pozytywny związek między pokrewieństwem a zjadliwością jest przewidywany, jeśli eksploatacja żywiciela zależy od pasożytów współpracujących ze sobą (Chao i in., 2000; Brown i in., 2002; West i Buckling, 2003) (rysunek 1b). Takie sytuacje powstają, gdy pasożyty produkują jakąś formę dobra publicznego, które może być eksploatowane przez nieprodukujących oszustów. Ograniczone prace eksperymentalne bezpośrednio zajmujące się rolą pokrewieństwa w określaniu zjadliwości pasożytów w warunkach współpracy w zakresie dóbr publicznych (jak również przykłady obserwacyjne; patrz Chao i in, 2000) jest zasadniczo zgodna z tą teorią.

Turner i Chao (1999) wyewoluowali fagi lityczne na bakteriach (Pseudomonas syringae) w warunkach wysokiego i niskiego pokrewieństwa (odpowiednio niska i wysoka mnogość infekcji) i odkryli, że korelat zjadliwości (wirusowa sprawność konkurencyjna) ewoluował do poziomu znacznie niższego przy niskim pokrewieństwie. Bakteriofagi produkują enzymy replikacyjne, które mogą być używane przez wszystkie wirusy w komórce i jako takie mogą być uważane za dobro publiczne. W warunkach niskiego pokrewieństwa, gdy prawdopodobna była wielokrotna infekcja, mutanty oszukujące, które nie ponosiły kosztów metabolicznych wytwarzania enzymów replikacyjnych, ewoluowały i miały przewagę selektywną przy koinfekcji z kooperantami wytwarzającymi replikazy. Dla kontrastu, w warunkach wysokiego pokrewieństwa, mutanty oszukujące nie ewoluowały, ponieważ nie mogły dzielić się komórkami z kooperantami.

Innym dość dobrze zbadanym przykładem współpracy dla dobra publicznego jest produkcja zewnątrzkomórkowych molekuł wychwytujących żelazo (sideroforów) przez oportunistyczny patogen bakteryjny, Pseudomonas aeruginosa. Produkcja sideroforów jest korzystna, gdy żelazo jest ograniczone, ale jest również kosztowna metabolicznie. W konsekwencji, w mieszanych populacjach, w których obecne są zarówno bakterie typu dzikiego jak i zmutowane, mutanty mogą uzyskać korzyści z produkcji sideroforu bez ponoszenia kosztów i w związku z tym zwiększają swoją częstotliwość, ponieważ prześcigają współpracujący typ dziki (Griffin et al., 2004). Zgodnie z powyższymi wynikami in vitro, w naturalnych populacjach P. aeruginosa, które zainfekowały płuca pacjentów z mukowiscydozą, zaobserwowano oszustów niewykorzystujących sideroforów (de Vos i in., 2001), 2001).

Rola pokrewieństwa we współpracy i wirulencji pośredniczonej przez siderofory została zbadana przez inokulację gąsienic (Galleria mellonella) pojedynczymi klonami dzikiego, produkującego siderofory szczepu P. aeruginosa (cooperators), izogenicznego mutanta siderofor-minus (cheats), lub obu (Harrison et al., 2006). Cheats rósł szybciej w infekcjach mieszanych, w przeciwieństwie do infekcji z pojedynczym klonem, podczas gdy odwrotną prawidłowość zaobserwowano dla cooperatorów. Infekcje o niskim stopniu pokrewieństwa sprzyjają zatem ewolucji sideroforowych cheatów bardziej niż infekcje o wysokim stopniu pokrewieństwa (Harrison i in., 2006). Infekcje zawierające cheaty były mniej wirulentne niż czyste infekcje kooperatorami, jak zaobserwowano w poprzednim badaniu (Meyer i in., 1996). Hence, low-relatedness infections are less virulent.

However, in these simple competition experiments between siderophore cheats and cooperators, cheats never had a detectable selective advantage: at best, their fitness was the same as that of cooperators (Harrison et al., 2006). Jest to sprzeczne z pracą in vitro, gdzie oszukujący byli konsekwentnie sprawniejsi w warunkach ograniczonego żelaza (Griffin et al., 2004). Stanowi to poważny problem dla tej teorii: jeśli cheaty nigdy nie mają selektywnej przewagi in vivo, to zjadliwość nie będzie się zmniejszać w infekcjach o niskim stopniu pokrewieństwa. My, jednakże, od tego czasu zaobserwowaliśmy, że oszustwa rzeczywiście ewoluują de novo i zwiększają swoją częstotliwość, gdy są przekazywane przez gąsienice (Racey, Harrison i Buckling, in prep).

Późniejsza praca in vitro sugeruje, że pozytywny związek pomiędzy pokrewieństwem i zjadliwością, gdzie dobra publiczne determinują tempo wzrostu może być bardziej złożony (Brockhurst et al., 2006). Bakterie patogenne często istnieją jako biofilmy – grupy bakterii przytwierdzone do powierzchni i pokryte polimerem. Życie w biofilmie daje przewagę grupie, na przykład w zakresie odporności na antybiotyki i atak immunologiczny. Polimer biofilmu jest kolejnym przykładem dobra publicznego, a nieprodukujący go oszuści prawdopodobnie będą mieli selektywną przewagę w warunkach mieszanych genotypów i niskiego pokrewieństwa. Jako takie, infekcje o mieszanych genotypach powinny skutkować załamaniem współpracy i zmniejszoną zjadliwością. Jednakże różnorodność w odniesieniu do cech kooperacyjnych może również korelować z różnorodnością w zakresie innych cech, takich jak wykorzystanie zasobów. Ostatnie badania wykazały, że biofilmy składające się z mieszaniny genotypów wyspecjalizowanych w różnych zasobach, w wyniku kompromisu kondycyjnego, były bardziej odporne na inwazję oszustów niż biofilmy składające się z pojedynczego genotypu, przypuszczalnie dlatego, że oszuści również handlowali wykorzystaniem zasobów, a więc byli lepsi w oszukiwaniu jednego współpracującego genotypu niż innego. Jako taka, selekcja przeciwko współpracy, wynikająca z redukcji pokrewieństwa (z definicji w locus współpracy) w infekcjach mieszanych, może być potencjalnie przeciwstawiona przez zwiększony podział niszy, który może ograniczyć inwazję oszustów, a także zwiększyć gęstość populacji z powodu bardziej efektywnego wykorzystania zasobów (Brockhurst i in., 2006). To mogłoby osłabić lub nawet wyeliminować związek pomiędzy wirulencją a pokrewieństwem.

Spite

Jeśli zachowania złośliwe są kluczowym czynnikiem determinującym wynik konkurencji pomiędzy liniami pasożytów, to przewiduje się, że wirulencja osiągnie szczyt przy wysokich i niskich poziomach pokrewieństwa (Rysunek 1c) (Gardner i in., 2004). Dzieje się tak dlatego, że zachowania złośliwe zmniejszają całkowite tempo wzrostu populacji i przewiduje się, że będą one maksymalne przy pośrednich poziomach pokrewieństwa. Przy wysokich poziomach pokrewieństwa korzyści z krzywdzenia bliskich krewnych są niewielkie, a zatem zachowania złośliwe nie są preferowane. Przy bardzo niskim pokrewieństwie linia będzie z konieczności miała niską częstotliwość, a zatem nie będzie w stanie wpływać na wszystkich konkurentów; stąd korzyść ze złośliwego zachowania w postaci zaszkodzenia konkurentom i uwolnienia zasobów będzie odczuwana w takim samym stopniu przez nie-krewnych, jak i krewnych. To jest tylko wtedy, gdy złośliwy linia jest na wystarczająco wysokiej częstotliwości, a istnieją wystarczające konkurenci zaszkodzić (pośredni pokrewieństwa), że łączne korzyści fitness złośliwości zostanie zrealizowany.

Toksyny antykonkurencyjne produkowane przez bakterie (bakteriocyny) są dobrym przykładem złośliwych zachowań. Bakteriocyny są kosztowne w produkcji (często wymagają lizy komórki w celu ich uwolnienia) i są zdolne do zabijania podatnych konkurentów. Geny bakteriocyn są zazwyczaj powiązane z odpowiednimi genami odporności, co sprawia, że bliscy krewni są odporni (Riley i Wertz, 2002). Znamy tylko jedno badanie, które dotyczyło roli „pokrewieństwa” w wirulencji, gdzie złośliwe zachowania decydują o wynikach rywalizacji (Massey i in., 2004). Różne szczepy patogennych dla owadów bakterii Photorhabdus i Xenorhabdus spp. zaszczepiono gąsienicom jako infekcje jedno- lub wieloklonowe. Wirulencja była obniżona w infekcjach mieszanych w porównaniu z infekcjami pojedynczymi, w których oba szczepy mogły się wzajemnie zabijać. Co więcej, zdolność do wytwarzania bakteriocyn tylko w infekcjach mieszanych dawała dużą przewagę konkurencyjną. Sugeruje to, że infekcje złożone z dwóch genotypów sprzyjają produkcji bakteriocyn w stosunku do infekcji z jednym genotypem i że produkcja bakteriocyn zmniejsza wirulencję. Należy zauważyć, że różne szczepy w tym badaniu są prawdopodobnie bardziej odległe od siebie niż się to zwykle zakłada dla pojedynczego „gatunku”.