Mravlje živijo 10-krat dlje s spreminjanjem svojih inzulinskih odzivov

Živali, ki dajejo veliko potomcev, imajo običajno kratko življenje, medtem ko manj plodne vrste živijo dlje. Ščurki izležejo na stotine jajc, medtem ko živijo manj kot eno leto. Miši imajo na desetine otrok v letu ali dveh svojega življenja. Kiti grbavci proizvedejo le eno mladiče vsaki dve ali tri leta in živijo desetletja. Zdi se, da pravilo palca odraža evolucijske strategije, ki usmerjajo prehranske vire bodisi v hitro razmnoževanje bodisi v rast robustnejše za dolgoročno prednost.

Toda mravlje kraljice imajo lahko vse. Pri nekaterih vrstah mravelj kraljice živijo več kot 30 let, medtem ko izležejo na tisoče jajčec, ki postanejo delavke v gnezdu. Nasprotno pa mravlje delavke, ki so samice, ki se ne razmnožujejo, živijo le mesece. Če pa to zahtevajo okoliščine, lahko delavke nekaterih vrst postanejo psevdokraljice za dobrobit gnezda - in izkoristijo znatno podaljšanje svoje življenjske dobe.

Kaj ureja ta velikanski razpon življenjske dobe mravelj, je slabo razumljeno, vendar sta dve nedavni študiji razkrili pomembne podrobnosti o tem, zakaj je življenjska doba mravelj tako prilagodljiva. In Znanost, so raziskovalci z Univerze v New Yorku pokazali, da nekatere kraljice mravelj proizvajajo beljakovino, ki zavira učinek inzulina na staranje, tako da lahko zaužijejo vso dodatno hrano, potrebno za odlaganje jajčec, ne da bi si s tem skrajšale življenje. In v predznak Raziskovalci v Nemčiji so nedavno objavili na strežniku biorxiv.org opisali parazita, ki močno podaljšuje življenja svojih mravljih gostiteljev z izločanjem bogatega koktajla antioksidantov in drugih spojin. Obe študiji dopolnjujeta dokaze, da opazovana življenjska doba organizmov nima veliko skupnega z omejitvami, ki jih nalagajo njihovi geni.

"Večina študij o staranju je narejenih na modelnih organizmih, ki imajo zelo kratko življenjsko dobo," je dejal Laurent Keller, profesor ekologije in evolucije na Univerzi v Lausanni v Švici. Družbene žuželke, je pojasnil, ponujajo zanimive priložnosti za preučevanje pomena izražanja genov pri staranju, ker imajo kraljica in delavci v koloniji pogosto enak genom, vendar se v življenjski dobi razlikujejo za red velikosti. (Pred dvema desetletjema je Keller pokazal, da mravlje kraljice živijo približno 100-krat dlje kot predniki samotarskih žuželk, iz katerih so se razvile mravlje.)

In ker so delavci kratkega veka, "lahko poskusite ugotoviti, kako jim omogočiti, da živijo dlje," je rekel Arjuna Rajakumar, podoktorski sodelavec, ki zdaj preučuje reproduktivne omejitve mravelj delavk na Inštitutu Whitehead na Tehnološkem inštitutu v Massachusettsu, ki je pred kratkim zaključil svoje diplomsko delo na Univerzi McGill. Vznemirljiva možnost je, da bi lahko presnovni mehanizmi, ki podaljšujejo življenje žuželk, veljali tudi za druge vrste, vključno z ljudmi. "Želimo razumeti, kako nekaj narediš dlje živeče, ne [le] zakaj nekaj živi tako dolgo," je dejal.

Jesti več in se manj starati

Študije že desetletja kažejo, da sta insulin in biokemični signalni sistem, ki ga aktivira, ključni regulatorji staranja. Insulin vpliva na to, kako telesne celice sprejemajo in uporabljajo sladkorno glukozo, zato ima temeljni vpliv na količino energije, ki je na voljo celicam za rast, razmnoževanje in obnovo. V tem procesu uravnava tudi nastajanje potencialno škodljivih prostih radikalov in drugih oksidativnih molekul, ki so stranski produkti presnove. Številni raziskovalci domnevajo, da se zato zdi, da diete z omejevanjem kalorij, ki ohranjajo nizko raven insulina, podaljšajo življenjsko dobo pri mnogih vrstah.

Poleg tega se zdi, da ima insulin dodaten pomen za mravlje. Pred nekaj leti je delo vodil evolucijski biolog Daniel Kronauer Univerzi Rockefeller pokazale, da spremembe v kako se mravlje odzivajo na insulin zdi se, da jih je nagovarjal k razvoju altruističnih kolonialnih družb z reproduktivnimi kraljicami in nereproduktivnimi delavci.

Torej pred štirimi leti, ko 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.

To odkritje je postavilo temelje za novo delo, ki je potekalo v okviru dolgoročnega sodelovanja med biologi Claude Desplan in Danny Reinberg na Univerzi v New Yorku. Pokazali so, da je evolucija preoblikovala nekatere komponente insulinske signalne poti pri mravljah na načine, ki bi lahko pojasnili, zakaj kraljice živijo dlje.

Desplan in Reinberg sta proučevala indijske skakajoče mravlje (Saltator Harpegnathos), katerih matice živijo približno pet let, delavke pa le približno sedem mesecev. Toda pri tej vrsti ta razlika v življenjski dobi ni vklesana v kamen. Če matica umre ali je odstranjena iz kolonije, delavke začutijo spremembo skoraj takoj po izginotju njenega vonja. Nekatere od njih nato postanejo "gamergates" (psevdokraljice), ki se borijo za prevlado, da bi prevzele njeno mesto. Sčasoma peščica zmagovitih igralskih vrat — običajno med tremi in petimi — skupaj prevzame vlogo kraljice kot nesnice jajc za kolonijo. Drugi delavci nato »policistirajo« morebitne odvečne divjadi in jim na silo preprečijo odlaganje jajčec.

Obnašanje gamergates pa ni edina stvar, ki se spremeni: razvijejo funkcionalne jajčnike in lahko izležejo jajčeca – in njihova življenjska doba se podaljša na tri ali štiri leta. Ker gamergates niso tako plodni kot kraljice, jih običajno potrebuje od tri do pet, da nadomestijo proizvodnjo jajčec kraljice. Če je Gamergate vnesen v kolonijo, kjer živi kraljica, Gamergate ponovno postane delavka in njena življenjska doba se skrajša.

Ko delavka postane gamergate, se spremeni njen metabolizem. Poje več in posledično zvišanje ravni insulina sproži razvoj njenih jajčnikov. Hrano uporablja za izdelavo lipidov, ki so zapakirani v jajca. Toda iz prejšnjih študij insulina in staranja so raziskovalci NYU pričakovali, da bo večja insulinska signalizacija povezana s krajšo življenjsko dobo, ne z daljšo.

Raziskovalci so našli odgovor, ki se skriva v podrobnostih inzulinskega signaliziranja. Ko se inzulin veže na svoj receptor na celični površini, sproži kaskade reakcij znotraj celice, vključno z dvema različnima kemičnima potema. Ena pot aktivira encim, imenovan MAP kinaza, in je ključnega pomena za presnovo in razvoj jajčnikov. Druga pot zavira transkripcijski faktor, za katerega se zdi, da spodbuja daljšo življenjsko dobo. Na presenečenje raziskovalcev, ko so pogledali jajčnik in maščobno telo (ki je približno enakovredno jetrom sesalcev) v gamergates, so ugotovili, da je bila pot kinaze MAP aktivna, druga pa ne.

Nadaljnje delo je pokazalo, da so jajčniki gamergate močno izražali protein Imp-L2, ki je ignoriral pot kinaze MAP, vendar je motil drugo pot v maščobnem telesu. "Zdi se, da ima ta protein funkcijo zaščite ene poti, ki omogoča metabolizem, vendar zavira pot, ki vodi v staranje," je dejal Desplan.

Drugi raziskovalci poudarjajo, da nova študija ne dokončno dokazuje, da Imp-L2 vpliva na življenjsko dobo: Desplan in Reinberg nista neposredno testirala, ali bi aktiviranje beljakovine pri delavcih podaljšalo njihovo življenje ali pa bi njihovo zaviranje v igralnih vratih povzročilo smrt. prej. Takšni poskusi so zahtevni, ker bi morda morali mravljam mesece ali leta vbrizgavati zaviralce insulina.

Kljub temu je predlog Desplana in Reinberga, da mravlje manipulirajo z različnimi vejami insulinskega signalnega sistema, "res verjetna, zanimiva hipoteza," je dejal Chandra, ki je trenutno podoktorski raziskovalec na univerzi Harvard. "Če bi to spodbudilo več laboratorijev, da poskusijo to preizkusiti, bi bilo to zelo kul."

Ker je lažje izvajati genetske poskuse na vinskih mušicah kot na mravljah, Desplanova ekipa zdaj preverja, ali lahko podaljšajo življenjsko dobo Drosophila vinske mušice z aktiviranjem njihove ekspresije Imp-L2. Nekega dne Desplan upa, da bo preizkus poskusil tudi na miših. "Čaka nas veliko razburljivega dela," je dejal.

Parazit, ki podaljšuje življenje

Zdi se, da je narava že izvedla svojo lastno različico podobnega poskusa pri drugi vrsti. Raziskovalci v Nemčiji so nedavno odkrili, da je parazitska trakulja razvila sposobnost manipulacije skrajno plastičnosti življenjske dobe mravelj sebi v prid.

Trakulja mora del svojega življenja preživeti v mravljah želodu (Temnothorax nylanderi), ki so dobila imena po gnezdih, ki jih zgradijo znotraj posameznih želodov. Ko gredo delavci ven iskat hrano, včasih pojedo jajčece trakulje in se okužijo. Toda za dokončanje svojega življenjskega cikla mora trakulja okužiti tudi žolno in to priložnost dobi, ko žolne pojedo želodove domove mravelj.

Pred nekaj leti je Sara Beroš, študentka laboratorija pri Susanne Foitzik na Univerzi Johannesa Gutenberga v Mainzu v Nemčiji odprli nekaj gnezd mravelj želoda in prišli do čudnega odkritja, da medtem ko so vsi neokuženi delavci med meseci opazovanja umrli, okuženi pa ne. (Zajedavske mravlje je enostavno prepoznati, ker se njihova barva spremeni iz rjave v rumeno.) Ko je Beros o tem povedal Foitziku, se Foitzik spomni, da je pomislil: »To ni mogoče. Vse umre.” Toda Beros je bil vztrajen, "in zato smo zadevo ustrezno preučili."

V delu, predstavljenem prejšnje poletje na srečanju Mednarodne zveze za preučevanje socialnih žuželk in objavljenem tik pred božičem na strežnik za prednatis biorxiv.orgFoitzikova ekipa je pokazala, da med ličinko trakulje pri mravljah črpa beljakovine v mravljin ekvivalent krvi (hemolimfo), ki dramatično podaljša življenjsko dobo delavca. Za razliko od indijskih skakajočih mravelj se želodove mravlje običajno ne razvijejo v igralna vrata, tako da parazitsko podaljšanje njihovega življenja nima naravne precedense.

"Učinek je super močan," je dejal Kronauer. Med triletnim poskusom so okužene delavke živele petkrat dlje kot neokužene in pokazale tako nizko stopnjo umrljivosti kot pri maticah. Manipulacija s parazitom je tako zelo podaljšala življenjsko dobo delavcev, "da ga v bistvu ne moreš razlikovati od kraljice," je dejal.

Čeprav okužene želodove mravlje delavke ne postanejo reproduktivne, postanejo bolj podobne kraljicam v več pogledih, je dejal Foitzik: manj delajo in imajo več pozornosti od neokuženih delavcev v koloniji. Če matico odstranimo iz gnezda, so tudi prve delavke, ki razvijejo jajčnike.

Foitzikova in njena ekipa sta ugotovili, da ličinke trakulje proizvajajo in izločajo več kot 250 beljakovin v hemolimfo okuženih mravelj – dovolj, da predstavljajo približno 7 % vseh krožečih beljakovin. Večina proteinov ni bila opredeljena, vendar sta dva od njih prepoznavna kot antioksidanta. "Torej je videti, kot da [trakulja] sprošča antioksidante v mravljo, kar bi lahko podaljšalo življenjsko dobo," je dejala.

Ko sta Foitzikova in njena ekipa izmerila spremembe v izražanju genov pri parazitiranih mravljah, sta ugotovila, da okužene mravlje proizvajajo tudi več antioksidantov. Poleg tega so kraljice in okužene delavke izražale več gena, imenovanega srebrna, neokuženi delavci pa ne. Raziskovalci so pred tem povezali srebrna gen za podaljšano življenjsko dobo vinskih mušic.

Čeprav je jasno, da pride do niza razvojnih in presnovnih sprememb, ko delavci postanejo bolj podobni kraljici, je težko razločiti, katera od sprememb je najpomembnejša za podaljšanje življenjske dobe. Insulin in antioksidanti so pomembni, vendar Keller meni, da bodo verjetno igrali vlogo tudi številni drugi dejavniki. "Zato mislim, da ne bi bilo ene same poti, ki bi preprosto pojasnila razliko v življenjski dobi - verjetno morate spremeniti veliko stvari," je dejal.

Keller meni, da so ugotovitve o parazitih fascinantne, saj paraziti običajno krajšajo življenje in ne podaljšujejo. Toda v tem primeru se zdi, da je podaljšanje življenjske dobe mravlje tudi prilagodljivo za parazita: trakulja mora vztrajati v okuženi mravlji dovolj dolgo, da žolna najde želod in ga poje. Če delavka pogine prej, pogine z njo tudi trakulja. S podaljšanjem življenja delavca za leta, trakulja izboljša verjetnost, da se bo žolna sčasoma pojavila. Obilica antioksidantov v hemolimfi lahko tudi pomaga, da ličinke trakulje živijo tako dolgo kot njihovi gostitelji.

"Tukaj parazit izkorišča družbenega gostitelja," je pojasnil Foitzik. Na samotarskih nevretenčarjih ne bi bilo smiselno parazitirati, ker nikoli ne živijo tako dolgo. "Toda v socialni žuželki, kjer kraljice že živijo v varnosti gnezda že 20 let, lahko igrate takšen trik."

Popravek: 10. januar 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.