มดมีอายุยืนยาวขึ้น 10 เท่าโดยเปลี่ยนการตอบสนองของอินซูลิน

สัตว์ที่ออกลูกจำนวนมากมักมีอายุสั้น ในขณะที่สัตว์ที่มีลูกดกน้อยมักมีอายุยืนยาว แมลงสาบวางไข่เป็นร้อยฟองในขณะที่มีชีวิตอยู่ไม่ถึงปี หนูมีลูกหลายสิบตัวในช่วงปีหรือสองปีของชีวิต วาฬหลังค่อมออกลูกเพียงหนึ่งตัวทุกๆ สองหรือสามปี และมีชีวิตอยู่ได้หลายทศวรรษ หลักการง่ายๆ ดูเหมือนจะสะท้อนถึงกลยุทธ์วิวัฒนาการที่ช่องทางทรัพยากรทางโภชนาการไปสู่การแพร่พันธุ์อย่างรวดเร็วหรือเติบโตอย่างแข็งแกร่งเพื่อความได้เปรียบในระยะยาว

แต่ราชินีมดสามารถมีได้ทั้งหมด ในมดบางสายพันธุ์ นางพญามีอายุยืนกว่า 30 ปีในขณะที่วางไข่เป็นพันๆ ฟอง ซึ่งกลายเป็นคนงานทั้งหมดในรัง ในทางตรงกันข้าม มดงาน ซึ่งเป็นตัวเมียที่ไม่สืบพันธุ์ มีอายุเพียงเดือนเดียว แต่ถ้าสถานการณ์ต้องการ คนงานของสัตว์บางสายพันธุ์สามารถก้าวขึ้นเป็นนางพญาเทียมเพื่อประโยชน์ของรัง — และเก็บเกี่ยวช่วงอายุขัยที่ยาวนานขึ้นได้

สิ่งที่ควบคุมช่วงขนาดมหึมานี้ในช่วงอายุขัยของมดยังไม่เป็นที่เข้าใจ แต่การศึกษาล่าสุด XNUMX ชิ้นได้เปิดเผยรายละเอียดที่สำคัญเกี่ยวกับสิ่งที่ทำให้ช่วงชีวิตของมดมีความยืดหยุ่นมาก In วิทยาศาสตร์นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนิวยอร์กแสดงให้เห็นว่ามดราชินีบางตัวผลิตโปรตีนที่ยับยั้งการแก่ตัวของอินซูลิน เพื่อให้พวกมันสามารถกินอาหารเพิ่มเติมทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการวางไข่โดยไม่ทำให้อายุสั้นลง และใน พิมพ์ล่วงหน้า เมื่อเร็ว ๆ นี้โพสต์บนเซิร์ฟเวอร์ biorxiv.org นักวิจัยในเยอรมนีอธิบายถึงปรสิตที่ยืดอายุขัยของมดโดยหลั่งสารต้านอนุมูลอิสระและสารประกอบอื่น ๆ การศึกษาทั้งสองเพิ่มหลักฐานว่าอายุขัยที่สังเกตได้ของสิ่งมีชีวิตแทบไม่เกี่ยวข้องกับข้อจำกัดที่กำหนดโดยยีนของพวกมัน

“การศึกษาเกี่ยวกับความชราส่วนใหญ่ทำกับสิ่งมีชีวิตจำลองซึ่งมีช่วงชีวิตสั้นมาก” กล่าว โลรองต์ เคลเลอร์ศาสตราจารย์ด้านนิเวศวิทยาและวิวัฒนาการแห่งมหาวิทยาลัยโลซานน์ในสวิตเซอร์แลนด์ เขาอธิบายว่าแมลงสังคมเสนอโอกาสที่น่าสนใจในการศึกษาความสำคัญของการแสดงออกของยีนในวัยชรา เนื่องจากราชินีและคนงานในอาณานิคมมักมีจีโนมเหมือนกัน แต่อายุขัยต่างกันตามลำดับความสำคัญ (เมื่อสองทศวรรษที่แล้ว เคลเลอร์แสดงให้เห็นว่ามดราชินีมีชีวิตอยู่ได้นานถึง 100 เท่าของแมลงที่โดดเดี่ยวจากบรรพบุรุษที่มดวิวัฒนาการมา)

และเนื่องจากคนงานมีอายุสั้น “คุณสามารถลองหาวิธีที่จะทำให้พวกเขามีอายุยืนยาวขึ้น” กล่าว อรชุนราชกุมารซึ่งเป็นเพื่อนหลังปริญญาเอกที่ศึกษาข้อจำกัดในการสืบพันธุ์ของมดงานที่สถาบันไวท์เฮดแห่งสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ โดยเพิ่งสำเร็จการศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่มหาวิทยาลัยแมคกิลล์ ความเป็นไปได้ที่น่าตื่นเต้นคือกลไกเมแทบอลิซึมที่ยืดอายุของแมลงอาจนำไปใช้กับสายพันธุ์อื่นรวมถึงมนุษย์ด้วย “เราต้องการเข้าใจว่าคุณทำให้บางสิ่งมีอายุยืนยาวขึ้นได้อย่างไร ไม่ใช่ [เพียงแค่] ทำไมบางสิ่งถึงมีอายุยืนยาว” เขากล่าว

กินมากขึ้นในขณะที่อายุน้อยลง

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่การศึกษาได้ชี้ไปที่อินซูลินและระบบสัญญาณทางชีวเคมีที่เปิดใช้งานเป็นตัวควบคุมหลักของความชรา อินซูลินมีผลต่อวิธีที่เซลล์ร่างกายใช้และใช้น้ำตาลกลูโคส ดังนั้นจึงมีอิทธิพลพื้นฐานต่อปริมาณพลังงานที่มีให้กับเซลล์สำหรับการเจริญเติบโต การสืบพันธุ์ และการซ่อมแซม ในกระบวนการนี้ยังควบคุมการสร้างอนุมูลอิสระที่อาจเป็นอันตรายและโมเลกุลออกซิไดซ์อื่นๆ ที่เป็นผลพลอยได้จากการเผาผลาญ นักวิจัยหลายคนสงสัยว่านี่คือสาเหตุที่อาหารจำกัดแคลอรี่ซึ่งทำให้ระดับอินซูลินต่ำ ดูเหมือนจะยืดอายุขัยในสัตว์หลายชนิด

ยิ่งกว่านั้น ดูเหมือนว่าอินซูลินจะเพิ่มความสำคัญให้กับมด เมื่อหลายปีก่อน งานที่นำโดยนักชีววิทยาวิวัฒนาการ แดเนียล โครนาวร์ ที่ Rockefeller University แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงใน มดตอบสนองต่ออินซูลินอย่างไร ดูเหมือนจะเกลี้ยกล่อมพวกเขาให้พัฒนาสังคมอาณานิคมที่เห็นแก่ผู้อื่นด้วยราชินีที่เจริญพันธุ์และคนงานที่ไม่สืบพันธุ์

เมื่อสี่ปีที่แล้ว วิกรมจันทรา เป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่มหาวิทยาลัยร็อคกี้เฟลเลอร์ ศึกษาความแตกต่างระหว่างมดราชินีและคนงาน อินซูลินอยู่ในใจของเขาเป็นอย่างมาก เขาและ อินกริด เฟตเตอร์-พรูเนดาซึ่งเป็นเพื่อนหลังปริญญาเอกในห้องแล็บในขณะนั้น ร่วมเป็นหัวหน้าทีมที่ศึกษาการแสดงออกของยีนในมด 7 สายพันธุ์ และสรุปว่าการส่งสัญญาณอินซูลินเกิดขึ้นในสมองของราชินีมากกว่าในคนงาน เมื่อพวกเขาฉีดอินซูลินให้กับมดงาน มันจะกระตุ้นรังไข่ที่อยู่เฉยๆ และกระตุ้นการพัฒนาของไข่ ตามที่ Kronauer ผู้ดูแลการศึกษานี้ การค้นพบเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการส่งสัญญาณอินซูลินทำให้มดสืบพันธุ์ได้

การค้นพบดังกล่าวได้วางรากฐานสำหรับงานใหม่ที่ดำเนินการโดยเป็นส่วนหนึ่งของความร่วมมือระยะยาวระหว่างนักชีววิทยา โคล้ด เดสแพลน และ แดนนี่ ไรน์เบิร์ก ที่มหาวิทยาลัยนิวยอร์ก พวกเขาแสดงให้เห็นว่าวิวัฒนาการได้ให้รางวัลแก่ส่วนประกอบบางอย่างของเส้นทางการส่งสัญญาณอินซูลินในมดในรูปแบบที่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมราชินีจึงมีอายุยืนยาวขึ้น

Desplan และ Reinberg ศึกษามดกระโดดของอินเดีย (เกลือ Harpegnathos) ซึ่งราชินีมีอายุประมาณห้าปีและคนงานมีชีวิตอยู่ประมาณเจ็ดเดือนเท่านั้น แต่ในสปีชีส์นี้ ความแตกต่างในช่วงอายุขัยนี้ไม่ได้ถูกกำหนดให้เป็นหิน หากราชินีสิ้นพระชนม์หรือถูกย้ายออกจากอาณานิคม คนงานจะสัมผัสได้ถึงการเปลี่ยนแปลงแทบจะในทันทีจากการที่กลิ่นของเธอหายไป จากนั้นบางคนก็กลายเป็น "เกมเมอร์เกท" (ราชินีเทียม) ที่ต่อสู้กันเพื่อแย่งชิงอำนาจมาแทนที่เธอ ในที่สุด เกมเมอร์เกทที่ได้รับชัยชนะจำนวนหนึ่งซึ่งมักจะอยู่ระหว่างสามถึงห้าคน ร่วมกันรับบทบาทราชินีในฐานะผู้วางไข่สำหรับอาณานิคม คนงานคนอื่น ๆ จากนั้น "ตำรวจ" เกมเมอร์เกทที่ฟุ่มเฟือย บังคับให้พวกเขาวางไข่

พฤติกรรมของ gamergates ไม่ใช่สิ่งเดียวที่เปลี่ยนแปลง แต่พวกมันพัฒนารังไข่ที่ทำงานได้และสามารถวางไข่ได้ และอายุขัยของพวกมันจะขยายไปถึงสามหรือสี่ปี เนื่องจากเกมเมอร์เกตไม่อุดมสมบูรณ์เท่าราชินี จึงมักใช้เวลาตั้งแต่สามถึงห้าตัวเพื่อแทนที่ไข่ของราชินี ถ้าเกมเมอร์เกตถูกพาเข้าไปในอาณานิคมที่ราชินีอาศัยอยู่ เกมเมอร์เกตจะกลับไปเป็นคนงานและอายุขัยของเธอจะสั้นลง

เมื่อคนงานกลายเป็นนักเล่นเกม การเผาผลาญของเธอจะเปลี่ยนไป เธอกินมากขึ้น และผลที่ตามมาคือระดับอินซูลินของเธอจะกระตุ้นการพัฒนาของรังไข่ของเธอ เธอใช้อาหารเพื่อสร้างไขมันที่บรรจุลงในไข่ แต่จากการศึกษาก่อนหน้านี้เกี่ยวกับอินซูลินและความชรา นักวิจัยของ NYU คาดว่าการส่งสัญญาณอินซูลินที่มากขึ้นจะเชื่อมโยงกับอายุขัยที่สั้นลง ไม่ใช่อายุที่ยืนยาวขึ้น

นักวิจัยพบคำตอบที่ซ่อนอยู่ในรายละเอียดของการส่งสัญญาณอินซูลิน เมื่ออินซูลินจับกับตัวรับบนผิวเซลล์ จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลดหลั่นภายในเซลล์ รวมถึงวิถีทางเคมีที่แตกต่างกันสองวิถี ทางเดินหนึ่งกระตุ้นเอนไซม์ที่เรียกว่า MAP kinase และมีความสำคัญต่อเมตาบอลิซึมและการพัฒนาของรังไข่ เส้นทางอื่นยับยั้งปัจจัยการถอดรหัสที่ดูเหมือนว่าจะส่งเสริมอายุขัยที่ยาวนานขึ้น เพื่อความประหลาดใจของนักวิจัย เมื่อพวกเขาดูที่รังไข่และตัวไขมัน (ซึ่งพอๆ กับตับของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม) ในเกมเมอร์เกต พวกเขาพบว่าเส้นทาง MAP ไคเนสทำงาน แต่อีกเส้นทางหนึ่งไม่ทำงาน

งานต่อไปแสดงให้เห็นว่ารังไข่ของ gamergates แสดงโปรตีนอย่างมาก Imp-L2 ซึ่งไม่สนใจ MAP kinase pathway แต่ขัดขวางวิถีที่สองในร่างกายไขมัน Desplan กล่าวว่า "โปรตีนนี้ดูเหมือนจะมีหน้าที่ในการปกป้องเส้นทางหนึ่งที่ช่วยในการเผาผลาญ แต่ยับยั้งเส้นทางที่นำไปสู่การแก่ชรา"

นักวิจัยคนอื่น ๆ ชี้ให้เห็นว่าการศึกษาใหม่ไม่ได้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า Imp-L2 ส่งผลต่ออายุขัย: Desplan และ Reinberg ไม่ได้ทดสอบโดยตรงว่าการเปิดใช้งานโปรตีนในคนงานจะทำให้พวกเขามีอายุยืนยาวขึ้นหรือหากยับยั้งใน gamergates จะทำให้พวกเขาตาย เร็วกว่านี้ การทดลองดังกล่าวมีความท้าทายเพราะอาจจำเป็นต้องฉีดสารยับยั้งอินซูลินให้มดเป็นเวลาหลายเดือนหรือหลายปี

อย่างไรก็ตาม ข้อเสนอของ Desplan และ Reinberg ที่ว่ามดกำลังควบคุมสาขาต่างๆ ของระบบส่งสัญญาณอินซูลินนั้นเป็น "สมมติฐานที่น่าเชื่อถือและน่าสนใจจริงๆ" Chandra ซึ่งปัจจุบันเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าว “ถ้ามันกระตุ้นให้แล็บพยายามทดสอบสิ่งนี้มากขึ้น นั่นคงจะเจ๋งมาก”

เนื่องจากการทำการทดลองทางพันธุกรรมกับแมลงวันผลไม้ทำได้ง่ายกว่าการทดลองกับมด ตอนนี้ทีมของ Desplan กำลังดูว่าพวกมันสามารถยืดอายุของแมลงวันผลไม้ได้หรือไม่ แมลงหวี่ แมลงวันผลไม้โดยกระตุ้นการแสดงออกของ Imp-L2 สักวันหนึ่งเดสแพลนก็หวังว่าจะทดลองในหนูด้วยเช่นกัน “เรามีงานที่น่าตื่นเต้นมากมายให้ทำ” เขากล่าว

ปรสิตที่ยืดอายุขัย

ในความบิดเบี้ยวที่แปลกประหลาด ดูเหมือนว่าธรรมชาติได้ดำเนินการทดลองแบบเดียวกันในสายพันธุ์อื่นในแบบฉบับของตัวเองแล้ว เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิจัยในเยอรมนีค้นพบว่าพยาธิตัวตืดปรสิตได้พัฒนาความสามารถในการจัดการกับช่วงชีวิตของมดที่เป็นพลาสติกอย่างมากเพื่อประโยชน์ของมันเอง

พยาธิตัวตืดต้องใช้เวลาส่วนหนึ่งของชีวิตในมดโอ๊ก (เทมโนทอแรกซ์ ไนแลนเดรี) ซึ่งได้ชื่อมาจากรังที่สร้างภายในลูกโอ๊กแต่ละลูก เมื่อคนงานออกไปหาอาหาร บางครั้งพวกเขากินไข่พยาธิตัวตืดและติดเชื้อ แต่เพื่อให้วงจรชีวิตของมันสมบูรณ์ พยาธิตัวตืดจำเป็นต้องแพร่เชื้อให้กับนกหัวขวานด้วย และมันจะได้รับโอกาสนั้นเมื่อนกหัวขวานกินบ้านต้นโอ๊กของมด

ไม่กี่ปีที่ผ่านมา Sara Beros นักเรียนในห้องทดลองของ ซูซานน์ โฟอิซิค ที่มหาวิทยาลัย Johannes Gutenberg ในเมืองไมนซ์ ประเทศเยอรมนี ได้เปิดรังมดต้นโอ๊กและได้ค้นพบสิ่งที่แปลกประหลาดว่า ในขณะที่คนงานที่ไม่ติดเชื้อทั้งหมดเสียชีวิตระหว่างการเฝ้าสังเกตหลายเดือน แต่คนที่ติดเชื้อกลับไม่ตาย (มดที่เป็นปรสิตสามารถระบุได้ง่ายเพราะสีของพวกมันเปลี่ยนจากสีน้ำตาลเป็นสีเหลือง) เมื่อ Beros เล่าเรื่องนี้ให้ Foitzik ฟัง Foitzik ก็นึกขึ้นได้ว่า "นั่นเป็นไปไม่ได้ ทุกอย่างตาย” แต่เบรอสยืนกราน “ดังนั้นเราจึงพิจารณาอย่างถูกต้อง”

ในผลงานที่นำเสนอเมื่อฤดูร้อนปีที่แล้วในการประชุมของสหภาพนานาชาติเพื่อการศึกษาแมลงสังคมและโพสต์ก่อนวันคริสต์มาสใน biorxiv.org เซิร์ฟเวอร์พิมพ์ล่วงหน้าทีมงานของ Foitzik แสดงให้เห็นว่าในช่วงระยะดักแด้ของพยาธิตัวตืดในมด มันจะสูบฉีดโปรตีนเข้าไปในเลือด (hemolymph) ที่เทียบเท่ากับมด ซึ่งช่วยยืดอายุขัยของคนงานได้อย่างมาก ซึ่งแตกต่างจากมดกระโดดของอินเดีย มดโอ๊กไม่พัฒนาเป็น gamergates ดังนั้นการยืดอายุของปรสิตจึงไม่มีแบบอย่างตามธรรมชาติ

“ผลกระทบรุนแรงมาก” Kronauer กล่าว ในระหว่างการทดลอง XNUMX ปี พนักงานที่ติดเชื้อมีอายุยืนยาวกว่าคนที่ไม่ติดเชื้อถึง XNUMX เท่า และแสดงอัตราการตายที่ต่ำพอๆ กับราชินี การจัดการของปรสิตขยายอายุขัยของคนงานอย่างมาก "โดยพื้นฐานแล้วคุณไม่สามารถแยกความแตกต่างจากราชินีได้" เขากล่าว

แม้ว่าคนงานมดโอ๊กที่ติดเชื้อจะไม่สืบพันธุ์ แต่พวกมันจะกลายเป็นเหมือนราชินีมากขึ้นในหลาย ๆ ด้าน Foitzik กล่าวว่า: พวกมันทำงานน้อยลงและได้รับการดูแลเอาใจใส่มากขึ้นจากคนงานที่ไม่ติดเชื้อในอาณานิคม หากนำนางพญาออกจากรัง พวกมันยังเป็นคนงานกลุ่มแรกที่พัฒนารังไข่

Foitzik และทีมของเธอพบว่าตัวอ่อนของพยาธิตัวตืดผลิตและหลั่งโปรตีนมากกว่า 250 ชนิดเข้าไปในเม็ดเลือดแดงของมดที่ติดเชื้อ ซึ่งเพียงพอที่จะคิดเป็น 7% ของโปรตีนหมุนเวียนทั้งหมด โปรตีนส่วนใหญ่ไม่ได้รับการจำแนก แต่มี XNUMX ชนิดที่สามารถระบุได้ว่าเป็นสารต้านอนุมูลอิสระ “ดูเหมือนว่า [พยาธิตัวตืด] กำลังปล่อยสารต้านอนุมูลอิสระเข้าไปในตัวมด และนี่อาจทำให้อายุยืนยาวขึ้น” เธอกล่าว

เมื่อ Foitzik และทีมของเธอวัดการเปลี่ยนแปลงของการแสดงออกของยีนในมดที่เป็นปรสิต พวกเขาพบว่ามดที่ติดเชื้อนั้นสร้างสารต้านอนุมูลอิสระมากขึ้นด้วย นอกจากนี้ ราชินีและคนงานที่ติดเชื้อยังแสดงออกถึงยีนที่เรียกว่า เงินแต่คนงานที่ไม่ติดเชื้อไม่ได้ นักวิจัยได้เชื่อมโยงก่อนหน้านี้ เงิน ยีนเพื่อยืดอายุขัยในแมลงวันผลไม้

แม้ว่าจะเห็นได้ชัดว่าชุดของการเปลี่ยนแปลงทางพัฒนาการและเมแทบอลิซึมเกิดขึ้นเมื่อคนงานกลายเป็นเหมือนราชินีมากขึ้น แต่ก็ยากที่จะแยกแยะว่าการเปลี่ยนแปลงใดที่สำคัญที่สุดสำหรับการยืดอายุขัย อินซูลินและสารต้านอนุมูลอิสระมีความสำคัญ แต่เคลเลอร์คิดว่าปัจจัยอื่น ๆ อีกมากมายก็มีแนวโน้มที่จะมีบทบาทเช่นกัน “ดังนั้น ผมคิดว่าคงไม่มีทางใดที่จะอธิบายถึงความแตกต่างในช่วงอายุขัยได้ คุณอาจต้องเปลี่ยนแปลงหลายสิ่งหลายอย่าง” เขากล่าว

เคลเลอร์คิดว่าการค้นพบเกี่ยวกับปรสิตนั้นน่าทึ่งเพราะปรสิตมักจะทำให้อายุสั้นลงแทนที่จะทำให้อายุยืนยาวขึ้น แต่ในกรณีนี้ การยืดอายุขัยของมดดูเหมือนจะปรับตัวได้สำหรับปรสิต: พยาธิตัวตืดจำเป็นต้องอยู่ในตัวมดที่ติดเชื้อนานพอที่นกหัวขวานจะหาลูกโอ๊กและกินมันได้ ถ้าคนงานตายก่อนหน้านั้น พยาธิตัวตืดก็จะตายไปด้วย พยาธิตัวตืดช่วยเพิ่มโอกาสที่นกหัวขวานจะโผล่มาในที่สุด ความอุดมสมบูรณ์ของสารต้านอนุมูลอิสระในเม็ดเลือดแดงอาจช่วยให้ตัวอ่อนของพยาธิตัวตืดมีชีวิตอยู่ได้ตราบเท่าที่โฮสต์ของพวกมันมี

"ที่นี่ปรสิตกำลังใช้ประโยชน์จากโฮสต์ทางสังคม" Foitzik อธิบาย มันไม่สมเหตุสมผลเลยที่จะปรสิตสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังที่อยู่โดดเดี่ยวเพราะพวกมันไม่เคยมีชีวิตอยู่ได้นานนัก “แต่ในแมลงสังคม ที่ซึ่งราชินีอาศัยอยู่ในรังอย่างปลอดภัยเป็นเวลา 20 ปี คุณสามารถเล่นกลอุบายแบบนั้นได้”

แก้ไข: 10 มกราคม 2023
เวอร์ชันก่อนหน้าของบทความนี้ละเลยที่จะกล่าวถึงการมีส่วนร่วมของ Fetter-Pruneda ในการศึกษากับ Chandra เกี่ยวกับความแตกต่างในการแสดงออกของยีนระหว่างวรรณะมด