Karıncalar İnsülin Tepkilerini Değiştirerek 10 Kat Daha Uzun Yaşıyorlar

Çok sayıda yavru üreten hayvanların ömrü kısa olma eğilimindeyken, daha az üretken türler daha uzun yaşama eğilimindedir. Hamamböcekleri bir yıldan az yaşarken yüzlerce yumurta bırakırlar. Fareler yaşamlarının bir veya iki yılı boyunca düzinelerce yavru doğurur. Kambur balinalar her iki veya üç yılda bir yalnızca bir buzağı üretir ve onlarca yıl yaşarlar. Temel kural, besin kaynaklarını ya hızlı üremeye ya da uzun vadeli bir avantaj için daha güçlü büyümeye yönlendiren evrimsel stratejileri yansıtıyor gibi görünüyor.

Ama kraliçe karıncalar her şeye sahip olabilir. Bazı karınca türlerinde kraliçeler, yuvadaki tüm işçiler haline gelen binlerce yumurtayı yumurtlayarak 30 yıldan fazla yaşarlar. Bunun tersine, üremeyen dişi olan işçi karıncalar yalnızca aylarca yaşarlar. Ancak koşullar gerektiriyorsa, bazı türlerin işçileri yuvanın iyiliği için sözde kraliçeler haline gelebilir ve yaşam sürelerinde önemli bir artış elde edebilirler.

Karıncaların yaşam sürelerindeki bu devasa aralığı neyin yönettiği tam olarak anlaşılamamıştır, ancak yakın zamanda yapılan iki araştırma, karıncaların yaşam sürelerini bu kadar esnek kılan şeyin ne olduğuna dair önemli ayrıntıları ortaya çıkardı. In BilimNew York Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, bazı kraliçe karıncaların, insülinin yaşlandırıcı etkisini baskılayan bir protein ürettiklerini, böylece yumurtlamaları için gereken tüm ek gıdayı, hayatlarını kısaltmadan tüketebildiklerini gösterdi. Ve ön baskı yakın zamanda biorxiv.org sunucusunda yayınlanan bir makalede, Almanya'daki araştırmacılar, zengin bir antioksidanlar ve diğer bileşikler kokteyli salgılayarak, konakçı karıncaların ömrünü büyük ölçüde uzatan bir paraziti tanımladılar. Her iki çalışma da organizmaların gözlemlenen yaşam sürelerinin, genlerin dayattığı sınırlamalarla pek ilgisi olmadığı yönündeki kanıtlara katkıda bulunuyor.

"Yaşlanmayla ilgili çalışmaların çoğu, yaşam süreleri çok kısa olan model organizmalar üzerinde yapılıyor" dedi. Laurent Kellerİsviçre'deki Lozan Üniversitesi'nde ekoloji ve evrim profesörü. Sosyal böceklerin, yaşlanmada gen ifadesinin önemini incelemek için büyüleyici fırsatlar sunduğunu, çünkü bir kolonideki kraliçe ve işçilerin genellikle aynı genoma sahip olduğunu ancak yaşam sürelerinin büyüklük sırasına göre farklı olduğunu açıkladı. (Yirmi yıl önce Keller, kraliçe karıncaların, karıncaların evrimleştiği atasal yalnız böceklerden yaklaşık 100 kat daha uzun yaşadığını gösterdi.)

Ve işçiler kısa ömürlü oldukları için "onların daha uzun yaşamasını nasıl sağlayacağınızı bulmaya çalışabilirsiniz" dedi Arjuna Rajakumar, şu anda Massachusetts Teknoloji Enstitüsü Whitehead Enstitüsü'nde işçi karıncalar üzerindeki üreme kısıtlamaları üzerinde çalışan doktora sonrası araştırmacıdır ve yakın zamanda McGill Üniversitesi'nde yüksek lisans çalışmasını tamamlamıştır. Heyecan verici olasılık, böceklerin ömrünü uzatan metabolik mekanizmaların, insanlar da dahil olmak üzere diğer türler için de geçerli olabilmesidir. "Bir şeyin neden bu kadar uzun yaşadığını değil, bir şeyin nasıl daha uzun yaşamasını sağladığını anlamak istiyoruz" dedi.

Daha Az Yaşlanırken Daha Fazla Yemek

On yıllardır yapılan çalışmalar, insülinin ve onun etkinleştirdiği biyokimyasal sinyal sisteminin yaşlanmanın temel düzenleyicileri olduğunu gösteriyor. İnsülin, vücut hücrelerinin şeker glikozunu nasıl alıp kullandığını etkiler, dolayısıyla hücrelerin büyüme, üreme ve onarım için kullanabileceği enerji miktarı üzerinde temel bir etkiye sahiptir. Bu süreçte aynı zamanda metabolizmanın yan ürünleri olan potansiyel olarak zararlı serbest radikallerin ve diğer oksitleyici moleküllerin oluşumunu da düzenler. Pek çok araştırmacı, insülin seviyelerini düşük tutan kalori kısıtlamalı diyetlerin birçok türde yaşam süresini uzatmasının nedeninin bu olduğundan şüpheleniyor.

Üstelik insülinin karıncalar için ek bir önemi olduğu görülüyor. Birkaç yıl önce evrimci biyologun yürüttüğü çalışma Daniel Kronauer Rockefeller Üniversitesi'ndeki değişiklikler şunu gösterdi: karıncalar insüline nasıl tepki verir onları üreyen kraliçeler ve üremeyen işçilerle fedakar sömürge toplumları geliştirmeye ikna etmiş görünüyor.

Yani dört yıl önce, ne zaman vikram chandra Rockefeller Üniversitesi'nde kraliçe karıncalarla işçiler arasındaki farkları inceleyen bir yüksek lisans öğrencisiydi ve aklında ensülin vardı. O ve Ingrid Fetter-PrunedaO dönemde laboratuvarda doktora sonrası araştırmacı olarak görev yapan bilim insanı, yedi karınca türünde gen ifadesini inceleyen bir ekibin eşbaşkanlığını yaptı ve kraliçelerin beyinlerinde işçilere kıyasla daha fazla insülin sinyali oluştuğu sonucuna vardı. İşçi karıncalara insülin enjekte ettiklerinde, bu onların hareketsiz yumurtalıklarını harekete geçirdi ve yumurta gelişimini tetikledi. Araştırmayı yöneten Kronauer'e göre bu bulgular, insülin sinyalinin karıncaların üremesine neden olduğunu gösterdi.

Bu keşif, biyologlar arasındaki uzun vadeli işbirliğinin bir parçası olarak yürütülen yeni çalışmaların temelini attı. Claude Desplan ve Danny Reinberg New York Üniversitesi'nde. Evrimin, karıncalardaki insülin sinyal yolunun bazı bileşenlerini, kraliçelerin neden daha uzun yaşadığını açıklayabilecek şekilde yeniden düzenlediğini gösterdiler.

Desplan ve Reinberg sıçrayan Hint karıncalarını incelediler (Harpegnathos tuzlayıcısıKraliçeleri yaklaşık beş yıl, işçileri ise yalnızca yedi ay kadar yaşıyor. Ancak bu türde yaşam süresindeki bu farklılık kesin olarak belirlenmemiştir. Bir kraliçe ölürse veya koloniden çıkarılırsa, işçiler, kraliçenin kokusunun kaybolmasıyla değişimi hemen hissederler. Daha sonra bazıları, onun yerini almak için hakimiyet için düello yapan "oyun geçitleri" (sözde kraliçeler) haline gelir. Sonunda, bir avuç galip oyuncu kapısı (genellikle üç ila beş arası) koloni için yumurtlama görevi olarak kraliçenin rolünü ortaklaşa üstlenir. Daha sonra diğer işçiler gereksiz oyun kapılarını "polis" altına alıyor ve onların yumurtlamalarını zorla engelliyor.

Ancak değişen tek şey gamergate'lerin davranışları değil: İşlevsel yumurtalıklar geliştiriyorlar, yumurta bırakabiliyorlar ve yaşam süreleri üç ya da dört yıla kadar uzuyor. Gamergate'ler kraliçeler kadar üretken olmadığından, kraliçenin yumurta çıktısının yerini almak için genellikle üç ila beş tanesi gerekir. Bir kraliçenin yaşadığı koloniye gamergate verilirse, gamergate işçi durumuna geri döner ve kraliçenin ömrü kısalır.

Bir çalışan gamergate haline geldiğinde metabolizması değişir. Daha fazla yiyor ve bunun sonucunda insülin seviyelerindeki artış yumurtalıklarının gelişimini tetikliyor. Yiyeceği yumurtaların içine paketlenmiş lipitleri yapmak için kullanıyor. Ancak NYU araştırmacıları, insülin ve yaşlanmayla ilgili daha önceki çalışmalardan, daha fazla insülin sinyalinin daha uzun değil, daha kısa bir yaşam süresiyle bağlantılı olmasını beklemişlerdi.

Araştırmacılar cevabın insülin sinyalinin ayrıntılarında saklı olduğunu buldu. İnsülin hücre yüzeyindeki reseptörüne bağlandığında, hücre içinde iki farklı kimyasal yol dahil olmak üzere bir dizi reaksiyonu başlatır. Yollardan biri, MAP kinaz adı verilen ve metabolizma ve yumurtalık gelişimi için kritik olan bir enzimi aktive eder. Diğer yol ise daha uzun bir yaşam süresine katkıda bulunan bir transkripsiyon faktörünü baskılıyor. Araştırmacıları şaşırtacak şekilde, gamergate'lerdeki yumurtalık ve yağ gövdesine (kabaca memeli karaciğerine eşdeğerdir) baktıklarında, MAP kinaz yolunun aktif olduğunu ancak diğerinin aktif olmadığını buldular.

Daha ileri çalışmalar, gamergate'lerin yumurtalıklarının, MAP kinaz yolunu görmezden gelen ancak yağ gövdesindeki ikinci yola müdahale eden bir protein olan Imp-L2'yi güçlü bir şekilde ifade ettiğini gösterdi. Desplan, "Bu proteinin, metabolizmaya izin veren bir yolu koruma, ancak yaşlanmaya yol açan yolu engelleme işlevine sahip olduğu görülüyor" dedi.

Diğer araştırmacılar, yeni çalışmanın Imp-L2'nin yaşam süresini etkilediğini kesin olarak göstermediğine dikkat çekiyor: Desplan ve Reinberg, işçilerde proteini aktive etmenin onların daha uzun yaşamasını mı sağlayacağını yoksa gamergate'lerde onu inhibe etmenin onların ölmesine mi yol açacağını doğrudan test etmedi. Er. Bu tür deneyler zorludur çünkü karıncalara aylarca veya yıllarca insülin inhibitörlerinin enjekte edilmesini gerektirebilir.

Bununla birlikte, şu anda Harvard Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olarak görev yapan Chandra, Desplan ve Reinberg'in karıncaların insülin sinyal sisteminin farklı dallarını manipüle ettiği yönündeki önerisinin "gerçekten makul ve ilginç bir hipotez" olduğunu söyledi. "Daha fazla laboratuvarı bunu test etmeye teşvik ederse, bu çok güzel olurdu."

Meyve sinekleri üzerinde genetik deneyler yapmak karıncalar üzerinde yapmaktan daha kolay olduğundan, Desplan'ın ekibi artık meyve sineklerinin ömrünü uzatıp uzatamayacaklarını araştırıyor. Drosophila meyve sineklerinin Imp-L2 ifadesini aktive ederek. Desplan bir gün aynı deneyi farelerde de yapmayı umuyor. Yapacak çok heyecan verici işlerimiz var dedi.

Ömrü Uzatan Parazit

Garip bir şekilde, doğa benzer bir deneyin kendi versiyonunu başka bir tür üzerinde zaten yürütmüş gibi görünüyor. Almanya'daki araştırmacılar yakın zamanda parazitik bir tenyanın, karınca yaşam süresinin aşırı esnekliğini kendi avantajına göre manipüle etme yeteneğini geliştirdiğini keşfetti.

Tenya hayatının bir kısmını meşe palamudu karıncalarının içinde geçirmek zorundadır (Temnothorax nylanderiAdlarını tek tek meşe palamutlarının içine yaptıkları yuvalardan alırlar. İşçiler yiyecek aramak için dışarı çıktıklarında bazen tenya yumurtası yerler ve enfeksiyon kaparlar. Ancak yaşam döngüsünü tamamlamak için tenyanın bir ağaçkakanı da enfekte etmesi gerekiyor ve ağaçkakanlar karıncaların meşe palamudu yuvalarını yediğinde bu fırsatı yakalıyor.

Birkaç yıl önce laboratuvarda öğrenci olan Sara Beros Susanne Foitzik Almanya'daki Johannes Gutenberg Üniversitesi'nde meşe palamudu karınca yuvaları açtı ve aylarca süren gözlemleri sırasında enfekte olmayan tüm işçilerin öldüğü, ancak enfekte olanların ölmediğini tuhaf bir şekilde keşfetti. (Parazitlenen karıncaların tanımlanması kolaydır çünkü renkleri kahverengiden sarıya döner.) Beros bunu Foitzik'e anlattığında Foitzik şöyle düşündüğünü anımsıyor: “Bu mümkün değil. Her şey ölür." Ancak Beros ısrarcıydı, "bu yüzden konuyu iyice inceledik."

Geçen yaz Uluslararası Sosyal Böcek Araştırmaları Birliği'nin bir toplantısında sunulan ve Noel'den hemen önce yayınlanan çalışmada biorxiv.org ön baskı sunucusuFoitzik'in ekibi, tenyanın karıncalardaki larva evresi sırasında, proteinleri karıncanın eşdeğer kanına (hemolimf) pompaladığını ve bu sayede işçinin ömrünü önemli ölçüde uzattığını gösterdi. Zıplayan Hint karıncalarının aksine, meşe palamudu karıncaları normalde gamergate'lere dönüşmezler, bu nedenle parazitin yaşamlarını uzatmasının doğal bir örneği yoktur.

Kronauer, "Etkisi süper güçlü" dedi. Üç yıllık deney sırasında enfekte işçiler, enfekte olmayanlara göre beş kat daha uzun yaşadılar ve ölüm oranları kraliçelerinki kadar düşüktü. Parazitin manipülasyonu işçilerin ömrünü o kadar uzattı ki "temel olarak onu bir kraliçeninkinden ayırt edemezsiniz" dedi.

Foitzik, enfekte meşe palamudu işçileri üreme yeteneğine sahip olmasalar da, çeşitli açılardan daha kraliçe benzeri hale geldiklerini söyledi: Daha az çalışıyorlar ve kolonideki enfeksiyon kapmamış işçilerden daha dikkatli ilgi görüyorlar. Eğer kraliçe arı yuvadan alınırsa, aynı zamanda yumurtalık geliştiren ilk işçilerdir.

Foitzik ve ekibi, tenya larvalarının, enfekte karıncaların hemolenflerine 250'den fazla protein ürettiğini ve salgıladığını buldu; bu, dolaşımdaki tüm proteinlerin yaklaşık %7'sini oluşturmaya yetiyordu. Proteinlerin çoğu henüz tanımlanmamıştır ancak bunlardan ikisi antioksidan olarak tanımlanabilir. "Öyle görünüyor ki tenya karıncaya antioksidanlar salıyor ve bu da ömrünü uzatabilir" dedi.

Foitzik ve ekibi parazitlenmiş karıncalardaki gen ifadesindeki değişiklikleri ölçtüğünde, enfekte karıncaların aynı zamanda daha fazla antioksidan ürettiğini buldular. Üstelik kraliçeler ve enfekte olmuş işçiler, adı verilen bir geni daha fazla ifade ediyorlardı. gümüş, ancak enfekte olmayan işçiler değildi. Araştırmacılar daha önce gümüş Meyve sineklerinde daha uzun bir yaşam süresine sahip gen.

İşçiler daha kraliçe benzeri hale geldiğinde bir takım gelişimsel ve metabolik değişikliklerin meydana geldiği açık olmasına rağmen, yaşam süresini uzatmak için hangi değişikliklerin en önemli olduğunu anlamak zordur. İnsülin ve antioksidanlar önemlidir, ancak Keller diğer birçok faktörün de rol oynayabileceğini düşünüyor. "Bu yüzden yaşam süresindeki farkı basitçe açıklayacak tek bir yol olmayacağını düşünüyorum; muhtemelen pek çok şeyi değiştirmeniz gerekiyor" dedi.

Keller, parazitlerle ilgili bulguların büyüleyici olduğunu düşünüyor çünkü parazitler genellikle ömrü uzatmak yerine kısaltıyor. Ancak bu durumda, karıncanın yaşam süresinin uzatılması aynı zamanda parazite de uyum sağlıyor gibi görünüyor: Bir ağaçkakanın meşe palamudu bulup yemesi için tenyanın enfekte karıncada yeterince uzun süre kalması gerekiyor. Eğer işçi daha önce ölürse, tenya da onunla birlikte ölür. Tenya, işçinin ömrünü yıllara göre uzatarak, sonunda bir ağaçkakanın ortaya çıkma olasılığını artırır. Hemolimfteki antioksidanların bolluğu, tenya larvalarının konakçıları kadar uzun yaşamasına da yardımcı olabilir.

Foitzik, "Burada parazit sosyal bir konakçıyı sömürüyor" diye açıkladı. Yalnız yaşayan omurgasızları parazite etmek mantıklı olmaz çünkü onlar asla çok uzun yaşamazlar. "Ama kraliçelerin zaten 20 yıldır güvenli bir yuvada yaşadığı sosyal bir böcekte bu tür bir numara oynayabilirsiniz."

Düzeltme: 10 Ocak 2023
Bu makalenin daha önceki bir versiyonunda, Fetter-Pruneda'nın, Chandra ile birlikte karınca sınıfları arasındaki gen ifadesindeki farklılıklar üzerine yapılan çalışmaya yaptığı katkılardan bahsetmeyi ihmal etmişti.