A hangyák 10-szer tovább élnek azáltal, hogy megváltoztatják inzulinválaszukat

A sok utódot hozó állatok általában rövid életűek, míg a kevésbé szapora fajok tovább élnek. A csótányok több száz tojást raknak, miközben kevesebb mint egy évig élnek. Az egerek több tucat babát szülnek életük egy-két évében. A púpos bálnák két-három évente csak egy borjút adnak, és évtizedekig élnek. Úgy tűnik, hogy a hüvelykujjszabály olyan evolúciós stratégiákat tükröz, amelyek a táplálkozási erőforrásokat a gyors szaporodásba vagy a hosszú távú előny érdekében robusztusabb növekedésbe irányítják.

De a hangyakirálynőknek minden lehet. Egyes hangyafajokban a királynők több mint 30 évig élnek, miközben több ezer meg ezer tojást raknak le, amelyek a fészek összes dolgozójává válnak. Ezzel szemben a munkáshangyák, amelyek nem szaporodó nőstények, csak hónapokig élnek. Mégis, ha a körülmények megkívánják, egyes fajok munkásai a fészek javára álkirálynővé válhatnak – és jelentősen meghosszabbíthatják életüket.

Kevéssé ismert, hogy mi szabályozza a hangyák élettartamának ezt a gigantikus tartományát, de két közelmúltbeli tanulmány fontos részleteket tárt fel arról, hogy mi teszi a hangyák élettartamát olyan rugalmassá. In Tudomány, a New York-i Egyetem kutatói kimutatták, hogy egyes hangyakirálynők olyan fehérjét termelnek, amely elnyomja az inzulin öregedési hatását, így életük megrövidítése nélkül el tudják fogyasztani a tojásrakáshoz szükséges összes további táplálékot. És be egy előnyomat A biorxiv.org szerveren nemrégiben közzétett német kutatók egy parazitát írtak le, amely nagymértékben meghosszabbítja hangyagazdáinak életét azáltal, hogy antioxidánsok és más vegyületek gazdag koktélját választja ki. Mindkét tanulmány azt a bizonyítékot szolgálja, hogy az élőlények megfigyelt élettartamának nem sok köze van a génjeik által támasztott korlátokhoz.

"Az öregedéssel kapcsolatos legtöbb tanulmányt olyan modellszervezeteken végzik, amelyek nagyon rövid élettartamúak" - mondta Laurent Keller, az ökológia és evolúció professzora a svájci Lausanne Egyetemen. Elmagyarázta, hogy a társas rovarok lenyűgöző lehetőségeket kínálnak a génexpresszió fontosságának tanulmányozására az öregedésben, mivel a királynő és a kolóniában dolgozó munkások genomja gyakran azonos, de élettartamuk nagyságrenddel eltér. (Két évtizeddel ezelőtt Keller kimutatta, hogy a hangyakirálynők körülbelül 100-szor annyi ideig élnek, mint az ősi, magányos rovarok, amelyekből a hangyák fejlődtek.)

És mivel a munkások rövid életűek, „megpróbálhatja kitalálni, hogyan lehet tovább élni” – mondta Arjuna Rajakumar, egy posztdoktori ösztöndíjas, aki most a Massachusetts Institute of Technology Whitehead Intézetében a munkáshangyák szaporodási korlátait tanulmányozza, miután nemrég fejezte be diplomáját a McGill Egyetemen. Az izgalmas lehetőség az, hogy a rovarok életét meghosszabbító metabolikus mechanizmusok más fajokra is vonatkozhatnak, beleértve az embert is. "Azt akarjuk megérteni, hogyan lehet hosszabb ideig élni valamit, nem csak azt, hogy miért él valami sokáig" - mondta.

Egyél többet, miközben kevesebbet öregszel

A tanulmányok évtizedek óta rámutattak az inzulinra és az általa aktivált biokémiai jelrendszerre, mint az öregedés kulcsfontosságú szabályozóira. Az inzulin befolyásolja, hogy a test sejtjei hogyan veszik fel és használják fel a glükózcukrot, így alapvetően befolyásolja a sejtek növekedéséhez, szaporodásához és helyreállításához rendelkezésre álló energia mennyiségét. A folyamat során szabályozza a potenciálisan káros szabad gyökök és más oxidáló molekulák képződését is, amelyek az anyagcsere melléktermékei. Sok kutató gyanítja, hogy ez az oka annak, hogy az inzulinszintet alacsonyan tartó kalóriakorlátozó diéták sok fajnál meghosszabbítják az élettartamot.

Sőt, úgy tűnik, hogy az inzulin további jelentőséggel bír a hangyák számára. Néhány évvel ezelőtt az evolúciós biológus által vezetett munka Daniel Kronauer a Rockefeller Egyetemen kimutatták, hogy a változások a hogyan reagálnak a hangyák az inzulinra Úgy tűnik, rávette őket, hogy önzetlen gyarmati társadalmakat alakítsanak ki reproduktív királynőkkel és nem szaporodó munkásokkal.

Tehát négy évvel ezelőtt, amikor Vikram Chandra was a graduate student at Rockefeller University studying the differences between ant queens and workers, insulin was very much on his mind. He and Ingrid Fetter-Pruneda, a postdoctoral fellow in the lab at the time, co-led a team that looked at gene expression in seven ant species and concluded that more insulin signaling occurred in the brains of the queens than in the workers. When they injected worker ants with insulin, it activated their dormant ovaries and triggered egg development. According to Kronauer, who oversaw the study, these findings showed that insulin signaling caused the ants to become reproductive.

Ez a felfedezés megalapozta a biológusok közötti hosszú távú együttműködés részeként végzett új munka alapjait Claude Desplan és a Danny Reinberg a New York-i Egyetemen. Kimutatták, hogy az evolúció a hangyákban az inzulin jelátviteli útvonalának egyes összetevőit olyan módon alakította át, ami megmagyarázhatja, miért élnek tovább a királynők.

Desplan és Reinberg indiai ugróhangyákat tanulmányoztak (Harpegnathos saltator), amelynek királynői körülbelül öt évig, munkásai pedig csak körülbelül hét hónapig élnek. De ennél a fajnál ez az élettartambeli különbség nincs kőbe vésve. Ha egy királynő meghal, vagy eltávolítják a kolóniáról, a munkások szinte azonnal érzékelik a változást az illata eltűnése után. Némelyikük ezután „gamergate”-vé (álkirálynővé) válik, akik párbajtanak a dominanciáért, hogy átvegyék a helyét. Végül egy maroknyi győztes játékkapu – általában három és öt között – közösen veszi át a királynő szerepét a kolónia tojásrakójaként. Más munkások ezután „rendőrzik” a felesleges játékkapukat, erőszakkal megakadályozva őket a tojásrakásban.

A gamergates viselkedése azonban nem az egyetlen, ami megváltozik: funkcionális petefészkeket fejlesztenek, és képesek tojást rakni – és élettartamuk három-négy évig terjed. Mivel a gamergates nem olyan szapora, mint a királynők, általában három-öt darab kell belőlük, hogy pótolják a királynő tojástermelését. Ha egy gamergate-t bevezetnek egy kolóniába, ahol egy királynő él, a gamergate visszavált munkássá, és lerövidül az élettartama.

Amikor egy dolgozó játékossá válik, megváltozik az anyagcseréje. Többet eszik, és az ebből eredő inzulinszint-emelkedés beindítja a petefészkek fejlődését. Az ételből lipideket állít elő, amelyeket a tojásba csomagolnak. Az inzulinra és az öregedésre vonatkozó korábbi tanulmányok alapján azonban a NYU kutatói arra számítottak, hogy a nagyobb inzulin jelátvitel nem hosszabb, hanem rövidebb élettartamhoz kapcsolódik.

A kutatók megtalálták a választ az inzulinjelzés részleteiben. Amikor az inzulin a sejtfelszínen lévő receptorához kötődik, reakciók sorozatát indítja el a sejten belül, köztük két különböző kémiai útvonalat. Az egyik útvonal aktiválja a MAP kináz nevű enzimet, és kritikus az anyagcseréhez és a petefészek fejlődéséhez. A másik út elnyom egy transzkripciós faktort, amely úgy tűnik, hogy elősegíti a hosszabb élettartamot. A kutatók meglepetésére, amikor megvizsgálták a petefészket és a zsírtestet (amely nagyjából egyenértékű az emlős májával), azt találták, hogy a MAP kináz útvonal aktív, a másik viszont nem.

A további munka azt mutatta, hogy a gamergates petefészkei erősen expresszálnak egy fehérjét, az Imp-L2-t, amely figyelmen kívül hagyta a MAP kináz útvonalat, de zavarja a második útvonalat a zsírtestben. "Úgy tűnik, ennek a fehérjének az a funkciója, hogy megvéd egy olyan utat, amely lehetővé teszi az anyagcserét, de gátolja az öregedéshez vezető utat" - mondta Desplan.

Más kutatók rámutatnak, hogy az új tanulmány nem bizonyítja egyértelműen, hogy az Imp-L2 befolyásolja az élettartamot: Desplan és Reinberg nem vizsgálta közvetlenül, hogy a fehérje aktiválása a dolgozókban hosszabb életet eredményez-e, vagy ha gátlása a gamergates-ben, meghalna. hamarabb. Az ilyen kísérletek kihívást jelentenek, mert szükség lehet arra, hogy a hangyákba hónapokig vagy évekig inzulingátlót fecskendezzenek.

Ennek ellenére Desplan és Reinberg azon javaslata, hogy a hangyák manipulálják az inzulin jelrendszer különböző ágait, „igazán valószínű, érdekes hipotézis” – mondta Chandra, aki jelenleg a Harvard Egyetem posztdoktori kutatója. "Ha ez több laboratóriumot ösztönöz arra, hogy megpróbálják ezt tesztelni, az nagyon klassz lenne."

Mivel gyümölcslegyeken egyszerűbb genetikai kísérleteket végezni, mint hangyákon, a Desplan csapata most azt vizsgálja, hogy meghosszabbíthatják-e a legyek élettartamát. Drosophila gyümölcslegyeket az Imp-L2 expressziójának aktiválásával. Desplan egy nap azt reméli, hogy egereken is kipróbálhatja a kísérletet. „Sok izgalmas feladat vár ránk” – mondta.

A parazita, amely meghosszabbítja az életet

Különös fordulatként úgy tűnik, hogy a természet már végrehajtotta a saját változatát egy másik fajban végzett hasonló kísérletről. Németországi kutatók nemrég fedezték fel, hogy egy parazita galandféreg kifejlesztette azt a képességét, hogy a hangyák élettartamának rendkívüli plaszticitását saját előnyére manipulálja.

A galandféregnek élete egy részét makkhangyákban kell töltenie (Temnothorax nylanderi), amelyek elnevezésüket az egyes makkokban épített fészkekről kapták. Amikor a munkások kimennek takarmányozni, néha megesznek egy galandféregpetéket, és megfertőződnek. Ám életciklusának befejezéséhez a galandféregnek egy harkályt is meg kell fertőznie, és erre akkor nyílik lehetőség, amikor a harkály megeszik a hangyák makkházát.

Néhány évvel ezelőtt Beros Sára, a laboratórium diákja Susanne Foitzik a németországi Mainzi Johannes Gutenberg Egyetemen kinyitott néhány makkhangya fészket, és azt a furcsa felfedezést tette, hogy bár az összes nem fertőzött munkás meghalt a több hónapos megfigyelés alatt, a fertőzöttek nem. (Az élősködő hangyákat könnyű azonosítani, mert a színük barnáról sárgára változik.) Amikor Beros erről beszélt Foitziknak, Foitzik úgy gondolta: „Ez nem lehetséges. Minden meghal." De Beros ragaszkodott hozzá, „és ezért alaposan utánanéztünk”.

Múlt nyáron a Társadalmi Rovarok Tanulmányozó Nemzetközi Uniójának ülésén bemutatott és karácsony előtt közzétett munkában a biorxiv.org nyomtatás előtti szerverFoitzik csapata kimutatta, hogy a hangyákban a galandféreg lárvaállapotában fehérjéket pumpál a hangya megfelelő vérébe (hemolimfába), ami drámaian meghosszabbítja a dolgozó élettartamát. Az indiai ugróhangyákkal ellentétben a makkhangyák általában nem fejlődnek vadállattá, így a parazita életének meghosszabbítására nincs természetes precedens.

"A hatás rendkívül erős" - mondta Kronauer. A hároméves kísérlet során a fertőzött munkások ötször annyi ideig éltek, mint a nem fertőzöttek, és a halálozási arány olyan alacsony volt, mint a királynőké. A parazita manipulációja annyira meghosszabbította a munkások élettartamát, hogy „alapvetően nem lehet megkülönböztetni a királynőétől” – mondta.

Bár a fertőzött makkhangya munkások nem szaporodnak, több tekintetben királynőibbekké válnak, Foitzik elmondta: Kevesebbet dolgoznak, és jobban odafigyelnek a nem fertőzött dolgozókra a telepen. Ha a királynőt eltávolítják a fészekből, ők az első munkások, akiknél petefészkek alakulnak ki.

Foitzik és csapata azt találta, hogy a galandféreg lárvái több mint 250 fehérjét termelnek és választanak ki a fertőzött hangyák hemolimfájába – ez elegendő ahhoz, hogy az összes keringő fehérje körülbelül 7%-át képezze. A legtöbb fehérjét nem jellemezték, de közülük kettő antioxidánsként azonosítható. "Tehát úgy tűnik, hogy a [galandféreg] antioxidánsokat bocsát ki a hangyába, és ez meghosszabbíthatja az élettartamát" - mondta.

Amikor Foitzik és csapata megmérte a génexpresszió változásait a parazita hangyákban, azt találták, hogy a fertőzött hangyák több antioxidánst is termelnek. Sőt, a királynők és a fertőzött munkások többet expresszáltak egy úgynevezett génből ezüst, de a nem fertőzött dolgozók nem. A kutatók korábban összekapcsolták a ezüst gén meghosszabbítására gyümölcslegyekben.

Bár nyilvánvaló, hogy fejlődési és anyagcsere-változások sorozata következik be, amikor a munkások királynőivé válnak, nehéz szétválasztani, hogy a változások közül melyik a legfontosabb az élettartam meghosszabbítása szempontjából. Az inzulin és az antioxidánsok fontosak, de Keller szerint sok más tényező is szerepet játszhat. „Úgy gondolom, hogy nem lenne egyetlen út, amely egyszerűen megmagyarázná az élettartam különbségét – valószínűleg sok dolgon kell változtatni” – mondta.

Keller úgy gondolja, hogy a parazitákkal kapcsolatos megállapítások lenyűgözőek, mivel a paraziták általában inkább lerövidítik, mint meghosszabbítják az életet. De ebben az esetben úgy tűnik, hogy a hangya élettartamának meghosszabbítása is alkalmazkodik a parazitához: a galandféregnek elég sokáig kell megmaradnia a fertőzött hangyában ahhoz, hogy a harkály megtalálja a makkot és megegye. Ha a munkás azelőtt meghal, vele együtt a galandféreg is meghal. Azáltal, hogy évekkel meghosszabbítja a munkás életét, a galandféreg növeli annak esélyét, hogy végül felbukkan egy harkály. A hemolimfában található rengeteg antioxidáns segíthet abban, hogy a galandféreg lárvái addig éljenek, amíg gazdáik.

„Itt a parazita kizsákmányol egy társas gazdát” – magyarázta Foitzik. Nem lenne értelme a magányos gerinctelen állatokon élősködni, mert soha nem élnek ilyen sokáig. "De egy társas rovarban, ahol a királynők már 20 éve a fészek biztonságában élnek, meg lehet játszani ezt a trükköt."

Correction: January 10, 2023
An earlier version of this article neglected to mention the contributions of Fetter-Pruneda to the study with Chandra on differences in gene expression between ant castes.