Mrówki żyją 10 razy dłużej, zmieniając reakcje na insulinę

Zwierzęta, które wydają dużo potomstwa, mają zwykle krótkie życie, podczas gdy mniej płodne gatunki żyją dłużej. Karaluchy składają setki jaj, żyjąc krócej niż rok. Myszy mają dziesiątki dzieci w ciągu roku lub dwóch lat życia. Humbaki rodzą tylko jedno cielę co dwa lub trzy lata i żyją przez dziesięciolecia. Praktyczna zasada wydaje się odzwierciedlać strategie ewolucyjne, które kierują zasoby żywieniowe albo na szybkie rozmnażanie, albo na wzrost siły w celu uzyskania długoterminowej korzyści.

Ale królowe mrówek mogą mieć wszystko. U niektórych gatunków mrówek królowe żyją ponad 30 lat, składając tysiące jaj, które stają się wszystkimi robotnicami w gnieździe. W przeciwieństwie do mrówek robotnic, które są samicami, które się nie rozmnażają, żyją tylko kilka miesięcy. Jednak jeśli wymagają tego okoliczności, robotnice niektórych gatunków mogą stać się pseudo-królowymi dla dobra gniazda - i czerpać znaczne wydłużenie życia.

To, co rządzi tym gigantycznym zakresem długości życia mrówek, jest słabo poznane, ale dwa ostatnie badania ujawniły ważne szczegóły dotyczące tego, co sprawia, że ​​długość życia mrówek jest tak elastyczna. In nauka, naukowcy z New York University wykazali, że niektóre królowe mrówek wytwarzają białko, które hamuje efekt starzenia się insuliny, dzięki czemu mogą spożywać cały dodatkowy pokarm potrzebny do składania jaj bez skracania ich życia. I w wydruk wstępny opublikowany niedawno na serwerze biorxiv.org, naukowcy z Niemiec opisali pasożyta, który znacznie wydłuża życie swoich mrówek, wydzielając bogaty koktajl przeciwutleniaczy i innych związków. Oba badania stanowią kolejny dowód na to, że obserwowana długość życia organizmów ma niewiele wspólnego z ograniczeniami narzuconymi przez ich geny.

„Większość badań dotyczących starzenia przeprowadza się na organizmach modelowych, które żyją bardzo krótko” – powiedział Laurenta Kellera, profesor ekologii i ewolucji na Uniwersytecie w Lozannie w Szwajcarii. Wyjaśnił, że owady społeczne oferują fascynujące możliwości badania znaczenia ekspresji genów w starzeniu się, ponieważ królowa i robotnice w kolonii często mają ten sam genom, ale różnią się długością życia o rząd wielkości. (Dwie dekady temu Keller wykazał, że królowe mrówek żyją około 100 razy dłużej niż przodkowie samotnych owadów, z których wyewoluowały mrówki).

A ponieważ pracownicy żyją krótko, „możesz spróbować wymyślić, jak sprawić, by żyli dłużej” – powiedział Ardżuna Rajakumar, doktor habilitowany, który obecnie bada ograniczenia reprodukcyjne mrówek robotnic w Whitehead Institute w Massachusetts Institute of Technology, niedawno ukończył pracę magisterską na Uniwersytecie McGill. Ekscytującą możliwością jest to, że mechanizmy metaboliczne przedłużające życie owadów mogą dotyczyć również innych gatunków, w tym ludzi. „Chcemy zrozumieć, w jaki sposób sprawiasz, że coś żyje dłużej, a nie [tylko] dlaczego coś żyje tak długo” – powiedział.

Jedzenie więcej podczas starzenia się mniej

Przez dziesięciolecia badania wskazywały na insulinę i aktywowany przez nią system sygnalizacji biochemicznej jako kluczowe regulatory starzenia. Insulina wpływa na to, jak komórki organizmu pobierają i wykorzystują glukozę, więc ma fundamentalny wpływ na ilość energii dostępnej dla komórek do wzrostu, reprodukcji i naprawy. W procesie reguluje również wytwarzanie potencjalnie szkodliwych wolnych rodników i innych cząsteczek utleniających, które są produktami ubocznymi metabolizmu. Wielu badaczy podejrzewa, że ​​właśnie dlatego diety ograniczające kalorie, które utrzymują niski poziom insuliny, wydają się wydłużać życie wielu gatunków.

Co więcej, wydaje się, że insulina ma dodatkowe znaczenie dla mrówek. Kilka lat temu prace prowadził biolog ewolucyjny Daniela Kronauera na Uniwersytecie Rockefellera wykazały, że zmiany w jak mrówki reagują na insulinę wydaje się, że nakłoniły ich do ewolucji altruistycznych społeczeństw kolonialnych z reprodukcyjnymi królowymi i niereprodukcyjnymi robotnicami.

Więc cztery lata temu, kiedy Vikrama Chandry był absolwentem Uniwersytetu Rockefellera, badającym różnice między królowymi mrówek a robotnicami, bardzo zaprzątał mu głowę insuliną. On i Ingrid Fetter-Pruneda, będący wówczas doktorantem w laboratorium, współkierował zespołem, który badał ekspresję genów u siedmiu gatunków mrówek i doszedł do wniosku, że w mózgach królowych występuje więcej sygnalizacji insulinowej niż u robotnic. Kiedy wstrzyknęli mrówkom robotnicom insulinę, aktywowała ona ich uśpione jajniki i zapoczątkowała rozwój jaj. Według Kronauera, który nadzorował badanie, odkrycia te wykazały, że sygnalizacja insulinowa spowodowała, że ​​mrówki zaczęły się rozmnażać.

Odkrycie to położyło podwaliny pod nowe prace prowadzone w ramach wieloletniej współpracy między biologami Klaudiusz Desplan i Danny'ego Reinberga na Uniwersytecie Nowojorskim. Wykazali, że ewolucja zmieniła niektóre elementy szlaku sygnalizacji insuliny u mrówek w sposób, który może wyjaśnić, dlaczego królowe żyją dłużej.

Desplan i Reinberg badali indyjskie skaczące mrówki (Solator Harpegnathos), których królowe żyją około pięciu lat, a robotnice tylko około siedmiu miesięcy. Ale u tego gatunku ta różnica w długości życia nie jest osadzona w kamieniu. Jeśli królowa umrze lub zostanie usunięta z kolonii, robotnice wyczuwają zmianę niemal natychmiast po zniknięciu jej zapachu. Niektóre z nich stają się następnie „gamergami” (pseudo-królowymi), które walczą o dominację, aby zająć jej miejsce. W końcu garstka zwycięskich gamergates — zwykle od trzech do pięciu — wspólnie przejmuje rolę królowej jako niosek dla kolonii. Następnie inni pracownicy „pilnują” wszelkich zbędnych gamergates, siłą powstrzymując ich przed składaniem jaj.

Jednak zachowanie Gamergate nie jest jedyną rzeczą, która się zmienia: rozwijają funkcjonalne jajniki i mogą składać jaja – a ich żywotność wydłuża się do trzech lub czterech lat. Ponieważ gamergate nie są tak płodne jak królowe, zwykle potrzeba od trzech do pięciu z nich, aby zastąpić produkcję jaj królowej. Jeśli gamergate zostanie wprowadzony do kolonii, w której mieszka królowa, gamergate powraca do bycia robotnikiem, a jej żywotność skraca się.

Kiedy robotnica zostaje bramką gracza, zmienia się jej metabolizm. Zjada więcej, a wynikający z tego wzrost poziomu insuliny powoduje rozwój jej jajników. Używa jedzenia do produkcji lipidów, które są pakowane do jaj. Ale na podstawie wcześniejszych badań nad insuliną i starzeniem się naukowcy z NYU spodziewali się, że większa sygnalizacja insuliny będzie związana z krótszą długością życia, a nie dłuższą.

Naukowcy znaleźli odpowiedź ukrytą w szczegółach sygnalizacji insuliny. Kiedy insulina wiąże się ze swoim receptorem na powierzchni komórki, uruchamia kaskadę reakcji wewnątrz komórki, w tym dwa odrębne szlaki chemiczne. Jedna ścieżka aktywuje enzym zwany kinazą MAP i ma kluczowe znaczenie dla metabolizmu i rozwoju jajników. Drugi szlak hamuje czynnik transkrypcyjny, który wydaje się sprzyjać dłuższemu życiu. Ku zaskoczeniu naukowców, kiedy przyjrzeli się jajnikowi i ciału tłuszczowemu (które jest z grubsza odpowiednikiem wątroby ssaków) u gamergate, odkryli, że szlak kinazy MAP był aktywny, ale drugi nie.

Dalsze prace wykazały, że jajniki gamergate silnie eksprymowały białko Imp-L2, które ignorowało szlak kinazy MAP, ale zakłócało drugi szlak w ciele tłuszczowym. „Wydaje się, że to białko ma funkcję ochrony jednego szlaku, który umożliwia metabolizm, ale hamuje szlak, który prowadzi do starzenia” – powiedział Desplan.

Inni badacze zwracają uwagę, że nowe badanie nie pokazuje definitywnie, że Imp-L2 wpływa na długość życia: Desplan i Reinberg nie sprawdzali bezpośrednio, czy aktywacja białka u pracowników przedłuży ich życie, czy też zahamowanie go w bramkach graczy sprawi, że umrą wcześniej. Takie eksperymenty są trudne, ponieważ mogą wymagać wstrzykiwania mrówkom inhibitorów insuliny przez miesiące lub lata.

Niemniej jednak propozycja Desplana i Reinberga, że ​​mrówki manipulują różnymi gałęziami systemu sygnalizacji insuliny, jest „naprawdę prawdopodobną, interesującą hipotezą” – powiedział Chandra, który jest obecnie doktorem habilitowanym na Uniwersytecie Harvarda. „Jeśli to zachęci więcej laboratoriów do przetestowania tego, byłoby bardzo fajnie”.

Ponieważ łatwiej jest przeprowadzać eksperymenty genetyczne na muszkach owocowych niż na mrówkach, zespół Desplana sprawdza teraz, czy można wydłużyć życie Drosophila muszek owocowych poprzez aktywację ich ekspresji Imp-L2. Pewnego dnia Desplan ma nadzieję przeprowadzić eksperyment również na myszach. „Mamy wiele ekscytującej pracy do wykonania” – powiedział.

Pasożyt, który wydłuża życie

Dziwnym zwrotem akcji wydaje się, że natura przeprowadziła już własną wersję podobnego eksperymentu na innym gatunku. Naukowcy z Niemiec odkryli niedawno, że pasożytniczy tasiemiec rozwinął umiejętność manipulowania ekstremalną plastycznością długości życia mrówek na własną korzyść.

Tasiemiec musi spędzić część swojego życia wewnątrz żołędzi mrówek (Temnothorax nylanderi), których nazwy pochodzą od gniazd, które budują w poszczególnych żołędziach. Kiedy robotnice wychodzą na żer, czasami zjadają jajo tasiemca i zarażają się. Ale aby zakończyć swój cykl życiowy, tasiemiec musi również zarazić dzięcioła i ma taką możliwość, gdy dzięcioły zjadają żołędziowe domy mrówek.

Kilka lat temu Sara Beros, studentka laboratorium im Zuzanna Foitzik na Uniwersytecie Johannesa Gutenberga w Moguncji w Niemczech otworzyli kilka gniazd mrówek żołędziowych i dokonali dziwnego odkrycia, że ​​podczas gdy wszyscy niezakażeni robotnicy zmarli podczas miesięcy obserwacji, zarażeni nie. (Pasożytnicze mrówki są łatwe do zidentyfikowania, ponieważ ich kolor zmienia się z brązowego na żółty). Kiedy Beros powiedział o tym Foitzikowi, Foitzik wspomina, że ​​myślał: „To niemożliwe. Wszystko umiera." Ale Beros nalegał, „więc przyjrzeliśmy się temu właściwie”.

W pracy zaprezentowanej zeszłego lata na spotkaniu Międzynarodowej Unii Badań nad Owadami Społecznymi i opublikowanej tuż przed Bożym Narodzeniem na serwer preprintów biorxiv.org, zespół Foitzika wykazał, że podczas stadium larwalnego tasiemca u mrówek pompuje białka do odpowiednika mrówczej krwi (hemolimfy), co radykalnie wydłuża życie robotnicy. W przeciwieństwie do skaczących mrówek indyjskich, żołędzie zwykle nie rozwijają się w gamergate, więc przedłużenie ich życia przez pasożyta nie ma naturalnego precedensu.

„Efekt jest bardzo silny” – powiedział Kronauer. Podczas trzyletniego eksperymentu zainfekowane robotnice żyły pięć razy dłużej niż niezainfekowane i wykazywały śmiertelność tak niską jak królowe. Manipulacje pasożyta wydłużyły życie robotnic tak bardzo, że „w zasadzie nie można tego odróżnić od życia królowej” – powiedział.

Chociaż zarażone robotnice mrówek żołędzi nie stają się reprodukcyjne, pod kilkoma względami stają się bardziej królowe, powiedział Foitzik: Pracują mniej i wymagają bardziej uważnej opieki ze strony niezainfekowanych robotnic w kolonii. Jeśli królowa zostanie usunięta z gniazda, są one również pierwszymi robotnicami, u których rozwijają się jajniki.

Foitzik i jej zespół odkryli, że larwy tasiemca produkują i wydzielają ponad 250 białek do hemolimfy zakażonych mrówek – ilość wystarczająca, aby stanowić około 7% wszystkich krążących białek. Większość białek nie została scharakteryzowana, ale dwa z nich można zidentyfikować jako przeciwutleniacze. „Wygląda na to, że [tasiemiec] uwalnia przeciwutleniacze do mrówki, a to może wydłużyć jej życie” – powiedziała.

Kiedy Foitzik i jej zespół zmierzyli zmiany w ekspresji genów u zarażonych pasożytem mrówek, odkryli, że zainfekowane mrówki również wytwarzały więcej przeciwutleniaczy. Co więcej, królowe i zakażone robotnice wykazywały większą ekspresję genu o nazwie srebro, ale niezakażeni pracownicy nie. Naukowcy wcześniej powiązali srebro genu na wydłużenie życia muszek owocowych.

Chociaż jasne jest, że gdy robotnice stają się bardziej podobne do królowej, zachodzi szereg zmian rozwojowych i metabolicznych, trudno jest rozróżnić, która ze zmian jest najważniejsza dla wydłużenia życia. Insulina i przeciwutleniacze są ważne, ale Keller uważa, że ​​wiele innych czynników również może odgrywać pewną rolę. „Myślę więc, że nie byłoby jednej ścieżki, która po prostu wyjaśniałaby różnicę w długości życia – prawdopodobnie trzeba zmienić wiele rzeczy” – powiedział.

Keller uważa, że ​​odkrycia dotyczące pasożytów są fascynujące, ponieważ pasożyty zazwyczaj skracają, a nie wydłużają życie. Jednak w tym przypadku wydłużenie życia mrówki również wydaje się być adaptacją pasożyta: tasiemiec musi przetrwać w zakażonej mrówce wystarczająco długo, aby dzięcioł znalazł żołądź i go zjadł. Jeśli robotnik umrze wcześniej, tasiemiec umiera razem z nim. Wydłużając życie pracownika o lata, tasiemiec zwiększa szanse na pojawienie się dzięcioła. Obfitość przeciwutleniaczy w hemolimfie może również pomóc larwom tasiemca żyć tak długo, jak ich gospodarze.

„Tutaj pasożyt wykorzystuje żywiciela społecznego” — wyjaśnił Foitzik. Pasożytowanie samotnych bezkręgowców nie miałoby sensu, ponieważ nigdy nie żyją tak długo. „Ale w owadach społecznych, których królowe żyją już w bezpiecznym gnieździe od 20 lat, można zrobić tego rodzaju sztuczkę”.

Korekta: 10 stycznia 2023 r
We wcześniejszej wersji tego artykułu pominięto wzmiankę o wkładzie Fettera-Prunedy w badania przeprowadzone z Chandrą na temat różnic w ekspresji genów między kastami mrówek.