Sipelgad elavad 10 korda kauem, muutes oma insuliinivastust

Loomadel, kes toodavad palju järglasi, on tavaliselt lühike eluiga, vähem viljakad liigid aga kauem. Prussakad munevad sadu mune, elades vähem kui aasta. Hiirtel sünnib eluaasta või paari jooksul kümneid lapsi. Küürvaalad toodavad ainult ühe vasika iga kahe-kolme aasta tagant ja elavad aastakümneid. Rusikareegel näib peegeldavat evolutsioonilisi strateegiaid, mis suunavad toitumisressursid kas kiireks paljunemiseks või pikaajaliseks eeliseks tugevamaks kasvamiseks.

Kuid sipelgakuningannatel võib see kõik olla. Mõne sipelgaliigi puhul elavad kuningannad üle 30 aasta, munedes samal ajal tuhandeid ja tuhandeid mune, millest saavad kõik pesa töötajad. Seevastu töösipelgad, kes on emased, kes ei paljune, elavad vaid kuid. Kuid kui asjaolud seda nõuavad, võivad mõne liigi töötajad pesa heaks pseudokuningannaks saada ja oma eluiga oluliselt pikendada.

Sipelgate eluea hiiglaslik vahemik on halvasti mõistetav, kuid kaks hiljutist uuringut on paljastanud olulisi üksikasju selle kohta, mis muudab sipelgate eluea nii paindlikuks. In teadus, näitasid New Yorgi ülikooli teadlased, et mõned sipelgakuningannad toodavad valku, mis pärsib insuliini vananevat toimet, et nad saaksid oma eluiga lühendamata tarbida kogu munemiseks vajalikku lisatoitu. Ja sisse eeltrükk Hiljuti biorxiv.org serverisse postitatud uurijad kirjeldasid Saksamaal parasiiti, mis pikendab oluliselt oma sipelgaperemeeste eluiga, eritades rikkalikku antioksüdantide ja muude ühendite kokteili. Mõlemad uuringud lisavad tõendeid selle kohta, et organismide vaadeldud eluiga on vähe seotud nende geenide seatud piirangutega.

"Enamik vananemise uuringuid tehakse mudelorganismidega, mille eluiga on väga lühike, " ütles Laurent Keller, ökoloogia ja evolutsiooni professor Lausanne'i ülikoolis Šveitsis. Ta selgitas, et sotsiaalsed putukad pakuvad põnevaid võimalusi uurida geeniekspressiooni olulisust vananemisel, sest koloonia kuningannal ja töötajatel on sageli sama genoom, kuid nende eluiga on suurusjärgus erinev. (Kaks aastakümmet tagasi näitas Keller, et sipelgakuningannad elavad umbes 100 korda kauem kui esivanemate üksikud putukad, millest sipelgad arenesid.)

Ja kuna töötajad on lühiealised, "võite proovida välja mõelda, kuidas nende eluiga pikendada," ütles Arjuna Rajakumar, järeldoktor, kes uurib nüüd Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi Whiteheadi Instituudis tööliste sipelgate paljunemispiiranguid, olles hiljuti lõpetanud oma kraadiõppe McGilli ülikoolis. Põnev võimalus on see, et putukate eluiga pikendavad metaboolsed mehhanismid võivad kehtida ka teiste liikide, sealhulgas inimeste puhul. "Me tahame mõista, kuidas paned midagi kauem elama, mitte [ainult] miks miski nii kaua elab," ütles ta.

Söö vähem vananedes rohkem

Aastakümneid on uuringud osutanud insuliinile ja biokeemilisele signaalisüsteemile, mida see aktiveerib, kui vananemise peamistest regulaatoritest. Insuliin mõjutab seda, kuidas keharakud omastavad ja kasutavad glükoosi suhkrut, seega on sellel põhiline mõju rakkudele kasvuks, paljunemiseks ja taastumiseks saadaolevale energiahulgale. Protsessi käigus reguleerib see ka potentsiaalselt kahjulike vabade radikaalide ja muude oksüdeerivate molekulide teket, mis on ainevahetuse kõrvalproduktid. Paljud teadlased kahtlustavad, et see on põhjus, miks kaloripiiranguga dieedid, mis hoiavad insuliinitaseme madalal, pikendavad paljude liikide eluiga.

Pealegi näib, et insuliin on sipelgatele lisanud tähtsust. Mitu aastat tagasi juhtis tööd evolutsioonibioloog Daniel Kronauer Rockefelleri ülikool näitas, et muutused kuidas sipelgad insuliinile reageerivad näib, et nad on meelitanud neid arendama altruistlikke koloniaalühiskondi, kus on paljunemisvõimelised kuningannad ja mittesigimisvõimelised töötajad.

Nii neli aastat tagasi, kui Vikram Chandra oli Rockefelleri ülikooli magistrant, kes uuris sipelgakuningannade ja tööliste erinevusi, insuliin oli tal väga südamel. Tema ja Ingrid Fetter-Pruneda, kes oli tollal laboris järeldoktorant, juhtis töörühma, kes uuris seitsme sipelgaliigi geeniekspressiooni ja jõudis järeldusele, et kuningannade ajus toimus rohkem insuliini signaaliülekandeid kui töötajate ajus. Kui nad süstisid töösipelgatele insuliini, aktiveeris see nende uinunud munasarjad ja vallandas munarakkude arengu. Uuringut juhtinud Kronaueri sõnul näitasid need leiud, et insuliini signaalimine põhjustas sipelgate paljunemise.

See avastus pani aluse uuele tööle, mis viidi läbi bioloogide vahelise pikaajalise koostöö raames Claude Desplan ja Danny Reinberg New Yorgi ülikoolis. Nad näitasid, et evolutsioon on mõned sipelgate insuliini signaaliraja komponendid ümber ühendanud viisil, mis võiks selgitada, miks kuningannad elavad kauem.

Desplan ja Reinberg uurisid India hüppavaid sipelgaid (Harpegnathose soolataja), mille kuningannad elavad umbes viis aastat ja töötajad vaid umbes seitse kuud. Kuid selle liigi puhul pole see eluea erinevus kivisse raiutud. Kui kuninganna sureb või kolooniast eemaldatakse, tunnetavad töötajad muutust peaaegu kohe pärast tema lõhna kadumist. Mõnest neist saavad seejärel "mängijad" (pseudokuningannad), kes võitlevad domineerimise nimel. Lõpuks võtavad käputäis võidukaid mänguriid – tavaliselt kolm kuni viis – ühiselt üle kuninganna rolli koloonia munaloojana. Teised töötajad "politseivad" kõik üleliigsed mänguseadmed, tõrjudes neid sunniviisiliselt munemast.

Gamergatesi käitumine pole aga ainus, mis muutub: neil arenevad funktsionaalsed munasarjad ja nad võivad muneda – ja nende eluiga ulatub kolme-nelja aastani. Kuna mänguriided ei ole nii viljakad kui mesilasemad, kulub neid tavaliselt kolm kuni viis, et asendada mesilasema munatoodang. Kui mänguvärk tuuakse kolooniasse, kus elab kuninganna, muutub mänguvärav töötajaks ja tema eluiga lüheneb.

Kui töötajast saab mängumees, muutub tema ainevahetus. Ta sööb rohkem ja sellest tulenev insuliinitaseme tõus käivitab tema munasarjade arengu. Ta kasutab toitu lipiidide valmistamiseks, mis pakitakse munadesse. Kuid varasemate insuliini ja vananemise uuringute põhjal eeldasid NYU teadlased, et suurem insuliini signaalimine oleks seotud lühema elueaga, mitte pikema elueaga.

Teadlased leidsid, et vastus peitub insuliini signaalimise üksikasjades. Kui insuliin seondub oma retseptoriga raku pinnal, käivitab see rakusiseste reaktsioonide kaskaadid, sealhulgas kaks erinevat keemilist rada. Üks rada aktiveerib ensüümi, mida nimetatakse MAP kinaasiks ja on ainevahetuse ja munasarjade arengu jaoks kriitilise tähtsusega. Teine rada pärsib transkriptsioonifaktorit, mis näib soodustavat pikemat eluiga. Teadlaste üllatuseks avastasid nad gamergates munasarja ja rasvkeha (mis on ligikaudu samaväärne imetajate maksaga) ja leidsid, et MAP kinaasi rada oli aktiivne, kuid teine ​​mitte.

Edasine töö näitas, et gamergates'i munasarjad ekspresseerisid tugevalt valku Imp-L2, mis eiras MAP kinaasi rada, kuid segas teist rada rasva kehas. "Selle valgu funktsioon näib olevat kaitsva ühte rada, mis võimaldab ainevahetust, kuid pärsib rada, mis viib vananemiseni," ütles Desplan.

Teised teadlased juhivad tähelepanu, et uus uuring ei näita lõplikult, et Imp-L2 mõjutab eluiga: Desplan ja Reinberg ei testinud otseselt, kas valgu aktiveerimine töötajatel pikendaks nende eluiga või kui selle inhibeerimine mänguvõrkudes sureks. varem. Sellised katsed on keerulised, sest nende tõttu võib tekkida vajadus süstida sipelgatele kuude või aastate jooksul insuliini inhibiitoreid.

Sellegipoolest on Desplani ja Reinbergi ettepanek, et sipelgad manipuleerivad insuliini signaalisüsteemi erinevate harudega, "tõesti usutav ja huvitav hüpotees", ütles Chandra, kes on praegu Harvardi ülikooli järeldoktor. "Kui see stimuleerib rohkem laboreid seda katsetama, oleks see väga lahe."

Kuna äädikakärbestega on lihtsam teha geneetilisi katseid kui sipelgatega, uurib Desplani meeskond nüüd, kas nad suudavad pikendada nende eluiga. Drosophila puuviljakärbsed, aktiveerides nende Imp-L2 ekspressiooni. Kunagi loodab Desplan katset proovida ka hiirtel. "Meil on ees palju põnevat tööd," ütles ta.

Parasiit, mis pikendab eluiga

Kummalise keerdkäiguna näib, et loodus on sarnasest katsest mõne teise liigiga juba oma versiooni läbi viinud. Saksamaa teadlased avastasid hiljuti, et parasiitpaeluss on välja arendanud võime manipuleerida sipelgate eluea äärmise plastilisusega enda kasuks.

Paeluss peab veetma osa oma elust tammetõrusipelgate sees (Temnothorax nylanderi), mis on saanud oma nimed pesade järgi, mille nad üksikute tammetõrude sisse ehitavad. Kui töötajad lähevad välja toitu otsima, söövad nad mõnikord paelussi muna ja nakatuvad. Kuid oma elutsükli lõpuleviimiseks peab paeluss nakatama ka rähni ja ta saab selle võimaluse, kui rähnid söövad sipelgate tammetõrusid.

Mõni aasta tagasi õppis Sara Beros laboratooriumis Susanne Foitzik avas Saksamaal Mainzi Johannes Gutenbergi ülikoolis mõned tammetõru sipelgapesad ja tegi veidra avastuse, et kuigi kõik nakatumata töötajad surid nende kuudepikkuse vaatluse ajal, siis nakatunud töötajad mitte. (Parasiidiga sipelgaid on lihtne tuvastada, kuna nende värvus muutub pruunist kollaseks.) Kui Beros sellest Foitzikile rääkis, meenutab Foitzik, et ta mõtles: „See pole võimalik. Kõik sureb." Kuid Beros oli tungiv, "ja nii me uurisime seda korralikult."

Töös, mida esitleti eelmisel suvel Rahvusvahelise Sotsiaalsete Putukate Uurimise Liidu koosolekul ja postitati vahetult enne jõule biorxiv.org eeltrükiserverFoitziki töörühm näitas, et sipelgatel paelussi vastsete staadiumis pumpab see valke sipelga ekvivalendisse verre (hemolümf), mis pikendab oluliselt töötaja eluiga. Erinevalt India hüppavatest sipelgatest ei arene tammetõru sipelgad tavaliselt mänguvõrkudeks, seega pole parasiidi eluea pikendamisel loomulikku pretsedenti.

"Mõju on ülitugev," ütles Kronauer. Kolm aastat kestnud katse ajal elasid nakatunud töötajad viis korda kauem kui nakatumata töötajad ja nende suremus oli sama madal kui kuningannadel. Parasiidiga manipuleerimine pikendas töötajate eluiga nii palju, et põhimõtteliselt ei saa te seda kuningannast eristada, ütles ta.

Kuigi nakatunud tammetõru sipelgatöötajad ei saa paljunemisvõimet, muutuvad nad mitmes mõttes kuninganna sarnasemaks, ütles Foitzik: nad töötavad vähem ja hoolitsevad koloonias nakatumata töötajate eest. Kui kuninganna pesast eemaldada, on nad ka esimesed töötajad, kellel tekivad munasarjad.

Foitzik ja tema meeskond leidsid, et paelussi vastsed toodavad ja eritavad nakatunud sipelgate hemolümfi rohkem kui 250 valku – sellest piisab, et moodustada umbes 7% kõigist ringlevatest valkudest. Enamikku valke ei ole iseloomustatud, kuid kaks neist on identifitseeritavad antioksüdantidena. "Seega tundub, et [paeluss] vabastab sipelgasse antioksüdante ja see võib pikendada eluiga," ütles ta.

Kui Foitzik ja tema meeskond mõõtsid parasiitidega sipelgate geeniekspressiooni muutusi, leidsid nad, et nakatunud sipelgad toodavad ka rohkem antioksüdante. Pealegi ekspresseerisid kuningannad ja nakatunud töötajad rohkem geeni, mida nimetatakse hõbe, kuid nakatumata töötajad ei olnud. Teadlased on varem seostanud hõbe geeni pikendada äädikakärbeste eluiga.

Kuigi on selge, et kui töötajad muutuvad kuningannapärasemaks, toimuvad mitmed arengu- ja metaboolsed muutused, on raske mõista, millised muutused on eluea pikendamiseks kõige olulisemad. Insuliin ja antioksüdandid on olulised, kuid Keller arvab, et tõenäoliselt mängivad rolli ka paljud muud tegurid. "Nii et ma arvan, et poleks ühte teed, mis lihtsalt seletaks eluea erinevust - ilmselt peate palju asju muutma," ütles ta.

Keller arvab, et leiud parasiitide kohta on põnevad, sest parasiidid pigem lühendavad kui pikendavad eluiga. Kuid sel juhul näib sipelga eluea pikenemine olevat ka parasiidi jaoks kohanemisvõimeline: paeluss peab nakatunud sipelgas püsima piisavalt kaua, et rähn saaks tammetõru üles leida ja ära süüa. Kui töötaja sureb enne seda, sureb koos sellega ka paeluss. Töötaja eluiga aastate võrra pikendades suurendab paeluss tõenäosust, et rähn lõpuks välja ilmub. Antioksüdantide rohkus hemolümfis võib aidata ka paelussivastsetel elada nii kaua kui nende peremeesorganismid.

"Siin kasutab parasiit ära sotsiaalset peremeest," selgitas Foitzik. Üksildastel selgrootutel poleks mõtet parasiteerida, sest nad ei ela kunagi nii kaua. "Kuid sotsiaalse putuka puhul, kus kuningannad elavad juba 20 aastat pesa turvalisuses, saate sellist trikki mängida."

Parandus: 10. jaanuar 2023
Selle artikli varasemas versioonis ei mainita Fetter-Pruneda panust Chandraga tehtud uuringusse sipelgakastide geeniekspressiooni erinevuste kohta.