Муравьи живут в 10 раз дольше, изменив свою реакцию на инсулин

Животные, дающие много потомства, как правило, живут недолго, в то время как менее плодовитые виды живут дольше. Тараканы откладывают сотни яиц, живя менее года. У мышей рождаются десятки детенышей в течение года или двух лет жизни. Горбатые киты производят только одного детеныша каждые два или три года и живут десятилетиями. Эмпирическое правило, по-видимому, отражает эволюционные стратегии, которые направляют питательные ресурсы либо на быстрое воспроизводство, либо на повышение устойчивости для долгосрочного преимущества.

Но у муравьиных королев может быть все. У некоторых видов муравьев королевы живут более 30 лет, откладывая тысячи и тысячи яиц, которые становятся всеми рабочими в гнезде. Напротив, рабочие муравьи, самки которых не размножаются, живут всего несколько месяцев. Тем не менее, если этого потребуют обстоятельства, рабочие некоторых видов могут стать псевдокоролевами на благо гнезда — и значительно увеличить продолжительность своей жизни.

Что управляет этим гигантским диапазоном продолжительности жизни муравьев, плохо изучено, но два недавних исследования выявили важные детали того, что делает продолжительность жизни муравьев такой гибкой. In Наука, исследователи из Нью-Йоркского университета показали, что некоторые муравьиные королевы вырабатывают белок, который подавляет эффект старения инсулина, чтобы они могли потреблять всю дополнительную пищу, необходимую для откладывания яиц, не сокращая свою жизнь. И в препринт Недавно на сервере biorxiv.org исследователи из Германии описали паразита, который значительно продлевает жизнь своим хозяевам-муравьям, выделяя богатый коктейль из антиоксидантов и других соединений. Оба исследования дополняют доказательства того, что наблюдаемая продолжительность жизни организмов имеет мало общего с ограничениями, налагаемыми их генами.

«Большинство исследований старения проводится на модельных организмах с очень короткой продолжительностью жизни», — сказал он. Лоран Келлер, профессор экологии и эволюции Лозаннского университета в Швейцарии. Он объяснил, что социальные насекомые открывают захватывающие возможности для изучения важности экспрессии генов в процессе старения, потому что матка и рабочие в колонии часто имеют один и тот же геном, но различаются по продолжительности жизни на порядок. (Два десятилетия назад Келлер показал, что муравьиные королевы живут примерно в 100 раз дольше, чем предки одиночных насекомых, от которых произошли муравьи.)

А поскольку рабочие недолговечны, «вы можете попытаться придумать, как заставить их жить дольше», — сказал он. Арджуна Раджакумар, научный сотрудник с докторской степенью, который сейчас изучает репродуктивные ограничения у рабочих муравьев в Институте Уайтхеда в Массачусетском технологическом институте, недавно закончив свою дипломную работу в Университете Макгилла. Захватывающая возможность заключается в том, что метаболические механизмы, продлевающие жизнь насекомых, могут быть применимы и к другим видам, включая человека. «Мы хотим понять, как заставить что-то жить дольше, а не [только] почему что-то живет так долго», — сказал он.

Ешьте больше, старея меньше

На протяжении десятилетий исследования указывали на то, что инсулин и биохимическая сигнальная система, которую он активирует, являются ключевыми регуляторами старения. Инсулин влияет на то, как клетки организма поглощают и используют сахарную глюкозу, поэтому он оказывает фундаментальное влияние на количество энергии, доступной клеткам для роста, размножения и восстановления. В процессе он также регулирует образование потенциально вредных свободных радикалов и других окисляющих молекул, которые являются побочными продуктами метаболизма. Многие исследователи подозревают, что именно поэтому диеты с ограничением калорийности, поддерживающие низкий уровень инсулина, увеличивают продолжительность жизни у многих видов.

Более того, инсулин, по-видимому, имел дополнительное значение для муравьев. Несколько лет назад работа под руководством биолога-эволюциониста Даниэль Кронауэр в Рокфеллеровском университете показали, что изменения в как муравьи реагируют на инсулин кажется, уговорили их развить альтруистические колониальные общества с репродуктивными королевами и непродуктивными рабочими.

Итак, четыре года назад, когда Викрам Чандра Когда он был аспирантом Рокфеллеровского университета, изучая различия между муравьиными королевами и рабочими особями, он постоянно думал об инсулине. Он и Ингрид Феттер-Прунеда, в то время работавший в лаборатории постдокторантом, был одним из руководителей группы, которая изучала экспрессию генов у семи видов муравьев и пришла к выводу, что в мозгу королев происходит больше сигналов инсулина, чем у рабочих. Когда они вводили рабочим муравьям инсулин, это активировало их спящие яичники и запускало развитие яиц. По словам Кронауера, который курировал исследование, эти результаты показали, что передача сигналов инсулина привела к тому, что муравьи стали репродуктивными.

Это открытие заложило основу для новой работы, проводимой в рамках долгосрочного сотрудничества между биологами. Клод Десплан и Дэнни Рейнберг в Нью-Йоркском университете. Они показали, что эволюция изменила некоторые компоненты сигнального пути инсулина у муравьев таким образом, что это может объяснить, почему королевы живут дольше.

Десплан и Рейнберг изучали индийских прыгающих муравьев.Сальтатор гарпеннатоса), у которых королевы живут около пяти лет, а рабочие — около семи месяцев. Но у этого вида эта разница в продолжительности жизни не высечена на камне. Если королева умирает или удаляется из колонии, рабочие почти сразу же чувствуют изменение по исчезновению ее запаха. Некоторые из них затем становятся «геймергейтами» (псевдо-королевами), которые сражаются за господство, чтобы занять ее место. В конце концов, несколько победивших геймергейтов — обычно от трех до пяти — совместно берут на себя роль королевы в качестве несушек для колонии. Затем другие рабочие «контролируют» любые лишние геймергейты, насильно запрещая им откладывать яйца.

Однако меняется не только поведение геймергейтов: у них развиваются функциональные яичники, они могут откладывать яйца, а продолжительность их жизни увеличивается до трех или четырех лет. Поскольку геймеры не так плодовиты, как королевы, обычно требуется от трех до пяти из них, чтобы заменить количество яиц королевы. Если врата игрока вводятся в колонию, где живет королева, врата игрока снова становятся рабочими, и продолжительность ее жизни сокращается.

Когда рабочий становится геймергейтом, его метаболизм меняется. Она ест больше, и в результате повышение уровня инсулина запускает развитие ее яичников. Она использует пищу для производства липидов, которые входят в состав яиц. Но из предыдущих исследований инсулина и старения исследователи из Нью-Йоркского университета ожидали, что усиление передачи сигналов инсулина будет связано с более короткой, а не более продолжительной продолжительностью жизни.

Исследователи нашли ответ, скрывающийся в деталях передачи сигналов инсулина. Когда инсулин связывается со своим рецептором на поверхности клетки, он запускает каскады реакций внутри клетки, включая два различных химических пути. Один путь активирует фермент, называемый MAP-киназа, и имеет решающее значение для метаболизма и развития яичников. Другой путь подавляет фактор транскрипции, который, по-видимому, способствует увеличению продолжительности жизни. К удивлению исследователей, когда они посмотрели на яичник и жировое тело (которое примерно эквивалентно печени млекопитающих) у геймергейтов, они обнаружили, что путь киназы MAP был активен, а другой — нет.

Дальнейшая работа показала, что яичники гамергейтов сильно экспрессируют белок Imp-L2, который игнорировал путь киназы MAP, но мешал второму пути в жировом теле. «Этот белок, по-видимому, выполняет функцию защиты одного пути, который обеспечивает метаболизм, но подавляет путь, ведущий к старению», — сказал Десплан.

Другие исследователи отмечают, что новое исследование не показывает окончательно, что Imp-L2 влияет на продолжительность жизни: Десплан и Рейнберг напрямую не проверяли, продлит ли им жизнь активация белка у рабочих или ингибирование его в геймергейтах приведет к их смерти. раньше. Такие эксперименты сложны, потому что они могут потребовать введения муравьям ингибиторов инсулина в течение месяцев или лет.

Тем не менее, предположение Десплана и Райнберга о том, что муравьи манипулируют различными ветвями сигнальной системы инсулина, является «действительно правдоподобной и интересной гипотезой», — сказал Чандра, который в настоящее время является научным сотрудником Гарвардского университета. «Если это побудит больше лабораторий попытаться протестировать это, это будет очень здорово».

Поскольку легче проводить генетические эксперименты на плодовых мушках, чем на муравьях, команда Десплана сейчас изучает, смогут ли они продлить продолжительность жизни муравьев. Дрозофила плодовых мушек путем активации у них экспрессии Imp-L2. Когда-нибудь Десплан надеется провести эксперимент и на мышах. «Нам предстоит проделать много интересной работы», — сказал он.

Паразит, продлевающий жизнь

По странному стечению обстоятельств природа, кажется, уже провела свою версию подобного эксперимента на других видах. Исследователи в Германии недавно обнаружили, что паразитический цепень развил способность манипулировать чрезвычайной пластичностью продолжительности жизни муравья в своих интересах.

Ленточный червь должен проводить часть своей жизни внутри желудевых муравьев (Темноторакс ниландери), которые получили свои названия от гнезд, которые они строят внутри отдельных желудей. Когда рабочие выходят на корм, они иногда съедают яйцо солитера и заражаются. Но чтобы завершить свой жизненный цикл, солитеру также необходимо заразить дятла, и у него появляется такая возможность, когда дятлы поедают желуди дома муравьев.

Несколько лет назад Сара Берос, студентка лаборатории Сюзанна Фойцик в Майнцском университете имени Иоганна Гутенберга в Германии открыл несколько гнезд желудевых муравьев и сделал странное открытие: хотя все неинфицированные рабочие умерли в течение нескольких месяцев наблюдения, инфицированные — нет. (Зараженных муравьев легко идентифицировать, потому что их цвет меняется с коричневого на желтый.) Когда Берос рассказал об этом Фойцику, Фойцик подумал: «Это невозможно. Все умирает». Но Берос был настойчив, «поэтому мы тщательно все изучили».

В работе, представленной прошлым летом на заседании Международного союза изучения социальных насекомых и размещенной незадолго до Рождества на сайте сервер препринтов biorxiv.orgГруппа Фойцика показала, что во время личиночной стадии ленточного червя у муравьев он перекачивает белки в муравьиный эквивалент крови (гемолимфу), что резко увеличивает продолжительность жизни рабочего. В отличие от индийских прыгающих муравьев, желудевые муравьи обычно не превращаются в геймергейтов, поэтому продление их жизни паразитом не имеет естественного прецедента.

«Эффект очень сильный», — сказал Кронауэр. Во время трехлетнего эксперимента инфицированные рабочие жили в пять раз дольше, чем неинфицированные, а уровень смертности был таким же низким, как и у маток. Манипуляции с паразитом настолько увеличили продолжительность жизни рабочих, «что их практически невозможно отличить от жизни королевы», — сказал он.

Хотя зараженные рабочие желудевые муравьи не становятся репродуктивными, они становятся более похожими на маток в нескольких отношениях, сказал Фойцик: они работают меньше и требуют более внимательного ухода от неинфицированных рабочих в колонии. Если королеву удаляют из гнезда, они также становятся первыми рабочими, у которых развиваются яичники.

Фойцик и ее команда обнаружили, что личинки ленточного червя производят и выделяют более 250 белков в гемолимфу инфицированных муравьев — этого достаточно, чтобы составить около 7% всех циркулирующих белков. Большинство белков не были охарактеризованы, но два из них идентифицируются как антиоксиданты. «Похоже, что [солитер] выделяет антиоксиданты в муравья, и это может увеличить продолжительность жизни», — сказала она.

Когда Фойцик и ее команда измерили изменения в экспрессии генов у паразитированных муравьев, они обнаружили, что инфицированные муравьи также производят больше антиоксидантов. Более того, королевы и зараженные рабочие экспрессировали больше гена, называемого Серебряный, но незараженных рабочих не было. Ранее исследователи связывали Серебряный ген, увеличивающий продолжительность жизни плодовых мушек.

Хотя ясно, что ряд изменений в развитии и обмене веществ происходит, когда рабочие становятся более похожими на королев, трудно выделить, какие из изменений наиболее важны для увеличения продолжительности жизни. Инсулин и антиоксиданты важны, но Келлер считает, что многие другие факторы также могут играть роль. «Поэтому я думаю, что не было бы единого пути, который просто объяснял бы разницу в продолжительности жизни — наверное, нужно менять многие вещи», — сказал он.

Келлер считает, что выводы о паразитах поразительны, потому что паразиты обычно сокращают, а не удлиняют жизнь. Но в этом случае увеличение продолжительности жизни муравья также кажется адаптивным для паразита: ленточный червь должен сохраняться в зараженном муравье достаточно долго, чтобы дятел нашел желудь и съел его. Если рабочий умирает раньше, то и ленточный червь умирает вместе с ним. Удлиняя жизнь рабочего на несколько лет, солитер повышает шансы на то, что в конце концов появится дятел. Обилие антиоксидантов в гемолимфе может также помочь личинкам солитера жить так же долго, как и их хозяевам.

«Здесь паразит эксплуатирует социального хозяина», — объяснил Фойцик. Не имеет смысла паразитировать на одиночных беспозвоночных, потому что они никогда не живут так долго. «Но с общественным насекомым, где королевы уже живут в безопасном гнезде в течение 20 лет, вы можете провернуть такой трюк».

Исправление: 10 января 2023 г.
В более ранней версии этой статьи не упоминался вклад Феттер-Прунеды в исследование с Чандрой различий в экспрессии генов между кастами муравьев.