Cum se preconizează că relația de rudenie, prin efectul său asupra trăsăturilor de cooperare și dușmănie, afectează virulența, depinde de tipul de comportament social intraspecific manifestat de paraziți. Aici, facem distincția între trei tipuri de comportamente sociale: (1) prudența; (2) cooperarea pentru bunuri publice și (3) răutatea.
Prudența
Se presupune adesea că virulența este o consecință necesară a exploatării gazdei și, prin urmare, a transmiterii la noi gazde (fitness-ul parazitului) (Anderson și May, 1982; Bremermann și Pickering, 1983; Nowak și May, 1994; Frank, 1996; Ebert și Bull, 2003). Virulența are, de asemenea, un impact negativ asupra succesului transmiterii, de exemplu, în cazul în care paraziții se pot transmite numai de la gazde vii sau dacă transmiterea este redusă de la gazde slăbite. Ca urmare a acestui compromis, un anumit nivel intermediar de exploatare a gazdei (virulență optimă) va maximiza succesul de transmitere al populației de paraziți. Înrudirea genotipurilor de paraziți coinfectați este, de asemenea, susceptibilă să afecteze virulența infecțiilor; modelele de selecție a rudelor prevăd că nivelul de virulență a parazitului care maximizează fitness-ul parazitului crește odată cu scăderea gradului de rudenie a paraziților coinfectați (Bremermann și Pickering, 1983; Nowak și May, 1994; Frank, 1996) (figura 1a). Acest lucru se datorează faptului că virulența optimă este afișată numai dacă indivizii exploatează resursele gazdei în mod prudent și se preconizează că acest lucru se întâmplă atunci când gradul de rudenie dintre genotipurile paraziților coinfectați este ridicat. Atunci când gradul de rudenie este scăzut, concurența dintre paraziții cu genotipuri neînrudite în cadrul unei gazde are ca rezultat selecția indivizilor care utilizează resursele cât mai repede posibil, crescând astfel virulența în ciuda reducerii succesului grupului, o idee reprezentată de „tragedia bunurilor comune” a lui Hardin (Hardin, 1968; Frank, 1998).
Relații ipotetice între virulență și înrudire în condiții de prudență (a), cooperare pentru bunuri publice (b) și interacțiuni răutăcioase (c).
Câteva studii în populații naturale sunt în concordanță cu modelul prudenței. Atunci când este măsurată între specii strâns înrudite, virulența nematozilor paraziți care infectează viespile de smochin crește odată cu creșterea numărului mediu de fondatoare care își depun ouăle într-o singură smochină (Herre, 1993). Acest rezultat a fost interpretat în termeni de selecție a rudelor: un număr mai mare de fondatoare crește șansele de infecții cu nematode de genotip mixt și, prin urmare, evoluția unei virulențe mai mari (Herre, 1993; Frank, 1996). Natura corelațională a datelor înseamnă că acestea pot fi interpretate în alte moduri și, prin urmare, este nevoie de teste experimentale.
Dovezile experimentale pentru relația negativă dintre rudenie și virulență sunt limitate (Brown et al., 2002; West și Buckling, 2003). Într-adevăr, în studiile în care scăderea gradului de rudenie duce la creșterea virulenței, există puține dovezi care să sugereze că aceasta este rezultatul unei exploatări sporite în interiorul gazdei în detrimentul transmiterii între gazde. De exemplu, infecțiile cu genotipuri mixte de paraziți ai malariei la rozătoare (Plasmodium chabaudi) care infectează șoareci au fost mai virulente (în ceea ce privește pierderea în greutate a gazdei și anemia) decât infecțiile cu un singur clonaș, dar nu au prezentat rate ridicate de reproducere sau densitate (Taylor et al., 1998). Acest lucru sugerează că sistemul imunitar a fost mai puțin capabil să controleze infecțiile din cauza diversității antigenice a acestora, mai degrabă decât o virulență crescută, rezultată din exploatarea sporită a gazdei. În mod similar, infecțiile mixte ale omizilor (Panolis flammea) cu baculovirusuri au atins o virulență mai mare, dar în acest sistem moartea gazdei este necesară pentru transmitere; prin urmare, compromisul clasic transmisie-virulență nu se aplică și nu există niciun cost pentru virulență (Hodgson et al., 2004). Cu toate acestea, în cazul acestui parazit și al altor paraziți cu ucidere obligatorie, este probabil să existe un compromis între timpul până la ucidere și randamentul progeniturii, deoarece prudența (adică ratele scăzute de exploatare a gazdei) poate maximiza randamentul progeniturii și, prin extensie, oportunitățile de transmitere (Hodgson et al., 2004). Nu a fost detectată nicio dovadă a unei diferențe în ceea ce privește timpul până la moarte între infecțiile cu un singur genotip și cele mixte. Un alt studiu privind schistosomii (Schistosoma mansoni) care infectează melcii (Biomphalaria glabrata) a raportat o rată de reproducere totală ridicată în cazul infecțiilor cu genotipuri mixte față de cele cu un singur genotip, dar a fost imposibil de distins dacă acest lucru se datorează faptului că tulpinile individuale se replică mai repede sau, din nou, din cauza faptului că sistemul imunitar nu este bun în a controla infecțiile cu genotipuri mixte (Davies et al., 2002).
Există multe motive probabile pentru care datele sunt, în general, neconforme cu modelul de prudență, cel mai evident fiind faptul că ipotezele modelului sunt adesea inadecvate pentru sistemul gazdă-parazit specific. Aceste aspecte au fost abordate în detaliu în altă parte (Read și Taylor, 2001; Ebert și Bull, 2003; Lambrechts et al., 2006), iar noi ne limităm la discuții suplimentare privind importanța detaliilor biologice pentru diferite tipuri de interacțiuni sociale (a se vedea mai jos). Cu toate acestea, un alt factor care contribuie este faptul că marea majoritate a experimentelor care au testat modelul au fost studii ecologice pe termen scurt, în care infecțiile au fost stabilite fie cu un singur genotip de parazit, fie cu mai multe. Furnizarea unui sprijin experimental pentru prudență necesită, prin urmare, ca paraziții să fie capabili să își reglementeze facultativ ratele de reproducere la detectarea unui alt genotip de parazit în aceeași gazdă. Nu avem cunoștință de nicio dovadă care să demonstreze că acest lucru se întâmplă.
O abordare alternativă pentru a testa teoria ar fi evoluția experimentală a paraziților în condiții de înrudire ridicată și scăzută, iar apoi determinarea virulenței liniilor evoluate. Singurul experiment de care avem cunoștință, care ar fi putut face acest lucru, a fost conceput cu un scop diferit: să abordeze efectul mortalității extrinseci a gazdei Daphnia magna asupra evoluției virulenței unui parazit microsporidian cu transmitere orizontală (Glugoides intestinalis) (Ebert și Mangin, 1997). S-a prezis că o virulență mai mare ar trebui să fie favorizată în cazul unui tratament cu mortalitate ridicată, din cauza costului redus pentru parazit al uciderii timpurii a gazdei. S-a observat rezultatul opus. O posibilă explicație este că tratamentul cu mortalitate ridicată a gazdei a redus șansele de infecții mixte și, prin urmare, concurența între gazde, deoarece gazdele „ucise” (eliminate) în mod extrinsec au fost înlocuite cu gazde neinfectate (Ebert și Mangin, 1997; Gandon et al., 2001). Această interpretare este susținută de numărul mare de experimente în care virulența parazitului crește în urma transferului în serie de la o gazdă la alta (analizat în Ebert, 1998). În aceste condiții, selecția naturală va favoriza paraziții care au cea mai mare capacitate competitivă în interiorul gazdei. Prin urmare, aceste date sugerează cu tărie existența unei corelații genetice pozitive între capacitatea competitivă în interiorul gazdei și virulență, o ipoteză crucială a modelului de prudență. Studiile care au încercat să măsoare direct corelațiile genetice sunt mai puțin consecvente, fiind raportate atât corelații pozitive (de Roode et al., 2005), cât și negative (Gower și Webster, 2005) pentru P. chabaudi și, respectiv, S. mansoni. Sunt necesare mult mai multe experimente pentru a testa pe deplin impactul evolutiv al gradului de rudenie al parazitului asupra prudenței în interiorul gazdei.
Cooperare în cadrul bunurilor publice
În contrast cu modelele care presupun că prudența maximizează transmiterea, se preconizează o relație pozitivă între gradul de rudenie și virulență dacă exploatarea gazdei depinde de faptul că paraziții cooperează între ei (Chao et al., 2000; Brown et al., 2002; West și Buckling, 2003) (Figura 1b) (Figura 1b). Astfel de situații apar dacă paraziții produc o anumită formă de bun public care poate fi exploatat de către trișorii neproducători. Lucrările experimentale limitate care abordează în mod direct rolul gradului de rudenie în determinarea virulenței paraziților în condițiile cooperării pentru bunuri publice (precum și exemplele observaționale; a se vedea Chao et al, 2000) este, în linii mari, în concordanță cu teoria.
Turner și Chao (1999) au evoluat fagi litici pe bacterii (Pseudomonas syringae) în condiții de înrudire ridicată și scăzută (multiplicitate scăzută și, respectiv, ridicată a infecției) și au constatat că un corelativ al virulenței (aptitudinea competitivă virală) a evoluat pentru a fi mult mai scăzută în condiții de înrudire scăzută. Bacteriofagii produc enzime de replicare care pot fi utilizate de toți virionii din celulă și, ca atare, pot fi considerați un bun public. În condiții de rudenie scăzută, atunci când infecția multiplă era probabilă, au evoluat mutanți trișori care nu plătesc costul metabolic al producerii enzimelor de replicare și au avut un avantaj selectiv atunci când au coinfectat cu cooperatori care produc replicaze. În schimb, în condiții de înrudire ridicată, trișorii nu au evoluat, deoarece nu puteau să împartă celulele cu cooperatorii.
Un alt exemplu rezonabil de bine studiat de cooperare pentru un bun public este producția de molecule extracelulare de captare a fierului (siderofori) de către un agent patogen bacterian oportunist, Pseudomonas aeruginosa. Producția de siderofori este benefică atunci când fierul este limitat, dar este, de asemenea, costisitoare din punct de vedere metabolic. În consecință, în populațiile mixte în care sunt prezente atât bacteriile de tip sălbatic, cât și cele mutante, mutanții pot obține beneficiul producerii de siderofori fără a plăti costul și, prin urmare, cresc în frecvență, deoarece depășesc tipul sălbatic cooperant (Griffin et al., 2004). În concordanță cu rezultatele in vitro de mai sus, în populațiile naturale de P. aeruginosa care au infectat plămânii pacienților cu fibroză chistică au fost observați trișori siderofori negativi (de Vos et al., 2001).
Rolul înrudirii în cooperarea și virulența mediată de siderofori a fost abordat prin inocularea omizilor (Galleria mellonella) cu clone unice ale unei tulpini de P. aeruginosa de tip sălbatic, producătoare de siderofori (cooperatori), un mutant izogen siderophore-minus (cheats) sau ambele (Harrison et al., 2006). Cheats a crescut mai rapid în cazul infecțiilor mixte, spre deosebire de infecțiile cu un singur clon, în timp ce în cazul cooperatorilor s-a observat modelul opus. Prin urmare, este mai probabil ca infecțiile cu grad scăzut de rudenie să favorizeze evoluția trișorilor siderofori decât cele cu grad ridicat de rudenie (Harrison et al., 2006). Infecțiile care conțin cheats au fost mai puțin virulente decât infecțiile cu cooperatori puri, așa cum s-a observat într-un studiu anterior (Meyer et al., 1996). Prin urmare, infecțiile cu grad scăzut de rudenie sunt mai puțin virulente.
Totuși, în aceste experimente simple de competiție între trișorii siderofori și cooperatori, trișorii nu au avut niciodată un avantaj selectiv detectabil: în cel mai bun caz, fitness-ul lor a fost același cu cel al cooperatorilor (Harrison et al., 2006). Acest lucru este în contrast cu lucrările in vitro în care trișorii au fost în mod constant mai apți în condiții de limitare a fierului (Griffin et al., 2004). Acest lucru ridică o problemă majoră pentru această teorie: dacă trișorii nu au niciodată un avantaj selectiv in vivo, atunci virulența nu va scădea în cazul infecțiilor cu grad scăzut de rudenie. Cu toate acestea, am observat de atunci că trișorii evoluează într-adevăr de novo și cresc în frecvență atunci când sunt trecuți prin omizi (Racey, Harrison și Buckling, în prep).
Lucrări recente in vitro sugerează că relația pozitivă dintre rudenie și virulență în cazul în care bunurile publice determină rata de creștere poate fi mai complexă (Brockhurst et al., 2006). Bacteriile patogene există adesea sub formă de biofilme – un grup de bacterii atașate de suprafețe și acoperite de polimeri. Viața în biofilm conferă un avantaj de grup, de exemplu, în ceea ce privește rezistența la antibiotice și la atacul imunitar. Polimerul din biofilm este un alt exemplu de bun public, iar trișorii neproducători sunt susceptibili de a avea un avantaj selectiv în condiții de genotipuri mixte și de grad scăzut de înrudire. Ca atare, infecțiile cu genotipuri mixte ar trebui să ducă la întreruperea cooperării și la o virulență redusă. Cu toate acestea, diversitatea în ceea ce privește trăsăturile de cooperare este, de asemenea, probabil să se coreleze cu diversitatea altor trăsături, cum ar fi utilizarea resurselor. Un studiu recent a constatat că biofilmele alcătuite din amestecuri de genotipuri specializate pe diferite resurse, ca urmare a schimburilor de fitness, au fost mai rezistente la invazia trișorilor decât biofilmele alcătuite dintr-un singur genotip, probabil pentru că trișorii au făcut, de asemenea, schimburi în ceea ce privește utilizarea resurselor și, prin urmare, au fost mai buni la trișarea unui genotip cooperant decât a altuia. Ca atare, selecția împotriva cooperării, care rezultă din reducerea gradului de rudenie (prin definiție, la nivelul locusului de cooperare) în cazul infecțiilor mixte, poate fi potențial opusă prin creșterea împărțirii nișei, care poate limita invazia trișorilor și, de asemenea, poate crește densitatea populației datorită utilizării mai eficiente a resurselor (Brockhurst et al., 2006). Acest lucru ar putea slăbi sau chiar elimina relația dintre virulență și înrudire.
Răutate
Dacă comportamentele răutăcioase sunt un factor determinant cheie în rezultatul competiției dintre liniile de paraziți, atunci se preconizează că virulența va atinge un vârf la niveluri ridicate și scăzute de înrudire (figura 1c) (Gardner et al., 2004) (Gardner et al., 2004). Acest lucru se datorează faptului că comportamentele răutăcioase reduc rata totală de creștere a populației și, de asemenea, se preconizează că vor fi maximizate la niveluri intermediare de înrudire. În cazul unor niveluri ridicate de rudenie, este puțin avantajos să faci rău rudelor apropiate și, prin urmare, comportamentele răutăcioase nu sunt favorizate. În condiții de rudenie foarte scăzută, o descendență va avea în mod necesar o frecvență scăzută și, prin urmare, nu va putea afecta toți concurenții; prin urmare, beneficiul comportamentului răutăcios în ceea ce privește afectarea concurenților și eliberarea de resurse va fi resimțit atât de neamuri, cât și de rude. Doar atunci când un neam răutăcios are o frecvență suficient de mare și există suficienți concurenți cărora să le facă rău (rudenie intermediară) se vor realiza beneficiile de fitness inclusive ale răutății.
Toxinele anticompetitoare produse de bacterii (bacteriocine) sunt un bun exemplu de comportamente răutăcioase. Producerea bacteriocinelor este costisitoare (adesea implică liza celulară pentru eliberarea lor) și sunt capabile să ucidă concurenții susceptibili. Genele bacteriocinelor sunt, în general, legate de genele de imunitate corespunzătoare, ceea ce face ca rudele apropiate să fie imune (Riley și Wertz, 2002). Avem cunoștință de un singur studiu care a abordat rolul „înrudirii” în virulență, în care comportamentele răutăcioase determină rezultatele competitive (Massey et al., 2004). Diferite tulpini ale bacteriilor patogene pentru insecte Photorhabdus și Xenorhabdus spp. au fost inoculate în omizi sub formă de infecții cu un singur clon sau de clone mixte. Virulența a fost redusă în cazul infecțiilor mixte în raport cu infecțiile simple, în care ambele tulpini se puteau ucide reciproc. În plus, a existat un mare avantaj competitiv în ceea ce privește capacitatea de a produce bacteriocine numai în cazul infecțiilor mixte. Acest lucru sugerează că infecțiile formate din două genotipuri favorizează producția de bacteriocine în raport cu infecțiile cu un singur genotip și că producția de bacteriocine reduce virulența. Rețineți că diferitele tulpini din acest studiu sunt probabil mai puțin înrudite între ele decât se presupune de obicei pentru o singură „specie”.
.