여왕개미는 유전적으로 동일한 일개미보다 훨씬 오래 산다. 연구자들은 그들의 장수 비결이 다른 종의 노화에 어떤 의미를 가질 수 있는지 배우고 있습니다.
소개
많은 자손을 낳는 동물은 수명이 짧은 경향이 있는 반면, 번식력이 적은 종은 더 오래 사는 경향이 있습니다. 바퀴벌레는 1년도 안 되는 수명 동안 수백 개의 알을 낳습니다. 생쥐는 일생 동안 1~2년 동안 수십 명의 새끼를 낳습니다. 혹등고래는 2~3년에 한 마리만 낳고 수십 년 동안 산다. 경험상 법칙은 영양 자원을 빠르게 번식하거나 장기적인 이점을 위해 더욱 강력하게 키우는 진화 전략을 반영하는 것 같습니다.
하지만 여왕개미는 모든 것을 가질 수 있습니다. 일부 개미 종에서는 여왕개미가 둥지의 일꾼이 되는 수천 개의 알을 낳으면서 30년 이상을 산다. 이와 대조적으로, 번식을 하지 않는 암컷인 일개미는 몇 달밖에 살지 못합니다. 그러나 상황이 요구하는 경우 일부 종의 일개미는 둥지의 이익을 위해 가짜 여왕이 되어 수명을 크게 연장할 수 있습니다.
개미 수명의 이 거대한 범위를 지배하는 것이 무엇인지는 잘 알려져 있지 않지만, 최근 두 가지 연구에서는 무엇이 개미의 수명을 그토록 유연하게 만드는지에 대한 중요한 세부 사항을 밝혀냈습니다. 과학에서 뉴욕 대학의 연구자들은 일부 개미 여왕이 인슐린의 노화 효과를 억제하는 단백질을 생산하여 수명을 단축하지 않고도 알을 낳는 데 필요한 모든 추가 음식을 섭취할 수 있음을 보여주었습니다. 그리고 최근 biorxiv.org 서버에 게시된 사전 출판물에서 독일의 연구원들은 항산화제와 기타 화합물의 풍부한 혼합물을 분비하여 개미 숙주의 수명을 크게 연장시키는 기생충에 대해 설명했습니다. 두 연구 모두 유기체의 관찰된 수명이 유전자에 의해 부과된 한계와 거의 관련이 없다는 증거를 추가합니다.
“노화에 관한 대부분의 연구는 수명이 매우 짧은 유기체 모델을 대상으로 이루어졌습니다.”라고 스위스 로잔 대학의 생태학 및 진화학 교수인 로랑 켈러(Laurent Keller)는 말했습니다. 그는 사회성 곤충이 노화에 있어서 유전자 발현의 중요성을 연구할 수 있는 흥미로운 기회를 제공한다고 설명했습니다. 왜냐하면 군체의 여왕벌과 일개미는 종종 동일한 게놈을 가지고 있지만 수명이 엄청나게 다르기 때문입니다. (20년 전 켈러는 여왕개미가 진화한 개미의 조상 고독한 곤충보다 약 100배 더 오래 산다는 것을 보여주었습니다.)
그리고 일개미의 수명이 짧기 때문에 "좀 더 오래 살게 하는 방법을 알아내려고 노력할 수 있습니다"라고 MIT 산하 화이트헤드 연구소에서 일개미에 대한 생식 제약을 연구하고 있으며 최근 맥길 대학교에서 대학원 과정을 마친 아르주나 라자쿠마르(Arjuna Rajakumar)는 말했습니다. 흥미로운 가능성은 곤충의 수명을 연장하는 대사 메커니즘이 인간을 포함한 다른 종에도 적용될 수 있다는 것입니다. “우리는 무언가가 왜 그렇게 오래 지속되는지가 아니라, 어떻게 무언가를 더 오래 살게 만드는지 이해하고 싶습니다.”라고 그는 말했습니다.
노화를 줄이면서 더 많이 먹기
수십 년 동안 연구에서는 인슐린과 인슐린이 활성화하는 생화학적 신호 시스템이 노화의 핵심 조절자임을 지적해 왔습니다. 인슐린은 신체 세포가 당 포도당을 흡수하고 사용하는 방식에 영향을 미치므로 성장, 재생산 및 복구를 위해 세포가 사용할 수 있는 에너지 양에 근본적인 영향을 미칩니다. 그 과정에서 잠재적으로 유해한 자유 라디칼과 신진대사의 부산물인 기타 산화 분자의 생성도 조절합니다. 많은 연구자들은 이것이 바로 인슐린 수치를 낮게 유지하는 칼로리 제한 식단이 많은 종의 수명을 연장시키는 것으로 보이는 이유라고 의심합니다.
더욱이, 인슐린은 개미에게 더 큰 의미를 부여한 것 같습니다. 몇 년 전, 록펠러 대학교의 진화생물학자 다니엘 크로나우어(Daniel Kronauer)가 주도한 연구에서는 개미가 인슐린에 반응하는 방식의 변화가 개미를 유인하여 생식 능력이 있는 여왕과 비생식 일개미가 있는 이타적인 식민지 사회로 진화시킨 것으로 나타났습니다.
그래서 4년 전, 비크람 찬드라(Vikram Chandra)가 록펠러 대학에서 여왕개미와 일개미의 차이점을 연구하던 대학원생이었을 때 그의 마음속에는 인슐린이 매우 중요했습니다. 그와 당시 연구실의 박사후 연구원이었던 잉그리드 페터-프루네다(Ingrid Fetter-Pruneda)는 7개 개미 종의 유전자 발현을 조사한 팀을 공동으로 이끌었고 일개미보다 여왕개미의 뇌에서 더 많은 인슐린 신호가 발생한다는 결론을 내렸습니다. 일개미에게 인슐린을 주사하자 휴면 중인 난소가 활성화되어 알의 발달이 촉발되었습니다. 연구를 감독한 크로나우어(Kronauer)에 따르면, 이러한 발견은 인슐린 신호가 개미의 번식을 유발한다는 것을 보여주었습니다.
이 발견은 뉴욕대학교의 생물학자인 클로드 데스플란(Claude Desplan)과 대니 라인버그(Danny Reinberg) 간의 장기적인 협력의 일환으로 수행된 새로운 연구의 토대를 마련했습니다. 그들은 여왕개미가 더 오래 사는 이유를 설명할 수 있는 방식으로 개미의 인슐린 신호 전달 경로의 일부 구성 요소가 진화를 통해 재배치되었음을 보여주었습니다.
Desplan과 Reinberg는 인도 깡충개미(Harpegnathos saltator)를 연구했습니다. ), 여왕벌의 수명은 약 5년이고 일개미의 수명은 약 7개월에 불과합니다. 하지만 이 종에서는 수명의 차이가 고정되어 있지 않습니다. 여왕벌이 죽거나 군집에서 제거되면 일벌들은 여왕벌의 냄새가 사라지는 것을 거의 즉시 감지합니다. 그들 중 일부는 자신의 자리를 차지하기 위해 결투를 벌이는 "게이머게이트"(가짜 여왕)가 됩니다. 결국 소수의 승리한 게이머게이트(보통 3~5명)가 공동으로 식민지의 알을 낳는 여왕의 역할을 맡게 됩니다. 그런 다음 다른 직원들은 불필요한 게이머게이트를 "경찰"하여 알을 낳지 못하도록 강제로 제압합니다.
하지만 변화하는 것은 게이머게이트의 행동뿐만이 아닙니다. 기능성 난소가 발달하고 알을 낳을 수 있으며 수명이 3~4년으로 늘어납니다. 게이머게이트는 여왕만큼 다산적이지 않기 때문에 여왕이 낳은 알을 대체하는 데 보통 3~5개가 필요합니다. 여왕이 거주하는 식민지에 게이머 게이트가 도입되면 게이머 게이트는 일꾼으로 돌아가 수명이 단축됩니다.
작업자가 게이머게이트가 되면 신진대사가 변합니다. 그녀는 더 많이 먹으며 결과적으로 인슐린 수치가 상승하여 난소 발달이 촉발됩니다. 그녀는 음식을 사용하여 계란에 포장되는 지질을 만듭니다. 그러나 인슐린과 노화에 대한 이전 연구에서 NYU 연구자들은 더 큰 인슐린 신호가 수명을 연장하는 것이 아니라 더 짧은 수명과 연관될 것이라고 예상했습니다.
연구진은 인슐린 신호전달의 세부사항에서 답을 찾았습니다. 인슐린이 세포 표면의 수용체에 결합하면 두 가지 서로 다른 화학적 경로를 포함하여 세포 내부에서 일련의 반응이 시작됩니다. 한 경로는 MAP 키나아제라는 효소를 활성화하며 신진대사와 난소 발달에 중요합니다. 다른 경로는 수명 연장을 촉진하는 것으로 보이는 전사 인자를 억제합니다. 놀랍게도 연구자들은 게이머게이트의 난소와 지방체(포유류의 간과 거의 동일함)를 조사했을 때 MAP 키나아제 경로가 활성화되었지만 다른 경로는 그렇지 않은 것을 발견했습니다.
추가 연구에서는 게이머게이트의 난소가 MAP 키나아제 경로를 무시하지만 지방 체내의 두 번째 경로를 방해하는 단백질인 Imp-L2를 강력하게 발현한다는 사실이 밝혀졌습니다. “이 단백질은 신진대사를 허용하는 한 가지 경로를 보호하지만 노화로 이어지는 경로를 억제하는 기능을 갖고 있는 것으로 보입니다.”라고 Desplan은 말했습니다.
다른 연구자들은 새로운 연구가 Imp-L2가 수명에 영향을 미친다는 것을 확실하게 보여주지는 못한다고 지적합니다. Desplan과 Reinberg는 작업자의 단백질을 활성화하면 수명이 길어지는지, 아니면 게이머게이트에서 이를 억제하면 더 빨리 죽는지 여부를 직접 테스트하지 않았습니다. 이러한 실험은 개미에게 몇 달 또는 몇 년 동안 인슐린 억제제를 주입해야 할 수도 있기 때문에 어렵습니다.
메릴 셔먼/Quanta 매거진
그럼에도 불구하고 개미가 인슐린 신호 시스템의 다양한 가지를 조작하고 있다는 Desplan과 Reinberg의 제안은 "정말 그럴듯하고 흥미로운 가설"이라고 현재 Harvard University의 박사후 연구원인 Chandra는 말했습니다. "더 많은 실험실에서 이를 테스트하도록 자극한다면 매우 좋을 것입니다."
개미보다 초파리에 대한 유전 실험을 수행하는 것이 더 쉽기 때문에 Desplan 팀은 이제 초파리 의 수명을 연장할 수 있는지 알아보고 있습니다. 초파리는 Imp-L2의 발현을 활성화하여 초파리를 만듭니다. 언젠가 Desplan은 생쥐에서도 실험을 시도하기를 희망합니다. “우리에게는 해야 할 흥미로운 일이 많이 있습니다.”라고 그는 말했습니다.
수명을 연장시키는 기생충
이상하게도 자연은 이미 다른 종을 대상으로 유사한 실험을 진행한 것 같습니다. 최근 독일의 연구원들은 기생 촌충이 개미 수명의 극도의 가소성을 자신에게 유리하게 조작하는 능력을 진화시켰다는 사실을 발견했습니다.
촌충은 일생의 일부를 도토리개미(Temnothorax nylanderi) 안에서 보내야 합니다. ), 개별 도토리 안에 짓는 둥지에서 이름을 얻었습니다. 일꾼들이 채집하러 나갈 때 촌충의 알을 먹고 감염되는 경우도 있습니다. 그러나 수명주기를 완료하려면 촌충이 딱따구리를 감염시켜야 하며, 딱따구리가 개미의 집인 도토리를 먹을 때 그 기회를 얻습니다.
몇 년 전, 독일 마인츠 요하네스 구텐베르크 대학의 수잔 포이치크(Susanne Foitzik) 연구실 학생인 사라 베로스(Sara Beros)는 도토리 개미 둥지 몇 개를 열었고 감염되지 않은 개미는 모두 몇 달 동안 관찰하는 동안 사망했지만 감염된 개미는 그렇지 않았다는 이상한 발견을 했습니다. (기생된 개미는 색깔이 갈색에서 노란색으로 변하기 때문에 쉽게 식별할 수 있습니다.) Beros가 Foitzik에게 이에 대해 말했을 때 Foitzik은 "그건 불가능합니다. 모든 것이 죽습니다."라고 생각했다고 회상합니다. 하지만 베로스는 고집이 세서 “그래서 제대로 조사했다”고 했다.
지난 여름 국제사회곤충연구연맹(International Union for the Study of Social Insects) 회의에서 발표되고 크리스마스 직전에 biorxiv.org 사전 인쇄 서버에 게시된 연구에서 Foitzik 팀은 개미의 촌충 유충 단계에서 개미의 혈액에 해당하는 혈액(혈림프)으로 단백질을 펌핑하여 일개미의 수명을 극적으로 연장한다는 것을 보여주었습니다. 인디언 점핑개미와 달리 도토리개미는 일반적으로 게이머게이트로 발전하지 않으므로 기생충이 수명을 연장한 사례는 없습니다.
Kronauer는 “효과는 매우 강력합니다.”라고 말했습니다. 3년간의 실험 동안 감염된 일개미는 감염되지 않은 일개미보다 5배나 오래 살았고, 사망률은 여왕벌만큼 낮았습니다. 기생충의 조작으로 일벌의 수명이 너무 길어져서 “기본적으로 여왕벌과 구별할 수 없을 정도”라고 그는 말했습니다.
감염된 도토리개미 일개미는 생식 능력을 가지지는 못하지만 여러 면에서 더욱 여왕개미처럼 변한다고 Foitzik은 말했습니다. 그들은 일을 덜 하고 군집에 있는 감염되지 않은 일개미로부터 더 세심한 보살핌을 받습니다. 여왕벌이 둥지에서 제거되면 여왕벌은 난소가 발달하는 첫 번째 일벌이기도 합니다.
Foitzik과 그녀의 팀은 촌충 유충이 감염된 개미의 혈림프에 250개 이상의 단백질을 생산하고 분비한다는 사실을 발견했습니다. 이는 모든 순환 단백질의 약 7%를 구성하기에 충분한 양입니다. 대부분의 단백질은 특성이 규명되지 않았지만 그 중 두 개는 항산화제로 식별 가능합니다. “따라서 [촌충]이 개미에게 항산화제를 방출하는 것으로 보이며, 이로 인해 수명이 늘어날 수 있습니다.”라고 그녀는 말했습니다.
Foitzik과 그녀의 팀은 기생충에 감염된 개미의 유전자 발현 변화를 측정했을 때 감염된 개미가 더 많은 항산화제를 생성한다는 사실을 발견했습니다. 게다가 여왕벌과 감염된 일개미는 은이라는 유전자를 더 많이 발현하고 있었습니다. , 그러나 감염되지 않은 작업자는 그렇지 않았습니다. 연구원들은 이전에 은을 연결했습니다. 초파리의 수명을 연장하는 유전자.
일꾼들이 좀 더 여왕처럼 될 때 일련의 발달 및 대사 변화가 발생한다는 것은 분명하지만, 어떤 변화가 수명 연장에 가장 중요한지 구분하기는 어렵습니다. 인슐린과 항산화제도 중요하지만, 켈러는 다른 많은 요인들도 역할을 할 것이라고 생각합니다. "그러므로 수명의 차이를 단순히 설명할 수 있는 단일 경로는 없을 것이라고 생각합니다. 아마도 많은 것을 바꿔야 할 것입니다."라고 그는 말했습니다.
켈러는 기생충이 일반적으로 수명을 연장하기보다는 단축시키기 때문에 기생충에 대한 발견이 매우 흥미롭다고 생각합니다. 하지만 이 경우 개미의 수명 연장은 기생충에도 적응하는 것으로 보입니다. 딱따구리가 도토리를 찾아 먹을 수 있을 만큼 촌충은 감염된 개미 속에 오랫동안 남아 있어야 합니다. 작업자가 그 전에 죽으면 촌충도 함께 죽습니다. 촌충은 일개미의 수명을 수년 연장함으로써 결국 딱따구리가 나타날 확률을 높입니다. 혈림프에 풍부한 항산화물질은 촌충 유충이 숙주만큼 오래 생존하는 데 도움이 될 수도 있습니다.
"여기서 기생충은 사회적 숙주를 이용하고 있습니다"라고 Foitzik은 설명했습니다. 독립된 무척추동물을 기생시키는 것은 말이 되지 않습니다. 왜냐하면 그들은 결코 오래 살지 않기 때문입니다. “그러나 여왕벌이 이미 20년 동안 안전한 둥지에 살고 있는 사회성 곤충의 경우 그런 장난을 칠 수 있습니다.”
수정일:2023년 1월 10일
이 기사의 이전 버전에서는 개미 계층 간의 유전자 발현 차이에 대한 Chandra의 연구에 대한 Fetter-Pruneda의 기여를 언급하는 것을 무시했습니다.
