蜜蜂衰老与寿命调控研究进展

金梦杰, 曾志将

(江西农业大学蜜蜂研究所, 江西省蜜蜂生物学与饲养重点实验室, 南昌 330045)

近年来越来越多的研究致力于揭示衰老和长寿秘密。衰老是指随年龄增长而出现的生理功能衰退现象。从单细胞酵母到有智慧人类都存在衰老生命过程(Gardner and Mangel, 1997),这是由遗传和环境相互作用结果(Kenyon, 2005)。

蜜蜂是一种社会性昆虫,蜂王与工蜂同由受精卵发育而来,但在幼虫期由于食物营养和发育空间差异导致蜂王与工蜂在形态、生理和行为上出现显著差异,特别是蜂王自然寿命可达3～4年,而工蜂寿命只有1～2个月,其寿命相差数十倍(Page and Peng, 2001)。另外工蜂在繁殖和生产季节,寿命只有1个月左右,而在越冬季节寿命可达3～4个月。这种遗传背景相同蜂王和工蜂展现出寿命可塑性,为衰老与寿命调控研究提供一种理想模型(Reznicketal., 2004)。本文主要对衰老与寿命调控研究进展进行了综述,重点对蜜蜂衰老与寿命调控相关研究进行归纳总结,以期为衰老与寿命调控研究提供参考。

1 胰岛素信号通路(insulin signal pathway, IIS)

胰岛素信号通路是新陈代谢和摄食相关行为关键调节因子(Wuetal., 2005)。食物摄入或高水平营养储备会导致胰岛素或胰岛素样肽合成增强(Ikeyaetal., 2002),并抑制胰高血糖素或昆虫脂肪运动激素(adipokinetic hormone, AKH)合成(Kim and Rulifson, 2004)。

后生动物胰岛素信号通路在调节体型、生长和代谢方面起着重要作用(Tataretal., 2001; Wangetal., 2022)。IIS基因在哺育蜂和采集蜂大脑以及脂肪体中表达存在差异,并且影响工蜂行为发育和寿命(Coronaetal., 2007; Amentetal., 2008)。行为调节与寿命紧密相关,并且对于蜜蜂衰老和寿命非常重要(Neukirch, 1982),工蜂寿命与工蜂开始采集时日龄呈正相关 (Neukirch, 1982)。有研究表明:IIS中胰岛素受体底物(insulin receptor substrate, IRS)基因与工蜂采集决策行为有因果关系,敲除IRS基因会导致工蜂采集行为提前,寿命缩短(Ihleetal., 2019)。与哺育蜂相比,采集蜂生理和认知衰老速度更快(Amdametal., 2005),因此也解释了为什么工蜂延迟开始采集日龄,则寿命更长。

营养状况和行为之间似乎存在因果关系。当蜂群中缺乏食物时,会引发群内工蜂提前参加采集活动,加速工蜂衰老以及寿命缩短(Tothetal., 2005)。与低营养状态采集蜂相比,营养良好哺育蜂脂肪体中胰岛素样肽基因表达量增加(Amentetal., 2011)。在工蜂食物中补充氨基酸则会提高工蜂脂肪体中胰岛素样肽Ⅰ表达量(Nilsenetal., 2011)。工蜂能根据蜂群中分工需要,通过胰岛素信号通路加速、减慢或者逆转工蜂发育,进而影响工蜂寿命(Amentetal., 2008)。

2 氧化应激

氧化应激假说认为:衰老是氧化损伤积累结果,其中线粒体氧化损伤积累是衰老的主要直接原因(Miqueletal., 1980)。寿命由氧化损伤发生速率决定(Harman, 1956),当活性氧(reactive oxygen species, ROS)产生超过细胞抗氧化防御能力时,细胞氧化应激就会产生。ROS主要通过线粒体电子传递链、多不饱和脂肪酸氧化和一氧化氮生成而产生(Jangetal., 2009),可以损害脂质、蛋白质、碳水化合物和DNA,随之而来的是细胞器功能出现障碍以及细胞完整性和功能破坏,最终导致细胞衰老(Lapointeetal., 2009)。但也有研究表明:氧化应激促进了生物新陈代谢和生物体寿命延长(Ristow and Schmeisser, 2011),线粒体氧化应激与衰老无关(Jangetal., 2009)。线粒体新陈代谢增加,活性氧形成,诱导一种适应性反应,增强抗逆性,延长寿命(Ristow and Zarse, 2010)。Corona等(2005)对长寿有两种推论,一是长寿生物在线粒体中产生ROS速率较低;二是长寿生物通过更有效地清除ROS来减少氧化损伤。在昆虫和哺乳动物中,COX-I表达量降低是一个与衰老有关的普遍现象(Schwarzeetal., 1998; Navarroetal., 2002),与工蜂相比,蜂王胸部COX-I mRNA水平随年龄降低速度更慢(Coronaetal., 2005)。在线虫中,诱导CLK-1表达量减少会延长寿命(Felkaietal., 1999),CLK-1通过合成泛醌(辅酶Q)参与线粒体功能(Jonassenetal., 1998),辅酶Q水平降低会通过减少ROS生成来延长寿命(Jonassenetal., 1998)。与老年工蜂相比,老年蜂王CLK-1 mRNA水平一直较低(Coronaetal., 2005)。在老年蜂王滋养细胞和脂肪细胞中,线粒体能量利用维持在年轻状态(Hsu and Hu, 2014)。蜂王滋养细胞和脂肪细胞中氧化应激和抗氧化酶活性随着日龄增长而增加(Hsieh and Hsu, 2013),这说明蜂王长寿与氧化应激增加和应激防御机制增强有关,并不是通过增强ROS降解能力来实现的(Coronaetal., 2005)。

3 卵黄原蛋白(vitellogenin, Vg)与保幼激素

卵黄原蛋白在大多数昆虫脂肪体和卵巢中合成(Hagedorn and Kunkel, 1979),并被发育卵母细胞摄取(Raikhel and Dhadialla, 1992)。Vg具有很强抗氧化功能,有助于防止蜂王和工蜂衰老(Coronaetal., 2013)。Vg也是蜜蜂最重要锌(Zn)载体(Falchuk, 1998),血淋巴中锌含量与Vg水平密切相关。锌是一种催化离子、结构离子和调节离子,缺锌可诱导多种哺乳动物细胞系(包括神经和免疫细胞)氧化应激和凋亡(Mocchegianietal., 2000)。

有研究发现:参与调节群居昆虫繁殖基因网络具有调控蜂王和工蜂级型功能(Hunt and Amdam, 2005)。在蜂王中Vg是合成卵黄前体,而在工蜂中,它是合成蜂王浆蛋白前体(Amdametal., 2003),这说明:该蛋白质功能已经从母体对卵直接投资转变成为姐妹后代产生食物的助亲行为(Cardoso-Júnioretal., 2021),扩展了原有控制生殖基因功能(Amdametal., 2006)。给工蜂饲喂蜂王浆可以增加工蜂卵巢中Vg表达量,但与卵巢激活无关,这也表明在工蜂中Vg基因具有潜在非生殖功能(Cardoso-Júnioretal., 2021)。Vg承担了与生殖间接相关功能,而最显著的是调控蜜蜂行为发育(Nelsonetal., 2007)。哺育蜂食用富含氨基酸食物,增加了工蜂体内Vg含量,会抑制工蜂采集行为(Nelsonetal., 2007)。相比之下,年老的采集蜂主要靠碳水化合物为食,减少了脂肪和蛋白质的储存,并减少了血淋巴中Vg水平(Tothetal., 2005)。

“一次性体细胞理论”指出:群体水平选择促进采集蜂减少对躯体的投资(Amdam and Omholt, 2002)。以日龄为基础劳动分工是昆虫群体一种节能机制,营养储备耗尽工蜂将危险任务推迟到生命晚期(Jeanne, 1986)。在蜂群中,采集蜂身体维护减少和衰老加速是一种优化维护和再生产之间资源分配,因此某些躯体维持功能下调,可能在群体中是适应,但对单个个体来说,这样调节可能表现为某些躯体维持功能渐进性下调(Amdametal., 2004)。减少采集蜂体内Vg合成可能有助于节省群体蛋白质储存,因为这将防止当采集蜂在野外死亡时会失去Vg储存(Pintoetal., 2000; Amdam and Omholt, 2002)。卵巢较大工蜂可能会推迟采集,因为它们优先承担生殖角色(Makertetal., 2006),并在更长时间内保持较高体内Vg水平,延迟采集开始时间(Amdametal., 2007)。

Vg抑制保幼激素(juvenile hormone, JH)产生,JH是昆虫繁殖主要内分泌刺激因子,也是蜜蜂一个促衰老因子(Pintoetal., 2000),采集蜂血细胞负荷(血淋巴中功能免疫细胞总数)降低是由血淋巴锌滴度下降引起,原因是由于JH关闭卵黄蛋白原合成所致(Pintoetal., 2000)。衰老夏季工蜂JH滴度升高,而越冬工蜂JH滴度维持在较低水平。当越冬结束时,工蜂体内JH滴度上升到与30日龄夏季工蜂相似水平(Flurietal., 1982)。Vg与JH之间存在相互作用,高Vg和低JH水平与长寿有关(Flurietal., 1977; Cardoso-Júnioretal., 2018)。

4 端粒

端粒是位于真核细胞染色体末端的保护性DNA结构(Stindl and Stindl, 2010), 每个端粒由1个重复的非编码DNA序列和一些特殊蛋白质组成(Blackburnetal., 2006)。传统的DNA聚合酶不能完全复制染色体末端,导致DNA末端在每个复制周期中逐渐丢失(Shay and Wright, 2000)。端粒长度调节是真核生物细胞维持重要部分,端粒缩短可以导致各种缺陷,包括细胞分裂受损(Campisietal., 2001),而人类中一些早衰综合征与端粒缩短有关(Crabbeetal., 2007)。端粒酶是一种特殊逆转录酶,通过在端粒末端添加端粒DNA来延长端粒(Greider, 1996)。它由两个关键亚基组成,一个是负责DNA催化端粒酶逆转录酶(telomerase reverse transcriptase, TERT),另一个是作为端粒DNA合成模板端粒酶RNA组分(telomerase RNA component, TERC)。在正常情况下,端粒酶活性受到严格调控,并与细胞增殖和生物发育相关(Tanetal., 2012)。在脊椎动物中,端粒酶在胚胎时期高度活跃,但在后期发育过程中端粒酶活性逐渐下降(Wrightetal., 1996),并且在增殖不活跃体细胞中缺失或低活性(Congetal., 2002)。对澳大利亚彩龙蜥蜴研究表明,在交配季节,那些维持颜色鲜艳的个体端粒长度更短,这说明个体在繁殖功能上投入更多,端粒更短(Giraudeauetal., 2016)。但在蜜蜂中,端粒酶活性和端粒长度受发育及蜜蜂级型影响,蜂王端粒长度、端粒酶活性都明显高于工蜂的(Korandová and Frydrychová, 2016)。蜂王脂肪体中端粒酶活性比工蜂的高两倍(Sábová, 2017),与夏季工蜂相比,长寿越冬工蜂的端粒酶活性也更高(Koubováetal., 2021)。

5 线粒体损伤

线粒体是细胞能量代谢中心,可以通过三羧酸循环和氧化磷酸化产生ATP。线粒体蛋白质组大部分是由核基因组编码,只有电子传递链中13个亚基是由线粒体DNA编码。因此线粒体与细胞核之间交流对于协调线粒体氧化磷酸化复合物表达、翻译和组装至关重要(Isaacetal., 2018)。在衰老过程中,线粒体功能下降与线粒体氧化磷酸化活性下降、三羧酸循环相关代谢酶水平改变、线粒体DNA突变累积、活性氧产生增加、线粒体蛋白质内稳态失调都密切相关。线粒体功能失调可能会破坏线粒体与细胞核之间交流,导致与衰老相关基因表达变化(Sunetal., 2016)。与蜂王和哺育蜂相比,采集蜂完整线粒体减少了50%(Aamodt, 2009)。α-酮戊二酸是三羧酸循环中异柠檬酸脱氢酶1/2(isocitrate dehydrogenase 1/2, IDH1/2)通过氧化脱羧作用催化异柠檬酸产生中间代谢物(Zdzisińskaetal., 2017)。在衰老人类卵泡液中,α-酮戊二酸水平下降;而在小鼠中补充α-酮戊二酸可以维持卵巢功能(Zhangetal., 2021)。多项研究表明:补充α-酮戊二酸可以延长寿命(Chinetal., 2014; Suetal., 2019)。而在衰老过程中,线粒体功能和代谢水平逐渐下降,使得α-酮戊二酸明显下降(Parkhitkoetal., 2020)。

过表达H3K27去甲基化酶基因jmjd-1.2/PHF8和jmjd-3.1/JMJD3可以诱导线粒体基因表达并延长线虫寿命(Merkwirthetal., 2016)。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)及其还原形式NADH是与线粒体产能紧密相关重要代谢物(Fangetal., 2017)。对酵母、线虫和小鼠的研究表明,NAD+与衰老调控相关(Zhuetal., 2022)。与年轻蜂王相比,老年蜂王线粒体密度、线粒体膜电位(Δψm)、NAD+,NADH和三磷酸腺苷水平、NAD+/NADH比率、NADH脱氢酶1(ND1)和ATP合成酶相对表达量均无显著差异(Hsu and Lu, 2015),这说明老年蜂王线粒体功能仍维持在旺盛状态。

6 DNA甲基化

DNA甲基化广泛发生在细菌、植物、真菌和动物基因组中(Suzuki and Bird, 2008)。DNA甲基化在系统发育上广泛存在且起源古老,但基因组甲基化模式表现出相当大差异(Suzuki and Bird, 2008),比如脊椎动物基因组往往表现出较高DNA甲基化水平,而许多无脊椎动物基因组则为较低甲基化水平(Fieldetal., 2004; Suzuki and Bird, 2008)。一项对新生儿和百岁老人调查研究表明:DNA甲基化是衰老基因调控网络中一个重要因素(Heynetal., 2012)。衰老与基因组DNA低甲基化以及组织特异性基因启动子区高甲基化相关(Wilson and Jones, 1983; Xuetal., 2005; Gutmanetal., 2020)。在衰老过程中,一些肿瘤抑制、细胞周期凋亡、解毒、脂质代谢和管家基因调节也与基因启动子DNA甲基化改变有关(Burzynski, 2005; Wilkinsonetal., 2021)。在对幼龄和老年老鼠研究发现:与幼鼠相比,老年鼠结肠p16启动子发生超甲基化(Keyesetal., 2007),包括LOX,RUNX3和TIGI在内多个抑癌基因在正常衰老肝脏和胃上皮启动子区域出现异常甲基化(Soetal., 2006; Nishidaetal., 2008)。衰老过程中基因组DNA甲基化水平逐渐降低主要是由于DNA甲基转移酶1(DNA methyltransferase 1, Dnmtl1)活性逐渐降低而导致被动去甲基化,Dnmtl1维持异染色质DNA高甲基化状态(Fragaetal., 2007)。Dnmtl1活性降低可能导致有丝分裂期间甲基化模式复制减少(Vertinoetal., 1994)。过表达果蝇DNA甲基转移酶2(Dnmt2)可以延长果蝇的寿命(Linetal., 2005)。在小鼠研究中发现:增殖相关SNF2家族基因PASG被破坏的小鼠,总甲基胞嘧啶损失33%～43%,表现出细胞衰老、DNA甲基化改变以及寿命减少(Sunetal., 2004; Sun and Arceci, 2005)。西方蜜蜂Apismellifera体内拥有一套完整的DNA甲基化系统包含3种5-甲基胞嘧啶DNA转移酶基因,分别是Dnmtl,Dnmt2和Dnmt3(李茫等, 2019)。有研究表明:敲除Dnmt3影响了咽侧体(产生JH的腺体)大小,并诱导了蜂王表型(Kucharskietal., 2008),蜜蜂腹部Dnmt3转录水平与年龄呈正相关,在老年工蜂腹部中表达显著上调(Cardoso-Júnioretal., 2018)。另外发现用RG108(Dnmt抑制剂)处理时,工蜂寿命延长,并且Vg表达量也更高(Burzynski, 2005)。越来越多证据表明:端粒长度受邻近组蛋白修饰和端粒邻近亚端粒区域DNA甲基化调控(García-Caoetal., 2004),该亚端粒区域由重复(TTAGGG)n序列组成,缺乏Dnmt所需CpG二核苷酸(Gonzaloetal., 2006)。在衰老过程中,由于Dnmt活性下降,亚端粒区域发生低甲基化,导致端粒缩短(Gonzaloetal., 2006)。包括DNA甲基化和组蛋白修饰在内表观遗传机制在社会性昆虫可塑性调控中发挥重要作用(Simolaetal., 2013;Yanetal., 2015)。在木匠蚁中,组蛋白修饰调控工蚁行为发育和工蚁多态性(Simolaetal., 2013)。组蛋白乙酰化也与工蚁适应新日常节奏的能力有关(Libbrechtetal., 2020)。蜂王和工蜂幼虫表现出组蛋白乙酰化和甲基化模式的全基因组差异,这与蜜蜂级型发育相关(Wojciechowskietal., 2018)。

7 小结与展望

蜜蜂是一种理想的衰老与寿命调控研究的模式昆虫,不同级型(蜂王和工蜂)以及相同级型不同分工(哺育蜂和采集蜂)或不同阶段(生产季节工蜂和越冬工蜂等)表现出很强的衰老与寿命可塑性。衰老与寿命研究一直是生物学研究热点,胰岛素信号通路、氧化应激、卵黄原蛋白与保幼激素、端粒长度与端粒酶、线粒体损伤以及DNA甲基化是影响蜜蜂衰老的重要因素。除此之外,目前对蜜蜂衰老与寿命可塑性分子调控机制知之甚少,随着基因组学、宏基因组学、代谢组学、蛋白质组学等技术的快速发展,可以通过不同生物技术手段探索蜜蜂衰老与寿命可塑性的奥秘。另外利用蜜蜂衰老与寿命调控模型,也可用来评估农药对环境质量的影响。随着人口老龄化加剧和衰老相关疾病高发,“健康老龄化”引发了社会各界对生命科学和社会科学中一系列重要问题的密切关注。有关蜜蜂衰老与寿命调控的研究结果将对衰老生物学有重要参考价值。