Muurahaiset elävät 10 kertaa pidempään muuttamalla insuliinivasteitaan

Eläimet, jotka tuottavat monia jälkeläisiä, elävät yleensä lyhyesti, kun taas vähemmän tuottelias lajit elävät pidempään. Torakat munivat satoja munia eläessään alle vuoden. Hiirillä on kymmeniä vauvoja elinvuoden tai kahden aikana. Ryhävalaat tuottavat vain yhden vasikan joka toinen tai kolme vuosi ja elävät vuosikymmeniä. Nyrkkisääntö näyttää heijastavan evoluutiostrategioita, jotka ohjaavat ravintoresurssit joko lisääntymään nopeasti tai kasvamaan kestävämmiksi pitkän aikavälin edun saavuttamiseksi.

Mutta muurahaiskuningattarilla voi olla kaikki. Joissakin muurahaislajeissa kuningattaret elävät yli 30 vuotta ja munivat tuhansia ja tuhansia munia, joista tulee kaikki pesän työntekijät. Sitä vastoin työmuurahaiset, jotka ovat naaraita, jotka eivät lisäänty, elävät vain kuukausia. Mutta jos olosuhteet niin vaativat, joidenkin lajien työntekijät voivat nousta pseudokuningattariksi pesän eduksi – ja pidentämään merkittävästi elinikää.

Se, mikä hallitsee tätä jättimäistä muurahaisten elinkaaren vaihtelua, on huonosti ymmärretty, mutta kaksi viimeaikaista tutkimusta ovat paljastaneet tärkeitä yksityiskohtia siitä, mikä tekee muurahaisten eliniän niin joustavasta. In tiedeNew Yorkin yliopiston tutkijat osoittivat, että jotkut muurahaiskuningattaret tuottavat proteiinia, joka estää insuliinin ikääntymistä, jotta ne voivat kuluttaa kaiken munintamiseen tarvittavan lisäravinnon lyhentämättä elämäänsä. Ja sisään esipainos äskettäin biorxiv.org-palvelimella julkaistut saksalaiset tutkijat kuvasivat loisen, joka pidentää suuresti muurahaisisäntiensä elinikää erittämällä runsaasti antioksidantteja ja muita yhdisteitä. Molemmat tutkimukset lisäävät todisteita siitä, että organismien havaituilla elinkaareilla ei ole juurikaan tekemistä niiden geenien asettamien rajoitusten kanssa.

"Useimmat ikääntymistä koskevat tutkimukset tehdään malliorganismeilla, joilla on hyvin lyhyt elinikä", sanoi Laurent Keller, ekologian ja evoluution professori Lausannen yliopistossa Sveitsissä. Hän selitti, että sosiaaliset hyönteiset tarjoavat kiehtovia mahdollisuuksia tutkia geenien ilmentymisen merkitystä ikääntymisessä, koska kuningattarella ja yhdyskunnan työntekijöillä on usein sama genomi, mutta niiden elinikä vaihtelee suuruusluokkaa. (Kaksi vuosikymmentä sitten Keller osoitti, että muurahaiskuningattaret elävät noin 100 kertaa niin kauan kuin esi-isiensä yksinäiset hyönteiset, joista muurahaiset kehittyivät.)

Ja koska työntekijät ovat lyhytikäisiä, "voit yrittää selvittää, kuinka saada heidät elämään pidempään", sanoi Arjuna Rajakumar, tutkijatohtori, joka tutkii nyt työmuurahaisten lisääntymisrajoitteita Massachusetts Institute of Technologyn Whitehead Institutessa, valmistuttuaan äskettäin McGill Universityssä. Jännittävä mahdollisuus on, että hyönteisten elinikää pidentävät aineenvaihduntamekanismit saattavat koskea myös muita lajeja, myös ihmisiä. "Haluamme ymmärtää, kuinka saat jotain elämään pidempään, ei vain sitä, miksi jokin elää niin kauan", hän sanoi.

Syö enemmän ikääntyessä vähemmän

Vuosikymmenien ajan tutkimukset ovat osoittaneet insuliinin ja sen aktivoiman biokemiallisen signaalijärjestelmän tärkeimmiksi ikääntymisen säätelijöiksi. Insuliini vaikuttaa siihen, miten kehon solut ottavat ja käyttävät sokeriglukoosia, joten sillä on perustavanlaatuinen vaikutus solujen kasvuun, lisääntymiseen ja korjaamiseen käytettävissä olevan energian määrään. Prosessissa se myös säätelee mahdollisesti haitallisten vapaiden radikaalien ja muiden hapettavien molekyylien muodostumista, jotka ovat aineenvaihdunnan sivutuotteita. Monet tutkijat epäilevät, että tästä syystä kalorirajoitusdieetit, jotka pitävät insuliinitasot alhaisina, näyttävät pidentävän monien lajien elinikää.

Lisäksi insuliinilla näyttää olevan lisäarvoa muurahaisille. Useita vuosia sitten evoluutiobiologin johtama työ Daniel Kronauer Rockefeller University osoitti, että muutokset kuinka muurahaiset reagoivat insuliiniin näyttävät houkutteleneen heidät kehittämään epäitsekkäitä siirtomaayhteiskunteja, joissa on lisääntymiskykyisiä kuningattareja ja ei-reproduktiivisia työntekijöitä.

Eli kun neljä vuotta sitten Vikram Chandra Hän oli Rockefeller-yliopiston jatko-opiskelija tutkiessaan eroja muurahaiskuningattaren ja työläisten välillä, insuliini oli hänen mielessään. Hän ja Ingrid Fetter-Pruneda, tuolloin laboratorion tutkijatohtori, johti ryhmää, joka tarkasteli geenien ilmentymistä seitsemässä muurahaislajissa ja päätteli, että kuningattareiden aivoissa tapahtui enemmän insuliinisignaalia kuin työntekijöiden aivoissa. Kun he injektoivat työmuurahaisille insuliinia, se aktivoi niiden lepotilassa olevat munasarjat ja laukaisi munasolujen kehittymisen. Tutkimusta valvoneen Kronauerin mukaan nämä havainnot osoittivat, että insuliinisignaali sai muurahaisista lisääntymään.

Tämä löytö loi perustan uudelle työlle, joka tehtiin osana biologien välistä pitkäaikaista yhteistyötä Claude Desplan ja Danny Reinberg New Yorkin yliopistossa. He osoittivat, että evoluutio on johdottanut joitakin insuliinin signaalireitin komponentteja muurahaisissa tavoilla, jotka voisivat selittää, miksi kuningattaret elävät pidempään.

Desplan ja Reinberg tutkivat intialaisia ​​hyppääviä muurahaisia ​​(Harpegnathos-salttori), jonka kuningattaret elävät noin viisi vuotta ja jonka työntekijät vain noin seitsemän kuukautta. Mutta tässä lajissa tämä eliniän ero ei ole kiveen hakattu. Jos kuningatar kuolee tai hänet poistetaan yhdyskunnasta, työntekijät aistivat muutoksen lähes välittömästi hänen tuoksunsa katoamisen jälkeen. Jotkut heistä tulevat sitten "pelaajiksi" (pseudokuningattariksi), jotka taistelevat hallitsevasta asemasta. Lopulta kourallinen voittoisaa peliporttia – yleensä kolmesta viiteen – ottaa yhdessä kuningattaren roolin siirtokunnan munanmunantajina. Muut työntekijät sitten "poliisevat" kaikki ylimääräiset peliportit ja estävät heitä väkisin munimasta.

Gamergatesin käyttäytyminen ei kuitenkaan ole ainoa muuttuva asia: ne kehittävät toimivat munasarjat ja voivat munia – ja niiden elinikä ulottuu kolmeen tai neljään vuoteen. Koska pelikaverit eivät ole yhtä tuottoisia kuin kuningattaret, kuningattaren munien korvaamiseen kuluu yleensä kolmesta viiteen niitä. Jos peliportti tuodaan siirtokuntaan, jossa kuningatar asuu, peliportti muuttuu työntekijäksi ja sen elinikä lyhenee.

Kun työntekijästä tulee pelimies, hänen aineenvaihdunta muuttuu. Hän syö enemmän, ja tästä johtuva insuliinitason nousu laukaisee hänen munasarjojensa kehittymisen. Hän käyttää ruokaa valmistamaan lipidejä, jotka pakataan muniin. Mutta aikaisemmissa insuliinia ja ikääntymistä koskevissa tutkimuksissa NYU:n tutkijat olivat odottaneet, että suurempi insuliinisignaali liittyisi lyhyempään elinikään, ei pidempään.

Tutkijat löysivät vastauksen kätkeytyneenä insuliinisignaloinnin yksityiskohtiin. Kun insuliini sitoutuu reseptoriinsa solun pinnalla, se käynnistää solun sisällä reaktiosarjan, mukaan lukien kaksi erillistä kemiallista reittiä. Yksi reitti aktivoi entsyymiä nimeltä MAP-kinaasi ja on kriittinen aineenvaihdunnalle ja munasarjojen kehitykselle. Toinen reitti tukahduttaa transkriptiotekijän, joka näyttää edistävän pidempää elinikää. Tutkijoiden yllätykseksi, kun he tarkastelivat munasarjoja ja rasvaa (joka vastaa suunnilleen nisäkkään maksaa) peliporteissa, he havaitsivat, että MAP-kinaasireitti oli aktiivinen, mutta toinen ei.

Jatkotyöt osoittivat, että peliporttien munasarjat ilmensivät voimakkaasti proteiinia, Imp-L2, joka jätti huomioimatta MAP-kinaasireitin, mutta häiritsi toista polkua rasvakehossa. "Tällä proteiinilla näyttää olevan tehtävä suojata yhtä reittiä, joka mahdollistaa aineenvaihdunnan, mutta estää ikääntymiseen johtavaa reittiä", Desplan sanoi.

Muut tutkijat huomauttavat, että uusi tutkimus ei osoita lopullisesti Imp-L2:n vaikuttavan elinikään: Desplan ja Reinberg eivät suoraan testanneet, pidentääkö proteiinin aktivoiminen työntekijöillä heidän elinikää vai kuolisiko sen estäminen peliporteissa. aikaisemmin. Tällaiset kokeet ovat haastavia, koska ne saattavat edellyttää insuliinin estäjien injektointia muurahaisille kuukausia tai vuosia.

Siitä huolimatta Desplanin ja Reinbergin ehdotus, että muurahaiset manipuloivat insuliinin signaalijärjestelmän eri haaroja, on "todella uskottava, mielenkiintoinen hypoteesi", sanoi Chandra, joka on tällä hetkellä tutkijatohtori Harvardin yliopistossa. "Jos se kannustaa useampia laboratorioita kokeilemaan tätä, se olisi erittäin siistiä."

Koska geneettisiä kokeita on helpompi suorittaa hedelmäkärpäsillä kuin muurahaisilla, Desplanin tiimi selvittää nyt, voivatko ne pidentää niiden elinikää. Drosophila hedelmäkärpäsiä aktivoimalla niiden Imp-L2:n ilmentymisen. Jonakin päivänä Desplan toivoo voivansa kokeilla koetta myös hiirillä. "Meillä on paljon jännittävää työtä tehtävänä", hän sanoi.

Loinen, joka pidentää elämää

Oudossa käänteessä luonto näyttää jo suorittaneen oman versionsa samanlaisesta kokeesta toisella lajilla. Saksalaiset tutkijat havaitsivat äskettäin, että loisheisimato on kehittänyt kyvyn manipuloida muurahaisten eliniän äärimmäistä plastisuutta omaksi edukseen.

Heisimadon täytyy viettää osa elämästään tammenterhomuurahaisten sisällä (Temnothorax nylanderi), jotka ovat saaneet nimensä yksittäisten tammenterhojen sisään rakentamistaan ​​pesistä. Kun työntekijät lähtevät etsimään ruokaa, he syövät joskus lapamatomunan ja saavat tartunnan. Mutta elinkaarinsa loppuunsaattamiseksi lapamato tarvitsee tartunnan myös tikkaan, ja se saa mahdollisuuden, kun tikkat syövät muurahaisten tammenterhokoteja.

Muutama vuosi sitten Sara Beros, opiskelija laboratoriossa Susanne Foitzik Mainzin Johannes Gutenbergin yliopistossa Saksassa avasi joitain tammenterhomuurahaispesiä ja teki sen oudon havainnon, että vaikka kaikki tartunnan saamattomat työntekijät kuolivat kuukausien tarkkailun aikana, tartunnan saaneet eivät. (Loismuurahaiset on helppo tunnistaa, koska niiden väri muuttuu ruskeasta keltaiseksi.) Kun Beros kertoi siitä Foitzikille, Foitzik muistelee ajattelevansa: "Se ei ole mahdollista. Kaikki kuolee." Mutta Beros oli itsepintainen, "ja siksi tarkastelimme asiaa kunnolla".

Teoksessa, joka esiteltiin viime kesänä Kansainvälisen sosiaalisten hyönteisten tutkimuksen liiton kokouksessa ja julkaistiin juuri ennen joulua biorxiv.org esitulostuspalvelinFoitzikin tiimi osoitti, että heisimadon toukkavaiheessa muurahaisissa se pumppaa proteiineja muurahaisen verta (hemolymfi) vastaavaan aineeseen, mikä pidentää dramaattisesti työntekijän elinikää. Toisin kuin intialaiset hyppymuurahaiset, tammenterhomuurahaiset eivät normaalisti kehity peliporteiksi, joten loisten eliniän pidentämisellä ei ole luonnollista ennakkotapausta.

"Vaikutus on erittäin vahva", Kronauer sanoi. Kolmivuotisen kokeen aikana tartunnan saaneet työntekijät elivät viisi kertaa niin kauan kuin ei-tartunnan saaneet ja kuolleisuus oli yhtä alhainen kuin kuningattareilla. Loisen manipulointi pidensi työntekijöiden elinikää niin paljon, "että periaatteessa et voi erottaa sitä kuningattaresta", hän sanoi.

Vaikka tartunnan saaneet tammenterhomuurahaiset eivät kasva lisääntymiskykyisiksi, niistä tulee monessa suhteessa kuningatarmaisia, Foitzik sanoi: He työskentelevät vähemmän ja saavat enemmän huomiota siirtokunnan tartuttamattomilta työntekijöiltä. Jos kuningatar poistetaan pesästä, he ovat myös ensimmäisiä työntekijöitä, joille kehittyy munasarjat.

Foitzik ja hänen tiiminsä havaitsivat, että lapamadon toukat tuottavat ja erittävät yli 250 proteiinia tartunnan saaneiden muurahaisten hemolymfiin, mikä riittää muodostamaan noin 7 % kaikista kiertävistä proteiineista. Suurin osa proteiineista ei ole karakterisoitu, mutta kaksi niistä voidaan tunnistaa antioksidantteiksi. "Joten näyttää siltä, ​​​​että [heisimato] vapauttaa antioksidantteja muurahaiseen, ja tämä voi pidentää elinikää", hän sanoi.

Kun Foitzik ja hänen tiiminsä mittasivat muutoksia geeniekspressiossa loismuurahaisissa, he havaitsivat, että tartunnan saaneet muurahaiset tuottivat myös enemmän antioksidantteja. Lisäksi kuningattaret ja tartunnan saaneet työntekijät ilmensivät enemmän geeniä, jota kutsutaan hopea, mutta tartunnan saaneet työntekijät eivät olleet. Tutkijat linkittivät aiemmin hopea geeni pidentää hedelmäkärpästen elinikää.

Vaikka on selvää, että kehitys- ja aineenvaihduntamuutosten sarja tapahtuu, kun työntekijöistä tulee kuningatarmaisia, on vaikeaa erottaa toisistaan, mikä muutoksista on tärkein eliniän pidentämiseksi. Insuliini ja antioksidantit ovat tärkeitä, mutta Keller uskoo, että monilla muillakin tekijöillä on todennäköisesti merkitystä. "Joten mielestäni ei olisi yhtä polkua, joka yksinkertaisesti selittäisi eliniän eron - sinun on luultavasti muutettava monia asioita", hän sanoi.

Keller uskoo, että löydökset loisista ovat kiehtovia, koska loiset tyypillisesti lyhentävät eivätkä pidennä elämää. Mutta tässä tapauksessa muurahaisen eliniän pidentäminen näyttää myös mukautuvan loiselle: lapamadon on pysyttävä tartunnan saaneessa muurahaisessa riittävän kauan, jotta tikka löytää tammenterhon ja syö sen. Jos työntekijä kuolee ennen sitä, heisimato kuolee sen mukana. Pidentämällä työntekijän ikää vuosilla lapamato parantaa todennäköisyyttä, että tikka lopulta ilmaantuu. Hemolymfin antioksidanttien runsaus voi myös auttaa heisimadon toukkia elämään niin kauan kuin isäntänsä elävät.

"Tässä loinen käyttää hyväkseen sosiaalista isäntä", Foitzik selitti. Ei olisi järkevää loistaa yksinäisissä selkärangattomissa, koska ne eivät koskaan elä niin kauan. "Mutta sosiaalisessa hyönteisessä, jossa kuningattaret asuvat jo 20 vuotta pesän turvassa, voit pelata tuollaista temppua."

Korjaus: 10
Tämän artikkelin aikaisemmassa versiossa ei mainita Fetter-Prunedan panoksia Chandran kanssa tehtyyn tutkimukseen, joka koski eroja geenien ilmentymisessä muurahaiskastien välillä.