女王アリは、遺伝的に同一の働きアリよりもはるかに長生きします。研究者らは、その長寿の秘密が他の種の老化にどのような意味をもたらすかを研究している。
はじめに
多くの子孫を残す動物は短命になる傾向があり、繁殖力の低い種は長生きする傾向があります。ゴキブリは1年未満の寿命で数百個の卵を産みます。マウスは、生涯の 1 ～ 2 年の間に数十匹の子供を産みます。ザトウクジラは 2 ～ 3 年に 1 頭だけ子供を産み、数十年生きます。この経験則は、栄養資源を迅速な繁殖に、または長期的な利点を得るためにより丈夫に成長させることに振り向ける進化戦略を反映しているようです。
しかし、女王アリはすべてを手に入れることができます。一部のアリの種では、女王アリが巣の中で働き手となる数千個の卵を産みながら 30 年以上生きます。対照的に、繁殖をしないメスの働きアリの寿命はわずか数か月です。しかし、状況が必要に応じて、一部の種の働きバチは巣の利益のために擬似女王となり、寿命を大幅に伸ばすことができます。
アリの寿命のこの巨大な範囲を支配しているものはほとんどわかっていませんが、最近の 2 つの研究により、何がアリの寿命をこれほど柔軟にしているのかについての重要な詳細が明らかになりました。 科学において ニューヨーク大学の研究者らは、一部の女王アリがインスリンの老化効果を抑制するタンパク質を生成し、寿命を縮めることなく産卵に必要な追加の食物をすべて摂取できることを示した。そして最近biorxiv.orgサーバーに投稿されたプレプリントの中で、ドイツの研究者らは、抗酸化物質と他の化合物の豊富なカクテルを分泌することによって、宿主であるアリの寿命を大幅に延ばす寄生虫について説明した。どちらの研究も、観察された生物の寿命は、遺伝子によって課せられた制限とはほとんど関係がないという証拠をさらに裏付けています。
スイスのローザンヌ大学で生態学と進化を専門とするローラン・ケラー教授は、「老化に関する研究のほとんどは、寿命が非常に短いモデル生物を対象に行われている」と述べた。同氏は、社会性昆虫は、コロニー内の女王蜂と働き虫が同じゲノムを持っていることが多いものの、寿命が桁違いに異なるため、老化における遺伝子発現の重要性を研究する興味深い機会を提供すると説明した。 (20 年前、ケラーは、アリの女王アリが、アリが進化した祖先の単独昆虫の約 100 倍長生きすることを示しました。)
そして、働きアリは短命なので、「どうやって長生きさせるかを考えればいいのです」と、現在マサチューセッツ工科大学ホワイトヘッド研究所で働きアリの生殖制限を研究している博士研究員アルジュナ・ラジャクマール氏は言う。最近マギル大学で大学院研究を終えたばかりだ。興味深い可能性は、昆虫の寿命を延ばす代謝メカニズムが人間を含む他の種にも当てはまる可能性があることです。 「私たちは、なぜ何かがこれほど長生きするのかではなく、どのようにして何かが長生きするのかを理解したいのです」と彼は言いました。
食べる量を増やして老化を抑える
数十年にわたり、インスリンとそれが活性化する生化学的シグナル伝達システムが老化の主要な調節因子であることが研究で指摘されてきました。インスリンは、体の細胞が糖グルコースを取り込んで使用する方法に影響を与えるため、細胞が成長、再生、修復に利用できるエネルギー量に根本的な影響を与えます。その過程で、代謝の副産物である潜在的に有害なフリーラジカルやその他の酸化分子の生成も制御します。多くの研究者は、これが、インスリンレベルを低く保つカロリー制限食が多くの種の寿命を延ばすように見える理由であると疑っています。
さらに、インスリンはアリにとって重要性を加えたようです。数年前、ロックフェラー大学の進化生物学者ダニエル・クロナウアーが主導した研究では、アリのインスリンに対する反応の変化が、アリを生殖女王と非生殖働きアリによる利他的な植民地社会の進化へと誘導したようであることを示した。
そのため、4 年前、ヴィクラム チャンドラ氏がロックフェラー大学の大学院生で、アリの女王アリと働きアリの違いを研究していたとき、インスリンのことが彼の頭の中にありました。彼と、当時研究室の博士研究員だったイングリッド・フェッター・プルネダ氏は、7種のアリの遺伝子発現を調べたチームを共同で率い、働きアリよりも女王アリの脳でより多くのインスリンシグナル伝達が発生していると結論づけた。働きアリにインスリンを注射すると、休眠中の卵巣が活性化され、卵の発育が引き起こされた。研究を監督したクロナウアー氏によると、これらの発見は、インスリンシグナル伝達がアリの生殖能力を引き起こしたことを示したという。
この発見は、ニューヨーク大学の生物学者クロード・デプランとダニー・ラインバーグの長期にわたる共同研究の一環として行われた新しい研究の基礎を築きました。彼らは、進化によってアリのインスリンシグナル伝達経路の一部の構成要素が再配線され、女王アリが長生きする理由を説明できる可能性があることを示しました。
デスプランとラインバーグはインドのハエトリアリ (Harpegnathos Salator) を研究しました。 ）、女王蜂の寿命は約5年ですが、働き蜂の寿命はわずか約7か月です。しかし、この種の場合、この寿命の違いは固定されたものではありません。女王バチが死ぬかコロニーから連れ去られると、働きバチは女王蜂の匂いが消えるとほぼ即座に変化を感知します。その後、彼らの一部は「ゲーマーゲート」（疑似女王）となり、彼女に代わる支配を求めて決闘します。最終的には、少数の勝利したゲーマーゲート (通常は 3 ～ 5 個) が共同でコロニーの産卵者として女王の役割を引き継ぎます。その後、他の労働者が余分なゲーマーゲートを「取り締まり」、卵を産むのを強制的に抑制します。
しかし、変化するのはゲーマーゲイトの行動だけではありません。ゲーマーゲイトは機能的な卵巣を発達させ、卵を産むことができ、寿命は 3 ～ 4 年に延びます。ゲーマーゲートは女王ほど多産ではないため、女王が産んだ卵を置き換えるには通常 3 ～ 5 個のゲーマーゲートが必要です。女王が住んでいるコロニーにゲーマーゲートが持ち込まれると、ゲーマーゲートは働き者に戻り、寿命が短くなります。
労働者がゲーマーゲートになると、代謝が変化します。彼女は食べる量が増え、その結果インスリンレベルが上昇し、卵巣の発達が引き起こされます。彼女はその食物を使って脂質を作り、卵に詰めます。しかし、インスリンと老化に関するこれまでの研究から、ニューヨーク大学の研究者らは、インスリンシグナル伝達の増加は寿命の延長ではなく、寿命の短縮に関係すると予想していました。
研究者らは、インスリンシグナル伝達の詳細にその答えが隠されていることを発見しました。インスリンが細胞表面の受容体に結合すると、細胞内で 2 つの異なる化学経路を含む一連の反応が開始されます。 1 つの経路は MAP キナーゼと呼ばれる酵素を活性化し、代謝と卵巣の発達に重要です。もう 1 つの経路は、寿命の延長を促進すると思われる転写因子を抑制します。研究者たちが驚いたことに、ゲーマーゲートの卵巣と脂肪体（哺乳類の肝臓にほぼ相当）を観察したところ、MAP キナーゼ経路は活性化しているが、他の経路は活性化していないことがわかりました。
さらなる研究により、ゲーマーゲートの卵巣は、MAPキナーゼ経路を無視するが脂肪体の2番目の経路を妨害するタンパク質Imp-L2を強力に発現していることが示された。 「このタンパク質は、代謝を可能にする 1 つの経路を保護し、老化につながる経路を阻害する機能があるようです」とデスプラン氏は述べています。
他の研究者らは、この新しい研究はImp-L2が寿命に影響を与えることを決定的に示していないことを指摘している。デスプランとラインバーグは、働きバチのタンパク質を活性化すると長生きするのか、それともゲーマーゲートでそれを阻害すると早く死ぬのかを直接検証しなかった。このような実験は、数か月または数年にわたってアリにインスリン阻害剤を注射する必要がある可能性があるため、困難です。
メリル・シャーマン/クアンタ・マガジン
それにもかかわらず、アリがインスリンシグナル伝達システムのさまざまな部門を操作しているというデスプランとラインバーグの提案は、「非常にもっともらしい、興味深い仮説だ」と、現在ハーバード大学で博士研究員を務めるチャンドラは述べた。 「これにより、より多くの研究機関がこれをテストするようになるのであれば、それは非常に素晴らしいことです。」
ショウジョウバエの遺伝子実験はアリよりも簡単であるため、デスプランのチームは現在ショウジョウバエの寿命を延ばすことができるかどうか検討中です。 Imp-L2 の発現を活性化することによりショウジョウバエを増殖させます。デスプラン氏は、いつかこの実験をマウスでも試してみたいと考えている。 「私たちにはやるべきエキサイティングな仕事がたくさんあります」と彼は言いました。
寿命を延ばす寄生虫
奇妙なことに、自然界はすでに別の種で同様の実験の独自バージョンを実行しているようです。ドイツの研究者らは最近、寄生条虫がアリの寿命の極端な可塑性を自らの有利になるように操作する能力を進化させたことを発見しました。
サナダムシは一生の一部をドングリアリ (Temnothorax nylanderi) の中で過ごさなければなりません。 ）、その名前は、個々のドングリの中に巣を作ることに由来しています。働きアリが採餌に出かけるときにサナダムシの卵を食べて感染することがあります。しかし、サナダムシがそのライフサイクルを完了するには、キツツキにも感染する必要があり、キツツキがアリの住処であるドングリを食べるときにその機会が得られます。
数年前、ドイツのマインツ・ヨハネス・グーテンベルク大学のスザンネ・フォイツィク研究室の学生サラ・ベロスは、ドングリアリの巣をいくつか開け、感染していない働きアリは数ヶ月の観察中に全員死亡したが、感染した働きアリは死ななかったという奇妙な発見をした。 （寄生されたアリは、色が茶色から黄色に変わるため、簡単に識別できます。）ベロスがフォイツィクにそのことを話したとき、フォツィクは「そんなことはありえない。すべてが死ぬ」と思ったことを思い出します。しかし、ベロスは「それで私たちはそれをきちんと調べました」と主張しました。
昨年の夏に国際社会昆虫研究連合の会議で発表され、クリスマス直前にbiorxiv.orgプレプリントサーバーに投稿された研究で、フォイツィク氏のチームは、アリのサナダムシの幼虫期に、サナダムシがアリの血液（血リンパ）に相当するタンパク質を送り出し、働きアリの寿命を劇的に伸ばすことを示した。インドのハエアリとは異なり、ドングリアリは通常、ゲーマーゲートに成長しないため、寄生虫の寿命の延長には自然な前例がありません。
「その効果は非常に強力です」とクロナウアー氏は語った。 3年間の実験中、感染した働きバチは感染していない働きバチに比べて5倍長生きし、死亡率は女王バチと同程度に低いことが示された。寄生虫の操作により、働きバチの寿命が「基本的に女王バチと区別できないほどに」延びた、と彼は述べた。
感染したドングリアリの働きアリは生殖能力を発揮しませんが、いくつかの点で女王アリのようになっているとフォイツィク氏は述べています。彼らは働く量が減り、コロニー内の感染していない働きアリからより細心の注意を払ってもらいます。女王バチが巣から取り出された場合、女王バチは卵巣を発達させる最初の働きバチでもあります。
フォイツィク氏と彼女のチームは、サナダムシの幼虫が感染したアリの体液中に 250 以上のタンパク質を産生し、分泌していることを発見しました。これは循環タンパク質全体の約 7% を占めるのに十分な量です。ほとんどのタンパク質は特性が解明されていませんが、そのうちの 2 つは抗酸化物質として特定されています。 「つまり、サナダムシがアリの中に抗酸化物質を放出しているようで、これにより寿命が延びる可能性があります。」
と彼女は言いました。フォイツィク氏らのチームが寄生したアリの遺伝子発現の変化を測定したところ、感染したアリがより多くの抗酸化物質を生成していることも判明した。さらに、女王蜂と感染した働きアリはシルバーと呼ばれる遺伝子をより多く発現していました。 しかし、感染していない労働者はそうではなかった。研究者は以前に銀と関連付けていました。 ショウジョウバエの寿命を延ばす遺伝子。
働きバチがより女王らしくなると、一連の発達と代謝の変化が起こることは明らかですが、どの変化が寿命を延ばすのに最も重要であるかを区別するのは困難です。インスリンと抗酸化物質は重要ですが、他の多くの要因も関与している可能性が高いとケラー氏は考えています。 「したがって、寿命の違いを単純に説明できる単一の経路は存在しないと思います。おそらく多くのことを変える必要があります。」と彼は言いました。
ケラー氏は、寄生虫は通常、寿命を延ばすのではなく短縮するため、寄生虫に関する発見は興味深いと考えている。しかし今回の場合、アリの寿命の延長は寄生虫にも適応しているようだ。条虫は、キツツキがドングリを見つけて食べるのに十分な期間、感染したアリの中に留まる必要がある。それまでにワーカーが死亡すると、サナダムシも一緒に死んでしまいます。サナダムシは働き者の寿命を何年も伸ばすことで、最終的にキツツキが現れる確率を高めます。血リンパ中の豊富な抗酸化物質も、条虫の幼虫が宿主と同じくらい長く生きるのに役立つ可能性があります。
「ここでは寄生虫が社会的宿主を搾取している」とフォイツィク氏は説明した。孤独な無脊椎動物はそれほど長く生きられないため、寄生することは意味がありません。 「しかし、女王蜂がすでに 20 年間安全な巣の中で暮らしている社会性昆虫では、そのようないたずらができるのです。」
訂正:2023 年 1 月 10 日
この記事の以前のバージョンでは、アリのカースト間の遺伝子発現の違いに関するチャンドラとの研究に対するフェッター・プルネダの貢献について言及することが無視されていました。
