Mieren leven 10 keer langer door hun insulinerespons te veranderen

Dieren die veel nakomelingen voortbrengen, hebben de neiging om een ​​korte levensduur te hebben, terwijl minder productieve soorten langer leven. Kakkerlakken leggen honderden eieren terwijl ze minder dan een jaar leven. Muizen krijgen tientallen baby's tijdens hun levensjaar of twee. Bultruggen produceren slechts één kalf om de twee of drie jaar en leven tientallen jaren. De vuistregel lijkt evolutionaire strategieën te weerspiegelen die voedingsbronnen kanaliseren om zich snel voort te planten of om robuuster te worden voor een voordeel op de lange termijn.

Maar mierenkoninginnen kunnen het allemaal hebben. Bij sommige mierensoorten leven koninginnen meer dan 30 jaar terwijl ze de duizenden en duizenden eieren leggen die alle werksters in het nest worden. Werkmieren daarentegen, dat zijn vrouwtjes die zich niet voortplanten, leven slechts enkele maanden. Maar als de omstandigheden het vereisen, kunnen de werksters van sommige soorten opstaan ​​om pseudo-koninginnen te worden voor het welzijn van het nest - en om een ​​aanzienlijke verlenging van hun levensduur te oogsten.

Wat dit gigantische bereik in de levensduur van mieren regelt, is slecht begrepen, maar twee recente studies hebben belangrijke details onthuld over wat de levensduur van mieren zo flexibel maakt. In Wetenschap, toonden onderzoekers van de New York University aan dat sommige mierenkoninginnen een eiwit produceren dat het verouderingseffect van insuline onderdrukt, zodat ze al het extra voedsel kunnen consumeren dat nodig is voor het leggen van eieren zonder hun leven te verkorten. En in een voordruk onlangs gepost op de biorxiv.org-server, beschreven onderzoekers in Duitsland een parasiet die de levensduur van zijn mierengastheren aanzienlijk verlengt door een rijke cocktail van antioxidanten en andere verbindingen af ​​te scheiden. Beide studies dragen bij aan het bewijs dat de waargenomen levensduur van organismen weinig te maken heeft met beperkingen opgelegd door hun genen.

"De meeste onderzoeken naar veroudering worden gedaan op modelorganismen die een zeer korte levensduur hebben", zei hij Laurent Keller, een professor in ecologie en evolutie aan de Universiteit van Lausanne in Zwitserland. Sociale insecten, legde hij uit, bieden fascinerende mogelijkheden om het belang van genexpressie bij veroudering te bestuderen, omdat de koningin en de werksters in een kolonie vaak hetzelfde genoom hebben, maar een orde van grootte verschillen in hun levensduur. (Twee decennia geleden toonde Keller aan dat mierenkoninginnen ongeveer 100 keer zo lang leven als de voorouderlijke solitaire insecten waaruit mieren evolueerden.)

En omdat de arbeiders van korte duur zijn, "kun je proberen uit te vinden hoe je ze langer kunt laten leven", zei Arjuna Rajakumar, een postdoctoraal onderzoeker die nu de reproductieve beperkingen van werkmieren bestudeert aan het Whitehead Institute van het Massachusetts Institute of Technology, nadat hij onlangs zijn afstudeerwerk aan de McGill University had voltooid. De opwindende mogelijkheid is dat de metabolische mechanismen die het leven van de insecten verlengen, ook van toepassing kunnen zijn op andere soorten, waaronder mensen. "We willen begrijpen hoe je iets langer laat leven, niet [alleen] waarom iets zo lang leeft", zei hij.

Meer eten terwijl je minder oud wordt

Decennia lang hebben studies gewezen op insuline en het biochemische signaleringssysteem dat het activeert als belangrijke regulatoren van veroudering. Insuline beïnvloedt hoe lichaamscellen de suikerglucose opnemen en gebruiken, dus het heeft een fundamentele invloed op de hoeveelheid energie die beschikbaar is voor cellen voor groei, voortplanting en herstel. Tijdens het proces reguleert het ook de aanmaak van mogelijk schadelijke vrije radicalen en andere oxiderende moleculen die bijproducten zijn van de stofwisseling. Veel onderzoekers vermoeden dat dit de reden is waarom caloriearme diëten, die het insulinegehalte laag houden, de levensduur van veel diersoorten lijken te verlengen.

Bovendien lijkt insuline een toegevoegde waarde te hebben voor mieren. Enkele jaren geleden werd het werk geleid door de evolutiebioloog Daniël Kronauer aan de Rockefeller University toonde aan dat veranderingen in hoe mieren reageren op insuline lijken hen te hebben overgehaald om altruïstische koloniale samenlevingen te ontwikkelen met reproductieve koninginnen en niet-reproductieve arbeiders.

Dus vier jaar geleden, wanneer Vikram Chandra was een afgestudeerde student aan de Rockefeller Universiteit die de verschillen tussen mierenkoninginnen en arbeiders bestudeerde, insuline was heel erg in zijn gedachten. Hij en Ingrid Fetter-Pruneda, destijds een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium, leidde mede een team dat de genexpressie bij zeven mierensoorten onderzocht en concludeerde dat er meer insulinesignalering plaatsvond in de hersenen van de koninginnen dan in de werksters. Toen ze werkmieren injecteerden met insuline, activeerde dit hun slapende eierstokken en veroorzaakte het de ontwikkeling van eieren. Volgens Kronauer, die toezicht hield op het onderzoek, toonden deze bevindingen aan dat insulinesignalering ervoor zorgde dat de mieren reproductief werden.

Die ontdekking legde de basis voor nieuw werk dat werd uitgevoerd als onderdeel van een langdurige samenwerking tussen de biologen Claude Deplan en Danny Reinberg aan de Universiteit van New York. Ze toonden aan dat evolutie sommige componenten van de insulinesignaleringsroute in mieren opnieuw heeft bedraad op een manier die zou kunnen verklaren waarom de koninginnen langer leven.

Desplan en Reinberg bestudeerden Indiase springmieren (Saltator van Harpegnathos), waarvan de koninginnen ongeveer vijf jaar leven en waarvan de arbeiders slechts ongeveer zeven maanden leven. Maar bij deze soort is dit verschil in levensduur niet in steen gebeiteld. Als een koningin sterft of uit de kolonie wordt verwijderd, voelen de werksters de verandering bijna onmiddellijk door het verdwijnen van haar geur. Sommigen van hen worden dan "gamergates" (pseudo-koninginnen) die duelleren om dominantie om haar plaats in te nemen. Uiteindelijk nemen een handvol zegevierende gamergates - meestal tussen de drie en vijf - gezamenlijk de rol van de koningin over als eierleggers voor de kolonie. Andere arbeiders "bewaken" vervolgens alle overbodige gamergates, waardoor ze met geweld worden onderdrukt om eieren te leggen.

Het gedrag van de gamergates is echter niet het enige dat verandert: ze ontwikkelen functionele eierstokken en kunnen eieren leggen - en hun levensduur strekt zich uit tot drie of vier jaar. Omdat gamergates niet zo productief zijn als koninginnen, zijn er gewoonlijk drie tot vijf nodig om de productie van eieren van de koningin te vervangen. Als een gamergate wordt geïntroduceerd in een kolonie waar een koningin leeft, wordt de gamergate weer een werker en wordt haar levensduur korter.

Wanneer een werknemer een gamergate wordt, verandert haar metabolisme. Ze eet meer en de daaruit voortvloeiende stijging van haar insulinespiegels triggert de ontwikkeling van haar eierstokken. Ze gebruikt het voedsel om lipiden te maken die in de eieren worden verpakt. Maar uit eerdere onderzoeken naar insuline en veroudering hadden de NYU-onderzoekers verwacht dat een grotere insulinesignalering gekoppeld zou zijn aan een kortere levensduur, niet aan een langere.

De onderzoekers vonden het antwoord verborgen in de details van insulinesignalering. Wanneer insuline zich bindt aan zijn receptor op een celoppervlak, veroorzaakt het cascades van reacties in de cel, waaronder twee verschillende chemische routes. Eén route activeert een enzym genaamd MAP-kinase en is van cruciaal belang voor de stofwisseling en de ontwikkeling van de eierstokken. De andere route onderdrukt een transcriptiefactor die een langere levensduur lijkt te bevorderen. Tot verbazing van de onderzoekers ontdekten ze, toen ze naar de eierstok en het vetlichaam (dat ongeveer gelijk is aan de lever van een zoogdier) in gamergates, dat de MAP-kinaseroute actief was, maar de andere niet.

Verder onderzoek toonde aan dat de eierstokken van de gamergates sterk een eiwit tot expressie brachten, Imp-L2, dat de MAP-kinaseroute negeerde maar interfereerde met de tweede route in het vetlichaam. "Dit eiwit lijkt de functie te hebben van het beschermen van één pad dat metabolisme mogelijk maakt, maar het remmen van het pad dat tot veroudering leidt," zei Desplan.

Andere onderzoekers wijzen erop dat de nieuwe studie niet definitief aantoont dat Imp-L2 de levensduur beïnvloedt: Desplan en Reinberg hebben niet direct getest of het activeren van het eiwit bij werknemers ervoor zou zorgen dat ze langer leven of dat het remmen ervan in gamergates hen zou doen sterven. eerder. Dergelijke experimenten zijn een uitdaging omdat ze het nodig kunnen maken om de mieren maanden of jaren met insulineremmers te injecteren.

Niettemin is het voorstel van Desplan en Reinberg dat de mieren de verschillende takken van het insulinesignaleringssysteem manipuleren "een heel plausibele, interessante hypothese", zei Chandra, die momenteel een postdoctoraal onderzoeker is aan de Harvard University. "Als het meer labs stimuleert om dit te testen, zou dat heel cool zijn."

Aangezien het gemakkelijker is om genetische experimenten uit te voeren op fruitvliegjes dan op mieren, bekijkt het team van Desplan nu of ze de levensduur van Drosophila fruitvliegjes door hun expressie van Imp-L2 te activeren. Ooit hoopt Desplan het experiment ook bij muizen uit te proberen. "We hebben veel opwindend werk te doen", zei hij.

De parasiet die het leven verlengt

In een vreemde draai lijkt de natuur al haar eigen versie van een soortgelijk experiment in een andere soort te hebben uitgevoerd. Onderzoekers in Duitsland ontdekten onlangs dat een parasitaire lintworm het vermogen heeft ontwikkeld om de extreme plasticiteit van de levensduur van mieren in zijn eigen voordeel te manipuleren.

De lintworm moet een deel van zijn leven doorbrengen in eikelmieren (Temnothorax nylanderi), die hun naam krijgen van de nesten die ze bouwen in individuele eikels. Als de arbeiders eropuit gaan om te foerageren, eten ze soms een lintwormei en raken ze besmet. Maar om zijn levenscyclus te voltooien, moet de lintworm ook een specht infecteren, en die kans krijgt hij wanneer spechten de eikelhuisjes van de mieren opeten.

Een paar jaar geleden, Sara Beros, een student in het laboratorium van Susanne Foitzik aan de Johannes Gutenberg Universiteit van Mainz in Duitsland, opende enkele nesten van eikelmieren en deed de vreemde ontdekking dat terwijl alle niet-geïnfecteerde arbeiders stierven tijdens hun observatiemaanden, de besmette niet. (De geparasiteerde mieren zijn gemakkelijk te herkennen omdat hun kleur van bruin naar geel verandert.) Toen Beros Foitzik erover vertelde, herinnert Foitzik zich dat hij dacht: “Dat is niet mogelijk. Alles gaat dood." Maar Beros hield vol, "en dus hebben we het goed onderzocht."

In werk dat afgelopen zomer werd gepresenteerd tijdens een bijeenkomst van de International Union for the Study of Social Insects en vlak voor Kerstmis op de biorxiv.org preprint-server, toonde het team van Foitzik aan dat tijdens het larvale stadium van de lintworm in mieren, het eiwitten in het mierenequivalent van bloed (hemolymfe) pompt, wat de levensduur van de werker drastisch verlengt. In tegenstelling tot de Indiase springmieren, ontwikkelen eikelmieren zich normaal gesproken niet tot gamergates, dus de verlenging van hun leven door de parasiet heeft geen natuurlijk precedent.

"Het effect is super sterk," zei Kronauer. Tijdens het drie jaar durende experiment leefden geïnfecteerde werksters vijf keer zo lang als niet-geïnfecteerde werksters en vertoonden sterftecijfers die even laag waren als die van de koninginnen. De manipulatie van de parasiet verlengde de levensduur van werksters zo sterk "dat je het eigenlijk niet meer kunt onderscheiden van die van een koningin", zei hij.

Hoewel de geïnfecteerde eikelmierwerkers niet reproductief worden, worden ze in verschillende opzichten meer koninginachtig, zei Foitzik: ze werken minder en krijgen meer aandacht van niet-geïnfecteerde arbeiders in de kolonie. Als de koningin uit het nest wordt gehaald, zijn zij ook de eerste werksters die eierstokken ontwikkelen.

Foitzik en haar team ontdekten dat de lintwormlarven meer dan 250 eiwitten produceren en afscheiden in de hemolymfe van de geïnfecteerde mieren - genoeg om ongeveer 7% van alle circulerende eiwitten te vormen. De meeste eiwitten zijn niet gekarakteriseerd, maar twee ervan zijn identificeerbaar als antioxidanten. "Dus het lijkt erop dat de [lintworm] antioxidanten afgeeft aan de mier, en dit zou de levensduur kunnen verlengen," zei ze.

Toen Foitzik en haar team veranderingen in genexpressie in de geparasiteerde mieren maten, ontdekten ze dat de geïnfecteerde mieren ook meer antioxidanten aanmaakten. Bovendien brachten de koninginnen en de geïnfecteerde werksters meer een gen tot expressie zilver, maar de niet-geïnfecteerde arbeiders waren dat niet. Onderzoekers koppelden eerder de zilver gen voor een verlengde levensduur bij fruitvliegjes.

Hoewel het duidelijk is dat er een reeks ontwikkelings- en metabolische veranderingen optreedt wanneer arbeiders meer op een koningin gaan lijken, is het moeilijk uit elkaar te houden welke van de veranderingen het belangrijkst is voor het verlengen van de levensduur. Insuline en antioxidanten zijn belangrijk, maar Keller denkt dat veel andere factoren waarschijnlijk ook een rol spelen. "Dus ik denk dat er geen enkel pad zou zijn dat simpelweg het verschil in levensduur zou verklaren - je moet waarschijnlijk veel dingen veranderen," zei hij.

Keller denkt dat de bevindingen over de parasieten fascinerend zijn omdat parasieten het leven eerder verkorten dan verlengen. Maar in dit geval lijkt de verlenging van de levensduur van de mier ook adaptief te zijn voor de parasiet: de lintworm moet lang genoeg in de geïnfecteerde mier blijven bestaan ​​zodat een specht de eikel kan vinden en opeten. Als de werker voor die tijd sterft, sterft de lintworm mee. Door het leven van de arbeider met jaren te verlengen, vergroot de lintworm de kans dat er uiteindelijk een specht opduikt. De overvloed aan antioxidanten in de hemolymfe kan er ook voor zorgen dat lintwormlarven net zo lang leven als hun gastheren.

"Hier maakt de parasiet misbruik van een sociale gastheer", legt Foitzik uit. Het zou geen zin hebben om solitaire ongewervelde dieren te parasiteren omdat ze nooit zo lang leven. "Maar bij een sociaal insect, waar de koninginnen al 20 jaar in de veiligheid van het nest leven, kun je dat soort trucjes uithalen."

Correctie: 10 januari 2023
In een eerdere versie van dit artikel werd nagelaten de bijdragen van Fetter-Pruneda aan het onderzoek met Chandra naar verschillen in genexpressie tussen mierenkasten te vermelden.