مورچه ها با تغییر پاسخ انسولین خود 10 برابر بیشتر عمر می کنند

حیواناتی که فرزندان زیادی تولید می‌کنند، عمر کوتاهی دارند، در حالی که گونه‌های کم‌تولد، بیشتر عمر می‌کنند. سوسک ها در حالی که کمتر از یک سال زندگی می کنند صدها تخم می گذارند. موش ها در طول یا دو سال زندگی خود ده ها بچه دارند. نهنگ های گوژپشت هر دو یا سه سال فقط یک گوساله تولید می کنند و ده ها سال عمر می کنند. به نظر می رسد قانون سرانگشتی منعکس کننده راهبردهای تکاملی است که منابع تغذیه ای را به سمت تولید مثل سریع یا قوی تر شدن برای یک مزیت بلند مدت هدایت می کند.

اما ملکه مورچه ها می توانند همه چیز را داشته باشند. در برخی از گونه های مورچه ها، ملکه ها بیش از 30 سال عمر می کنند در حالی که هزاران هزار تخم می گذارند که همه کارگران لانه می شوند. در مقابل، مورچه‌های کارگر، که ماده‌هایی هستند که تولید مثل نمی‌کنند، تنها چند ماه عمر می‌کنند. با این حال، اگر شرایط ایجاب کند، کارگران برخی از گونه‌ها می‌توانند به شبه ملکه‌ها برای خیر لانه تبدیل شوند - و طول عمر قابل توجهی را درو کنند.

آنچه بر این محدوده عظیم در طول عمر مورچه ها حاکم است، به درستی درک نشده است، اما دو مطالعه اخیر جزئیات مهمی را در مورد آنچه که طول عمر مورچه ها را تا این حد انعطاف پذیر می کند، آشکار کرده است. In علممحققان دانشگاه نیویورک نشان دادند که برخی از ملکه‌های مورچه‌ها پروتئینی تولید می‌کنند که اثر پیری انسولین را سرکوب می‌کند تا بتوانند تمام غذای اضافی مورد نیاز برای تخم‌گذاری را بدون کوتاه کردن عمرشان مصرف کنند. و در یک پیش چاپ محققان آلمانی که اخیراً در سرور biorxiv.org پست شده اند، انگلی را توصیف کردند که با ترشح یک کوکتل غنی از آنتی اکسیدان ها و سایر ترکیبات، عمر میزبان مورچه هایش را تا حد زیادی طولانی می کند. هر دو مطالعه به شواهدی اضافه می کنند که طول عمر مشاهده شده ارگانیسم ها ارتباط چندانی با محدودیت های تحمیل شده توسط ژن های آنها ندارد.

"بیشتر مطالعات در مورد پیری بر روی موجودات مدلی انجام شده است که طول عمر بسیار کوتاهی دارند." لوران کلراستاد اکولوژی و تکامل در دانشگاه لوزان سوئیس. او توضیح داد که حشرات اجتماعی فرصت‌های شگفت‌انگیزی برای مطالعه اهمیت بیان ژن در پیری ارائه می‌دهند، زیرا ملکه و کارگران یک کلنی اغلب ژنوم یکسانی دارند، اما در طول عمرشان به ترتیبی از قدر متفاوت هستند. (دو دهه پیش، کلر نشان داد که ملکه مورچه ها حدود 100 برابر حشرات منفرد اجدادی که مورچه ها از آنها تکامل یافته اند، عمر می کنند.)

و از آنجایی که کارگران عمر کوتاهی دارند، "شما می توانید سعی کنید دریابید که چگونه آنها را طولانی تر کنید." آرجونا راجاکومار، یک دانشجوی فوق دکترا که اکنون در مؤسسه Whitehead در مؤسسه فناوری ماساچوست در مورد محدودیت های باروری مورچه های کارگر مطالعه می کند و اخیراً کار فارغ التحصیلی خود را در دانشگاه مک گیل به پایان رسانده است. احتمال هیجان انگیز این است که مکانیسم های متابولیکی که عمر حشرات را افزایش می دهد ممکن است برای گونه های دیگر از جمله انسان نیز اعمال شود. او گفت: «ما می‌خواهیم بفهمیم که چگونه چیزی را طولانی‌تر می‌کنید، نه [فقط] اینکه چرا چیزی این‌قدر عمر می‌کند.»

خوردن بیشتر در حالی که کمتر پیر می شود

برای دهه ها، مطالعات به انسولین و سیستم سیگنال دهی بیوشیمیایی اشاره کرده اند که آن را به عنوان تنظیم کننده های کلیدی پیری فعال می کند. انسولین بر نحوه جذب و استفاده سلول های بدن از قند گلوکز تأثیر می گذارد، بنابراین تأثیر اساسی بر میزان انرژی در دسترس سلول ها برای رشد، تولید مثل و ترمیم دارد. در این فرآیند، تولید رادیکال‌های آزاد بالقوه مضر و سایر مولکول‌های اکسید کننده را که محصولات جانبی متابولیسم هستند، تنظیم می‌کند. بسیاری از محققان گمان می کنند که به همین دلیل است که رژیم های غذایی با محدودیت کالری، که سطح انسولین را پایین نگه می دارد، به نظر می رسد طول عمر را در بسیاری از گونه ها افزایش دهد.

علاوه بر این، به نظر می رسد انسولین برای مورچه ها اهمیت بیشتری دارد. چندین سال پیش، کار به رهبری زیست شناس تکاملی دانیل کروناور در دانشگاه راکفلر نشان داد که تغییرات در نحوه واکنش مورچه ها به انسولین به نظر می رسد که آنها را وادار کرده است تا جوامع استعماری نوع دوستانه را با ملکه های تولید مثل و کارگران غیر باروری ایجاد کنند.

بنابراین چهار سال پیش، زمانی که ویکرام چاندرا یک دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه راکفلر بود و در حال مطالعه تفاوت های بین ملکه مورچه ها و کارگران بود، انسولین بسیار در ذهن او بود. او و اینگرید فتر-پروندایک همکار فوق دکترا در آزمایشگاه در آن زمان، تیمی را رهبری کرد که بیان ژن را در هفت گونه مورچه بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که سیگنال‌های انسولین بیشتری در مغز ملکه‌ها نسبت به کارگران رخ می‌دهد. هنگامی که آنها به مورچه های کارگر انسولین تزریق کردند، تخمدان های خفته آنها را فعال کرد و باعث رشد تخمک شد. به گفته کروناور، که بر این مطالعه نظارت داشت، این یافته ها نشان داد که سیگنال دهی انسولین باعث تولید مثل مورچه ها می شود.

این کشف پایه و اساس کار جدیدی را که به عنوان بخشی از همکاری طولانی مدت بین زیست شناسان انجام شد، گذاشت. کلود دسپلان و دنی راینبرگ در دانشگاه نیویورک آنها نشان دادند که تکامل برخی از اجزای مسیر سیگنال دهی انسولین را در مورچه ها به گونه ای تغییر داده است که می تواند توضیح دهد که چرا ملکه ها عمر طولانی تری دارند.

دسپلان و راینبرگ مورچه های جهنده هندی را مطالعه کردند (نمکدان هارپگناتوس) ملکه هایش حدود پنج سال و کارگرانش فقط هفت ماه عمر می کنند. اما در این گونه، این تفاوت در طول عمر در سنگ تعیین نمی شود. اگر ملکه ای بمیرد یا از کلنی حذف شود، کارگران تقریباً بلافاصله پس از ناپدید شدن رایحه او تغییر را حس می کنند. برخی از آنها پس از آن تبدیل به "گیم گیت" (شبه ملکه) می شوند که برای تسلط دوئل می کنند تا جای او را بگیرند. در نهایت، تعداد انگشت شماری از گیمرهای پیروز - معمولاً بین سه تا پنج نفر - به طور مشترک نقش ملکه را به عنوان لایه‌های تخم برای کلنی بر عهده می‌گیرند. کارگران دیگر سپس هر گیم گیت اضافی را «پلیس» می کنند و آنها را به زور از تخم گذاری سرکوب می کنند.

رفتار گیمرها تنها چیزی نیست که تغییر می کند، اما آنها تخمدان های عملکردی را توسعه می دهند و می توانند تخم بگذارند - و طول عمر آنها به سه یا چهار سال می رسد. از آنجایی که گیم‌گیت‌ها به اندازه ملکه‌ها پرکار نیستند، معمولاً بین سه تا پنج عدد طول می‌کشد تا خروجی تخم‌های ملکه را جایگزین کنند. اگر گیم گیت به مستعمره ای معرفی شود که ملکه در آن زندگی می کند، گیم گیت دوباره به یک کارگر تبدیل می شود و طول عمر او کوتاه می شود.

وقتی یک کارگر تبدیل به گیم گیت می شود، متابولیسم او تغییر می کند. او بیشتر غذا می خورد و در نتیجه افزایش سطح انسولین او باعث رشد تخمدان هایش می شود. او از این غذا برای تولید لیپیدهایی استفاده می کند که در تخم مرغ بسته بندی می شوند. اما از مطالعات قبلی در مورد انسولین و پیری، محققان دانشگاه نیویورک انتظار داشتند که سیگنال‌دهی بیشتر انسولین با طول عمر کوتاه‌تر و نه طولانی‌تر مرتبط باشد.

محققان پاسخ را در جزئیات سیگنال دهی انسولین پنهان کردند. هنگامی که انسولین به گیرنده خود در سطح سلول متصل می شود، آبشاری از واکنش ها را در داخل سلول، از جمله دو مسیر شیمیایی مجزا، آغاز می کند. یک مسیر آنزیمی به نام MAP کیناز را فعال می کند و برای متابولیسم و ​​رشد تخمدان ها حیاتی است. مسیر دیگر یک عامل رونویسی را که به نظر می رسد باعث افزایش طول عمر می شود، سرکوب می کند. در کمال تعجب محققان، وقتی آنها به تخمدان و بدن چربی (که تقریباً معادل کبد پستانداران است) در گیم گیت ها، متوجه شدند که مسیر MAP کیناز فعال است اما مسیر دیگر فعال نیست.

کار بیشتر نشان داد که تخمدان های گیم گیت به شدت پروتئینی به نام Imp-L2 را بیان می کنند که مسیر MAP کیناز را نادیده می گیرد اما با مسیر دوم در بدن چربی تداخل دارد. دسپلان گفت: "به نظر می رسد این پروتئین عملکرد محافظت از یک مسیری را دارد که متابولیسم را امکان پذیر می کند، اما مسیری را که منجر به پیری می شود مهار می کند."

محققان دیگر اشاره می‌کنند که مطالعه جدید به طور قطعی نشان نمی‌دهد که Imp-L2 بر طول عمر تأثیر می‌گذارد: دسپلان و راینبرگ مستقیماً آزمایش نکردند که آیا فعال کردن پروتئین در کارگران باعث طولانی‌تر شدن عمر آنها می‌شود یا اینکه مهار آن در گیم‌گیت‌ها باعث مرگ آنها می‌شود. زودتر. چنین آزمایش‌هایی چالش برانگیز هستند زیرا ممکن است نیاز به تزریق مهارکننده‌های انسولین به مورچه‌ها برای ماه‌ها یا سال‌ها داشته باشند.

چاندرا که در حال حاضر یک محقق فوق دکترا در دانشگاه هاروارد است، گفت: با این وجود، پیشنهاد دسپلان و راینبرگ مبنی بر اینکه مورچه ها در حال دستکاری شاخه های مختلف سیستم سیگنال دهی انسولین هستند، "فرضیه ای واقعا قابل قبول و جالب است." "اگر آزمایشگاه های بیشتری را تحریک کند تا این آزمایش را امتحان کنند، بسیار جالب خواهد بود."

از آنجایی که انجام آزمایش‌های ژنتیکی روی مگس‌های میوه آسان‌تر از روی مورچه‌ها است، تیم Desplan اکنون در حال بررسی است که آیا آنها می‌توانند طول عمر را افزایش دهند یا خیر. Drosophila مگس میوه با فعال کردن بیان Imp-L2 آنها. روزی دسپلان امیدوار است این آزمایش را روی موش ها نیز امتحان کند. او گفت: ما کارهای هیجان انگیز زیادی برای انجام داریم.

انگلی که عمر را طولانی می کند

به نظر می رسد که طبیعت در یک پیچ و تاب عجیب، نسخه مخصوص به خود را از آزمایش مشابه در گونه دیگری اجرا کرده است. محققان آلمانی اخیراً کشف کرده‌اند که یک کرم نواری انگلی توانایی دستکاری انعطاف‌پذیری شدید طول عمر مورچه‌ها را به نفع خود تکامل داده است.

کرم نواری باید بخشی از زندگی خود را در داخل مورچه بلوط بگذراند (Temnothorax nylanderi) که نام خود را از لانه هایی که در داخل بلوط ها می سازند گرفته اند. وقتی کارگران برای علوفه بیرون می روند، گاهی تخم کرم گلوگاهی را می خورند و مبتلا می شوند. اما برای تکمیل چرخه زندگی خود، کرم نوار باید یک دارکوب را نیز آلوده کند و زمانی که دارکوب خانه‌های بلوط مورچه‌ها را می‌خورد، این فرصت را به دست می‌آورد.

چند سال پیش، سارا بروس، دانشجوی آزمایشگاه سوزان فویتزیک در دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینز در آلمان، لانه‌های مورچه بلوط را باز کرد و به این کشف عجیب دست یافت که در حالی که همه کارگران غیر آلوده در طول ماه‌های مشاهده‌شان مرده‌اند، اما کارگران آلوده این کار را نکردند. (مورچه های انگلی به راحتی قابل شناسایی هستند زیرا رنگ آنها از قهوه ای به زرد تبدیل می شود.) وقتی بروس در مورد آن به فویتزیک گفت، فویتزیک به یاد می آورد که فکر می کند، «این امکان پذیر نیست. همه چیز میمیرد." اما Beros اصرار داشت، "و بنابراین ما به درستی آن را بررسی کردیم."

در کاری که تابستان گذشته در نشست اتحادیه بین المللی برای مطالعه حشرات اجتماعی ارائه شد و درست قبل از کریسمس در سرور پیش چاپ biorxiv.orgتیم Foitzik نشان داد که در طول مرحله لاروی کرم نواری در مورچه ها، پروتئین هایی را به خون معادل مورچه (همولنف) پمپ می کند که به طور چشمگیری طول عمر کارگر را افزایش می دهد. برخلاف مورچه‌های جهنده هندی، مورچه‌های بلوط معمولاً به گیم‌گیت تبدیل نمی‌شوند، بنابراین تمدید عمر این انگل هیچ سابقه طبیعی ندارد.

Kronauer گفت: "اثر فوق العاده قوی است." در طول این آزمایش سه ساله، کارگران آلوده پنج برابر بیشتر از افراد غیر آلوده عمر کردند و میزان مرگ و میر کمتری نسبت به ملکه ها نشان دادند. او گفت که دستکاری این انگل عمر کارگران را چنان افزایش داد "که اساساً نمی توان آن را از ملکه تشخیص داد."

فویتزیک گفت: اگرچه کارگران مورچه بلوط آلوده باروری نمی‌کنند، اما از چندین جنبه ملکه‌تر می‌شوند، فویتزیک گفت: آنها کمتر کار می‌کنند و از کارگران غیر آلوده در کلنی مراقبت بیشتری می‌کنند. اگر ملکه از لانه خارج شود، آنها همچنین اولین کارگرانی هستند که تخمدان ها را توسعه می دهند.

فویتزیک و تیم او دریافتند که لارو کرم نواری بیش از 250 پروتئین را در همولنف مورچه‌های آلوده تولید و ترشح می‌کند که برای تشکیل حدود 7 درصد از پروتئین‌های در گردش کافی است. بسیاری از پروتئین ها مشخص نشده اند، اما دو مورد از آنها به عنوان آنتی اکسیدان قابل شناسایی هستند. او گفت: «بنابراین به نظر می رسد [کرم نواری] آنتی اکسیدان ها را در مورچه آزاد می کند و این می تواند طول عمر را افزایش دهد.

وقتی فویتزیک و تیمش تغییرات بیان ژن را در مورچه‌های انگلی اندازه‌گیری کردند، دریافتند که مورچه‌های آلوده آنتی‌اکسیدان بیشتری نیز می‌سازند. علاوه بر این، ملکه ها و کارگران آلوده ژنی به نام بیشتر بیان می کردند نقره، اما کارگران غیر آلوده نبودند. محققان قبلا این را به هم مرتبط کرده بودند نقره ژن به طول عمر طولانی در مگس میوه.

اگرچه واضح است که مجموعه ای از تغییرات تکاملی و متابولیک زمانی رخ می دهد که کارگران ملکه تر می شوند، اما تشخیص اینکه کدام یک از این تغییرات برای افزایش طول عمر مهم است، دشوار است. انسولین و آنتی اکسیدان ها مهم هستند، اما کلر فکر می کند که بسیاری از عوامل دیگر نیز احتمالاً نقش دارند. او گفت: «بنابراین من فکر می‌کنم یک مسیر واحد وجود نخواهد داشت که به سادگی تفاوت در طول زندگی را توضیح دهد - احتمالاً باید چیزهای زیادی را تغییر دهید.

کلر فکر می‌کند که یافته‌های مربوط به انگل‌ها شگفت‌انگیز است، زیرا انگل‌ها معمولاً به جای طولانی‌تر کردن عمر، عمر را کوتاه می‌کنند. اما در این مورد، به نظر می رسد که افزایش طول عمر مورچه برای انگل سازگار باشد: کرم نواری باید به اندازه کافی در مورچه آلوده باقی بماند تا دارکوب بتواند بلوط را پیدا کند و آن را بخورد. اگر کارگر قبل از آن بمیرد، کرم نواری با آن می میرد. کرم نواری با افزایش سال‌ها عمر کارگر، احتمال ظهور یک دارکوب را بهبود می‌بخشد. فراوانی آنتی اکسیدان ها در همولنف همچنین ممکن است به لارو کرم نواری کمک کند تا زمانی که میزبان آنها زنده بماند.

فویتزیک توضیح داد: «اینجا انگل از یک میزبان اجتماعی سوء استفاده می کند. انگلی کردن بی مهرگان منفرد منطقی نیست زیرا آنها هرگز عمر طولانی ندارند. اما در یک حشره اجتماعی، جایی که ملکه ها در حال حاضر به مدت 20 سال در امن لانه زندگی می کنند، می توانید چنین حقه هایی را انجام دهید.

تصحیح: 10 ژانویه 2023
نسخه قبلی این مقاله از ذکر سهم Fetter-Pruneda در مطالعه با Chandra در مورد تفاوت در بیان ژن بین کاست های مورچه غفلت کرده است.