Les fourmis vivent 10 fois plus longtemps en modifiant leurs réponses à l'insuline

Les animaux qui produisent de nombreux descendants ont tendance à avoir une vie courte, tandis que les espèces moins prolifiques ont tendance à vivre plus longtemps. Les cafards pondent des centaines d'œufs tout en vivant moins d'un an. Les souris ont des dizaines de bébés au cours de leur année ou deux de vie. Les baleines à bosse ne produisent qu'un baleineau tous les deux ou trois ans et vivent des décennies. La règle empirique semble refléter des stratégies évolutives qui canalisent les ressources nutritionnelles soit pour se reproduire rapidement, soit pour devenir plus robustes pour un avantage à long terme.

Mais les reines fourmis peuvent tout avoir. Chez certaines espèces de fourmis, les reines vivent plus de 30 ans tout en pondant des milliers et des milliers d'œufs qui deviennent tous les ouvriers du nid. En revanche, les fourmis ouvrières, qui sont des femelles qui ne se reproduisent pas, ne vivent que des mois. Pourtant, si les circonstances l'exigent, les ouvrières de certaines espèces peuvent devenir des pseudo-reines pour le bien du nid - et récolter une prolongation significative de leur durée de vie.

Ce qui régit cette gamme gigantesque de durée de vie des fourmis est mal compris, mais deux études récentes ont révélé des détails importants sur ce qui rend la durée de vie des fourmis si flexible. In Sciences, des chercheurs de l'Université de New York ont ​​montré que certaines reines fourmis produisent une protéine qui supprime l'effet vieillissant de l'insuline afin qu'elles puissent consommer toute la nourriture supplémentaire nécessaire à leur ponte sans abréger leur vie. Et en une préimpression récemment publié sur le serveur biorxiv.org, des chercheurs allemands ont décrit un parasite qui prolonge considérablement la vie de ses fourmis hôtes en sécrétant un riche cocktail d'antioxydants et d'autres composés. Les deux études ajoutent à la preuve que la durée de vie observée des organismes a peu à voir avec les limitations imposées par leurs gènes.

"La plupart des études sur le vieillissement sont réalisées sur des organismes modèles qui ont une durée de vie très courte", a déclaré Laurent Keller, professeur d'écologie et d'évolution à l'Université de Lausanne en Suisse. Les insectes sociaux, a-t-il expliqué, offrent des opportunités fascinantes pour étudier l'importance de l'expression des gènes dans le vieillissement car la reine et les ouvrières d'une colonie ont souvent le même génome mais diffèrent dans leur durée de vie d'un ordre de grandeur. (Il y a deux décennies, Keller a montré que les reines des fourmis vivent environ 100 fois plus longtemps que les insectes solitaires ancestraux à partir desquels les fourmis ont évolué.)

Et parce que les travailleurs sont de courte durée, "vous pouvez essayer de trouver un moyen de les faire vivre plus longtemps", a déclaré Arjuna Rajakumar, un boursier postdoctoral qui étudie maintenant les contraintes reproductives des fourmis ouvrières au Whitehead Institute du Massachusetts Institute of Technology, après avoir récemment terminé ses études supérieures à l'Université McGill. La possibilité passionnante est que les mécanismes métaboliques prolongeant la vie des insectes pourraient également s'appliquer à d'autres espèces, y compris les humains. "Nous voulons comprendre comment vous faites vivre quelque chose plus longtemps, pas [just] pourquoi quelque chose vit si longtemps", a-t-il déclaré.

Manger plus en vieillissant moins

Pendant des décennies, des études ont pointé l'insuline et le système de signalisation biochimique qu'elle active comme des régulateurs clés du vieillissement. L'insuline affecte la façon dont les cellules du corps absorbent et utilisent le sucre glucose, elle a donc une influence fondamentale sur la quantité d'énergie disponible pour les cellules pour la croissance, la reproduction et la réparation. Dans le processus, il régule également la génération de radicaux libres potentiellement nocifs et d'autres molécules oxydantes qui sont des sous-produits du métabolisme. De nombreux chercheurs soupçonnent que c'est la raison pour laquelle les régimes de restriction calorique, qui maintiennent les niveaux d'insuline bas, semblent prolonger la durée de vie de nombreuses espèces.

De plus, l'insuline semble avoir une signification supplémentaire pour les fourmis. Il y a plusieurs années, les travaux menés par le biologiste de l'évolution Daniel Kronauer à l'Université Rockefeller a montré que les changements dans comment les fourmis réagissent à l'insuline semblent les avoir persuadés de faire évoluer des sociétés coloniales altruistes avec des reines reproductrices et des ouvrières non reproductrices.

Alors il y a quatre ans, quand Vikram Chandra était un étudiant diplômé de l'Université Rockefeller étudiant les différences entre les reines des fourmis et les ouvrières, l'insuline était très présente dans son esprit. Lui et Ingrid Fetter-Pruneda, chercheur postdoctoral au laboratoire à l'époque, a codirigé une équipe qui a étudié l'expression des gènes chez sept espèces de fourmis et a conclu que davantage de signaux d'insuline se produisaient dans le cerveau des reines que chez les ouvrières. Lorsqu’ils injectaient de l’insuline à des fourmis ouvrières, cela activait leurs ovaires dormants et déclenchait le développement des œufs. Selon Kronauer, qui a supervisé l’étude, ces résultats ont montré que la signalisation de l’insuline provoquait la reproduction des fourmis.

Cette découverte a jeté les bases de nouveaux travaux menés dans le cadre d'une collaboration de longue date entre les biologistes Claude Desplan ainsi que Danny Reinberg à l'Université de New York. Ils ont montré que l'évolution a recâblé certains composants de la voie de signalisation de l'insuline chez les fourmis d'une manière qui pourrait expliquer pourquoi les reines vivent plus longtemps.

Desplan et Reinberg ont étudié les fourmis sauteuses indiennes (Saltator d'Harpegnathos), dont les reines vivent environ cinq ans et dont les ouvrières ne vivent qu'environ sept mois. Mais chez cette espèce, cette différence de durée de vie n'est pas gravée dans le marbre. Si une reine meurt ou est retirée de la colonie, les ouvrières ressentent le changement presque immédiatement dès la disparition de son parfum. Certaines d'entre elles deviennent alors des « gamergates » (pseudo-reines) qui se battent pour la domination afin de prendre sa place. Finalement, une poignée de gamergates victorieux - généralement entre trois et cinq - assument conjointement le rôle de la reine en tant que pondeuses pour la colonie. D'autres travailleurs "surveillent" alors toutes les gamergates superflues, les empêchant de force de pondre des œufs.

Cependant, le comportement des gamergates n'est pas la seule chose qui change : ils développent des ovaires fonctionnels et peuvent pondre des œufs - et leur durée de vie s'étend sur trois ou quatre ans. Parce que les gamergates ne sont pas aussi prolifiques que les reines, il en faut généralement de trois à cinq pour remplacer la production d'œufs de la reine. Si un gamergate est introduit dans une colonie où vit une reine, le gamergate redevient un ouvrier et sa durée de vie se raccourcit.

Lorsqu'une ouvrière devient gamergate, son métabolisme change. Elle mange plus et l'augmentation de son taux d'insuline qui en résulte déclenche le développement de ses ovaires. Elle utilise la nourriture pour fabriquer des lipides qui sont emballés dans les œufs. Mais à partir d'études antérieures sur l'insuline et le vieillissement, les chercheurs de la NYU s'attendaient à ce qu'une plus grande signalisation de l'insuline soit liée à une durée de vie plus courte, et non plus longue.

Les chercheurs ont trouvé la réponse cachée dans les détails de la signalisation de l'insuline. Lorsque l'insuline se lie à son récepteur à la surface d'une cellule, elle déclenche des cascades de réactions à l'intérieur de la cellule, y compris deux voies chimiques distinctes. Une voie active une enzyme appelée MAP kinase et est essentielle au métabolisme et au développement des ovaires. L'autre voie supprime un facteur de transcription qui semble favoriser une durée de vie plus longue. À la surprise des chercheurs, lorsqu'ils ont examiné l'ovaire et le corps gras (qui équivaut à peu près au foie des mammifères) chez les gamergates, ils ont découvert que la voie MAP kinase était active mais pas l'autre.

D'autres travaux ont montré que les ovaires des gamergates exprimaient fortement une protéine, Imp-L2, qui ignorait la voie de la MAP kinase mais interférait avec la seconde voie dans le corps gras. "Cette protéine semble avoir pour fonction de protéger une voie qui permet le métabolisme, mais d'inhiber la voie qui mène au vieillissement", a déclaré Desplan.

D'autres chercheurs soulignent que la nouvelle étude ne montre pas définitivement que Imp-L2 affecte la durée de vie : Desplan et Reinberg n'ont pas directement testé si l'activation de la protéine chez les travailleurs les ferait vivre plus longtemps ou si l'inhiber dans les gamergates les ferait mourir. plus tôt. De telles expériences sont difficiles car elles peuvent nécessiter l'injection d'inhibiteurs d'insuline aux fourmis pendant des mois ou des années.

Néanmoins, la proposition de Desplan et Reinberg selon laquelle les fourmis manipulent les différentes branches du système de signalisation de l'insuline est "une hypothèse vraiment plausible et intéressante", a déclaré Chandra, qui est actuellement chercheur postdoctoral à l'Université de Harvard. "Si cela incite plus de laboratoires à essayer de tester cela, ce serait très cool."

Puisqu'il est plus facile d'effectuer des expériences génétiques sur les mouches des fruits que sur les fourmis, l'équipe de Desplan cherche maintenant à prolonger la durée de vie de Drosophila mouches des fruits en activant leur expression d'Imp-L2. Un jour, Desplan espère également tenter l'expérience sur des souris. "Nous avons beaucoup de travail passionnant à faire", a-t-il déclaré.

Le parasite qui rallonge la vie

Dans une tournure étrange, la nature semble avoir déjà exécuté sa propre version d'une expérience similaire chez une autre espèce. Des chercheurs allemands ont récemment découvert qu'un ténia parasite avait développé la capacité de manipuler l'extrême plasticité de la durée de vie des fourmis à son propre avantage.

Le ténia doit passer une partie de sa vie à l'intérieur des fourmis gland (Temnothorax nylanderi), qui tirent leur nom des nids qu'ils construisent à l'intérieur des glands individuels. Lorsque les ouvrières sortent pour chercher de la nourriture, elles mangent parfois un œuf de ténia et sont infectées. Mais pour compléter son cycle de vie, le ténia doit également infecter un pic, et il en a l'occasion lorsque les pics mangent les glands des fourmis.

Il y a quelques années, Sara Beros, étudiante au laboratoire de Susanne Foitzik à l'Université Johannes Gutenberg de Mayence en Allemagne, a ouvert des nids de fourmis gland et a fait l'étrange découverte que si tous les ouvriers non infectés sont morts pendant leurs mois d'observation, les infectés ne l'ont pas fait. (Les fourmis parasitées sont faciles à identifier car leur couleur passe du brun au jaune.) Lorsque Beros en a parlé à Foitzik, Foitzik se souvient avoir pensé : « Ce n'est pas possible. Tout meurt." Mais Beros a insisté, "et nous avons donc examiné la question correctement."

Dans un ouvrage présenté l'été dernier lors d'une réunion de l'Union internationale pour l'étude des insectes sociaux et mis en ligne juste avant Noël sur le serveur de préimpression biorxiv.org, l'équipe de Foitzik a montré que pendant le stade larvaire du ténia chez les fourmis, il pompe des protéines dans l'équivalent du sang de la fourmi (hémolymphe) qui prolongent considérablement la durée de vie du travailleur. Contrairement aux fourmis sauteuses indiennes, les fourmis glands ne se développent normalement pas en gamergates, de sorte que la prolongation de leur vie par le parasite n'a pas de précédent naturel.

"L'effet est super fort", a déclaré Kronauer. Au cours de l'expérience de trois ans, les ouvrières infectées ont vécu cinq fois plus longtemps que les non infectées et ont montré des taux de mortalité aussi bas que ceux des reines. La manipulation du parasite a tellement prolongé la durée de vie des ouvrières "que fondamentalement, vous ne pouvez pas la distinguer de celle d'une reine", a-t-il déclaré.

Bien que les ouvrières infectées ne deviennent pas reproductives, elles deviennent plus reines à plusieurs égards, a déclaré Foitzik : Elles travaillent moins et reçoivent des soins plus attentifs des ouvrières non infectées de la colonie. Si la reine est retirée du nid, ce sont aussi les premières ouvrières à développer des ovaires.

Foitzik et son équipe ont découvert que les larves de ténia produisent et sécrètent plus de 250 protéines dans l'hémolymphe des fourmis infectées, suffisamment pour constituer environ 7 % de toutes les protéines en circulation. La plupart des protéines n'ont pas été caractérisées, mais deux d'entre elles sont identifiables comme antioxydants. "Il semble donc que le [ténia] libère des antioxydants dans la fourmi, et cela pourrait augmenter la durée de vie", a-t-elle déclaré.

Lorsque Foitzik et son équipe ont mesuré les changements dans l'expression des gènes chez les fourmis parasitées, ils ont découvert que les fourmis infectées produisaient également plus d'antioxydants. De plus, les reines et les ouvrières infectées exprimaient davantage un gène appelé vis argent, mais les travailleurs non infectés ne l'étaient pas. Les chercheurs ont précédemment lié le vis argent gène à une durée de vie prolongée chez les mouches des fruits.

Bien qu'il soit clair qu'une série de changements développementaux et métaboliques se produisent lorsque les ouvrières deviennent plus reines, il est difficile de distinguer lequel des changements est le plus important pour prolonger la durée de vie. L'insuline et les antioxydants sont importants, mais Keller pense que de nombreux autres facteurs sont également susceptibles de jouer un rôle. "Je pense donc qu'il n'y aurait pas une seule voie qui expliquerait simplement la différence de durée de vie – vous devez changer beaucoup de choses, probablement", a-t-il déclaré.

Keller pense que les découvertes sur les parasites sont fascinantes parce que les parasites raccourcissent généralement plutôt qu'ils n'allongent la vie. Mais dans ce cas, l'allongement de la durée de vie de la fourmi semble également être adaptatif pour le parasite : le ténia doit persister suffisamment longtemps dans la fourmi infectée pour qu'un pic trouve le gland et le mange. Si le travailleur meurt avant, le ténia meurt avec lui. En allongeant la vie du travailleur de plusieurs années, le ténia améliore les chances qu'un pic apparaisse éventuellement. L'abondance d'antioxydants dans l'hémolymphe peut également aider les larves de ténia à vivre aussi longtemps que leurs hôtes.

"Ici, le parasite exploite un hôte social", a expliqué Foitzik. Cela n'aurait aucun sens de parasiter des invertébrés solitaires car ils ne vivent jamais aussi longtemps. "Mais chez un insecte social, où les reines vivent déjà dans la sécurité du nid depuis 20 ans, vous pouvez jouer ce genre de tour."

Correction : 10 janvier 2023
Une version antérieure de cet article a négligé de mentionner les contributions de Fetter-Pruneda à l'étude avec Chandra sur les différences d'expression génétique entre les castes de fourmis.