Ameisen leben 10-mal länger, indem sie ihre Insulinreaktionen verändern

Tiere, die viele Nachkommen hervorbringen, haben in der Regel ein kurzes Leben, während weniger produktive Arten in der Regel länger leben. Kakerlaken legen Hunderte von Eiern, während sie weniger als ein Jahr leben. Mäuse haben Dutzende von Babys während ihrer ein oder zwei Lebensjahre. Buckelwale produzieren nur alle zwei oder drei Jahre ein Kalb und leben jahrzehntelang. Die Faustregel scheint evolutionäre Strategien widerzuspiegeln, die Nahrungsressourcen entweder in eine schnelle Reproduktion lenken oder für einen langfristigen Vorteil robuster werden.

Aber Ameisenköniginnen können alles haben. Bei einigen Ameisenarten leben Königinnen mehr als 30 Jahre, während sie Tausende und Abertausende von Eiern legen, die zu allen Arbeiterinnen im Nest werden. Im Gegensatz dazu leben Arbeiterameisen, die Weibchen sind, die sich nicht fortpflanzen, nur Monate. Doch wenn es die Umstände erfordern, können die Arbeiterinnen einiger Arten zum Wohle des Nestes zu Pseudoköniginnen werden – und eine erhebliche Verlängerung ihrer Lebensspanne einfahren.

Was diese gigantische Bandbreite an Ameisenlebensdauer bestimmt, ist kaum bekannt, aber zwei kürzlich durchgeführte Studien haben wichtige Details darüber enthüllt, was die Lebensspanne von Ameisen so flexibel macht. In Wissenschaft, zeigten Forscher der New York University, dass einige Ameisenköniginnen ein Protein produzieren, das den Alterungseffekt von Insulin unterdrückt, sodass sie die gesamte zusätzliche Nahrung zu sich nehmen können, die sie für ihre Eiablage benötigen, ohne ihr Leben zu verkürzen. Und in ein Preprint Kürzlich auf dem Server biorxiv.org veröffentlicht, beschrieben Forscher in Deutschland einen Parasiten, der das Leben seiner Ameisenwirte erheblich verlängert, indem er einen reichhaltigen Cocktail aus Antioxidantien und anderen Verbindungen absondert. Beide Studien ergänzen den Beweis, dass die beobachtete Lebensdauer von Organismen wenig mit Einschränkungen zu tun hat, die ihnen durch ihre Gene auferlegt werden.

„Die meisten Studien über das Altern werden an Modellorganismen durchgeführt, die eine sehr kurze Lebensdauer haben“, sagte er Laurent Keller, Professor für Ökologie und Evolution an der Universität Lausanne in der Schweiz. Soziale Insekten, erklärte er, bieten faszinierende Möglichkeiten, die Bedeutung der Genexpression für das Altern zu untersuchen, da die Königin und die Arbeiterinnen in einer Kolonie oft das gleiche Genom haben, sich aber in ihrer Lebensdauer um eine Größenordnung unterscheiden. (Vor zwei Jahrzehnten zeigte Keller, dass Ameisenköniginnen etwa 100-mal so lange leben wie die einsamen Insekten der Vorfahren, aus denen sich die Ameisen entwickelt haben.)

Und weil die Arbeiter kurzlebig sind, „kann man versuchen, herauszufinden, wie man sie länger leben lässt“, sagte er Arjuna Rajakumar, ein Postdoktorand, der jetzt am Whitehead Institute des Massachusetts Institute of Technology die Fortpflanzungsbeschränkungen für Arbeiterameisen untersucht, nachdem er kürzlich seine Doktorarbeit an der McGill University abgeschlossen hat. Die spannende Möglichkeit ist, dass die Stoffwechselmechanismen, die das Leben der Insekten verlängern, auch für andere Arten, einschließlich Menschen, gelten könnten. „Wir wollen verstehen, wie man etwas länger leben lässt, nicht [nur] warum etwas so lange lebt“, sagte er.

Mehr essen, während man weniger altert

Seit Jahrzehnten weisen Studien darauf hin, dass Insulin und das biochemische Signalsystem, das es aktiviert, Schlüsselregulatoren des Alterns sind. Insulin beeinflusst, wie Körperzellen den Zucker Glukose aufnehmen und verwenden, und hat somit einen grundlegenden Einfluss auf die Menge an Energie, die den Zellen für Wachstum, Reproduktion und Reparatur zur Verfügung steht. Dabei reguliert es auch die Bildung potenziell schädlicher freier Radikale und anderer oxidierender Moleküle, die Nebenprodukte des Stoffwechsels sind. Viele Forscher vermuten, dass dies der Grund dafür ist, dass kalorienreduzierte Diäten, die den Insulinspiegel niedrig halten, bei vielen Arten die Lebensspanne zu verlängern scheinen.

Darüber hinaus scheint Insulin eine zusätzliche Bedeutung für Ameisen zu haben. Vor einigen Jahren wurde die Arbeit von dem Evolutionsbiologen geleitet Daniel Kronauer an der Rockefeller University zeigte, dass Veränderungen in Wie Ameisen auf Insulin reagieren scheinen sie überredet zu haben, altruistische Kolonialgesellschaften mit reproduktiven Königinnen und nicht-reproduktiven Arbeiterinnen zu entwickeln.

Also vor vier Jahren, als Vikram Chandra Als Doktorand an der Rockefeller University die Unterschiede zwischen Ameisenköniginnen und Arbeiterinnen untersuchte, beschäftigte ihn Insulin stark. Er und Ingrid Fetter-Pruneda, damals Postdoktorand im Labor, war Co-Leiter eines Teams, das die Genexpression bei sieben Ameisenarten untersuchte und zu dem Schluss kam, dass im Gehirn der Königinnen mehr Insulinsignale stattfanden als bei den Arbeiterinnen. Als sie Arbeiterameisen Insulin injizierten, aktivierte es ihre ruhenden Eierstöcke und löste die Eientwicklung aus. Laut Kronauer, der die Studie beaufsichtigte, zeigten diese Ergebnisse, dass die Insulinsignalisierung die Fortpflanzung der Ameisen veranlasste.

Diese Entdeckung legte den Grundstein für neue Arbeiten, die im Rahmen einer langfristigen Zusammenarbeit zwischen den Biologen durchgeführt wurden Claude Desplan und Danny Reinberg an der New York University. Sie zeigten, dass die Evolution einige Komponenten des Insulin-Signalwegs bei Ameisen auf eine Weise neu verdrahtet hat, die erklären könnte, warum die Königinnen länger leben.

Desplan und Reinberg untersuchten indische Springameisen (Harpegnathos Saltator), deren Königinnen etwa fünf Jahre und deren Arbeiterinnen nur etwa sieben Monate leben. Aber bei dieser Art ist dieser Unterschied in der Lebensdauer nicht in Stein gemeißelt. Wenn eine Königin stirbt oder aus der Kolonie entfernt wird, spüren die Arbeiterinnen die Veränderung fast sofort am Verschwinden ihres Geruchs. Einige von ihnen werden dann zu „Gamergates“ (Pseudoköniginnen), die um die Vorherrschaft kämpfen, um ihren Platz einzunehmen. Schließlich übernimmt eine Handvoll siegreicher Gamergates – normalerweise zwischen drei und fünf – gemeinsam die Rolle der Königin als Eierleger für die Kolonie. Andere Arbeiter „überwachen“ dann alle überflüssigen Gamergates und unterdrücken sie gewaltsam am Eierlegen.

Doch nicht nur das Verhalten der Gamergates ändert sich: Sie entwickeln funktionsfähige Eierstöcke und können Eier legen – und ihre Lebensdauer beträgt drei bis vier Jahre. Da Gamergates nicht so produktiv sind wie Königinnen, braucht es normalerweise drei bis fünf von ihnen, um die Eierproduktion der Königin zu ersetzen. Wenn ein Gamergate in eine Kolonie eingeführt wird, in der eine Königin lebt, wird das Gamergate wieder zu einem Arbeiter und ihre Lebensdauer verkürzt sich.

Wenn eine Arbeiterin zum Gamergate wird, ändert sich ihr Stoffwechsel. Sie isst mehr und der daraus resultierende Anstieg ihres Insulinspiegels löst die Entwicklung ihrer Eierstöcke aus. Sie verwendet die Nahrung, um Lipide herzustellen, die in die Eier verpackt werden. Aufgrund früherer Studien zu Insulin und Alterung hatten die NYU-Forscher jedoch erwartet, dass eine stärkere Insulinsignalisierung mit einer kürzeren Lebensdauer verbunden sein würde, nicht mit einer längeren.

Die Forscher fanden die Antwort versteckt in den Details der Insulinsignalisierung. Wenn Insulin an seinen Rezeptor auf einer Zelloberfläche bindet, löst es Kaskaden von Reaktionen innerhalb der Zelle aus, darunter zwei unterschiedliche chemische Wege. Ein Weg aktiviert ein Enzym namens MAP-Kinase und ist entscheidend für den Stoffwechsel und die Entwicklung der Eierstöcke. Der andere Weg unterdrückt einen Transkriptionsfaktor, der eine längere Lebensdauer zu fördern scheint. Zur Überraschung der Forscher stellten sie bei der Untersuchung des Eierstocks und des Fettkörpers (der in etwa der Leber von Säugetieren entspricht) in Gamergates fest, dass der MAP-Kinase-Weg aktiv war, der andere jedoch nicht.

Weitere Arbeiten zeigten, dass die Eierstöcke der Gamergates ein Protein, Imp-L2, stark exprimierten, das den MAP-Kinase-Weg ignorierte, aber den zweiten Weg im Fettkörper störte. „Dieses Protein scheint die Funktion zu haben, einen Weg zu schützen, der den Stoffwechsel ermöglicht, aber den Weg zu hemmen, der zum Altern führt“, sagte Desplan.

Andere Forscher weisen darauf hin, dass die neue Studie nicht eindeutig zeigt, dass Imp-L2 die Lebensdauer beeinflusst: Desplan und Reinberg haben nicht direkt getestet, ob die Aktivierung des Proteins bei Arbeitern sie länger leben lässt oder ob die Hemmung in Gamergates sie sterben lassen würde früher. Solche Experimente sind herausfordernd, da sie es erfordern könnten, den Ameisen über Monate oder Jahre hinweg Insulinhemmer zu injizieren.

Dennoch ist Desplans und Reinbergs Vorschlag, dass die Ameisen die verschiedenen Zweige des Insulin-Signalsystems manipulieren, „eine wirklich plausible, interessante Hypothese“, sagte Chandra, die derzeit Postdoktorandin an der Harvard University ist. „Wenn es mehr Labore dazu anregt, dies zu testen, wäre das sehr cool.“

Da es einfacher ist, genetische Experimente an Fruchtfliegen durchzuführen als an Ameisen, prüft Desplans Team nun, ob sie die Lebensdauer von verlängern können Drosophila Fruchtfliegen, indem sie ihre Expression von Imp-L2 aktivieren. Eines Tages hofft Desplan, das Experiment auch an Mäusen ausprobieren zu können. „Wir haben eine Menge spannender Aufgaben vor uns“, sagte er.

Der Parasit, der das Leben verlängert

In einer seltsamen Wendung scheint die Natur bereits ihre eigene Version eines ähnlichen Experiments bei einer anderen Spezies durchgeführt zu haben. Forscher in Deutschland haben kürzlich entdeckt, dass ein parasitärer Bandwurm die Fähigkeit entwickelt hat, die extreme Plastizität der Lebensspanne von Ameisen zu seinem eigenen Vorteil zu manipulieren.

Der Bandwurm muss einen Teil seines Lebens in Eicheln (Temnothorax nylanderi), die ihren Namen von den Nestern haben, die sie in einzelnen Eicheln bauen. Wenn die Arbeiter auf Futtersuche gehen, fressen sie manchmal ein Bandwurm-Ei und infizieren sich. Aber um seinen Lebenszyklus abzuschließen, muss der Bandwurm auch einen Specht infizieren, und er bekommt diese Gelegenheit, wenn Spechte die Eicheln der Ameisen fressen.

Vor ein paar Jahren, Sara Beros, Studentin im Labor von Susanne Fitzik an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz in Deutschland, öffneten einige Eichenameisennester und machten die seltsame Entdeckung, dass alle nicht infizierten Arbeiter während ihrer monatelangen Beobachtung starben, die infizierten jedoch nicht. (Die parasitierten Ameisen sind leicht zu identifizieren, da ihre Farbe von Braun zu Gelb wechselt.) Als Beros Foitzik davon erzählte, erinnert sich Foitzik, dass er dachte: „Das ist nicht möglich. Alles stirbt." Aber Beros war hartnäckig, „und so haben wir uns gründlich damit befasst.“

In der Arbeit, die im vergangenen Sommer auf einem Treffen der International Union for the Study of Social Insects vorgestellt und kurz vor Weihnachten auf der veröffentlicht wurde biorxiv.org Preprint-Serverzeigte Foitziks Team, dass während des Larvenstadiums des Bandwurms bei Ameisen Proteine ​​in das Blutäquivalent der Ameise (Hämolymphe) gepumpt werden, die die Lebensdauer der Arbeiterin dramatisch verlängern. Im Gegensatz zu den indischen Springameisen entwickeln sich Eichelameisen normalerweise nicht zu Gamergates, sodass die Verlängerung ihres Lebens durch den Parasiten keinen natürlichen Präzedenzfall hat.

„Die Wirkung ist super stark“, sagte Kronauer. Während des dreijährigen Experiments lebten infizierte Arbeiterinnen fünfmal so lange wie nicht infizierte und zeigten eine so niedrige Sterblichkeitsrate wie die der Königinnen. Die Manipulation des Parasiten verlängerte die Lebensdauer der Arbeiter so sehr, „dass man sie im Grunde nicht von der einer Königin unterscheiden kann“, sagte er.

Obwohl die infizierten Eichelameisen-Arbeiterinnen nicht fortpflanzungsfähig werden, werden sie in mehrfacher Hinsicht königinnenähnlicher, sagte Foitzik: Sie arbeiten weniger und werden von nicht infizierten Arbeiterinnen in der Kolonie aufmerksamer betreut. Wenn die Königin aus dem Nest entfernt wird, sind sie auch die ersten Arbeiterinnen, die Eierstöcke entwickeln.

Foitzik und ihr Team fanden heraus, dass die Bandwurmlarven mehr als 250 Proteine ​​produzieren und in die Hämolymphe der infizierten Ameisen absondern – genug, um etwa 7 % aller zirkulierenden Proteine ​​auszumachen. Die meisten Proteine ​​wurden nicht charakterisiert, aber zwei von ihnen sind als Antioxidantien identifizierbar. „Es sieht also so aus, als ob der [Bandwurm] Antioxidantien in die Ameise freisetzt, und dies könnte die Lebensdauer verlängern“, sagte sie.

Als Foitzik und ihr Team Veränderungen in der Genexpression bei den parasitierten Ameisen maßen, stellten sie fest, dass die infizierten Ameisen auch mehr Antioxidantien produzierten. Darüber hinaus exprimierten die Königinnen und die infizierten Arbeiterinnen mehr eines Gens namens Silber, aber die nicht infizierten Arbeiter waren es nicht. Forscher verknüpften zuvor die Silber Gen zu einer verlängerten Lebensdauer bei Fruchtfliegen.

Obwohl es klar ist, dass eine Reihe von Entwicklungs- und Stoffwechselveränderungen auftreten, wenn die Arbeiterinnen königinnenähnlicher werden, ist es schwierig zu unterscheiden, welche der Veränderungen für die Verlängerung der Lebensspanne am wichtigsten ist. Insulin und Antioxidantien sind wichtig, aber Keller glaubt, dass noch viele andere Faktoren eine Rolle spielen dürften. „Ich denke also, dass es keinen einzigen Weg geben würde, der einfach den Unterschied in der Lebensdauer erklären würde – man muss wahrscheinlich viele Dinge ändern“, sagte er.

Keller findet die Erkenntnisse über die Parasiten faszinierend, weil Parasiten das Leben typischerweise eher verkürzen als verlängern. Aber in diesem Fall scheint die Verlängerung der Lebensspanne der Ameise auch für den Parasiten adaptiv zu sein: Der Bandwurm muss lange genug in der infizierten Ameise überleben, damit ein Specht die Eichel findet und frisst. Stirbt der Arbeiter vorher, stirbt mit ihm der Bandwurm. Indem er das Leben des Arbeiters um Jahre verlängert, erhöht der Bandwurm die Wahrscheinlichkeit, dass irgendwann ein Specht auftaucht. Die Fülle an Antioxidantien in der Hämolymphe kann auch dazu beitragen, dass Bandwurmlarven so lange leben wie ihre Wirte.

„Hier nutzt der Parasit einen sozialen Wirt aus“, erklärt Foitzik. Es wäre nicht sinnvoll, einzelne wirbellose Tiere zu parasitieren, weil sie nie so lange leben. „Aber bei einem sozialen Insekt, wo die Königinnen schon seit 20 Jahren im sicheren Nest leben, kann man so einen Streich spielen.“

Korrektur: 10. Januar 2023
In einer früheren Version dieses Artikels wurde es versäumt, die Beiträge von Fetter-Pruneda zur Studie mit Chandra über Unterschiede in der Genexpression zwischen Ameisenkasten zu erwähnen.