Мурахи живуть у 10 разів довше, змінюючи свою реакцію на інсулін

Тварини, які дають багато потомства, як правило, мають коротке життя, тоді як менш плідні види живуть довше. Таргани відкладають сотні яєць, живучи менше року. Протягом одного-двох років миші народжують десятки малюків. Горбаті кити приносять тільки одне дитинча кожні два-три роки і живуть десятиліттями. Емпіричне правило, здається, відображає еволюційні стратегії, які спрямовують поживні ресурси або на швидке відтворення, або на зростання міцності для довгострокової переваги.

Але королеви мурах можуть мати все. У деяких видів мурах матки живуть понад 30 років, відкладаючи тисячі і тисячі яєць, які стають робочими гніздом. Навпаки, робочі мурахи, які є самками, які не розмножуються, живуть лише місяці. Проте, якщо того вимагають обставини, робочі особини деяких видів можуть стати псевдокоролевами на благо гнізда — і пожинати значну подовжену тривалість свого життя.

Що визначає цей гігантський діапазон тривалості життя мурах, погано зрозуміло, але два нещодавніх дослідження виявили важливі деталі того, що робить тривалість життя мурах такою гнучкою. In наукаДослідники з Нью-Йоркського університету показали, що деякі матки мурах виробляють білок, який пригнічує ефект старіння інсуліну, щоб вони могли споживати всю додаткову їжу, необхідну для відкладання яєць, не скорочуючи життя. І в препринт Нещодавно опублікований на сервері biorxiv.org, дослідники з Німеччини описали паразита, який значно подовжує життя своїх господарів-мурах, виділяючи насичений коктейль антиоксидантів та інших сполук. Обидва дослідження додають доказів того, що спостережувана тривалість життя організмів має мало спільного з обмеженнями, накладеними їхніми генами.

«Більшість досліджень старіння проводяться на модельних організмах, які мають дуже коротку тривалість життя», — сказав Лоран Келлер, професор екології та еволюції в університеті Лозанни в Швейцарії. Соціальні комахи, пояснив він, пропонують захоплюючі можливості для вивчення важливості експресії генів у старінні, оскільки королева та робочі особини в колонії часто мають однаковий геном, але різняться за тривалістю життя на порядок. (Два десятиліття тому Келлер показав, що мурашині королеви живуть приблизно в 100 разів довше, ніж предки-одинокі комахи, від яких еволюціонували мурахи.)

І оскільки працівники живуть недовго, «ви можете спробувати з’ясувати, як змусити їх жити довше». Арджуна Раджакумар, постдокторант, який зараз вивчає репродуктивні обмеження робочих мурах в Інституті Уайтхеда при Массачусетському технологічному інституті, нещодавно закінчивши дипломну роботу в Університеті Макгілла. Захоплююча можливість полягає в тому, що метаболічні механізми, які продовжують життя комах, також можуть застосовуватися до інших видів, включаючи людей. «Ми хочемо зрозуміти, як щось жити довше, а не [тільки] чому щось живе так довго», — сказав він.

Їжте більше, старіючи менше

Протягом десятиліть дослідження вказували на те, що інсулін і біохімічна сигнальна система, яку він активує, є ключовими регуляторами старіння. Інсулін впливає на те, як клітини організму поглинають і використовують глюкозу цукру, тому він має фундаментальний вплив на кількість енергії, доступної клітинам для росту, відтворення та відновлення. У процесі він також регулює утворення потенційно шкідливих вільних радикалів та інших окислюючих молекул, які є побічними продуктами метаболізму. Багато дослідників підозрюють, що саме тому дієти з обмеженням калорійності, які підтримують низький рівень інсуліну, здається, подовжують тривалість життя багатьох видів.

Крім того, здається, що інсулін має додаткове значення для мурах. Кілька років тому роботу очолив біолог-еволюціоніст Даніель Кронауер в Університеті Рокфеллера показали, що зміни в як мурахи реагують на інсулін здається, спонукав їх розвивати альтруїстичні колоніальні суспільства з репродуктивними королевами та нерепродуктивними робітниками.

Отже, чотири роки тому, коли Вікрам Чандра був аспірантом Університету Рокфеллера, вивчаючи відмінності між королевами мурашок і робітниками, інсулін був дуже на його думці. Він і Інгрід Феттер-Прунеда, постдокторант у лабораторії на той час, один із керівників групи, яка розглядала експресію генів у семи видів мурах і дійшла висновку, що більше інсулінових сигналів відбувалося в мозку маток, ніж у робочих. Коли вони вводили робочим мурахам інсулін, це активувало їх сплячі яєчники та ініціювало розвиток яєць. За словами Кронауера, який керував дослідженням, ці висновки показали, що сигналізація інсуліну викликала репродуктивність мурах.

Це відкриття заклало основу для нової роботи, проведеної в рамках довгострокової співпраці між біологами Клод Десплан та Денні Рейнберг в Нью-Йоркському університеті. Вони показали, що еволюція змінила деякі компоненти сигнального шляху інсуліну в мурах таким чином, щоб пояснити, чому матки живуть довше.

Десплан і Рейнберг вивчали індійських мурах-стрибунів (Harpegnathos saltator), чиї матки живуть близько п'яти років, а робочі тварини живуть лише близько семи місяців. Але у цього виду ця різниця в тривалості життя не висічена в камені. Якщо матка помирає або її видаляють із колонії, робочі тварини відчувають зміни майже одразу після зникнення її запаху. Деякі з них потім стають «братами» (псевдокоролевами), які борються за домінування, щоб зайняти її місце. Зрештою, кілька переможних гравців — зазвичай від трьох до п’яти — разом беруть на себе роль королеви як несучок для колонії. Потім інші працівники «охороняють» будь-які зайві ігрові ворота, насильно пригнічуючи їх від відкладання яєць.

Проте змінюється не тільки поведінка ґеймерґейтів: у них розвиваються функціональні яєчники та вони можуть відкладати яйця, а тривалість їхнього життя подовжується до трьох-чотирьох років. Оскільки ігрові ворота не такі плідні, як матки, зазвичай потрібно від трьох до п’яти з них, щоб замінити вихід яєць королеви. Якщо в колонію, де живе королева, ввести ігрову браму, вона знову стає робочою, а тривалість її життя скорочується.

Коли робітниця стає гравцем, її метаболізм змінюється. Вона їсть більше, і внаслідок цього підвищення рівня інсуліну запускає розвиток її яєчників. Вона використовує їжу для виробництва ліпідів, які упаковуються в яйця. Але з попередніх досліджень інсуліну та старіння дослідники Нью-Йоркського університету очікували, що посилення сигналів інсуліну буде пов’язане з меншою, а не довшою тривалістю життя.

Дослідники знайшли відповідь, що ховається в деталях сигналізації інсуліну. Коли інсулін зв’язується зі своїм рецептором на поверхні клітини, він запускає каскади реакцій усередині клітини, включаючи два різні хімічні шляхи. Один шлях активує фермент під назвою MAP-кіназа, який є критичним для метаболізму та розвитку яєчників. Інший шлях пригнічує фактор транскрипції, який, здається, сприяє подовженню тривалості життя. На подив дослідників, коли вони подивилися на яєчник і жирове тіло (що приблизно еквівалентно печінці ссавців) у ґеймерґейтах, вони виявили, що MAP-кіназний шлях був активним, а інший – ні.

Подальша робота показала, що яєчники статевих воріт сильно експресують білок Imp-L2, який ігнорує шлях MAP-кінази, але заважає другому шляху в жировому тілі. «Здається, цей білок має функцію захисту одного шляху, який забезпечує метаболізм, але пригнічує шлях, який призводить до старіння», — сказав Десплан.

Інші дослідники зазначають, що нове дослідження остаточно не показує, що Imp-L2 впливає на тривалість життя: Десплан і Рейнберг безпосередньо не перевіряли, чи активація білка у працівників змусить їх жити довше, чи пригнічення його в ігрових воротах призведе до їх смерті раніше. Такі експерименти є складними, оскільки вони можуть вимагати введення мурахам інгібіторів інсуліну протягом місяців або років.

Тим не менш, припущення Десплана і Рейнберга про те, що мурахи маніпулюють різними гілками сигнальної системи інсуліну, є «справді правдоподібною, цікавою гіпотезою», — сказав Чандра, який зараз працює докторантом Гарвардського університету. «Якщо це стимулюватиме більше лабораторій спробувати це перевірити, це буде дуже круто».

Оскільки легше проводити генетичні експерименти на плодових мушках, ніж на мурахах, команда Десплана зараз перевіряє, чи зможуть вони продовжити тривалість життя Дрозофіла плодових мушок шляхом активації їх експресії Imp-L2. Колись Desplan сподівається спробувати експеримент і на мишах. «Нас чекає багато захоплюючої роботи», — сказав він.

Паразит, який подовжує життя

Дивним чином природа, здається, вже провела власну версію подібного експерименту з іншим видом. Дослідники з Німеччини нещодавно виявили, що паразитичний стрічковий черв’як розвинув здатність маніпулювати надзвичайною пластичністю тривалості життя мурах на власну користь.

Солітер повинен провести частину свого життя всередині мурах-жолудів (Temnothorax nylanderi), які отримали свої назви від гнізд, які вони будують всередині окремих жолудів. Коли робочі особини виходять на пошуки корму, вони іноді з'їдають яйце солітера і заражаються. Але щоб завершити свій життєвий цикл, солітер також повинен заразити дятла, і він отримує таку можливість, коли дятли їдять жолуді в домівках мурах.

Кілька років тому Сара Берос, студентка лабораторії ім Сюзанна Фойцик в Університеті Йоганна Гутенберга в Майнці в Німеччині відкрили кілька гнізд мурашок і зробили дивне відкриття, що хоча всі неінфіковані працівники померли протягом місяців спостереження, інфіковані – ні. (Паразитованих мурах легко ідентифікувати, оскільки їхній колір змінюється з коричневого на жовтий.) Коли Берос розповів про це Фойціку, Фойцік пригадує, що подумав: «Це неможливо. Все вмирає». Але Берос був наполегливий, «тож ми розглянули це належним чином».

У роботі, представленій минулого літа на зустрічі Міжнародного союзу з вивчення соціальних комах і опублікованій перед Різдвом на сервер препринтів biorxiv.orgКоманда Фойціка показала, що під час личинкової стадії стрічкового черв’яка в мурашок він перекачує білки в мурашиний еквівалент крові (гемолімфу), що значно подовжує тривалість життя робочої особини. На відміну від індійських мурашок-стрибунів, мурахи-жолуді зазвичай не розвиваються в ігрові ворота, тому продовження життя паразита не має природного прецеденту.

"Ефект надзвичайно сильний", - сказав Кронауер. Протягом трирічного експерименту інфіковані робочі особини жили в п’ять разів довше, ніж неінфіковані, і показали такий же низький рівень смертності, як і маток. Маніпуляції з паразитом подовжили тривалість життя робочих настільки, «що ви практично не можете відрізнити його від королеви», сказав він.

Хоча заражені робочі мурахи-жолуді не стають репродуктивними, вони стають більш схожими на королеву в кількох аспектах, сказав Фойцік: вони менше працюють і отримують більше уваги від неінфікованих працівників у колонії. Якщо матку видалити з гнізда, вони також перші робочі особини, у яких розвиваються яєчники.

Фойцік та її команда виявили, що личинки стрічкових черв’яків виробляють і виділяють понад 250 білків у гемолімфу заражених мурах — достатньо, щоб становити близько 7% усіх циркулюючих білків. Більшість білків не охарактеризовано, але два з них можна визначити як антиоксиданти. «Схоже, що [стрічковий черв’як] виділяє антиоксиданти в мурашку, і це може збільшити тривалість життя», – сказала вона.

Коли Фойцік та її команда виміряли зміни в експресії генів у паразитованих мурах, вони виявили, що заражені мурахи також виробляли більше антиоксидантів. Крім того, матки та інфіковані робочі особини виражали більше гена, який називається срібний, але незаражені працівники не були. Дослідники раніше пов’язували срібний ген до подовженої тривалості життя плодових мушок.

Хоча зрозуміло, що набір змін у розвитку та метаболізму відбувається, коли робітники стають більш схожими на королеву, важко розрізнити, яка зі змін є найважливішою для продовження тривалості життя. Інсулін і антиоксиданти важливі, але Келлер вважає, що багато інших факторів також можуть зіграти свою роль. «Тож я думаю, що не буде єдиного шляху, який би просто пояснив різницю в тривалості життя — можливо, потрібно змінити багато речей», — сказав він.

Келлер вважає, що відкриття про паразитів захоплюючі, оскільки паразити зазвичай скорочують, а не подовжують життя. Але в цьому випадку подовження тривалості життя мурашки також, здається, є адаптивним для паразита: стрічковий черв’як повинен зберігатися в зараженій мурахі достатньо довго, щоб дятел міг знайти жолудь і з’їсти його. Якщо робітник помре раніше, солітер гине разом з ним. Подовжуючи життя робітника на роки, солітер підвищує ймовірність появи дятла. Велика кількість антиоксидантів у гемолімфі також може допомогти личинкам стрічкових черв’яків жити так само довго, як і їхні господарі.

«Тут паразит експлуатує соціального господаря», — пояснив Фойцік. Немає сенсу паразитувати на одиночних безхребетних, оскільки вони ніколи не живуть так довго. «Але з соціальною комахою, де матки вже живуть у безпеці гнізда протягом 20 років, ви можете зіграти такий трюк».

Виправлення: 10 січня 2023 р
У попередній версії цієї статті не було згадки про внесок Феттера-Прунеди в дослідження з Чандрою щодо відмінностей у експресії генів між кастами мурах.