Maur lever 10 ganger lenger ved å endre insulinresponsen

Dyr som produserer mange avkom har en tendens til å ha korte liv, mens mindre produktive arter har en tendens til å leve lenger. Kakerlakker legger hundrevis av egg mens de lever mindre enn ett år. Mus får dusinvis av babyer i løpet av deres leveår eller to. Knølhval produserer bare én kalv hvert annet eller tredje år og lever i flere tiår. Tommelfingerregelen ser ut til å reflektere evolusjonære strategier som kanaliserer ernæringsressurser enten til å reprodusere seg raskt eller til å bli mer robust for en langsiktig fordel.

Men maurdronninger kan ha alt. Hos noen maurarter lever dronninger mer enn 30 år mens de legger tusenvis på tusenvis av egg som blir alle arbeiderne i reiret. I kontrast lever arbeidsmaur, som er hunner som ikke formerer seg, bare måneder. Men hvis omstendighetene krever det, kan arbeiderne til noen arter gå opp for å bli pseudodronninger til beste for reiret - og for å høste en betydelig forlengelse av levetiden deres.

Hva som styrer dette gigantiske området i maurs levetid er dårlig forstått, men to nyere studier har avslørt viktige detaljer om hva som gjør maurens levetid så fleksibel. In Vitenskap, viste forskere ved New York University at noen maurdronninger produserer et protein som undertrykker aldringseffekten av insulin, slik at de kan konsumere all den ekstra maten de trenger for eggleggingen deres uten å forkorte livet. Og i et fortrykk nylig publisert på biorxiv.org-serveren, beskrev forskere i Tyskland en parasitt som i stor grad forlenger livet til maurvertene sine ved å skille ut en rik cocktail av antioksidanter og andre forbindelser. Begge studiene legger til bevisene for at de observerte levetidene til organismer har lite å gjøre med begrensninger pålagt av genene deres.

"De fleste studier om aldring er gjort på modellorganismer som har svært kort levetid," sa Laurent Keller, professor i økologi og evolusjon ved Universitetet i Lausanne i Sveits. Sosiale insekter, forklarte han, tilbyr fascinerende muligheter til å studere betydningen av genuttrykk i aldring, fordi dronningen og arbeiderne i en koloni ofte har det samme genomet, men varierer i livslengde i en størrelsesorden. (For to tiår siden viste Keller at maurdronninger lever omtrent 100 ganger så lenge som forfedrenes ensomme insekter som maurene utviklet seg fra.)

Og fordi arbeiderne er kortvarige, "kan du prøve å finne ut hvordan du får dem til å leve lenger," sa Arjuna Rajakumar, en postdoktor som nå studerer reproduktive begrensninger på arbeidsmaur ved Whitehead Institute ved Massachusetts Institute of Technology, som nylig har fullført sitt doktorgradsarbeid ved McGill University. Den spennende muligheten er at de metabolske mekanismene som forlenger livet til insektene også kan gjelde for andre arter, inkludert mennesker. "Vi ønsker å forstå hvordan du får noe til å leve lenger, ikke [bare] hvorfor noe lever så lenge," sa han.

Spis mer mens du eldes mindre

I flere tiår har studier pekt på insulin og det biokjemiske signalsystemet som det aktiveres som nøkkelregulatorer for aldring. Insulin påvirker hvordan kroppens celler tar opp og bruker sukkeret glukose, så det har en grunnleggende innflytelse på mengden energi som er tilgjengelig for cellene for vekst, reproduksjon og reparasjon. I prosessen regulerer den også genereringen av potensielt skadelige frie radikaler og andre oksiderende molekyler som er biprodukter av metabolisme. Mange forskere mistenker at dette er grunnen til at kaloribegrensningsdietter, som holder insulinnivåene lave, ser ut til å forlenge levetiden hos mange arter.

Dessuten ser insulin ut til å ha økt betydning for maur. For flere år siden ble arbeidet ledet av evolusjonsbiologen Daniel Kronauer ved Rockefeller University viste at endringer i hvordan maur reagerer på insulin ser ut til å ha lokket dem til å utvikle altruistiske koloniale samfunn med reproduktive dronninger og ikke-reproduktive arbeidere.

Så for fire år siden, når Vikram Chandra var en doktorgradsstudent ved Rockefeller University og studerte forskjellene mellom maurdronninger og arbeidere, var insulin veldig i tankene hans. Han og Ingrid Fetter-Pruneda, en postdoktor i laboratoriet på den tiden, ledet et team som så på genuttrykk i syv maurarter og konkluderte med at mer insulinsignalering skjedde i dronningenes hjerner enn hos arbeiderne. Når de injiserte arbeidsmaur med insulin, aktiverte det deres sovende eggstokker og utløste eggutvikling. Ifølge Kronauer, som hadde tilsyn med studien, viste disse funnene at insulinsignalering førte til at maurene ble reproduktive.

Den oppdagelsen la grunnlaget for nytt arbeid utført som en del av et langsiktig samarbeid mellom biologene Claude Desplan og Danny Reinberg ved New York University. De viste at evolusjonen har omkoblet noen komponenter av insulinsignalveien hos maur på måter som kan forklare hvorfor dronningene lever lenger.

Desplan og Reinberg studerte indiske hoppemaur (Harpegnathos saltator), hvis dronninger lever omtrent fem år og hvis arbeidere lever bare rundt syv måneder. Men hos denne arten er ikke denne forskjellen i levetid satt i stein. Hvis en dronning dør eller blir fjernet fra kolonien, merker arbeiderne endringen nesten umiddelbart etter at duften hennes forsvinner. Noen av dem blir deretter "gamergates" (pseudo-dronninger) som duellerer for at dominansen skal ta hennes plass. Til slutt overtar en håndfull seirende gamergate – vanligvis mellom tre og fem – i fellesskap dronningens rolle som eggleggere for kolonien. Andre arbeidere "politi" deretter eventuelle overflødige gamergates, og undertrykker dem med makt fra å legge egg.

Gamergatenes oppførsel er imidlertid ikke det eneste som endres: De utvikler funksjonelle eggstokker og kan legge egg - og levetiden deres strekker seg til tre eller fire år. Fordi gamergates ikke er like produktive som dronninger, tar det vanligvis fra tre til fem av dem for å erstatte dronningens produksjon av egg. Hvis en gamergate blir introdusert i en koloni der en dronning bor, går gamergate tilbake til å være en arbeider og levetiden hennes blir kortere.

Når en arbeider blir en gamergate, endres stoffskiftet hennes. Hun spiser mer, og den resulterende økningen i insulinnivået trigger utviklingen av eggstokkene hennes. Hun bruker maten til å lage lipider som pakkes inn i eggene. Men fra tidligere studier av insulin og aldring, hadde NYU-forskerne forventet at større insulinsignalering ville være knyttet til en kortere levetid, ikke en lengre.

Forskerne fant svaret skjult i detaljene om insulinsignalering. Når insulin binder seg til sin reseptor på en celleoverflate, setter det i gang kaskader av reaksjoner inne i cellen, inkludert to distinkte kjemiske veier. En vei aktiverer et enzym kalt MAP-kinase og er kritisk for metabolisme og eggstokkutvikling. Den andre veien undertrykker en transkripsjonsfaktor som ser ut til å fremme en lengre levetid. Til forskernes overraskelse, da de så på eggstokken og fettkroppen (som omtrent tilsvarer pattedyrleveren) i gamergates, fant de ut at MAP-kinasebanen var aktiv, men den andre ikke.

Ytterligere arbeid viste at eggstokkene til gamergatene sterkt uttrykte et protein, Imp-L2, som ignorerte MAP-kinasebanen, men forstyrret den andre banen i fettkroppen. "Dette proteinet ser ut til å ha funksjonen til å beskytte en vei som tillater metabolisme, men å hemme veien som fører til aldring," sa Desplan.

Andre forskere påpeker at den nye studien ikke definitivt viser at Imp-L2 påvirker levetiden: Desplan og Reinberg testet ikke direkte om aktivering av proteinet i arbeidere ville få dem til å leve lenger eller om hemming av det i gamergates ville få dem til å dø før. Slike eksperimenter er utfordrende fordi de kan gjøre det nødvendig å injisere maurene med insulinhemmere i måneder eller år.

Likevel er Desplan og Reinbergs forslag om at maurene manipulerer de forskjellige grenene av insulinsignalsystemet "en virkelig plausibel, interessant hypotese," sa Chandra, som for tiden er postdoktor ved Harvard University. "Hvis det stimulerer flere laboratorier til å prøve å teste dette, ville det vært veldig kult."

Siden det er lettere å utføre genetiske eksperimenter på fruktfluer enn på maur, ser Desplans team nå om de kan forlenge levetiden til Drosophila fruktfluer ved å aktivere deres uttrykk for Imp-L2. En dag håper Desplan å prøve eksperimentet på mus også. "Vi har mye spennende å gjøre," sa han.

Parasitten som forlenger livet

I en merkelig vri ser det ut til at naturen allerede har kjørt sin egen versjon av et lignende eksperiment i en annen art. Forskere i Tyskland oppdaget nylig at en parasittisk bendelorm har utviklet evnen til å manipulere den ekstreme plastisiteten til maurs levetid til sin egen fordel.

Bendelormen må tilbringe deler av livet sitt inne i eikenøttmaur (Temnothorax nylanderi), som får navnene sine fra reirene de bygger inne i individuelle eikenøtter. Når arbeiderne går ut for å grovfôre, spiser de noen ganger et bendelorm-egg og blir smittet. Men for å fullføre livssyklusen må bendelormen også infisere en hakkespett, og den muligheten får den når hakkespetten spiser eikenøttens hjem til maurene.

For noen år siden, Sara Beros, en student i laboratoriet til Susanne Foitzik ved Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz i Tyskland, åpnet noen maurreir og gjorde den merkelige oppdagelsen at selv om alle de uinfiserte arbeiderne døde i løpet av månedene de ble observert, gjorde ikke de infiserte det. (De parasiterte maurene er enkle å identifisere fordi fargen deres går fra brun til gul.) Da Beros fortalte Foitzik om det, husker Foitzik at han tenkte: «Det er ikke mulig. Alt dør." Men Beros var insisterende, "og så vi undersøkte det ordentlig."

I arbeid presentert i fjor sommer på et møte i International Union for the Study of Social Insects og lagt ut rett før jul på biorxiv.org forhåndstrykkserver, Foitziks team viste at under bendelormens larvestadium hos maur, pumper den proteiner inn i maurens tilsvarende blod (hemolymfe) som dramatisk forlenger levetiden til arbeideren. I motsetning til de indiske hoppemaurene, utvikler ikke eikenøttmaur seg normalt til gamergate, så parasittens forlengelse av livet har ingen naturlig presedens.

"Effekten er super sterk," sa Kronauer. I løpet av det treårige eksperimentet levde infiserte arbeidere fem ganger så lenge som uinfiserte og viste dødelighet så lav som hos dronningene. Parasittens manipulasjon forlenget levetiden til arbeidere så mye "at du i utgangspunktet ikke kan skille den fra en dronning," sa han.

Selv om de infiserte eikenøtt-maurarbeiderne ikke blir reproduktive, blir de mer dronningeaktige på flere måter, sa Foitzik: De jobber mindre og får mer oppmerksomhet fra uinfiserte arbeidere i kolonien. Hvis dronningen fjernes fra reiret, er de også de første arbeiderne som utvikler eggstokker.

Foitzik og teamet hennes fant at bendelormlarvene produserer og skiller ut mer enn 250 proteiner i hemolymfen til de infiserte maurene - nok til å utgjøre omtrent 7 % av alle sirkulerende proteiner. De fleste av proteinene har ikke blitt karakterisert, men to av dem kan identifiseres som antioksidanter. "Så det ser ut som [bendelormen] frigjør antioksidanter til mauren, og dette kan øke levetiden," sa hun.

Da Foitzik og teamet hennes målte endringer i genuttrykk i de parasiterte maurene, fant de ut at de infiserte maurene også laget flere antioksidanter. Dessuten uttrykte dronningene og de infiserte arbeiderne mer av et gen kalt sølv, men de uinfiserte arbeiderne var det ikke. Forskere koblet tidligere til sølv genet til en forlenget levetid hos fruktfluer.

Selv om det er klart at en rekke utviklingsmessige og metabolske endringer oppstår når arbeidere blir mer dronningsaktige, er det vanskelig å skille ut hvilke av endringene som er viktigst for å forlenge levetiden. Insulin og antioksidanter er viktige, men Keller tror at mange andre faktorer sannsynligvis også spiller inn. "Så jeg tror det ikke ville være en eneste vei som bare ville forklare forskjellen i levetid - du må sannsynligvis endre mange ting," sa han.

Keller mener funnene om parasittene er fascinerende fordi parasitter vanligvis forkorter heller enn forlenger livet. Men i dette tilfellet ser forlengelsen av maurens levetid også ut til å være adaptiv for parasitten: Bendelormen må vedvare i den infiserte mauren lenge nok til at en spett kan finne eikenøtten og spise den. Hvis arbeideren dør før da, dør bendelormen med den. Ved å forlenge levetiden til arbeideren med år, forbedrer bendelormen sjansene for at en hakkespett til slutt vil dukke opp. Overfloden av antioksidanter i hemolymfen kan også hjelpe bendelormlarver til å leve så lenge som vertene deres gjør.

"Her utnytter parasitten en sosial vert," forklarte Foitzik. Det ville ikke være fornuftig å parasittere ensomme virvelløse dyr fordi de aldri lever så lenge. "Men i et sosialt insekt, der dronningene allerede bor i sikkerheten til reiret i 20 år, kan du spille den slags triks."

Rettelse: 10. januar 2023
En tidligere versjon av denne artikkelen unnlot å nevne bidragene fra Fetter-Pruneda til studien med Chandra om forskjeller i genuttrykk mellom maurkaster.