Myrer lever 10 gange længere ved at ændre deres insulinrespons

Dyr, der producerer mange afkom, har en tendens til at have korte liv, mens mindre produktive arter har en tendens til at leve længere. Kakerlakker lægger hundredvis af æg, mens de lever mindre end et år. Mus får dusinvis af babyer i løbet af deres leveår eller to. Pukkelhvaler producerer kun én kalv hvert andet eller tredje år og lever i årtier. Tommelfingerreglen synes at afspejle evolutionære strategier, der kanaliserer ernæringsressourcer enten til at reproducere hurtigt eller til at blive mere robust for en langsigtet fordel.

Men myredronninger kan få det hele. Hos nogle myrearter lever dronninger mere end 30 år, mens de lægger de tusinder og atter tusinder af æg, der bliver alle arbejderne i reden. I modsætning hertil lever arbejdsmyrer, som er hunner, der ikke formerer sig, kun måneder. Men hvis omstændighederne kræver det, kan arbejderne af nogle arter rykke op for at blive pseudo-dronninger til gavn for reden - og for at høste en betydelig forlængelse af deres levetid.

Hvad der styrer denne gigantiske rækkevidde i myrernes levetid er dårligt forstået, men to nyere undersøgelser har afsløret vigtige detaljer om, hvad der gør myrernes levetid så fleksibel. In Videnskab, viste forskere ved New York University, at nogle myredronninger producerer et protein, der undertrykker insulins ældningseffekt, så de kan indtage al den ekstra mad, der er nødvendig til deres æglægning, uden at forkorte deres liv. Og i et fortryk For nylig offentliggjort på biorxiv.org-serveren beskrev forskere i Tyskland en parasit, der i høj grad forlænger livet for dens myreværter ved at udskille en rig cocktail af antioxidanter og andre forbindelser. Begge undersøgelser tilføjer beviserne for, at organismers observerede levetid ikke har meget at gøre med begrænsninger pålagt af deres gener.

"De fleste undersøgelser om aldring er udført på modelorganismer, som har meget korte levetider," sagde Laurent Keller, professor i økologi og evolution ved universitetet i Lausanne i Schweiz. Sociale insekter, forklarede han, tilbyder fascinerende muligheder for at studere betydningen af ​​genekspression i aldring, fordi dronningen og arbejderne i en koloni ofte har det samme genom, men adskiller sig i deres levetid med en størrelsesorden. (For to årtier siden viste Keller, at myredronninger lever omkring 100 gange så længe som de forfædres ensomme insekter, som myrer udviklede sig fra.)

Og fordi arbejderne er kortvarige, "kan du prøve at finde ud af, hvordan du får dem til at leve længere," sagde Arjuna Rajakumar, en postdoc-stipendiat, der nu studerer de reproduktive begrænsninger på arbejdsmyrer på Whitehead Institute ved Massachusetts Institute of Technology, efter at have afsluttet sit kandidatarbejde ved McGill University. Den spændende mulighed er, at de metaboliske mekanismer, der forlænger insekternes liv, også kan gælde for andre arter, herunder mennesker. "Vi vil gerne forstå, hvordan du får noget til at leve længere, ikke [bare] hvorfor noget lever så længe," sagde han.

Spis mere, mens du bliver mindre

I årtier har undersøgelser peget på insulin og det biokemiske signalsystem, som det aktiverer som nøgleregulatorer for aldring. Insulin påvirker, hvordan kroppens celler optager og bruger sukkeret glukose, så det har en fundamental indflydelse på mængden af ​​energi, der er tilgængelig for celler til vækst, reproduktion og reparation. I processen regulerer det også dannelsen af ​​potentielt skadelige frie radikaler og andre oxiderende molekyler, der er biprodukter af stofskiftet. Mange forskere har mistanke om, at det er grunden til, at kaloriebegrænsende diæter, som holder insulinniveauet lavt, ser ud til at forlænge levetiden hos mange arter.

Desuden synes insulin at have øget betydning for myrer. For flere år siden, arbejde ledet af den evolutionære biolog Daniel Kronauer på Rockefeller University viste, at ændringer i hvordan myrer reagerer på insulin synes at have lokket dem til at udvikle altruistiske kolonisamfund med reproduktive dronninger og ikke-reproduktive arbejdere.

Så for fire år siden, hvornår Vikram Chandra was a graduate student at Rockefeller University studying the differences between ant queens and workers, insulin was very much on his mind. He and Ingrid Fetter-Pruneda, a postdoctoral fellow in the lab at the time, co-led a team that looked at gene expression in seven ant species and concluded that more insulin signaling occurred in the brains of the queens than in the workers. When they injected worker ants with insulin, it activated their dormant ovaries and triggered egg development. According to Kronauer, who oversaw the study, these findings showed that insulin signaling caused the ants to become reproductive.

Den opdagelse lagde grundlaget for nyt arbejde udført som led i et langsigtet samarbejde mellem biologerne Claude Desplan , Danny Reinberg ved New York University. De viste, at evolutionen har omkoblet nogle komponenter af insulinsignalvejen hos myrer på måder, der kunne forklare, hvorfor dronningerne lever længere.

Desplan og Reinberg studerede indiske springmyrer (Harpegnathos saltator), hvis dronninger lever omkring fem år, og hvis arbejdere kun lever omkring syv måneder. Men hos denne art er denne forskel i levetid ikke sat i sten. Hvis en dronning dør eller bliver fjernet fra kolonien, fornemmer arbejderne ændringen næsten øjeblikkeligt fra forsvinden af ​​hendes duft. Nogle af dem bliver så "gamergates" (pseudo-queens), der duellerer for at dominans skal tage hendes plads. Til sidst overtager en håndfuld sejrrige gamergates - normalt mellem tre og fem - i fællesskab dronningens rolle som æglæggere for kolonien. Andre arbejdere "politierer" derefter eventuelle overflødige gamergates, og tvangsundertrykker dem fra at lægge æg.

Gamergatenes adfærd er dog ikke det eneste, der ændrer sig: De udvikler funktionelle æggestokke og kan lægge æg - og deres levetid strækker sig til tre eller fire år. Fordi gamergates ikke er så produktive som dronninger, tager det normalt fra tre til fem af dem at erstatte dronningens produktion af æg. Hvis en gamergate introduceres i en koloni, hvor en dronning bor, vender gamergate tilbage til at være en arbejder, og hendes levetid forkortes.

Når en arbejder bliver en gamergate, ændres hendes stofskifte. Hun spiser mere, og den resulterende stigning i hendes insulinniveauer udløser udviklingen af ​​hendes æggestokke. Hun bruger maden til at lave lipider, der er pakket ind i æggene. Men fra tidligere undersøgelser af insulin og aldring havde NYU-forskerne forventet, at større insulinsignalering ville være forbundet med en kortere levetid, ikke længere.

Forskerne fandt svaret skjult i detaljerne om insulinsignalering. Når insulin binder til sin receptor på en celleoverflade, udløser det kaskader af reaktioner inde i cellen, herunder to forskellige kemiske veje. Den ene vej aktiverer et enzym kaldet MAP-kinase og er afgørende for metabolisme og ovarieudvikling. Den anden vej undertrykker en transkriptionsfaktor, der synes at fremme en længere levetid. Til forskernes overraskelse fandt de ud af, at MAP-kinase-vejen var aktiv, men den anden var ikke aktiv, da de så på æggestokken og fedtlegemet (som nogenlunde svarer til pattedyrsleveren) i gamergates.

Yderligere arbejde viste, at gamergatenes æggestokke stærkt udtrykte et protein, Imp-L2, der ignorerede MAP-kinasevejen, men interfererede med den anden vej i fedtkroppen. "Dette protein ser ud til at have funktionen at beskytte en vej, der tillader metabolisme, men hæmmer den vej, der fører til aldring," sagde Desplan.

Andre forskere påpeger, at den nye undersøgelse ikke endegyldigt viser, at Imp-L2 påvirker levetiden: Desplan og Reinberg testede ikke direkte, om aktivering af proteinet i arbejdere ville få dem til at leve længere, eller om hæmning af det i gamergates ville få dem til at dø før. Sådanne eksperimenter er udfordrende, fordi de kan nødvendiggøre injicering af myrerne med insulinhæmmere i måneder eller år.

Ikke desto mindre er Desplan og Reinbergs forslag om, at myrerne manipulerer de forskellige grene af insulinsignalsystemet, "en virkelig plausibel, interessant hypotese," sagde Chandra, som i øjeblikket er postdoktor ved Harvard University. "Hvis det stimulerer flere laboratorier til at prøve at teste dette, ville det være meget fedt."

Da det er lettere at udføre genetiske eksperimenter på frugtfluer end på myrer, ser Desplans team nu, om de kan forlænge levetiden på Drosophila frugtfluer ved at aktivere deres udtryk for Imp-L2. En dag håber Desplan også at prøve eksperimentet i mus. "Vi har en masse spændende arbejde at gøre," sagde han.

Parasitten, der forlænger livet

I en mærkelig drejning ser det ud til, at naturen allerede har kørt sin egen version af et lignende eksperiment i en anden art. Forskere i Tyskland opdagede for nylig, at en parasitisk bændelorm har udviklet evnen til at manipulere myrernes ekstreme plasticitet til sin egen fordel.

Bændelormen skal tilbringe en del af sit liv inde i agernmyrer (Temnothorax nylanderi), som får deres navne fra de reder, de bygger inde i individuelle agern. Når arbejderne går ud for at fouragere, spiser de nogle gange et bændelormæg og bliver smittet. Men for at fuldende sin livscyklus skal bændelormen også inficere en spætte, og den mulighed får den, når spætter spiser myrernes agernhjem.

For et par år siden, Sara Beros, en studerende i laboratoriet i Susanne Foitzik på Johannes Gutenberg Universitetet i Mainz i Tyskland, åbnede nogle agernmyrereder og gjorde den mærkelige opdagelse, at mens alle de uinficerede arbejdere døde under deres observationsmåneders, så gjorde de inficerede det ikke. (De parasiterede myrer er nemme at identificere, fordi deres farve skifter fra brun til gul.) Da Beros fortalte Foitzik om det, husker Foitzik, at han tænkte: "Det er ikke muligt. Alt dør." Men Beros var insisterende, "og så vi undersøgte det ordentligt."

I arbejde blev præsenteret sidste sommer på et møde i International Union for the Study of Social Insects og offentliggjort lige før jul på biorxiv.org preprint server, Foitziks team viste, at under bændelormens larvestadie hos myrer pumper den proteiner ind i myrens ækvivalent til blod (hæmolymfe), som dramatisk forlænger arbejderens levetid. I modsætning til de indiske springmyrer udvikler agernmyrer sig normalt ikke til gamergates, så parasittens forlængelse af deres liv har ingen naturlig præcedens.

"Effekten er super stærk," sagde Kronauer. I løbet af det treårige forsøg levede inficerede arbejdere fem gange så længe som uinficerede og viste dødelighedsrater så lavt som dronningernes. Parasittens manipulation forlængede arbejdernes levetid så meget, "at du dybest set ikke kan skelne den fra en dronnings," sagde han.

Selvom de inficerede agernmyrearbejdere ikke bliver reproduktive, bliver de mere dronningeagtige i flere henseender, sagde Foitzik: De arbejder mindre og trækker mere opmærksom pleje fra uinficerede arbejdere i kolonien. Hvis dronningen fjernes fra reden, er de også de første arbejdere, der udvikler æggestokke.

Foitzik og hendes team fandt ud af, at bændelormlarverne producerer og udskiller mere end 250 proteiner i hæmolymfen fra de inficerede myrer - nok til at udgøre omkring 7% af alle de cirkulerende proteiner. De fleste af proteinerne er ikke blevet karakteriseret, men to af dem kan identificeres som antioxidanter. "Så det ser ud til, at [båndormen] frigiver antioxidanter til myren, og dette kan øge levetiden," sagde hun.

Da Foitzik og hendes team målte ændringer i genekspression i de parasiterede myrer, fandt de ud af, at de inficerede myrer også lavede flere antioxidanter. Desuden udtrykte dronningerne og de inficerede arbejdere mere af et gen kaldet sølv, men det var de uinficerede arbejdere ikke. Forskere har tidligere forbundet sølv gen til en forlænget levetid hos frugtfluer.

Selvom det er klart, at en række udviklingsmæssige og metaboliske ændringer opstår, når arbejdere bliver mere dronningeagtige, er det svært at skille ad, hvilken af ​​ændringerne der er vigtigst for at forlænge levetiden. Insulin og antioxidanter er vigtige, men Keller mener, at mange andre faktorer sandsynligvis også spiller en rolle. "Så jeg tror, ​​at der ikke ville være en enkelt vej, der blot ville forklare forskellen i levetid - du skal sandsynligvis ændre mange ting," sagde han.

Keller mener, at resultaterne om parasitterne er fascinerende, fordi parasitter typisk forkorter snarere end forlænger livet. Men i dette tilfælde ser forlængelsen af ​​myrens levetid også ud til at være adaptiv for parasitten: bændelormen skal forblive i den inficerede myre længe nok til, at en spætte kan finde agernet og spise det. Hvis arbejderen dør inden da, dør bændelormen med den. Ved at forlænge arbejderens levetid med år, forbedrer bændelormen chancerne for, at en spætte i sidste ende vil dukke op. Overfloden af ​​antioxidanter i hæmolymfen kan også hjælpe bændelorms larver til at leve, så længe deres værter gør.

"Her udnytter parasitten en social vært," forklarede Foitzik. Det ville ikke give mening at snylte ensomme hvirvelløse dyr, fordi de aldrig lever så længe. "Men i et socialt insekt, hvor dronningerne allerede bor i sikkerheden i reden i 20 år, kan du spille den slags trick."

Rettelse: 10. januar 2023
An earlier version of this article neglected to mention the contributions of Fetter-Pruneda to the study with Chandra on differences in gene expression between ant castes.