Selecção de genes e a evolução da virulência

Como se prevê que a relação, através do seu efeito sobre os traços cooperativos e rancorosos, afecte a virulência depende do tipo de comportamento social intra-específico apresentado pelos parasitas. Aqui, distinguimos entre três tipos de comportamentos sociais: (1) prudência; (2) cooperação de bens públicos e (3) apesar.

Prudência

Virulência é frequentemente assumida como uma consequência necessária da exploração do hospedeiro e, portanto, transmissão a novos hospedeiros (aptidão parasitária) (Anderson e Maio, 1982; Bremermann e Pickering, 1983; Nowak e Maio, 1994; Frank, 1996; Ebert e Bull, 2003). A virulência também tem um impacto negativo no sucesso da transmissão, por exemplo, se os parasitas só podem transmitir a partir de hospedeiros vivos ou se a transmissão é reduzida a partir de hospedeiros debilitados. Como resultado desse trade-off, algum nível intermediário de exploração do hospedeiro (virulência ótima) irá maximizar o sucesso da transmissão da população parasitária. A relação dos genótipos parasitas coinfectantes também é susceptível de afectar a virulência das infecções; modelos de selecção de parentesco prevêem que o nível de virulência parasitária que maximiza a aptidão parasitária aumenta com a diminuição da relação dos parasitas coinfectantes (Bremermann e Pickering, 1983; Nowak e Maio, 1994; Frank, 1996) (Figura 1a). Isso ocorre porque a virulência ótima só é exibida se os indivíduos explorarem os recursos do hospedeiro com prudência, e é previsto que isso ocorra quando a relação entre genótipos de parasitas coinfectantes for alta. Quando a relação é baixa, a competição entre parasitas com genótipos não relacionados dentro de um hospedeiro resulta na seleção de indivíduos que utilizam recursos o mais rapidamente possível, aumentando assim a virulência apesar de reduzir o sucesso do grupo, uma idéia epitomizada pela “tragédia dos comuns” de Hardin (Hardin, 1968; Frank, 1998).

alguns estudos em populações naturais são consistentes com o modelo de prudência. Quando medida em espécies estreitamente relacionadas, a virulência de nematódeos parasitas que infectam vespas de figo aumenta com o aumento do número médio de fundadoras que depositam seus ovos em um único figo (Herre, 1993). Este resultado tem sido interpretado em termos de seleção de parentes: mais fundadoras aumentam a chance de infecções mistas de nematódeos genótipos e, portanto, a evolução de maior virulência (Herre, 1993; Frank, 1996). A natureza correlacional dos dados significa que eles podem ser interpretados de outras formas, e daí a necessidade de testes experimentais.

As evidências experimentais para a relação negativa entre relação e virulência são limitadas (Brown et al., 2002; West e Buckling, 2003). De fato, em estudos onde a diminuição da relação resulta em maior virulência, há poucas evidências que sugiram que ela seja o resultado do aumento da exploração dentro do hospedeiro, às custas da transmissão entre hospedarias. Por exemplo, as infecções mistas genotípicas de parasitas da malária de roedores (Plasmodium chabaudi) que infectam ratos eram mais virulentas (em termos de perda de peso e anemia do hospedeiro) do que as infecções de um único clone, mas não mostraram taxas elevadas de reprodução ou densidade (Taylor et al., 1998). Isto sugere que o sistema imunitário foi menos capaz de controlar as infecções devido à sua diversidade antigénica, em vez de aumentar a virulência, resultante do aumento da exploração do hospedeiro. Da mesma forma, infecções mistas de lagartas (Panolis flammea) com baculovírus atingiram maior virulência, mas neste sistema a morte do hospedeiro é necessária para a transmissão; portanto, a clássica troca transmissão-virulência não se aplica e não há custo para a virulência (Hodgson et al., 2004). Contudo, neste e em outros parasitas que matam obrigatoriamente, é provável que haja um trade-off entre tempo para matar e rendimento da progenitura, uma vez que a prudência (ou seja, taxas baixas de exploração do hospedeiro) pode maximizar o rendimento da progenitura e, por extensão, as oportunidades de transmissão (Hodgson et al., 2004). Não foram detectadas evidências de uma diferença no tempo para a morte entre infecções de genótipo único e misto. Um estudo adicional de esquistossomas (Schistosoma mansoni) infectando caracóis (Biomphalaria glabrata) relatou uma elevada taxa de reprodução total em infecções de genótipo misto versus único, mas foi impossível distinguir se isto se deveu a estirpes individuais replicando-se mais rapidamente ou novamente devido ao sistema imunológico não ser bom no controle de infecções de genótipo misto (Davies et al, 2002).

Existem muitas razões prováveis pelas quais os dados são geralmente inconsistentes com o modelo de prudência, sendo a mais óbvia que as suposições do modelo são frequentemente inadequadas para o sistema hospedeiro-parasita particular. Estas questões têm sido abordadas em detalhe noutros locais (Read e Taylor, 2001; Ebert e Bull, 2003; Lambrechts et al., 2006), e limitamos a discussão da importância dos detalhes biológicos a diferentes tipos de interacções sociais (ver abaixo). Entretanto, outro fator que contribui é que a grande maioria das experiências testando o modelo tem sido estudos ecológicos de curto prazo, onde as infecções foram estabelecidas com genótipos de um ou vários genótipos de parasitas. Portanto, fornecer apoio experimental para a prudência requer que os parasitas sejam capazes de upregular facultativamente as suas taxas reprodutivas após a detecção de outro genótipo de parasitas no mesmo hospedeiro. Não temos conhecimento de qualquer evidência que demonstre que isto ocorre.

Uma abordagem alternativa para testar a teoria seria a de desenvolver experimentalmente parasitas em condições de alta e baixa relação, e depois determinar a virulência das linhas evoluídas. O único experimento que conhecemos, que pode ter feito isso, foi projetado com um propósito diferente: abordar o efeito da mortalidade do hospedeiro extrínseco Daphnia magna na evolução da virulência de um parasita microporidiano transmitido horizontalmente (Glugoides intestinalis) (Ebert e Mangin, 1997). Foi previsto que a virulência mais elevada deveria ser favorecida no tratamento de alta mortalidade, devido ao custo reduzido para o parasita de matar o hospedeiro precocemente. O resultado oposto foi observado. Uma explicação possível é que o tratamento de alta mortalidade do hospedeiro reduziu as chances de infecções mistas e, portanto, a competição dentro do hospedeiro, pois hospedeiros extrinsecamente “mortos” (removidos) foram substituídos por hospedeiros não infectados (Ebert e Mangin, 1997; Gandon et al., 2001). Esta interpretação é apoiada pelo grande número de experiências em que a virulência parasitária aumenta após a transferência em série de um hospedeiro para o outro (revista em Ebert, 1998). Sob estas condições, a seleção natural favorecerá os parasitas que têm a maior capacidade competitiva dentro do hospedeiro. Estes dados são, portanto, fortemente sugestivos de uma correlação genética positiva entre a capacidade competitiva interna do hospedeiro e a virulência, uma suposição crucial do modelo de prudência. Estudos que tentaram medir diretamente correlações genéticas são menos consistentes, tanto com correlações positivas (de Roode et al., 2005) quanto negativas (Gower e Webster, 2005) relatadas para P. chabaudi e S. mansoni, respectivamente. Muitas outras experiências são necessárias para testar completamente o impacto evolutivo da relação parasitária na prudência dentro do hospedeiro.

Cooperação em bens públicos

Em contraste com os modelos que assumem que a prudência maximiza a transmissão, uma relação positiva entre relação e virulência é prevista se a exploração do hospedeiro for dependente da cooperação entre parasitas (Chao et al., 2000; Brown et al., 2002; West e Buckling, 2003) (Figura 1b). Tais situações surgem se os parasitas produzem alguma forma de bem público que pode ser explorada por trapaceiros não-produtores. O limitado trabalho experimental abordando diretamente o papel da relação na determinação da virulência dos parasitas sob a cooperação de bens públicos (assim como exemplos observacionais; ver Chao et al, 2000) é amplamente consistente com a teoria.

Turner e Chao (1999) desenvolveram fagos líticos em bactérias (Pseudomonas syringae) sob condições de alta e baixa relação (baixa e alta multiplicidade de infecção, respectivamente) e descobriram que um correlato de virulência (aptidão viral competitiva) evoluiu para ser muito mais baixo sob baixa relação. Os bacteriófagos produzem enzimas replicadoras que podem ser usadas por todos os viriões da célula e, como tal, podem ser consideradas um bem público. Sob baixo parentesco, quando a infecção múltipla era provável, mutantes trapaceiros que não pagavam o custo metabólico de produzir enzimas de replicação evoluíram e tiveram uma vantagem seletiva ao coinfectar com cooperadores produtores de replicação. Por outro lado, em condições de alta correlação, os mutantes não evoluíram porque não puderam compartilhar células com os cooperadores.

Outro exemplo razoavelmente bem estudado de boa cooperação pública é a produção de moléculas extracelulares de ferro (sideróforos) pelo patógeno bacteriano oportunista, Pseudomonas aeruginosa. A produção de sideróforos é benéfica quando o ferro é limitador, mas também é metabolicamente cara. Conseqüentemente, em populações mistas onde tanto bactérias do tipo selvagem quanto mutantes estão presentes, os mutantes podem obter o benefício da produção de sideróforos sem pagar o custo e, portanto, aumentar a freqüência, uma vez que competem com o tipo selvagem cooperativo (Griffin et al., 2004). De acordo com os resultados in vitro acima mencionados, foram observadas fraudes in vitro de siderophore-negativos em populações naturais de P. aeruginosa que infectaram os pulmões de pacientes com fibrose cística (de Vos et al, 2001).

O papel do relacionamento na cooperação e virulência mediada por sideróforos foi abordado pela inoculação de lagartas (Galleria mellonella) com clones únicos de uma linhagem de P. aeruginosa (cooperadores), um mutante isogênico de minério de sideróforo (trapaceiros), ou ambos (Harrison et al., 2006). Os batoteiros cresceram mais rapidamente em infecções mistas, ao contrário das infecções de um único clone, enquanto o padrão oposto foi observado para os cooperadores. As infecções de baixa relação são, portanto, mais propensas a favorecer a evolução de batoteiros sideróforos do que as infecções de alta relação (Harrison et al., 2006). As infecções que contêm batoteiros eram menos virulentas que as infecções de cooperadores puros, como foi observado em um estudo anterior (Meyer et al., 1996). Assim, as infecções de baixa relação são menos virulentas.

No entanto, nestes experimentos simples de competição entre batoteiros sideróforos e cooperadores, os batoteiros nunca tiveram uma vantagem seletiva detectável: na melhor das hipóteses, sua aptidão foi a mesma dos cooperadores (Harrison et al., 2006). Isto contrasta com o trabalho in vitro, onde os batoteiros eram consistentemente mais aptos sob condições de ferro limitado (Griffin et al., 2004). Isto coloca um grande problema para a teoria: se os batoteiros nunca têm uma vantagem seletiva in vivo, então a virulência não diminuirá sob infecções de baixa relação com o ferro. Entretanto, desde então, observamos que os batoteiros de fato evoluem de novo e aumentam a freqüência quando passam por lagartas (Racey, Harrison e Buckling, em preparação).

Trabalhos in vitro recentes sugerem que a relação positiva entre relação e virulência onde os bens públicos determinam a taxa de crescimento pode ser mais complexa (Brockhurst et al., 2006). As bactérias patogénicas existem frequentemente como biofilmes – um grupo de bactérias ligadas a superfícies e cobertas de polímero. O biofilme vivo confere uma vantagem de grupo, por exemplo, em termos de resistência a antibióticos e ataque imunológico. O polímero do biofilme é outro exemplo de um bem público, e os trapaceiros não produtores provavelmente terão uma vantagem seletiva sob condições de genótipos mistos e baixa relação. Como tal, as infecções de genótipos mistos devem resultar no colapso da cooperação e na redução da virulência. No entanto, a diversidade em relação aos traços cooperativos também é susceptível de se correlacionar com a diversidade em outros traços, tais como a utilização de recursos. Um estudo recente descobriu que os biofilmes compostos por misturas de genótipos especializados em diferentes recursos, como resultado de trade-offs de aptidão, eram mais resistentes à invasão por batoteiros do que os biofilmes compostos por um único genótipo, presumivelmente porque os batoteiros também comercializavam o uso de recursos e, portanto, eram melhores a enganar um genótipo cooperante do que outro. Como tal, a selecção contra a cooperação, resultante da redução da relação (por definição, no local cooperativo) em infecções mistas, pode potencialmente ser combatida pelo aumento da divisão de nichos, o que pode limitar a invasão de batoteiros, e também aumentar a densidade populacional devido ao uso mais eficiente de recursos (Brockhurst et al., 2006). Isso poderia enfraquecer ou mesmo eliminar a relação entre virulência e parentesco.

Spite

Se os comportamentos rancorosos são um determinante fundamental no resultado da competição entre linhagens parasitárias, então prevê-se que a virulência atinja o pico em níveis altos e baixos de parentesco (Figura 1c) (Gardner et al., 2004). Isto porque os comportamentos maldosos reduzem a taxa de crescimento total da população e também se prevê que a virulência seja maximizada em níveis intermediários de relação. Sob altos níveis de parentesco, há poucos benefícios em prejudicar parentes próximos e, portanto, os comportamentos maldosos não são favorecidos. Sob níveis muito baixos de parentesco, uma linhagem será necessariamente de baixa freqüência e, portanto, não será capaz de afetar todos os concorrentes; portanto, o benefício do comportamento rancoroso em termos de prejudicar os concorrentes e liberar recursos será experimentado tanto por não parentes quanto por parentes. É apenas quando uma linhagem rancorosa está a uma frequência suficientemente alta, e existem concorrentes suficientes para prejudicar (relação intermédia), que os benefícios da aptidão física inclusiva do rancor se realizarão.

As toxinas anticompetitivas produzidas por bactérias (bacteriocinas) são um bom exemplo de comportamentos rancorosos. As bacteriocinas são dispendiosas de produzir (muitas vezes envolvendo lise celular para a sua libertação) e são capazes de matar os concorrentes susceptíveis. Os genes das bacteriocinas estão geralmente ligados a genes de imunidade apropriados, tornando os parentes próximos imunes (Riley e Wertz, 2002). Estamos cientes de apenas um estudo que abordou o papel da “relação” na virulência, onde comportamentos rancorosos determinam resultados competitivos (Massey et al., 2004). Diferentes cepas das bactérias patogénicas Photorhabdus e Xenorhabdus spp. foram inoculadas em lagartas como infecções de um ou vários clones. A virulência foi reduzida em infecções mistas em relação a infecções únicas onde ambas as estirpes poderiam matar uma à outra. Além disso, havia uma grande vantagem competitiva em poder produzir bacteriocinas apenas quando em infecções mistas. Isto sugere que as infecções constituídas por dois genótipos favorecem a produção de bacteriocinas em relação a infecções de um único genótipo e que a produção de bacteriocinas reduz a virulência. Note-se que as diferentes estirpes neste estudo estão provavelmente mais distantes umas das outras do que é normalmente assumido para uma única ‘espécie’.