Kiến sống lâu hơn 10 lần bằng cách thay đổi phản ứng insulin của chúng

Những loài sinh nhiều con có xu hướng sống ngắn, trong khi những loài ít sinh sản có xu hướng sống lâu hơn. Gián đẻ hàng trăm quả trứng khi sống chưa đầy một năm. Chuột đẻ hàng chục con trong một hoặc hai năm của cuộc đời. Cá voi lưng gù chỉ sinh một con sau mỗi hai hoặc ba năm và sống trong nhiều thập kỷ. Quy tắc ngón tay cái dường như phản ánh các chiến lược tiến hóa hướng các nguồn dinh dưỡng vào việc sinh sản nhanh chóng hoặc phát triển mạnh mẽ hơn để có lợi thế lâu dài.

Nhưng kiến ​​chúa có thể có tất cả. Ở một số loài kiến, kiến ​​chúa sống hơn 30 năm trong khi đẻ hàng nghìn hàng nghìn quả trứng trở thành kiến ​​thợ trong tổ. Ngược lại, kiến ​​thợ, là những con cái không sinh sản, chỉ sống được vài tháng. Tuy nhiên, nếu hoàn cảnh đòi hỏi, mối thợ của một số loài có thể trở thành ong chúa giả vì lợi ích của tổ — và gặt hái một sự kéo dài đáng kể trong tuổi thọ của chúng.

Điều gì chi phối phạm vi rộng lớn này trong tuổi thọ của kiến ​​vẫn chưa được hiểu rõ, nhưng hai nghiên cứu gần đây đã tiết lộ những chi tiết quan trọng về điều gì làm cho tuổi thọ của kiến ​​trở nên linh hoạt như vậy. In Khoa học, các nhà nghiên cứu tại Đại học New York đã chỉ ra rằng một số kiến ​​chúa sản sinh ra một loại protein ngăn chặn tác dụng lão hóa của insulin để chúng có thể tiêu thụ tất cả thức ăn bổ sung cần thiết cho quá trình đẻ trứng mà không bị rút ngắn tuổi thọ. Và trong một bản in trước được đăng gần đây trên máy chủ biorxiv.org, các nhà nghiên cứu ở Đức đã mô tả một loại ký sinh trùng giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của vật chủ là kiến ​​bằng cách tiết ra một hỗn hợp giàu chất chống oxy hóa và các hợp chất khác. Cả hai nghiên cứu đều bổ sung thêm bằng chứng rằng tuổi thọ quan sát được của các sinh vật ít liên quan đến những hạn chế do gen của chúng áp đặt.

“Hầu hết các nghiên cứu về lão hóa được thực hiện trên các sinh vật mẫu có tuổi thọ rất ngắn,” cho biết Laurent Keller, giáo sư sinh thái học và tiến hóa tại Đại học Lausanne ở Thụy Sĩ. Ông giải thích, côn trùng xã hội mang đến những cơ hội hấp dẫn để nghiên cứu tầm quan trọng của biểu hiện gen trong quá trình lão hóa vì ong chúa và ong thợ trong đàn thường có cùng bộ gen nhưng khác nhau về tuổi thọ theo một mức độ lớn. (Hai thập kỷ trước, Keller đã chỉ ra rằng kiến ​​chúa sống lâu hơn khoảng 100 lần so với loài côn trùng đơn độc tổ tiên mà kiến ​​đã tiến hóa từ đó.)

Và bởi vì những con ong thợ chỉ tồn tại trong thời gian ngắn, “bạn có thể cố gắng tìm ra cách làm cho chúng sống lâu hơn,” nói Arjuna Rajakumar, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ hiện đang nghiên cứu các hạn chế sinh sản đối với kiến ​​thợ tại Viện Whitehead thuộc Viện Công nghệ Massachusetts, gần đây đã hoàn thành công việc tốt nghiệp của mình tại Đại học McGill. Khả năng thú vị là các cơ chế trao đổi chất kéo dài tuổi thọ của côn trùng cũng có thể áp dụng cho các loài khác, bao gồm cả con người. Ông nói: “Chúng tôi muốn hiểu cách bạn làm cho một thứ gì đó tồn tại lâu hơn, chứ không phải [chỉ] tại sao một thứ nào đó lại tồn tại lâu như vậy.

Ăn nhiều hơn khi già đi ít hơn

Trong nhiều thập kỷ, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng insulin và hệ thống tín hiệu sinh hóa mà nó kích hoạt là yếu tố điều chỉnh chính của quá trình lão hóa. Insulin ảnh hưởng đến cách các tế bào cơ thể tiếp nhận và sử dụng đường glucose, vì vậy nó có ảnh hưởng cơ bản đến lượng năng lượng dành cho tế bào để phát triển, sinh sản và sửa chữa. Trong quá trình này, nó cũng điều chỉnh việc tạo ra các gốc tự do có khả năng gây hại và các phân tử oxy hóa khác là sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất. Nhiều nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng đây là lý do tại sao chế độ ăn kiêng hạn chế calo, giữ mức insulin thấp, dường như kéo dài tuổi thọ ở nhiều loài.

Hơn nữa, insulin dường như có thêm ý nghĩa đối với kiến. Vài năm trước, công việc do nhà sinh vật học tiến hóa dẫn đầu Daniel Kronauer tại Đại học Rockefeller cho thấy những thay đổi trong cách kiến ​​phản ứng với insulin dường như đã khuyến khích họ phát triển các xã hội thuộc địa vị tha với các nữ hoàng sinh sản và các công nhân không sinh sản.

Vì vậy, bốn năm trước, khi Vikram Chandra là một sinh viên tốt nghiệp tại Đại học Rockefeller đang nghiên cứu về sự khác biệt giữa kiến ​​chúa và kiến ​​thợ, nên anh ấy nghĩ đến insulin rất nhiều. Anh ấy và Ingrid Fetter-Pruneda, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm vào thời điểm đó, đã đồng lãnh đạo một nhóm xem xét biểu hiện gen ở bảy loài kiến ​​và kết luận rằng tín hiệu insulin xuất hiện trong não của kiến ​​chúa nhiều hơn ở kiến ​​thợ. Khi họ tiêm insulin cho kiến ​​thợ, nó sẽ kích hoạt buồng trứng không hoạt động của chúng và kích hoạt sự phát triển của trứng. Theo Kronauer, người giám sát nghiên cứu, những phát hiện này cho thấy tín hiệu insulin khiến kiến ​​trở nên sinh sản.

Khám phá đó đã đặt nền móng cho công việc mới được thực hiện như một phần của sự hợp tác lâu dài giữa các nhà sinh học Claude Desplan và Danny Reinberg tại Đại học New York. Họ chỉ ra rằng quá trình tiến hóa đã sắp xếp lại một số thành phần của con đường truyền tín hiệu insulin ở kiến ​​theo cách có thể giải thích tại sao kiến ​​chúa sống lâu hơn.

Desplan và Reinberg nghiên cứu loài kiến ​​nhảy Ấn Độ (muối Harpegnathos), mối chúa của chúng sống được khoảng năm năm và mối thợ chỉ sống được khoảng bảy tháng. Nhưng ở loài này, sự khác biệt về tuổi thọ không cố định. Nếu một nữ hoàng chết hoặc bị loại khỏi thuộc địa, những con ong thợ sẽ cảm nhận được sự thay đổi gần như ngay lập tức do mùi hương của nó biến mất. Một số người trong số họ sau đó trở thành “gamergates” (nữ hoàng giả) đấu tay đôi để giành quyền thống trị để chiếm lấy vị trí của cô ấy. Cuối cùng, một số ít những con giao tử chiến thắng - thường là từ ba đến năm con - cùng nhau đảm nhận vai trò đẻ trứng cho thuộc địa của ong chúa. Những công nhân khác sau đó "cảnh sát" bất kỳ gamer nào không cần thiết, buộc phải ngăn chặn chúng đẻ trứng.

Tuy nhiên, hành vi của gamergates không phải là điều duy nhất thay đổi: Chúng phát triển buồng trứng chức năng và có thể đẻ trứng — và tuổi thọ của chúng kéo dài đến ba hoặc bốn năm. Bởi vì giao tử không sinh sôi nảy nở như ong chúa, nên thường cần từ ba đến năm con trong số chúng để thay thế sản lượng trứng của ong chúa. Nếu một gamergate được đưa vào thuộc địa nơi nữ hoàng đang sống, gamergate sẽ trở thành công nhân và tuổi thọ của cô ấy sẽ ngắn lại.

Khi một công nhân trở thành một gamergate, quá trình trao đổi chất của cô ấy sẽ thay đổi. Cô ấy ăn nhiều hơn, và kết quả là nồng độ insulin của cô ấy tăng lên sẽ kích hoạt sự phát triển của buồng trứng. Cô ấy sử dụng thức ăn để tạo ra chất béo đóng gói trong trứng. Nhưng từ các nghiên cứu trước đây về insulin và lão hóa, các nhà nghiên cứu của NYU đã dự đoán rằng việc truyền tín hiệu insulin nhiều hơn sẽ dẫn đến tuổi thọ ngắn hơn chứ không phải dài hơn.

Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy câu trả lời ẩn trong các chi tiết về tín hiệu insulin. Khi insulin liên kết với thụ thể của nó trên bề mặt tế bào, nó sẽ tạo ra một loạt phản ứng bên trong tế bào, bao gồm hai con đường hóa học riêng biệt. Một con đường kích hoạt một loại enzyme gọi là MAP kinase và rất quan trọng đối với quá trình trao đổi chất và phát triển buồng trứng. Con đường khác ngăn chặn một yếu tố phiên mã dường như thúc đẩy tuổi thọ dài hơn. Trước sự ngạc nhiên của các nhà nghiên cứu, khi họ xem xét buồng trứng và cơ thể béo (gần tương đương với gan của động vật có vú) ở giao tử, họ phát hiện ra rằng con đường MAP kinase đang hoạt động nhưng con đường kia thì không.

Nghiên cứu tiếp theo cho thấy buồng trứng của cá thể giao tử biểu hiện mạnh mẽ một loại protein, Imp-L2, protein này bỏ qua con đường MAP kinase nhưng can thiệp vào con đường thứ hai trong cơ thể béo. Desplan cho biết: “Protein này dường như có chức năng bảo vệ một con đường cho phép trao đổi chất, nhưng lại ức chế con đường dẫn đến lão hóa.

Các nhà nghiên cứu khác chỉ ra rằng nghiên cứu mới không chứng minh chắc chắn rằng Imp-L2 ảnh hưởng đến tuổi thọ: Desplan và Reinberg đã không trực tiếp kiểm tra xem việc kích hoạt protein ở công nhân sẽ khiến họ sống lâu hơn hay việc ức chế nó ở giao tử sẽ khiến họ chết sớm hơn. Những thí nghiệm như vậy là một thách thức vì chúng có thể cần phải tiêm cho kiến ​​chất ức chế insulin trong nhiều tháng hoặc nhiều năm.

Tuy nhiên, đề xuất của Desplan và Reinberg rằng loài kiến ​​đang điều khiển các nhánh khác nhau của hệ thống truyền tín hiệu insulin là “một giả thuyết thực sự hợp lý và thú vị,” Chandra, hiện đang là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Harvard, cho biết. “Nếu nó kích thích thêm nhiều phòng thí nghiệm thử kiểm tra điều này, điều đó sẽ rất tuyệt.”

Vì việc thực hiện các thí nghiệm di truyền trên ruồi giấm dễ dàng hơn so với kiến, nên nhóm của Desplan hiện đang xem liệu họ có thể kéo dài tuổi thọ của ruồi giấm hay không. Drosophila ruồi giấm bằng cách kích hoạt biểu hiện Imp-L2 của chúng. Một ngày nào đó, Desplan cũng hy vọng sẽ thử thí nghiệm trên chuột. Ông nói: “Chúng tôi có rất nhiều công việc thú vị phải làm.

Ký sinh trùng kéo dài tuổi thọ

Trong một bước ngoặt kỳ lạ, tự nhiên dường như đã thực hiện phiên bản thí nghiệm tương tự của riêng mình ở một loài khác. Các nhà nghiên cứu ở Đức gần đây đã phát hiện ra rằng một loài sán dây ký sinh đã phát triển khả năng điều khiển độ dẻo cực cao của tuổi thọ của kiến ​​để mang lại lợi ích cho chính nó.

Sán dây phải dành một phần cuộc đời của nó bên trong những con kiến ​​​​quả trứng cá (Temnothorax nylanderi), chúng lấy tên từ những chiếc tổ mà chúng xây dựng bên trong những quả sồi riêng lẻ. Khi mối thợ ra ngoài kiếm ăn, đôi khi chúng ăn phải trứng sán dây và bị nhiễm bệnh. Nhưng để hoàn thành vòng đời của mình, sán dây cũng cần phải lây nhiễm cho một con chim gõ kiến, và nó có cơ hội đó khi chim gõ kiến ​​ăn trứng kiến.

Vài năm trước, Sara Beros, một sinh viên trong phòng thí nghiệm của Susanne Foitzik tại Đại học Johannes Gutenberg của Mainz ở Đức, đã mở một số tổ kiến ​​và phát hiện ra một điều kỳ lạ rằng trong khi tất cả những con kiến ​​thợ không bị nhiễm bệnh đều chết trong những tháng quan sát, thì những con bị nhiễm bệnh thì không. (Những con kiến ​​bị ký sinh rất dễ xác định vì màu của chúng chuyển từ nâu sang vàng.) Khi Beros nói với Foitzik về điều đó, Foitzik nhớ lại đã nghĩ: “Điều đó là không thể. Tất cả mọi thứ chết." Nhưng Beros khăng khăng, "và vì vậy chúng tôi đã xem xét kỹ lưỡng."

Trong công trình được trình bày vào mùa hè năm ngoái tại một cuộc họp của Liên minh Quốc tế về Nghiên cứu Côn trùng Xã hội và được đăng ngay trước Giáng sinh trên máy chủ in sẵn biorxiv.org, nhóm của Foitzik đã chỉ ra rằng trong giai đoạn ấu trùng của sán dây trong kiến, nó bơm protein vào chất tương đương với máu của kiến ​​(tan huyết) giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của kiến ​​thợ. Không giống như kiến ​​nhảy Ấn Độ, kiến ​​acorn thường không phát triển thành giao tử, vì vậy việc kéo dài cuộc sống của ký sinh trùng là không có tiền lệ tự nhiên.

“Hiệu quả là rất mạnh,” Kronauer nói. Trong cuộc thử nghiệm kéo dài XNUMX năm, những con ong thợ bị nhiễm bệnh sống lâu gấp XNUMX lần những con không bị nhiễm bệnh và cho thấy tỷ lệ tử vong thấp như những con ong chúa. Ông nói: “Sự thao túng của ký sinh trùng đã kéo dài tuổi thọ của mối thợ đến mức “về cơ bản bạn không thể phân biệt được nó với mối chúa”.

Foitzik cho biết: Mặc dù kiến ​​thợ bị nhiễm bệnh không sinh sản nhưng chúng trở nên giống kiến ​​chúa hơn ở một số khía cạnh. Foitzik cho biết: Chúng làm việc ít hơn và nhận được sự chăm sóc chu đáo hơn từ những kiến ​​thợ không bị nhiễm bệnh trong đàn. Nếu ong chúa bị tách khỏi tổ, chúng cũng là những con ong thợ đầu tiên phát triển buồng trứng.

Foitzik và nhóm của cô đã phát hiện ra rằng ấu trùng sán dây sản xuất và tiết ra hơn 250 protein vào tan máu của những con kiến ​​bị nhiễm bệnh — đủ để chiếm khoảng 7% tổng số protein lưu hành. Hầu hết các protein chưa được mô tả đặc điểm, nhưng hai trong số chúng có thể được xác định là chất chống oxy hóa. “Vì vậy, có vẻ như [sán dây] đang giải phóng chất chống oxy hóa vào con kiến, và điều này có thể làm tăng tuổi thọ,” cô nói.

Khi Foitzik và nhóm của cô đo lường những thay đổi trong biểu hiện gen ở những con kiến ​​bị ký sinh, họ phát hiện ra rằng những con kiến ​​bị nhiễm bệnh cũng tạo ra nhiều chất chống oxy hóa hơn. Hơn nữa, ong chúa và ong thợ bị nhiễm bệnh biểu hiện nhiều hơn một gen gọi là bạc, nhưng những công nhân không bị nhiễm bệnh thì không. Các nhà nghiên cứu trước đây đã liên kết các bạc gen kéo dài tuổi thọ ở ruồi giấm.

Mặc dù rõ ràng là một loạt các thay đổi về phát triển và trao đổi chất xảy ra khi ong thợ trở nên giống nữ hoàng hơn, nhưng rất khó để phân biệt xem thay đổi nào là quan trọng nhất để kéo dài tuổi thọ. Insulin và chất chống oxy hóa rất quan trọng, nhưng Keller cho rằng nhiều yếu tố khác cũng có thể đóng một vai trò nào đó. “Vì vậy, tôi nghĩ rằng sẽ không có một con đường duy nhất nào có thể giải thích đơn giản sự khác biệt về tuổi thọ - có lẽ bạn cần phải thay đổi nhiều thứ,” anh ấy nói.

Keller cho rằng những phát hiện về ký sinh trùng rất hấp dẫn vì ký sinh trùng thường rút ngắn hơn là kéo dài tuổi thọ. Nhưng trong trường hợp này, việc kéo dài tuổi thọ của kiến ​​dường như cũng thích nghi với ký sinh trùng: Sán dây cần tồn tại trong con kiến ​​bị nhiễm bệnh đủ lâu để chim gõ kiến ​​tìm thấy quả trứng cá và ăn nó. Nếu công nhân chết trước đó, sán dây sẽ chết theo. Bằng cách kéo dài tuổi thọ của kiến ​​thợ thêm nhiều năm, sán dây cải thiện khả năng một con chim gõ kiến ​​cuối cùng sẽ xuất hiện. Sự phong phú của chất chống oxy hóa trong tan máu cũng có thể giúp ấu trùng sán dây sống lâu như vật chủ của chúng.

“Ở đây ký sinh trùng đang khai thác một vật chủ xã hội,” Foitzik giải thích. Sẽ không có ý nghĩa gì khi ký sinh ở các động vật không xương sống đơn độc vì chúng không bao giờ sống lâu như vậy. “Nhưng ở một loài côn trùng xã hội, nơi những con ong chúa đã sống trong tổ an toàn trong 20 năm, bạn có thể chơi trò lừa bịp đó.”

Chỉnh sửa: ngày 10 tháng 2023 năm XNUMX
Phiên bản trước của bài viết này đã bỏ qua việc đề cập đến những đóng góp của Fetter-Pruneda trong nghiên cứu với Chandra về sự khác biệt trong biểu hiện gen giữa các loài kiến.