Furnicile trăiesc de 10 ori mai mult prin modificarea răspunsurilor la insulină

Animalele care produc mulți descendenți tind să aibă o viață scurtă, în timp ce speciile mai puțin prolifice tind să trăiască mai mult. Gândacii depun sute de ouă în timp ce trăiesc mai puțin de un an. Șoarecii au zeci de copii în timpul anului sau doi de viață. Balenele cu cocoașă produc doar un vițel la doi sau trei ani și trăiesc zeci de ani. Regula generală pare să reflecte strategiile evolutive care canalizează resursele nutriționale fie către reproducerea rapidă, fie spre creșterea mai robustă pentru un avantaj pe termen lung.

Dar reginele furnici le pot avea pe toate. La unele specii de furnici, reginele trăiesc mai mult de 30 de ani în timp ce depun miile și miile de ouă care devin toate lucrătoarele din cuib. În schimb, furnicile lucrătoare, care sunt femele care nu se reproduc, trăiesc doar luni. Cu toate acestea, dacă circumstanțele o cer, lucrătoarele unor specii pot deveni pseudo-regine pentru binele cuibului - și pentru a culege o prelungire semnificativă a duratei lor de viață.

Ceea ce guvernează această gamă gigantică în durata de viață a furnicilor este puțin înțeles, dar două studii recente au dezvăluit detalii importante despre ceea ce face ca durata de viață a furnicilor să fie atât de flexibilă. In Ştiinţă, cercetătorii de la Universitatea din New York au arătat că unele matci furnici produc o proteină care suprimă efectul de îmbătrânire al insulinei, astfel încât să poată consuma toată hrana suplimentară necesară pentru depunerea ouălor, fără a-și scurta viața. Si in o preimprimare postat recent pe serverul biorxiv.org, cercetătorii din Germania au descris un parazit care prelungește foarte mult viața gazdelor sale furnici, secretând un cocktail bogat de antioxidanți și alți compuși. Ambele studii se adaugă la dovezi că durata de viață observată a organismelor nu are prea mult de-a face cu limitările impuse de genele lor.

„Cele mai multe studii despre îmbătrânire sunt făcute pe organisme model care au durate de viață foarte scurte”, a spus Laurent Keller, profesor de ecologie și evoluție la Universitatea din Lausanne din Elveția. Insectele sociale, a explicat el, oferă oportunități fascinante de a studia importanța expresiei genelor în îmbătrânire, deoarece regina și lucrătorii dintr-o colonie au adesea același genom, dar diferă în duratele lor de viață printr-un ordin de mărime. (Cu două decenii în urmă, Keller a arătat că reginele furnici trăiesc de aproximativ 100 de ori mai mult decât insectele solitare ancestrale din care au evoluat furnicile.)

Și pentru că lucrătorii sunt de scurtă durată, „puteți încerca să vă dați seama cum să-i faceți să trăiască mai mult”, a spus Arjuna Rajakumar, un bursier postdoctoral care studiază acum constrângerile de reproducere asupra furnicilor lucrătoare la Institutul Whitehead de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, după ce și-a încheiat recent munca de absolvent la Universitatea McGill. Posibilitatea interesantă este că mecanismele metabolice care prelungesc viața insectelor s-ar putea aplica și altor specii, inclusiv oamenilor. „Vrem să înțelegem cum faci ceva să trăiască mai mult, nu [doar] de ce ceva trăiește atât de mult”, a spus el.

Mănâncă mai mult în timp ce îmbătrânește mai puțin

De zeci de ani, studiile au indicat insulina și sistemul de semnalizare biochimic pe care îl activează ca regulatori cheie ai îmbătrânirii. Insulina afectează modul în care celulele preiau și utilizează zahărul glucoză, așa că are o influență fundamentală asupra cantității de energie disponibilă pentru celule pentru creștere, reproducere și reparare. În acest proces, reglează, de asemenea, generarea de radicali liberi potențial dăunători și alte molecule oxidante care sunt produse secundare ale metabolismului. Mulți cercetători bănuiesc că acesta este motivul pentru care dietele cu restricție calorică, care mențin nivelurile de insulină scăzute, par să prelungească durata de viață la multe specii.

Mai mult, insulina pare să aibă o semnificație suplimentară pentru furnici. În urmă cu câțiva ani, lucrarea condusă de biologul evoluționist Daniel Kronauer la Universitatea Rockefeller a arătat că schimbările în cum răspund furnicile la insulină par să-i fi convins să dezvolte societăți coloniale altruiste cu regine reproducătoare și lucrătoare nereproductive.

Deci acum patru ani, când 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.

Această descoperire a pus bazele pentru noi lucrări efectuate ca parte a unei colaborări pe termen lung între biologi Claude Desplan și Danny Reinberg la Universitatea din New York. Ei au arătat că evoluția a reconectat unele componente ale căii de semnalizare a insulinei la furnici în moduri care ar putea explica de ce reginele trăiesc mai mult.

Desplan și Reinberg au studiat furnicile indiene săritoare (Harpegnathos saltator), ale căror regine trăiesc aproximativ cinci ani și ale căror muncitoare trăiesc doar aproximativ șapte luni. Dar la această specie, această diferență a duratei de viață nu este stabilită în piatră. Dacă o regină moare sau este îndepărtată din colonie, lucrătoarele simt schimbarea aproape imediat de la dispariția parfumului ei. Unii dintre ei devin apoi „gamergate” (pseudo-regine) care se duelează pentru ca dominație să-i ia locul. În cele din urmă, o mână de gamergate victorioase - de obicei între trei și cinci - preiau împreună rolul reginei ca ouă pentru colonie. Alți lucrători „politesc” apoi orice porți de joc superflue, suprimându-le cu forța să nu depună ouă.

Comportamentul gamergates nu este însă singurul lucru care se schimbă: ei dezvoltă ovare funcționale și pot depune ouă - iar durata lor de viață se extinde până la trei sau patru ani. Deoarece gamergates nu sunt la fel de prolifice ca matcile, este nevoie de obicei de la trei până la cinci dintre ele pentru a înlocui producția de ouă a reginei. Dacă un gamergate este introdus într-o colonie în care locuiește o regină, gamergate revine la a fi muncitoare și durata de viață se scurtează.

Când un lucrător devine gamergate, metabolismul ei se schimbă. Ea mănâncă mai mult, iar creșterea rezultată a nivelului ei de insulină declanșează dezvoltarea ovarelor. Ea folosește hrana pentru a face lipide care sunt ambalate în ouă. Dar din studiile anterioare despre insulină și îmbătrânire, cercetătorii de la NYU se așteptau ca o semnalizare mai mare a insulinei să fie legată de o durată de viață mai scurtă, nu de una mai lungă.

Cercetătorii au găsit răspunsul ascuns în detaliile semnalizării insulinei. Când insulina se leagă de receptorul său de pe suprafața celulei, declanșează cascade de reacții în interiorul celulei, inclusiv două căi chimice distincte. O cale activează o enzimă numită MAP kinaza și este critică pentru metabolism și dezvoltarea ovarelor. Cealaltă cale suprimă un factor de transcripție care pare să promoveze o durată de viață mai lungă. Spre surprinderea cercetătorilor, când s-au uitat la ovar și la corpul adipos (care este aproximativ echivalent cu ficatul de mamifer) în gamergates, ei au descoperit că calea kinazei MAP era activă, dar cealaltă nu era.

Lucrările ulterioare au arătat că ovarele gamergates au exprimat puternic o proteină, Imp-L2, care a ignorat calea kinazei MAP, dar a interferat cu cea de-a doua cale a grăsimii. „Această proteină pare să aibă funcția de a proteja o cale care permite metabolismul, dar inhibă calea care duce la îmbătrânire”, a spus Desplan.

Alți cercetători subliniază că noul studiu nu arată în mod definitiv că Imp-L2 afectează durata de viață: Desplan și Reinberg nu au testat în mod direct dacă activarea proteinei la lucrători i-ar face să trăiască mai mult sau dacă inhibarea acesteia în gamergate i-ar face să moară. mai curând. Astfel de experimente sunt provocatoare, deoarece ar putea necesita injectarea furnicilor cu inhibitori de insulină timp de luni sau ani.

Cu toate acestea, propunerea lui Desplan și Reinberg conform căreia furnicile manipulează diferitele ramuri ale sistemului de semnalizare a insulinei este „o ipoteză cu adevărat plauzibilă și interesantă”, a spus Chandra, care este în prezent cercetător postdoctoral la Universitatea Harvard. „Dacă stimulează mai multe laboratoare să încerce să testeze acest lucru, ar fi foarte bine.”

Deoarece este mai ușor să se efectueze experimente genetice pe muștele de fructe decât pe furnici, echipa lui Desplan vede acum dacă poate prelungi durata de viață a Drosophila muștele de fructe prin activarea expresiei lor de Imp-L2. Într-o zi, Desplan speră să încerce experimentul și la șoareci. „Avem o mulțime de muncă interesantă de făcut”, a spus el.

Parazitul care prelungește viața

Într-o întorsătură ciudată, natura pare să fi rulat deja propria versiune a unui experiment similar la o altă specie. Cercetătorii din Germania au descoperit recent că o tenie parazită a dezvoltat capacitatea de a manipula plasticitatea extremă a duratei de viață a furnicilor în propriul avantaj.

Tenia trebuie să-și petreacă o parte din viață în interiorul furnicilor de ghindă (Temnothorax nylanderi), care își iau numele de la cuiburile pe care le construiesc în interiorul ghindelor individuale. Când muncitorii ies la hrana, uneori mănâncă un ou de tenie și se infectează. Dar pentru a-și finaliza ciclul de viață, tenia trebuie să infecteze și o ciocănitoare și are această oportunitate atunci când ciocănitorii mănâncă casele de ghinde ale furnicilor.

În urmă cu câțiva ani, Sara Beros, studentă în laboratorul de Susanne Foitzik la Universitatea Johannes Gutenberg din Mainz din Germania, a deschis niște cuiburi de furnici de ghindă și a făcut ciudata descoperire că, deși toți muncitorii neinfectați au murit în lunile lor de observație, cei infectați nu au murit. (Furnicile parazitate sunt ușor de identificat deoarece culoarea lor trece de la maro la galben.) Când Beros i-a spus lui Foitzik despre asta, Foitzik își amintește că s-a gândit: „Nu este posibil. Totul moare.” Dar Beros a fost insistent, „și așa am analizat în mod corespunzător”.

În lucrarea prezentată vara trecută la o reuniune a Uniunii Internaționale pentru Studiul Insectelor Sociale și postată chiar înainte de Crăciun pe serverul de preprint biorxiv.org, Echipa lui Foitzik a arătat că în timpul etapei larvare a teniei la furnici, pompează proteine ​​în echivalentul de sânge al furnicii (hemolimfa), care prelungesc dramatic durata de viață a lucrătorului. Spre deosebire de furnicile indiene săritoare, furnicile ghindă nu se dezvoltă în mod normal în gamergate, așa că extinderea vieții lor de către parazit nu are precedent natural.

„Efectul este foarte puternic”, a spus Kronauer. În timpul experimentului de trei ani, muncitoarele infectate au trăit de cinci ori mai mult decât cele neinfectate și au prezentat rate de mortalitate la fel de scăzute ca cele ale matcilor. Manipularea parazitului a prelungit atât de mult durata de viață a muncitorilor „încât practic nu o poți distinge de cea a unei regine”, a spus el.

Deși lucrătoarele de furnici de ghindă infectate nu devin reproducătoare, ele devin mai asemănătoare reginei din mai multe privințe, a spus Foitzik: Lucrează mai puțin și atrag mai multă îngrijire de la muncitoarele neinfectate din colonie. Dacă matca este scoasă din cuib, acestea sunt și primele lucrătoare care dezvoltă ovare.

Foitzik și echipa ei au descoperit că larvele de tenia produc și secretă peste 250 de proteine ​​în hemolimfa furnicilor infectate - suficient pentru a constitui aproximativ 7% din toate proteinele circulante. Majoritatea proteinelor nu au fost caracterizate, dar două dintre ele sunt identificabile ca antioxidanți. „Deci se pare că [tenia] eliberează antioxidanți în furnică, iar acest lucru ar putea crește durata de viață”, a spus ea.

Când Foitzik și echipa ei au măsurat schimbările în expresia genelor la furnicile parazitate, au descoperit că furnicile infectate produceau și mai mulți antioxidanți. Mai mult, matcile și muncitoarele infectate exprimau mai mult o genă numită argint, dar muncitorii neinfectați nu au fost. Cercetătorii au legat anterior argint gena la o durată de viață extinsă la muștele de fructe.

Deși este clar că o suită de modificări de dezvoltare și metabolice are loc atunci când lucrătoarele devin mai asemănătoare reginelor, este dificil să deosebim care dintre schimbări este cea mai importantă pentru prelungirea duratei de viață. Insulina și antioxidanții sunt importanți, dar Keller consideră că mulți alți factori sunt, de asemenea, probabil să joace un rol. „Deci cred că nu ar exista o singură cale care să explice pur și simplu diferența în durata de viață – probabil că trebuie să schimbi multe lucruri”, a spus el.

Keller crede că descoperirile despre paraziți sunt fascinante, deoarece paraziții de obicei scurtează mai degrabă decât prelungesc viața. Dar, în acest caz, extinderea duratei de viață a furnicii pare să fie, de asemenea, adaptabilă pentru parazit: tenia trebuie să persiste în furnica infectată suficient de mult pentru ca o ciocănitoare să găsească ghinda și să o mănânce. Dacă lucrătorul moare înainte de atunci, tenia moare odată cu el. Prin prelungirea cu ani de viață a muncitorului, tenia îmbunătățește șansele ca o ciocănitoare să apară în cele din urmă. Abundența de antioxidanți din hemolimfă poate ajuta, de asemenea, larvele de tenia să trăiască atâta timp cât o fac gazdele lor.

„Aici, parazitul exploatează o gazdă socială”, a explicat Foitzik. Nu ar avea sens să parazităm nevertebrate solitare, deoarece nu trăiesc niciodată atât de mult. „Dar într-o insectă socială, în care reginele trăiesc deja în siguranța cuibului de 20 de ani, poți juca un asemenea truc.”

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.