The Evolution and Maintenance of Virulence in Microparasites

The Evolution and Maintenance of Virulence in

Microparasites

Bruce R. Levin, Ph.D.

Emory University, Atlanta, Georgia, USA

In recent years, population and evolutionary biologists have questioned the traditional

view that parasite-mediated morbidity and mortality—virulence—is a primitive character and

an artifact of recent associations between parasites and their hosts. A number of hypotheses

have been proposed that favor virulence and suggest that it will be maintained by natural

selection. According to some of these hypotheses, the pathogenicity of HIV, Vibrio cholerae,

Mycobacterium tuberculosis, the Shigella, as well as Plasmodium falciparum, and many

other microparasites, are not only maintained by natural selection, but their virulence

increases or decreases as an evolutionary response to changes in environmental conditions

or the density and/or behavior of the human population. Other hypotheses propose that the

virulence of microparasites is not directly favored by natural selection; rather, microparasite-

mediated morbidity and mortality are either coincidental to parasite-expressed characters

(virulence determinants that evolved for other functions) or the product of short-sighted

evolution in infected hosts. These hypotheses for the evolution and maintenance of mi-

croparasite virulence are critically reviewed, and suggestions are made for testing them

experimentally.

How much of the emergence and reemergence

of infectious diseases is due to evolution, rather

than ecological, technical, and social change (1)?

Under what conditions will attenuated vaccine

organisms become virulent? Are hospitalized and

immunocompromised hosts reservoirs for the evo-

lution of virulent pathogens (2)? The answers to

these and related questions require an under-

standing of the ecological conditions and genetic

processes responsible for the evolution and main-

tenance of parasite-mediated morbidity and mor-

tality in infected hosts—virulence, as we shall

define it here.

At least since Darwin’s time (3), evolutionary

biologists have been interested in infectious dis-

eases, but primarily with respect to the role of

these diseases in the adaptation and evolution of

humans and other species (4). A bit more than 15

years ago, this interest in infectious disease took

a new turn, a focus on the microbes responsible for

these diseases and the evolution and maintenance

of their virulence. Here I offer a relatively brief and

personal review of current theories of the evolu-

tion and maintenance of virulence in the bacteria,

viruses, protozoa, and single cell fungi, “mi-

croparasites” (to use the term employed by

population biologists), responsible for infectious

diseases. I consider how these theories fit, what is

known about the epidemiology of microparasite

infections and the mechanisms of pathogenesis,

and discuss procedures to test hypotheses derived

from these theoretical considerations of the popu-

lation biology and evolution of microparasites. For

other recent reviews of this subject, see (5-8).

The Conventional Wisdom

At one time, virulence was almost universally

considered an artifact of recent associations be-

tween parasites and their hosts (9, 10), and to a

fair extent, it still is (11). In accord with this view,

which Bob May and Roy Anderson called “conven-

tional wisdom” (12), parasite-host coevolution is

necessarily in the direction of commensalism or,

nicer yet, mutualism. The logic behind this view is

pleasing to human sensibilities. A fully evolved

parasite would not harm the host it needs for its

survival, proliferation, and transmission. Indeed,

the appeal of this view of nature of parasite-host

coevolution was sufficient for its corollary to also

be assumed valid. That is, pathogenesis is often

taken as evidence of recent associations between

parasites and their hosts.

Many observations are consistent with conven-

tional wisdom about parasite-host coevolution.

This is particularly so for most of the so-called

Address for correspondence: Bruce R. Levin, Ph.D., Emory

University, EcLF, 1510 Clifton Road, N.E., Atlanta, GA

30322, USA; fax: [phone]; e-mail: biobrl@emuvm1.

cc.emory.edu.

Perspectives

Vol. 2, No. 2— April-June 1996

93

Emerging Infectious Diseases

emerging diseases. For example, Legionnaires’

disease, Lyme disease, and pneumonia caused by

hantavirus are consequences of human infection

by parasites and/or commensals of other species,

rather than by organisms that have had a long

association with humans. In fact, for these emerg-

ing diseases and some older microparasitic dis-

eases, like Rocky Mountain spotted fever, anthrax,

and rabies, humans play no (or at best a negligible)

role in the transmission of the parasite and, in that

sense, are an evolutionary dead end. While HIV is

transmitted between humans, its association with

our species is almost universally considered recent

(13, 14).

Other observations can be interpreted as incon-

sistent with conventional wisdom. For some viru-

lent pathogens, like Shigella and Neisseria

gonorrhoeae, humans appear to be either the

unique or the dominant host and vector for infec-

tious transmission (15). For other lethal mi-

croparasitic

diseases

like

malaria

and

tuberculosis (TB), there is evidence that these

microparasites have had a long history in human

populations and that humans play a major if not

unique role in their infectious transmission. How-

ever, for the pathogens involved in both these

diseases, animal origins have been implicated, and

it is difficult to find clear evidence of their exist-

ence (or that of other extant pathogens) before the

origins of agriculture (16-18).

1

One can always

rescue conventional wisdom from these inconsis-

tent observations by assuming that “long” is not

long enough for these microparasites to evolve or

coevolve with humans to a more amenable rela-

tionship. Then again, it may well be that some

microparasites responsible for new infections in

human hosts will evolve to become increasingly

virulent human pathogens and be readily trans-

mitted between human hosts.

Conventional wisdom is not based on hypothe-

ses that can be readily tested and rejected. Mi-

croparasites that lead to the extinction of their

only host face the same fate as the host. On the

other hand, evolving and becoming gentle and

prudent in treating their hosts (when natural se-

lection operating at the level of individual mi-

croparasites favors profligate behavior like

virulence) require some form of group-level or kin

selection (8), and/or a host evolutionary response

that unilaterally converts an otherwise virulent

microparasite into a commensal. Conventional

wisdom does not account for the actual mecha-

nisms responsible for the evolution of benign as-

sociations between microparasites and their hosts.

Epidemiologic Models and the “Enlightenment”

In the early 1980s, at least among evolutionary

biologists, conventional wisdom gave way to what,

in an earlier consideration of this subject

Catharina Svanborg and I satirically (but sympa-

thetically) referred to as the “enlightenment” (24).

In accord with this new view, natural selection

could favor the evolution and maintenance of viru-

lence as well as commensal and symbiotic associa-

tions between microparasites and their hosts. In

other words, virulence could be the evolved as well

as the primitive stage of these associations. The

direction of natural selection in any given situ-

ation depends on the epidemiology and ecology of

the microparasite and, in particular, the relation-

ship between its virulence and its rate of infectious

transmission in the host population.

2

This can be

seen in the equation for the finite rate of increase

of a directly transmitted microparasite in a wholly

susceptible host population (12, 25, 26)

ßN

R

0

= —————————

α

+ b +

ν

Perspectives___Emerging_Infectious_Diseases__94'>Perspectives

Emerging Infectious Diseases

94

Vol. 2, No. 2— April-June 1996

1

The existence of genetic polymorphisms, like sickle cell, thalassemia, and glucose 6-phosphate dehydrogenase (G6PH)

deficiency (19, 20), Duffy-negative blood groups (21), and specific HLA alleles (22) maintained by Plasmodium-mediated

selection can also be interpreted as evidence for malaria’s long association with humans. There is evidence for inherited

resistance to TB among mammals (23), and arguments that TB epidemics have selected for inherited resistance in humans

(16). However, that evidence is not as compelling as that for malaria.

2

In at least the mathematical theory, the morbidity component of microparasite virulence is not treated explicitly (25). The

symptoms and pain resulting from infection are implicitly incorporated in the rates of disease-associated mortality, recovery,

and transmission. Moreover, while acknowledging the existence of microparasite-mediated selection and evolution in the

host population, for the most part, the enlightened view of microparasite-host coevolution has concentrated on the changes

in the microparasite population. The idea is that because of the relatively longer generation times, the rate of evolution in

the host population is going to be low.

where ß is the rate constant of infectious transfer

of the microparasite, N the density of the suscep-

tible host population,

α

the rate of microparasite-

induced mortality (virulence), b the rate of

microparasite-independent mortality, and

ν

the

rate of recovery. R

0

is the number of secondary

infections caused by a single primary infection and

serves as a measure of the fitness (here and else-

where in a Darwinian sense) of the parasite in this

naive host population. At any given host density,

N, this measure of fitness of the parasite is directly

proportional to its transmissibility, ß, and the term

of its persistence in an infected host, the reciprocal

of

α

+ b +

ν

.

If the parameters of the R

0

equation were inde-

pendent of each other, the predictions derived from

this equation would be consistent with conven-

tional wisdom: benign parasites would evolve.

That is, natural selection would favor highly trans-

missible (b

→ ∞

), incurable (

ν→

0), commensals

(

α→

0), or symbionts (

α →

-

∞

). On the other hand,

if transmission and virulence, the parameters ß

and

α

in the R

0

equation, were positively coupled,

natural selection could favor the evolution and

maintenance of some level of virulence,

α →

0, in

the microparasite population.

In accord with the epidemiologic perspective

implicit in the R

0

equation, an understanding of

the evolution of virulence in microparasites comes

down to elucidating the relationship between the

rate at which the microparasite is transmitted

between hosts and the rate of parasite-mediated

mortality in individual infected hosts. If that rela-

tionship is positive, then some level of virulence

may be favored. And, since the first statements of

this new view of parasite-host coevolution (12, 26,

27), much of the research on the evolution of viru-

lence has focused on the association between these

two components of parasite fitness.

The most cited, and to me the single most com-

pelling, evidence in support of this new interpre-

tation of microparasite-host coevolution comes

from the “experiments” using myxoma virus to

control European rabbit populations in Australia

and Europe (26, 28, 29). Within a relatively short

time after the release of highly virulent myxoma,

the viruses recovered from the then decimated and

sometimes more resistant wild rabbit populations

were less virulent and had lower rates of disease-

induced mortality on control laboratory rabbits

than those initially released. However, the extent

to which myxoma virus from the wild became

attenuated was substantially less than that which

could be achieved experimentally (29). This was

interpreted as evidence for a positive coupling

between the rates of infectious transmission and

rates of virus-induced mortality, a trade-off be-

tween virulence and transmission. Highly virulent

forms of the virus had a disadvantage because

they killed the rabbits too quickly and thus re-

duced the time available for them to be picked up

by the insect (mosquito or flea) vectors required

for their infectious transmission. Viruses that

were too attenuated had a disadvantage because

they generated fewer skin lesions and had lower

densities of circulating virions, which presumably

would reduce the rate at which they would be

bitten by these insect vectors, the likelihood of

biting vectors picking up myxoma, and the number

of virions picked up at any given bite. Thus, in

contrast to conventional wisdom and in accord

with the enlightened interpretation, natural selec-

tion could favor and maintain the virulence of

microparasites. This results when there is a posi-

tive coupling between a parasite’s virulence and

its capacity for infectious transmission.

The myxoma story is particularly compelling

because the quantitative relationship between

virulence and transmissibility inferred from the

epidemiologic data and models was independently

tested and demonstrated experimentally (30, 31).

The myxoma story remains the only one for the

microparasites of eukaryotic hosts where the pre-

dictions about transmission and virulence made

from an interpretation of epidemiologic observa-

tions were tested experimentally. With few excep-

tions (32), inferences about the relationship

between transmission and virulence and the

trade-offs between these two attributes of a mi-

croparasite’s association with its host have been

derived from comparative evolution studies or ret-

rospective interpretations of epidemiologic data.

In some cases, these inferences are reasonably

strong, e.g., in the study by Alan Herre (33) on fig

wasps and a nematode parasite and by Deiter

Ebert (34) on a planktonic crustacean with a pro-

tozoan parasite. The latter study is particularly

convincing because it includes independent, ex-

perimental evidence of a positive correlation be-

tween the density of spores in infected hosts and

the virulence and transmissibility of this proto-

zoan parasite.

The enlightened view on the virulence of mi-

croparasites sometimes takes the positive associa-

tion between the virulence of a microparasite and

its transmissibility as axiomatic; therefore, it

Perspectives___Emerging_Infectious_Diseases__96'>Perspectives

Vol. 2, No. 2— April-June 1996

95

Emerging Infectious Diseases

assumes that a microparasite’s virulence is con-

strained solely by the need to keep the host alive

to facilitate its transmission to new hosts.

3

This is

implicit in much of Paul Ewald’s writing on this

subject (6, 35) and is the basis of his main thesis

that changes in rates of infectious transmission

will select for microparasite strains or species with

different levels of virulence.

By assuming a necessarily positive relationship

between a microparasite’s capacity for infectious

transmission and the extent of morbidity and rate

of mortality it causes in infected hosts, a positive

“trade-off” (relationship) between transmissibility

and virulence, Paul Ewald has generated scenar-

ios for the evolution of virulence and changes in

virulence for a diverse array of microparasites,

including those responsible for cholera, influenza,

dysentery, and AIDS (6, 35). While the details of

Ewald’s stories may differ, the plot is almost al-

ways the same: increases in the rates of transmis-

sion favor increases in virulence, and the reverse.

For example, Ewald has postulated that the viru-

lence of HIV observed in contemporary human

populations, AIDS, is in large part due to evolution

in this retrovirus responding to the increases in

human-human transmission rate resulting from

more promiscuous sexual behavior.

4

However,

even when a direct relationship between the viru-

lence and transmission rate of HIV is assumed, a

deeper consideration of the epidemiology and

course of this sexually transmitted disease shows

that this simplistic conclusion about evolution and

the virulence of HIV is chock full of caveats (36,

37). The relative contributions of transmission and

virulence (as measured by the time before the

onset of AIDS) to the fitness of HIV in the popula-

tion of hosts depends on whether the disease is in

an epidemic or endemic phase. Moreover, as I

consider later, there are other, very different,

hypotheses for the evolution of the virulence of this

retrovirus and other pathogenic microbes that do

not require the necessarily positive association

between infectious transmission and virulence

upon which Ewald has based his arguments for

the evolution and maintenance of virulence in

microparasites.

A corollary of the hypothesis of a positive trade-

off between transmissibility and virulence is that

if all else were equal, increases in the degree of

vertical (e.g., from a mother to a fetus) transmis-

sion of a parasite, relative to its horizontal (infec-

tious) transmission would favor reductions in its

virulence (38). There is compelling, experimental

evidence to support this corollary. However, the

evidence is restricted to experiments with E. coli

and its phage, f1, which can be transmitted verti-

cally, in the course of cell division, or horizontally,

by infecting susceptible, uninfected bacteria (39).

While some, like me most of the time, may believe

in the adage “what is true for E. coli is true for

elephants, but only more so,” other, less coli-centric

souls, may want to see more experiments of this

type with microparasites and vertebrate hosts. I

certainly do.

Within-Host Population Dynamics and Virulence of

Microparasites

There is a dearth of experimental investiga-

tions of the quantitative relationship between the

transmission and virulence of microparasites.

During the past few years, however, there has been

a flurry of theoretical studies of the within-host

population dynamics of microparasites that have

specifically considered the relationship between

the virulence and transmission rates of mi-

croparasites and their densities and/or rates of

replication in infected hosts (40-44). In the

simplest models developed in these theoretical

studies of the within-host population dynamics of

Perspectives

Emerging Infectious Diseases

96

Vol. 2, No. 2— April-June 1996

3

One way to experimentally augment the virulence of a microparasite, as, for example, measured by declines in its LD

50

,

is to artificially pass that microbe between hosts (15). From one perspective, this result is consistent with the trade-off

hypothesis, as the effect of passage is to make the parasite’s transmission independent of the host’s survival, thereby allowing

it to become more virulent without compromising its need to be transmitted to other hosts. However, increased virulence in

a passage experiment is not sufficient evidence for that trade-off. (It may well be that the parasite’s capacity for infectious

transmission is impaired as a consequence of whatever increased its capacity for infectious transmission.) I know of no

experiments that demonstrate that the increase in virulence generated during a passage experiment is also reflected as

increased—transmissibility, as is necessary for the trade-off interpretation. Indeed, it may well be that an increase in the

case-mortality rate or a reduction in the LD

50

of a microparasite will be reflected as a reduction in its natural transmissibility.

4

I quote: “Severe immunodeficiency could develop in an old association [between a sexually transmitted virus or SIV and

its host] as a result of increases in sexual partner rates causing evolution of increased virulence” (p. 143, reference 6). “If

rates of unprotected sexual contact decline, so should the virulence of HIV” (p. 144, reference 6).

microparasites, the virulence of the microparasite,

as measured by either the rate at which it kills its

host or its LD

50

, is assumed to be directly propor-

tional to its rate of proliferation in that host, and

its rate of infectious transmission is directly pro-

portional to its within-host density (41). Under

these conditions, in the absence of superinfection

or mutation, selection favors microparasites with

intermediate rates of within-host replication, i.e.,

intermediate levels of virulence. More complex

situations, like the coexistence of microparasite

lineages with different levels of virulence, result

when virulence is proportional to the within-host

growth rate of the parasite and single hosts can be

infected with parasites of different growth rates

(43) or when there are high rates of mutation to

different levels of virulence within a host (45).

Moreover, with superinfection and mutation, the

theory developed in these two reports predicts that

the average level of virulence of a parasite in an

infected host can exceed that anticipated from

models that do not allow for superinfection and/or

assume that the parasite’s level of virulence in an

infected host remains invariant.

The Convergence of Theories

The predictions that can be made on the basis

of the current view of the evolution of virulence

differ from predictions that might follow conven-

tional wisdom because the new view allows for

natural selection in the parasite population to

favor the evolution and maintenance of some level

of virulence. Moreover, even when there is a posi-

tive association between a parasite’s virulence and

its transmissibility, under the conditions described

in the following paragraph, the predictions of new

methods can still converge with those of conven-

tional wisdom.

If the density of the sensitive host population is

regulated by the parasite, an extension of the

enlightened theory predicts that natural selection

in the microparasite population can lead to con-

tinuous declines in the level of virulence, possibly

to immeasurable values (46). Although not stated

in this general way, the same conclusion about

declining virulence can be drawn from models of

the epidemiology of HIV/AIDS (36, 37). During the

epidemic phase of a microparasitic infection, when

the host population is composed primarily of sus-

ceptible hosts, selection favors parasites with high

transmission rates and thus high virulence. As the

epidemic spreads, the proportion of infected and

immune hosts increases and the density of

susceptible hosts declines. As a result, the capacity

for infectious transmission becomes progressively

less important to the parasite’s Darwinian fitness

and persistence in the host population. Selection

now favors less virulent parasites that take longer

to kill their host and, for that reason, are main-

tained in the host population for more extensive

periods. Analogous arguments have been made for

the latent period of a bacteriophage infection (47),

the evolution of lysogeny (48), the tradeoff between

vertical and horizontal transmission (49, 50), and

the advantages of microparasite latency in general

(40).

Alternative Models for the Evolution of

Microparasite Virulence

For any microparasite, the rate of transmission

between hosts will always be a significant compo-

nent of fitness, and, if all else is equal, parasites

transmitted at higher rates in the host population

have a selective advantage over less transmissible

forms. On the other hand, there is no reason to

assume that in general a microparasite’s rate of

infectious transmission will be positively associ-

ated with its virulence. Moreover, even when there

is no relationship or a negative relationship be-

tween transmission and virulence, there are at

least two ways by which natural selection can lead

to the evolution and maintenance of virulence,

coincidental evolution (24) and short-sighted

within-host selection (51).

Coincidental Evolution

According to the coincidental evolution hy-

pothesis, parasite-mediated morbidity and mor-

tality are what Gould and Lewontin (52) likened

to the spandrels of gothic churches. While these

structural necessities may frame the frescos and

paintings within, that is not the reason for their

existence. They are architectural constraints.

Analogously, the factors responsible for the viru-

lence of a microparasite in an infected host may

have evolved for some purpose other than to pro-

vide the parasite an advantage within a host or its

transmission to other hosts.

It would be difficult to account for the evolution

of botulism toxin by selection favoring Clostridium

botulinum that kill people who eat improperly

canned food. The same argument could be made

for the toxins of C. tetanae and possibly for those

produced by other free-living Clostridia. Although

these organisms may proliferate in humans, they

Perspectives___Vol._2,_No._2—_April-June_1996__99'>Perspectives

Vol. 2, No. 2— April-June 1996

97

Emerging Infectious Diseases

are soil bacteria, and the effects of the toxin may

not contribute to their capacity to colonize, prolif-

erate, and be maintained in humans or to their

capacity to be transmitted between human hosts.

How many other microparasite-induced symp-

toms, and the resulting host morbidity and mor-

tality, provide no advantage to that microbe in (or

on) a host or its transmission between hosts? Did

the lipopolysaccharides and other components of

bacterial cell walls and cell membranes evolve

because the fitness of bacteria expressing them is

enhanced by “endotoxin”—induced overresponse

of the immune system responsible for the morbid-

ity and mortality of sepsis (53)? Do the toxins

confer an advantage on E. coli O157 or Staphylo-

coccus aureus (or the plasmids and phages that

code for these toxins) because they produce, some-

times lethal, symptoms in infected hosts,

hemolytic uremic and toxic shock syndromes, re-

spectively? An earlier paper on this subject (24)

argued that the adhesins produced by the E. coli

responsible for the morbidity of symptomatic uri-

nary tract infections evolved and are maintained

to facilitate colonization of the gut. The painful

symptoms of urinary tract infections generated by

an inflammatory response to these adhesins may

confer no advantage for the E. coli expressing

them in the urinary tract and may in fact lead to

the clearance of those bacteria (24).

Each of the symptom-inducing toxins and ad-

hesins described above, as well as many other

so-called “virulence determinants” (54) may in-

deed facilitate the microparasite’s ability to colo-

nize, proliferate, or be maintained in infected

hosts, and/or be transmitted between hosts. This

certainly sounds reasonable for many virulence

determinants, e.g., the somatic cell invasiveness

mechanisms of Shigella, the capsules of Strepto-

coccus, the diarrhea-inducing toxins produced by

Vibrio cholerae, and the sneezing and coughing

induced by rhinoviruses. On the other hand, it is

necessary to formally test this hypothesis that

these symptoms have that effect and reject the

alternative, that the morbidity and mortality gen-

erated by the expression of a specific virulence

determinant provides neither a within- or be-

tween-host (infectious transmission) advantage to

the parasite.

Short-Sighted Evolution

Natural selection is a local phenomenon. Char-

acters that confer a survival or replication advan-

tage on the individual organisms that express

them at a given time or in a given habitat will be

favored and evolve at that time and in that habitat.

Whether the expression of those temporally or

locally favored characters will increase or reduce

the fitness of that organism at other times or in

other habitats is irrelevant. Also irrelevant is

whether a locally favored character makes the

population better or less adapted to its environ-

ment at large or augments the likelihood of its

survival in the future. This myopia is a fundamen-

tal premise of the theory of evolution by natural

selection and the basis of the short-sighted evolu-

tion hypothesis for microparasite virulence (51).

Within an infected vertebrate host, mi-

croparasite populations go through many replica-

tion cycles and may achieve very high densities.

They may also reside and proliferate in many

different subhabitats (tissues and cells) and con-

front a variety of different and ever-changing con-

stitutive and inducible host defenses which may,

sequester, kill, or in other ways inhibit their pro-

liferation. As a consequence of classic mutation,

transposition, and recombination, genetic vari-

ability will be continually generated in the popu-

lations of infecting microbes. Mutant or

recombinant microparasites that are better able

to 1) avoid being done in or inhibited by the host’s

defenses; 2) proliferate in the host; or 3) invade and

replicate in novel habitats, tissues, and cells where

there is less competition from members of its spe-

cies would have an advantage in that host. This

would occur even when the expression of the char-

acters responsible for that local advantage reduces

likelihood of the transmission to other hosts.

Stated another way, the morbidity or mortality

caused by a microparasite infection could be the

result of the within-host evolution that is short-

sighted because that virulence actually reduces

the rate at which that parasite is transmitted to

other hosts.

Three examples of microparasite virulence that

could be products of this mode of evolution can be

considered (51). For two of these examples, bacte-

rial meningitis and poliomyelitis, many human

hosts are infected by the responsible mi-

croparasites, primarily Haemophilus influenzae,

Neisseria meningitidis, and Streptococcus pneu-

moniae for meningitis and poliovirus for poliomye-

litis, but very few manifest the symptoms of these

infections. In the case of meningitis, the neurologi-

cally debilitating and sometimes fatal symptoms

of the infection are a consequence of an inflamma-

tory response against the bacteria entering and

Perspectives___Vol._2,_No._2—_April-June_1996__101'>Perspectives

Emerging Infectious Diseases

98

Vol. 2, No. 2— April-June 1996

proliferating in the cerebral spinal fluid. These

meningitis-causing bacteria normally reside in

the nasopharyngeal passages and are transmitted

by droplet infection. The cerebrospinal fluid is, at

least with respect to their infectious transmission,

a dead end. On the other hand, bacteria capable of

invading and proliferating in that habitat could

have a local advantage as there are no other com-

peting populations and only modest defenses. An

analogous argument can be put forth for

poliovirus. Symptomatic infections with this virus

are caused by their invasion of and proliferation

in the neurologic tissue of the central nervous

system. Poliovirus normally replicates in the mu-

cosal cells of the mouth, throat, and intestines and

is transmitted by the oral-fecal route. Poliovirus

virions proliferating in the central nervous system

would almost certainly not be transmitted. The

evidence in support of short-sighted evolution for

the virulence of these specific microparasites is

mostly circumstantial (51). On the other hand,

short-sighted evolution for the virulence of specific

microparasites is a hypothesis that can be tested.

If the hypothesis is valid, the microparasites re-

sponsible for the symptoms would be genetically

different from their ancestors that infected the

host and better adapted for proliferation in the site

of the symptoms than the ancestors themselves.

The third example of short-sighted evolution of

virulence considered, HIV, is different from the

other two in that virtually every human infected

with this retrovirus that does not die of other

causes, eventually manifests and succumbs to

AIDS. However, although the case mortality of

HIV infection may approach unity, as measured by

the rate of mortality (deaths per unit of time), from

an epidemiologic perspective, HIV is not a very

virulent virus. There is substantial variation in

the time between infection and the onset of AIDS.

On average in industrialized countries, the term

of this infection is 8 to 10 years (55). During the

early phase of an HIV epidemic, most transmis-

sion of the virus occurs during the initial viremia,

probably before seroconversion and certainly be-

fore the onset of AIDS (37, 56). It is not at all clear

how the transmissibility of HIV virions during this

early phase of the infection is related to the time

of onset of AIDS. HIVs that are more transmissible

early in the infection may lead to an earlier onset

of AIDS. If this is the case and all else were equal,

increasing opportunities for transmission during

the epidemic phase would favor increases in HIV

virulence (36, 37). However, there may be no

association between HIV’s capacity to be transmit-

ted early and the time of onset of AIDS, or the time

until the onset of AIDS may increase with the

transmissibility of the virus during the early

phase of the infection. Under either of these con-

ditions, selection during the epidemic phase of the

disease would favor more transmissible but less

virulent HIVs.

In the course of HIV infection, the HIV popula-

tion undergoes continuous genetic changes. In

fact, in a number of hypotheses of HIV pathogene-

sis, AIDS is a consequence of mutation and selec-

tion in the HIV population that occurs during the

course of the infection in individual hosts (57-60),

i.e., short-sighted, within-host evolution. Albeit

different in their details, all of these hypotheses

are consistent with what is known about HIV

infection, and all can account for the course of

these infections and variable time of onset of AIDS.

Experimental Evolution Meets Experimental

Epidemiology

Results of recent studies by population and

evolutionary biologists predict at least three ways

by which the virulence of microparasites can be

favored and will be maintained by natural selec-

tion. 1) Direct selection: there is a positive relation-

ship between the parasite’s virulence and its rate

of infectious transmission; 2) coincidental

evolution: the parasite’s virulence is due to char-

acter(s) favored and maintained by selection for

some other function and the expression of those

virulence determinants in an infected host does

not confer a net advantage or disadvantage in the

parasite population at large; and 3) short-sighted,

within-host, evolution: the parasites responsible

for the morbidity and mortality of an infection are

selected for within the host because of a local

advantage, and that evolution reduces the rate at

which that locally adapted parasite is transmitted

between hosts.

At this time, these predictions are based almost

entirely on general theory and retrospective inter-

pretations of epidemiologic and other observations

about specific microparasites. Although this the-

ory and these interpretations may be appealing, in

a formal Popperian sense (61), almost all the

mechanisms postulated for the evolution of viru-

lence of specific microparasites are no more than

untested hypotheses. However, unlike most evolu-

tionary hypotheses, those about the evolution of

microparasite virulence can be tested and rejected

with prospective, experimental studies with

Perspectives

Vol. 2, No. 2— April-June 1996

99

Emerging Infectious Diseases

laboratory animal and plant hosts. These tests

could be at two levels; first, tests of the validity of

the assumptions behind these models of the evo-

lution of virulence and second by tests of the

predictions made from the consideration and

analysis of these models.

For the direct selection hypothesis, it is essen-

tial to demonstrate a positive relationship be-

tween a microparasite’s virulence and its rate of

(or capacity for) infectious transmission. For mam-

malian hosts, protocols exist for determining this

relationship (30-32). The object would be to esti-

mate the densities of microbes at the sites of

transmission (e.g., feces, nasal passages) during

the entire course of the infection. Moreover, it

would be useful to separately test the colonization

ability and virulence of the microbes from these

sites. According to the coincidental evolution hy-

pothesis, it is possible that the virulence determi-

nant responsible for morbidity and mortality in

the host provides a local advantage to the parasite

expressing it; whether it does or not could be tested

with competition experiments between strains of

that microparasite that are isogenic save for that

virulence determinant. The genetic basis of many

virulence determinants are known, and it should

be possible to construct these strains. However,

unlike in the direct selection hypothesis, in coinci-

dental evolution, microbes expressing the viru-

lence determinants should not be over represented

at the sites of infectious transmission. Under the

short-sighted evolution hypothesis, microbes iso-

lated from the tissues and organs responsible for

the symptoms of the infection (e.g., in the cerebro-

spinal fluid) should be better adapted for prolifera-

tion in those organs and tissues than the originally

infecting strain from which they were derived.

This could be tested with pairwise competition

experiments between the original and potentially

evolved strains injected at the site of the symp-

toms with a common, genetically marked competi-

tor of that parasite. Here, too, it is necessary to

demonstrate that the strain responsible for the

symptoms is not overrepresented at the site of

infectious transmission.

To test the prediction of the direct selection

hypothesis and to exclude that mechanism in tests

of the coincidental and short-sighted alternatives,

it is necessary to study the epidemiology of the

microparasites as well as their within-host prop-

erties. For bacteriophages and bacteria this is a

relatively easy task, e.g., testing Abedon’s hy-

pothesis (47) about the direct relationship be-

tween the density of sensitive bacteria and

selection for latent period length (a measure of

virulence) and burst size (a measure of transmis-

sibility). For eukaryotic hosts, this kind of study is

going to be more difficult and, at this time, may not

be possible. The basic protocols for experimental

studies of the epidemiology of bacterial and viral

infections of laboratory mice were developed and

successfully employed a long time ago (32, 62).

5

However, experiments of these types are costly,

labor-intensive, and time-consuming, and because

of concerns about animal rights, it may be difficult

to get permission to do these experiments with

mice or other higher vertebrates. On the other

hand, experiments of this type with insects and

other invertebrate animal hosts as well as plants

would be tenable and valuable as tests of the

general theory, albeit less immediately relevant to

the evolution and maintenance of virulence in

human pathogens.

Acknowledgments

I thank Marc Lipsitch, Deiter Ebert, Jim Bull, David

Thaler, and Tomoko Steen for reading this manuscript and

for many insightful comments and suggestions, most of

which I agreed with and a few of which I’ve incorporated.

This endeavor was supported by a grant from the National

Institutes of Health, GM33782.

Dr. Levin is professor of biology at Emory

University and director of the Graduate Program

in Population Biology Ecology and Evolution.

Perspectives

Emerging Infectious Diseases

100

Vol. 2, No. 2— April-June 1996

5

Greenwood and colleagues (32), studied microparasites with different transmissibilities (“infectivity”) and virulence.In one

replica of their study of pasteurellosis (due to infections with a bacterium they call Pasturella muriseptica in experimental

populations of mice, they report “the appearance of a variant that had gained infectivity and retained, or perhaps increased,

its original virulence.” However, in general, their study and Fenner’s (62) provide little information about the direction of

natural selection in these microparasite populations. With respect to evolutionary questions, these were wait-and-see

experiments. Only one strain of microparasite was introduced into each population, and it was necessary to wait for mutations

that changed their virulence or transmissibility. More information about the direction of selection and a better test of these

evolutionary hypotheses could be obtained in these types of experiments if two or more genetically marked strains of

microparasites with different virulence and transmissibility were introduced simultaneously and were allowed to compete.

He is a population and evolutionary biologist, who,

like a number of others of his ilk, recently

discovered infectious disease. Currently he and the

postdoctoral fellows and students working with

him are doing theoretical (mathematical

modeling) and experimental research on the

within-host population dynamics of bacterial

infections and their treatment, and the

e p i d e m i o l o g y, p o p u l a t i o n g e n e t i c s a n d

evolution of antibiotic resistance.

References

1. Schrag S, Wiener P. Emerging infectious diseases:

what are the relative roles of ecology and evolution?

Trends in Ecology and Evolution 1995; 10: 319-23.

2. Wallace B. Can “stepping stones” form stairways?

American Naturalist 1989; 133: 578-79.

3. Darwin C. The descent of man and selection in relation

to sex. New York: Random House, Modern Library,

1871 (reprinted 1960).

4. Haldane JBS. Disease and evolution. La Ricerca

Scientifica 1949; 19:68-76.

5. Garnett GP, Antia R. Population biology of virus-host

interactions. In: Morse SS, editor. The evolutionary

biology of viruses. New York: Raven Press, 1994:51-73.

6. Ewald PW. The evolution of infectious disease. Oxford,

UK: Oxford University Press, 1994.

7. Bull JJ. Virulence. Evolution 1994; 48:1423-37.

8. Frank SA. Models of parasite virulence. Q Rev Biol

1996;71:37-78.

9. Dubos R. Man adapting. New Haven, CT: Yale Univer-

sity Press, 1965.

10. Burnet FM, White DO. Natural history of infectious

diseases. Cambridge, UK: Cambridge University

Press, 1972.

11. Mims C, Dimmock N, Nash A, Stephen J. Mims’ patho-

genesis of infectious disease. 4th ed. San Francisco:

Academic Press, 1995.

12. May RM, Anderson RM. Parasite host coevolution. In:

Futuyama DJ, Slatkin M, editors. Coevolution. Sun-

derland, MA: Sinauer, 1983:186-206.

13. Essex M, Kanki PJ. The origin of the AIDS virus. Sci

Am 1988; 259: 64-100.

14. Leigh Brown AJ. Holmes EC. Evolutionary biology of

the human inmunodeficiency virus. Annual Review of

Ecology and Systematics 1994; 25:127-62.

15. Davis BD, et al. Microbiology. 4th ed. Philadelphia:

Lippincott, 1990.

16. Waters AP. Higgins DG, McCutchan TF. Plasmodium

falciparum appears to have arisen as a result of

lateral transfer between avian and human hosts. Proc

Natl Acad Sci USA 1991; 88: 3140-4.

17. Allison MR, Mendoza O, Pezziam A. Documentation

of a case of tuberculosis in pre-Columbian America.

Am Rev Resp Dis 1973; 107: 985.

18. Bates JH, Stead WW. The history of tuberculosis as a

global epidemic. Med Clin North Am 1993; 77: 1205-

17.

19. Allison AC. Protection afforded by sickle cell trait

against malarial infection. Br Med J 1954; 2:290-4.

20. Luzzatto L, Usanga EA, Shunmugam R. Glucose 6-

phosphate dehydrogenase deficient red cells: resis-

tance to infection with malarial parasites. Science

1969; 164: 839-41.

21. Miller LH, Mason SJ, David FC, McGinnis MH. The

resistance factor to Plasmodium vivax in Blacks. N

Engl J Med 1976; 295:302-4.

22. Hill AVS, Allsopp CEM, Kwaitkowski D, Ansty NM,

Twumasi P, Rowe PA, et al. Common West African

HLA antigens are associated with protection from

severe malaria. Nature 1991; 252:595-600.

23. Lurie MB. Resistance to tuberculosis: experimental

studies of native and acquired defensive mechanisms.

Cambridge, MA: Harvard University Press, 1964.

24. Levin BR, Svanborg-Eden C. Selection and the evolu-

tion of virulence in bacteria: an ecumenical excursion

and modest suggestion. Parasitology 1990; 100:S103-

15.

25. Anderson RA, May RM. Infectious diseases of hu-

mans: dynamics and control. Oxford, UK; Oxford Uni-

versity Press, 1991: vii, 757.

26. Anderson RM, May RM. Co evolution of hosts and

parasites. Parasitology 1982; 85:411-26.

27. Levin BR, Alison AC, Bremermann HJ, Cavali-Storza

LL, Clarke BC, Frentzel-Beymem R, et al. Evolution

of parasites and hosts (group report). In: Anderson

RM, May RM, editors. Population biology of infectious

diseases. Berlin: Springer, 1982:212-43.

28. Fenner F, Cairns J. Variation in virulence in relation

to adaptation to new hosts. In: Burnet FM, Stanley

WM, editors. The viruses: biochemical biological and

biophysical properties. New York: Academic Press,

1959:225-49.

29. Fenner F, Ratcliffe FN. Myxomatosis. Cambridge, UK:

Cambridge University Press, 1965.

30. Fenner FM, Day MF, Woodroofe GM. Epidemiological

consequences of the mechanical transmission of

myxoma by mosquitoes. Journal of Hygiene 1956;

54:284-303.

31. Mead-Briggs AR, Vaughan JA. The differential trans-

missibility of myxoma virus strains of differing viru-

lence grades by the rabbit flea Spilopsyllus cuniculi

(Dale). Journal of Hygiene 1975; 75:237-47.

32. Greenwood M, Hill AB, Topley WWC, Wilson J. Experi-

mental epidemiology. London: Medical Research

Council, 1936:209:1-204.

33. Herre EA. Population structure and the evolution of

virulence in nematode parasites in fig wasps. Science

1993; 259:1442-5.

34. Ebert D. Virulence and local adaptation of a horizon-

tally transmitted parasite. Science 1994; 265:1084-6.

35. Ewald PW. Host parasite relations, vectors, and the

evolution of disease severity. Annual Review of Ecol-

ogy and Systematics 1983; 14:465-85.

36. Lipsitch M, Nowak ML. The evolution of virulence in

sexually transmitted HIV/AIDS. J Theor Biol 1995;

174:427-40.

37. Levin BR, Bull JJ, Stewart FM. The intrinsic rate of

increase in HIV/AIDS: epidemiological and evolution-

ary implications. Math Biosci 1996; 132:69-96.

38. Levin BR, Lenski RE. Coevolution of bacteria and

their viruses and plasmids. In: Futuyama DJ, Slatkin

M, editors. Coevolution. Sunderland, MA: Sinauer

Associates, 1983:99-127.

Perspectives

Vol. 2, No. 2— April-June 1996

101

Emerging Infectious Diseases

39. Bull JJ, Molineux IJ, Rice WR. Selection of benevo-

lence in a host parasite system. Evolution 1991;

45:875-82.

40. Sasaki A, Iwasa Y. Optimal growth schedule of patho-

gens within a host: switching between lytic and latent

cycles. Theor Popul Biol 1991; 39:201-39.

41. Antia R, Levin BR, May RM. Within-host population

dynamics and the evolution and maintenance of mi-

croparasite virulence. American Naturalist 1994;

144:457-72.

42. Bonhoeffer SA, Nowak MA. Mutation and the evolu-

tion of virulence. Proc R Soc Lond B Biol Sci 1994;

258:133-40.

43. Nowak MA, May RM. Superinfection and the evolu-

tion of parasite virulence. Proc R Soc Lond B Biol Sci

1994; 255:81-5

44. Koella JC, Antia RN. Optimal pattern of replication

and transmission for parasites with two stages in

their life cycle. Theor Popul Biol 1995; 41:277-91.

45. Bonhoeffer S, Nowak MA. Intra-host versus inter-host

selection: viral strategies of immune function impair-

ment. Proc Nat Acad Sci USA 1994; 91:8062-6.

46. Lenski RE, May RM. The evolution of virulence in

parasites and pathogens: reconciliation between two

competing hypotheses. J Theor Biol 1994; 169:253-65.

47. Abedon ST. Selection for bacteriophage latent period

length by bacterial density: a theoretical examination.

Microbial Ecology 1989; 18:79-88.

48. Stewart FM, Levin BR. The population biology of

bacterial viruses: why be temperate? Theor Popul Biol

1984; 26:93-117.

49. Lipsitch M., et al. The population dynamics of vertical

and horizontally transmitted parasites. Proc R Soc

Lond B Biol Sci 1995; 260:321-7.

50. Lipsitch M, Siller S, Nowak MA. The evolution of

virulence in pathogens with vertical and horizontal

transmission. Evolution 1996 (in press).

51. Levin BR, Bull JJ. Short-sighted evolution and the

virulence of pathogenic microorganisms. Trends Mi-

crobiol 1994; 2:76-81.

52. Gould SJ, Lewontin RC. The spandrels of San Marco

and the pangalossian paradigm: a critique of the

adaptationist programme. Proc R Soc Lond B Biol Sci

1979; 205:581-98.

53. Whitnack E. Sepsis. In: Schaechter M, Medhoff G,

Eisenstein BI, editors. Mechanisms of microbial dis-

ease. Baltimore: Williams & Wilkins, 1993: 770-8.

54. Finlay BB, Falkow S. Common themes in microbial

pathogenicity. Microbiol Rev 1989; 52:210-30.

55. Fauci AS. Multifactorial nature of human immunode-

ficiency virus disease: implications for therapy. Sci-

ence 1993; 262:1008-11.

56. Jacques A, Koopman JS, Simon CP, Longini IM. The

role of primary infections in epidemics of HIV infec-

tions in gay cohorts. J Acquir Immune Defic Syndr

1994; 7:1169-84.

57. Nowak MA, Anderson RM, McLean AR, Wolfs TFW,

Goudsmit J, May RM. Antigenic diversity thresholds

and the development of AIDS. Science 1991; 254:963-

9.

58. McLean AR. The balance of power between HIV and

the immune system. Trends Microbiol 1993; 1:9-13.

59. Mittler JM, Antia R, Levin BR. Population dynamics

of HIV pathogenesis. Trends in Ecology and Evolution

1995; 10:224-7.

60. Mittler JM, Levin BR, Antia R. T-cell homeostasis,

competition and drift: AIDS as HIV-accelerated senes-

cence of the immune repertoire. J Acquir Immune

Defic Syndr Hum Retrovirol (in press).

61. Popper KR. The logic of scientific discovery. New York:

Harper, 1965: 479.

62. Fenner F. The epizootic behaviour of mousepox (infec-

tious ectromelia of mice) II. The course of events in

long-continued epidemics. J Hygiene 1948; 46:383-93.

Perspectives

Emerging Infectious Diseases

102

Vol. 2, No. 2— April-June 1996