- 发现蚂蚁由于社会隔离而氧化应激反应增加
- 服用抗氧化剂成功缓解了孤立环境中的行为异常并缩短了寿命
- 阐明对社交孤立压力的部分生理反应机制
利用社会性昆虫、蚂蚁，我们阐明了孤立环境导致寿命缩短的部分机制
*原论文中的数字被引用或修改。
国立先进产业科学技术研究所（以下简称“AIST”）生物过程研究部生物系统研究组 Hiko Furuto，首席研究员 Yukiyo Yutani，研究部专员，三菱田边制药美国公司主任 Makoto Tamura，洛桑大学生物医学系，生态学和进化系 Laurent Keller 利用蚂蚁这种社会性昆虫，教授们揭示了社会孤立环境导致个体行为异常和寿命缩短的部分机制。
许多生物，包括人类，生活在具有社会结构的群体中。虽然我们在日常生活中经历过与家人和朋友的社交互动影响我们的行为和生理状态，但这种现象的实际状态和机制仍然存在许多未知数。其原因在于，社会性物种数量有限，而且许多社会生物个体寿命较长，使得评估和干预实验变得困难。
因此，在本研究中，我们使用蚂蚁作为研究模型，蚂蚁是群居性昆虫，其社会结构复杂，个体寿命相对较短，约为一年，社会隔离环境较高氧化应激显示触发响应。此外，通过给药减轻隔离环境中的氧化应激，我们成功地减轻了隔离环境中蚂蚁的行为异常并缩短了寿命。这是一项重要的结果，将为未来研究了解其他物种的社会隔离应激反应以及缓解和解决与社会环境和健康相关的问题奠定基础。
这项研究结果将于 2023 年 9 月 27 日（日本时间）发布。自然通讯
生物体的健康和寿命很大程度上受到其社会环境的影响，包括与周围个体的交流。特别是，对人类和啮齿动物的研究表明，社会隔离会加速疾病进展，并且是缩短寿命的危险因素。人类在社会隔离环境中的寿命缩短可归因于多种外部因素，例如不良的饮食习惯和不良的就诊情况，从而延迟了疾病的发现，因此很难将这种现象简单地归因于“社会环境”。另一方面，有报道称，社会隔离缩短了包括蚂蚁在内的其他社会生物的寿命，这表明社会隔离可能是从昆虫到人类广泛观察到的一种常见生物现象。然而，关于社会隔离环境如何影响生物的健康和寿命，许多观点仍不清楚。
AIST 使用具有复杂社交技能的蚂蚁作为模型进行了这项研究，以阐明生物体的社交性、健康和寿命之间的关系。蚂蚁是可以在实验室中轻松且廉价地饲养的昆虫。特别是，工蚁是研究寿命控制和衰老的绝佳模型，因为它们的寿命很短，大约一年，并且可以在短时间内进行追踪。科托等人。据报道，在孤立的环境中工蚁的寿命会缩短，并伴有行为和消化异常（Koto et al, 2015）。以此为起点，AIST迄今为止阐明了工蚁对干燥环境的耐受机制（2019/3/6 AIST 新闻稿）以及社交性和肠道菌群之间的关系（Koto et al, 2020）。在这项研究中，我们根据迄今为止积累的研究成果，致力于阐明社会孤立缩短个体寿命的机制。
这项研究和开发是在日本医学研究开发机构的创新高级研究和开发支持项目“阐明整个生命过程中个体功能衰退的机制”（AMED-Prime，2018-2021）的支持下进行的。
蚂蚁生活在由生殖蚁后、雄性蚂蚁和非生殖工蚁组成的社会群体（群体）中。此外，蚂蚁表现出其他生物所共有的各种社会行为和压力反应，众所周知，工蚁在孤立的环境中寿命会缩短（参考：2023/9/6AIST 杂志“蚂蚁独处时会发生什么？蚂蚁的社交性研究”）。在这项研究中，木蚁 (弓背蚁) 使用个人识别条形码行为分析系统，我们比较了与一只工蚁一起饲养的工蚁（独居蚂蚁）和与同一个盒子中的10只蚂蚁一起饲养的工蚁（群蚁）的活动水平（图1A）。从在隔离环境中隔离的第一天开始，独居蚂蚁表现出行为变化，它们靠墙停留的时间更长，在巢穴中躲藏的时间更少（图1B）。研究还表明，与群体蚂蚁相比，独居蚂蚁移动的距离更长，速度更快（图 1C 和 D）。
图1 工蚁在隔离环境中的行为变化
(A) 行为分析期间繁殖箱的状态。将一只（孤立的）或 10 只（群体）蚂蚁放在一个小盒子里，盒子里有巢（蓝色）、水（红色）和食物（黄色）以供观察。计算在墙壁区域（绿色）花费的时间相对于在巢内花费的时间。
(B) 群体蚂蚁（深灰色）和孤独蚂蚁（浅灰色）在巢穴和墙壁附近度过的时间。
(C,D) 群体蚂蚁和孤立蚂蚁的移动速度和距离的比较。
p值(*)表示统计上显着差异的大小(*p<005, ＊＊＊p<0001)。
*原始论文中的数字被引用或修改。
因此，将工蚁置于隔离或群体环境中观察24小时后，从每只工蚁的全身中提取RNA，并使用下一代测序仪进行全面的基因表达分析。结果，我们在独居蚂蚁中鉴定出了 407 个表达增加的基因和 487 个表达减少的基因（图 2A）。为了研究表达水平发生变化的基因的功能，我们使用了这 894 个基因的列表。基因本体富集分析进行了（GO 富集分析）。结果，与群体蚂蚁相比，参与氧化应激反应的基因的表达发生了最显着的变化，这些基因在孤立的蚂蚁中具有氧化还原酶活性（图2B）。此外，针对独居蚂蚁靠近墙壁的时间增加、在巢内停留时间缩短的特征行为模式，我们计算了在墙壁上的时间与在巢内的时间的比率，并综合分析了与基因表达变化的相关性。结果发现，独居蚂蚁之间存在很强的相关性，其中在墙壁上的时间越长，与氧化应激反应相关的基因表达的变化越大。其中一个例子是，双氧化酶（Duox）（一种产生活性氧的酶）的表达水平在孤立的蚂蚁中显着高于群体蚂蚁（图2C），并且还揭示了一种相关性，即个体靠近墙壁的时间越长，Duox的表达水平就越高（图2D）。
图2 独居蚂蚁基因表达的变化
(A) 热图中显示了群体蚂蚁和孤立蚂蚁之间表达波动较大的 60 个基因的相对表达水平（Z 分数）。
(B) 在 GO 富集分析中显示高表达变化的基因类别。 q值表示多重校正后统计显着性差异的大小，-log10(q值)越大，差异显着性越大。
(C) 群蚁和独居蚁中的 Duox 表达水平。
(D) 显示了 Duox 表达水平与行为变化之间的相关性。白色圆圈表示群体蚂蚁，黑色圆圈表示孤立的蚂蚁。 p 值 (*) 表示统计显着性差异的大小 (****p<0001)。
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
在独居蚂蚁中，它与哺乳动物的肝脏和脂肪组织相当肥胖的身体和卵母细胞中产生了大量的活性氧并且检测到高氧化应激，但头部（包括大脑）或消化组织中产生的活性氧的量没有变化（图3A）。除了脂肪体和内细胞中活性氧的产生（图 3B 左）之外，这是氧化应激反应的一个指标脂质过氧化物（图3B中心）或坏死（图 3B 右）增加。
图3 独居蚂蚁的脂肪体和内细胞中氧化应激增加
(A) 群蚁和独居蚁各组织中过氧化氢的产生。
(B) 脂肪体和内细胞中活性氧（左）、脂质过氧化物（中）和坏死（右）的组织学染色图像以洋红色显示，细胞核以绿色显示。箭头表示脂肪体，箭头表示内细胞的细胞核。 p 值 (*) 表示统计显着性差异的大小 (****p<0001，ns 不具有统计显着性）。
*原始论文中的数字被引用或修改。
此外，脂肪体和内细胞中产生的活性氧数量与独居蚂蚁靠近墙壁的时间有显着相关性，但与移动距离或速度没有任何相关性（图4）。此外，在蚂蚁群体中，产生的活性氧数量与任何行为指标都没有显示出任何相关性（图4）。上述结果表明，独居蚂蚁中活性氧的产生并不是隔离环境中活动增加的结果，而是在独居蚂蚁中，表现出行为模式变化、在墙壁附近停留时间较长的个体，其脂肪体和内胞细胞具有更高的氧化应激反应。
图4 孤独蚂蚁行为变化与氧化应激之间的相关性
群体蚂蚁和孤立蚂蚁的脂肪体和内细胞中的活性氧产生量（荧光信号强度）与靠近墙壁的时间（左）、移动速度（中）和移动距离（右）的比例之间的相关性。孤立蚂蚁中的活性氧和壁停留时间比显示出显着的相关性，以红色显示。 p 值 (*) 表示统计显着性差异的大小 (*p<005)。
*原始论文中的数字被引用或修改。
已知可缓解昆虫氧化应激的药物 (抗氧化剂)褪黑激素对孤立的蚂蚁进行给药后，证实个体寿命的缩短得到缓解（图5A左）。另一方面，用褪黑素处理的蚂蚁组的寿命没有改变（图5，右）。此外，当使用其他抗氧化剂时，我们证实了与褪黑激素相同的效果，缓解了独居蚂蚁寿命的缩短，但对群居蚂蚁的寿命没有影响。当我们评估褪黑激素给药对独居蚂蚁氧化应激的影响时，我们证实独居蚂蚁脂肪体和内细胞中活性氧的产生减少（图5B）。此外，我们验证了对长时间靠近墙壁的孤立蚂蚁的特征行为模式的影响，发现接受褪黑激素处理的孤立蚂蚁靠近墙壁的时间比未接受褪黑激素处理的孤立蚂蚁减少，并恢复到与未处理的蚂蚁组相同的水平（图5C）。
图 5 由于施用抗氧化剂而导致离体蚂蚁的寿命、氧化应激和行为变化
(A) 由于服用褪黑激素，独居蚂蚁（左）和群蚁（右）的寿命发生变化。样本数和 p 值显示在括号中 (*p<005, ＊＊p<001，ns 不具有统计显着性）。
(B) 由于施用褪黑激素而导致离体蚂蚁各组织中氧化应激的变化。 p 值 (*) 表示统计显着性差异的大小 (****p<0001)。
(C) 服用褪黑激素导致独居和群居蚂蚁的行为变化。具有统计学显着性活性差异的实验组用不同的字母表示。
*原始论文中的数字被引用或修改。
在独居蚂蚁中，研究表明，脂肪体和内细胞中的氧化应激是导致社会孤立环境中工蚁寿命缩短和行为变化的一个因素。迄今为止，已有报道称，氧化应激与果蝇和啮齿动物的衰老、疾病和行为变化（例如睡眠不足）有关。然而，这是第一个研究结果证明，在高度社会化的蚂蚁中，在隔离环境中的脂肪体和内细胞等组织中检测到氧化应激，并且减轻氧化应激可以减轻隔离蚂蚁的行为异常并缩短寿命。此外，在生活在孤立环境中的啮齿动物中观察到氧化应激增加，这表明氧化应激可能是不同物种在孤立环境中行为和寿命变化的原因。这项研究的结果对于理解跨物种的社会孤立应激反应机制是重要的发现。
未来，我们将致力于阐明氧化应激反应与脂肪体和内细胞行为变化之间的关系。阐明导致物种间孤立环境压力的机制有望缓解社会环境压力并延长包括人类在内的其他生物体的寿命。
已出版的杂志：自然通讯
论文标题：社会隔离通过氧化应激缩短蚂蚁的寿命
作者：Akiko Koto、Makoto Tamura、Wong Pui Shan、Sachiyo Aburatani、Eyal Privman、Céline Stoffel、Alessandro Crespi、Sean Keane McKenzie、Christine La Mendola、Tomas Kay、Laurent Keller
DOI：101038/s41467-023-41140-w