《Science》蚂蚁生殖可以延长寿命的分子机制

              Science：胰岛素信号途径在蚂蚁繁殖力增加的同时可以延长寿命

为什么蚁后多子多孙还长寿？最新研究揭示让蚂蚁延寿5倍的奥秘

在大多数动物世界中，都有一个“可悲”的权衡取舍：生下的后代越多，寿命就越短。然而，蚂蚁却挑战了这个规则。蚁后——蚁巢中唯一能繁殖的个体——的寿命比基因相同的工蚁长 5 倍、10 倍甚至 30 倍。他们是如何做到其他动物无法完成的事情的呢？这背后又存在着怎样的调控机制？
近日，纽约大学医学院的 Danny Reinberg 领导的团队在 《Science》 发表了一篇题为 《Insulin signaling in the long-lived reproductive caste of ants》 的论文。该研究中发现：蚁后通过产生一种抗胰岛素蛋白，仅阻断导致衰老的部分胰岛素途径，减缓衰老过程，而同时又可以保持高的繁殖代谢。

工蚁转变成蚁后之后，寿命延长
在一种叫做 Harpegnathos saltator 的蚂蚁中，蚁后通常能活 5 年，而工蚁的平均寿命是 7 个月。当蚁群中的蚁后死亡或是被移走后，工蚁就会开始相互决斗并选出获胜者成为新的蚁后。变成蚁后之后，它会开始产卵，并且寿命延长五倍。当蚁后被放置在已经有蚁后的群落中时，蚁后也可以恢复为工蚁，停止产卵，寿命也会相应缩短到 7 个月。

新晋蚁后大脑中的胰岛素表达增加
研究人员试图了解为什么蚂蚁在繁殖力增加的同时可以延长寿命。
他们对来自工蚁、从工蚁转变而来的蚁后和从蚁后恢复为工蚁的蚂蚁的大脑、卵巢和脂肪体（这些组织对繁殖和新陈代谢十分重要）进行了批量 RNA 测序。测序结果发现，在工蚁大脑中高度表达编码神经肽 Corazonin（Crz）的基因，新晋蚁后的脂肪体中卵黄蛋白原（Vg）基因表达增加，并确定了在工蚁和新晋蚁后之间差异表达的基因——与胰岛素（Ins）/胰岛素样生长因子（IGF）信号通路相关的基因。
在新晋蚁后的大脑中，胰岛素 mRNA 更加丰富，卵巢中的 IGF mRNA 和蛋白质增加，以产生卵子，这与产卵的高代谢需求一致。

胰岛素抑制蛋白 Imp-L2 阻断 AKT 的信号传导
然而，胰岛素通路的激活，往往会导致寿命的缩短。包括人类在内的哺乳动物是否可以从部分阻断胰岛素途径中受益仍然是一个悬而未决的问题。卡路里限制会降低胰岛素的产生，可以延长哺乳动物的寿命，但会损害繁殖，但蚁后的寿命却要比工蚁长得多。研究人员猜测，这背后一定有什么东西可以分别调节繁殖和寿命。
胰岛素信号通路中，有两个主要分支——AKT 和 MAPK。然而，研究人员观察到，在新晋蚁后的脂肪体和卵巢中，是 MAPK 而不是 AKT 具有活性。他们后续发现，新蚁后体内增加的胰岛素会诱导卵巢发育，然后开始产生一种称为 Imp-L2 的胰岛素抑制蛋白，Imp-L2 有助于降低脂肪体和卵巢中的 AKT 磷酸化，阻断 AKT 的信号传导，从而延长蚂蚁的寿命。因为 AKT 通路控制衰老，其活性增加会导致寿命的缩短。而胰岛素信号通路的另一个主要分支 MAPK，不受 Imp-L2 的影响。

在大多数生物体中, 繁殖和寿命之间存在权衡，这主要是因为生育许多后代的动物经常以牺牲自己的寿命为代价，分配重要的营养和代谢资源进行繁殖。本研究揭示了工蚁在转变为蚁后之后，生殖力增加的同时，寿命得以延长的机制。
蚁后体中高水平的胰岛素有助于 MAPK 的激活，并促进了卵巢成熟。同时，蚁后卵巢中产生一种胰岛素抑制蛋白 Imp-L2，有助于降低脂肪体和卵巢中的 AKT 磷酸化，阻断 AKT 的信号传导，从而延长蚂蚁的寿命。
Danny Reinberg： “胰岛素信号通路的两个主要分支似乎可以差异地调节生育能力和寿命, 一个信号传导帮助生殖增加，另一个分支的信号传导减少以延长寿命”。
在大多数动物中，如小鼠或果蝇中的寿命延长幅度大约在 10%～20%，但在蚂蚁中，他们的寿命延长了 500%，该研究中发现的调控机制也将为其他物种的抗衰老研究提供重要线索。

Long live the queen

A trade-off between reproduction and lifespan occurs across most living organisms. An exception is insects such as ants, in which reproductive activity is limited to one or a few “queens” that live much longer than nonreproductive “ workers. ” Studying a pseudo-queen state of the ant Harpegnathos saltator, Yan et al. found that the insulin and insulin-like growth factor signaling pathway was activated to promote reproduction, which also shortened life span. The authors propose that one branch of this pathway, mediated by the protein kinase Akt, is suppressed in the fat body and some ovarian tissues. Increased production of a protein that binds insulin-like molecules in the hemolymph might account for the difference that allowed the longer life span of the pseudo-queen. —LBR

Abstract

In most organisms, reproduction is correlated with shorter life span. However, the reproductive queen in eusocial insects exhibits a much longer life span than that of workers. In Harpegnathos ants, when the queen dies, workers can undergo an adult caste switch to reproductive pseudo-queens (gamergates), exhibiting a five-times prolonged life span. To explore the relation between reproduction and longevity, we compared gene expression during caste switching. Insulin expression is increased in the gamergate brain that correlates with increased lipid synthesis and production of vitellogenin in the fat body, both transported to the egg. This results from activation of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) branch of the insulin signaling pathway. By contrast, the production in the gamergate developing ovary of anti-insulin Imp-L2 leads to decreased signaling of the AKT/forkhead box O (FOXO) branch in the fat body, which is consistent with their extended longevity.