Gerüche können unseren Darm auf die Abwehr von Infektionen vorbereiten

Viele Organismen reagieren auf den Geruch tödlicher Krankheitserreger, indem sie diese reflexartig meiden. Doch eine aktuelle Studie der University of California in Berkeley zeigt, dass auch der Fadenwurm C. elegans auf den Geruch pathogener Bakterien reagiert, indem er seine Darmzellen auf einen möglichen Angriff vorbereitet.

Wie beim Menschen sind auch die Eingeweide von Fadenwürmern ein häufiges Ziel krankheitserregender Bakterien. Der Fadenwurm reagiert, indem er eisenhaltige Organellen, sogenannte Mitochondrien, zerstört, die die Energie einer Zelle produzieren, um dieses lebenswichtige Element vor eisenraubenden Bakterien zu schützen. Eisen ist ein wichtiger Katalysator bei vielen enzymatischen Reaktionen in Zellen – insbesondere bei der Erzeugung des Energieträgers des Körpers, ATP (Adenosintriphosphat).

Das Vorhandensein dieser Schutzreaktion auf von Mikroben erzeugte Gerüche bei C. elegans lässt darauf schließen, dass die Darmzellen anderer Organismen, einschließlich Säugetieren, möglicherweise ebenfalls die Fähigkeit behalten, schützend auf den Geruch von Krankheitserregern zu reagieren, sagte der leitende Autor der Studie, Andrew Dillin, Professor für Molekular- und Zellbiologie an der UC Berkeley und Forscher am Howard Hughes Medical Institute (HHMI).

„Gibt es tatsächlich einen Geruch, der von Krankheitserregern ausgeht und den wir wahrnehmen und der uns hilft, eine Infektion zu bekämpfen?“, sagte er. „Wir haben versucht, dies bei Mäusen nachzuweisen. Wenn wir tatsächlich herausfinden können, dass Menschen einen Krankheitserreger riechen und sich daraufhin schützen, kann man sich in Zukunft so etwas wie ein vor Krankheitserregern schützendes Parfüm vorstellen.“

Bisher gibt es allerdings nur Hinweise auf diese Reaktion bei C. elegans. Dennoch ist der neue Befund eine Überraschung, wenn man bedenkt, dass der Fadenwurm einer der am gründlichsten im Labor untersuchten Organismen ist. Biologen haben jede Zelle des Organismus vom Embryo bis zum Tod gezählt und verfolgt.

„Das Neue ist, dass sich C. elegans auf einen Krankheitserreger vorbereitet, bevor es überhaupt auf diesen trifft“, sagte Julian Dishart, der kürzlich seinen Doktortitel an der UC Berkeley erhielt und Erstautor der Studie ist. „Es gibt auch Hinweise darauf, dass neben dieser mitochondrialen Reaktion wahrscheinlich noch viel mehr passiert, dass es allein durch das Riechen von Bakteriengerüchen eher zu einer allgemeinen Immunreaktion kommen könnte. Da der Geruchssinn bei Tieren hinsichtlich der Regulierung der Physiologie und des Stoffwechsels konserviert ist, halte ich es für durchaus möglich, dass der Geruchssinn bei Säugetieren eine ähnliche Wirkung hat wie bei C. elegans.“

Die Arbeit war veröffentlicht 21. Juni im Journal Wissenschaftliche Fortschritte.

Mitochondrien kommunizieren miteinander

Dillin ist ein Pionier in der Erforschung der Art und Weise, wie Stress im Nervensystem Schutzreaktionen in Zellen auslöst – insbesondere die Aktivierung einer Reihe von Genen, die im endoplasmatischen Retikulum gebildete Proteine ​​stabilisieren. Diese Aktivierung, die sogenannte Unfolded Protein Response (UPR), ist „wie ein Erste-Hilfe-Kasten für die Mitochondrien“, sagte er.

Mitochondrien sind nicht nur die Kraftwerke der Zelle, die Nährstoffe zur Energiegewinnung verbrennen, sondern spielen auch eine Schlüsselrolle bei der Signalgebung, dem Zelltod und dem Zellwachstum.

Dillin hat gezeigt, dass Fehler im UPR-Netzwerk zu Krankheiten und Alterung führen können und dass mitochondrialer Stress in einer Zelle an die Mitochondrien von Zellen im gesamten Körper weitergegeben wird.

Ein entscheidendes Puzzleteil fehlte jedoch. Wenn das Nervensystem Stress über ein Netzwerk von Neuronen an die Zellen übermitteln kann, die tagtäglich Proteine ​​aufbauen und verstoffwechseln, was in der Umgebung löst dann das Nervensystem aus?

„Unser Nervensystem hat sich so entwickelt, dass es Signale aus der Umgebung aufnimmt und Homöostase für den gesamten Organismus schafft“, sagte Dillin. „Julian hat tatsächlich herausgefunden, dass Geruchsneuronen Umweltsignale aufnehmen und welche Arten von Geruchsstoffen der Krankheitserreger diese Reaktion auslösen.“

Frühere Arbeiten in Dillins Labor zeigten die Bedeutung des Geruchssinns für den Stoffwechsel von Säugetieren. Er fand heraus, dass Mäuse, denen der Geruchssinn entzogen wurde, bei gleicher Nahrungsmenge weniger Gewicht zunahmen als normale Mäuse. Dillin und Dishart vermuten, dass der Geruch von Nahrung eine Schutzreaktion auslösen kann, ähnlich der Reaktion auf Krankheitserreger, um den Darm auf die schädlichen Auswirkungen der Aufnahme von Fremdstoffen und der Umwandlung dieser Nahrung in Energie vorzubereiten.

„Infektionen zu überleben war das Wichtigste, was wir evolutionär erreicht haben“, sagte Dillin. „Und das Riskanteste und Anstrengendste, was wir jeden Tag tun, ist Essen, denn in unserer Nahrung befinden sich Krankheitserreger.“

„Wenn man Nahrung zu sich nimmt, ist das auch unglaublich stressig, weil der Körper die Nahrung verstoffwechselt, aber auch ATP in den Mitochondrien aus den Nährstoffen erzeugt, die sie aufnehmen. Und diese ATP-Erzeugung verursacht ein Nebenprodukt namens reaktive Sauerstoffspezies, das für Zellen sehr schädlich ist“, sagte Dishart. „Zellen müssen mit dieser erhöhten Präsenz reaktiver Sauerstoffspezies umgehen. Vielleicht kann uns das Riechen von Nahrung also darauf vorbereiten, mit dieser erhöhten Belastung durch reaktive Sauerstoffspezies umzugehen.“

Dillin spekuliert weiter, dass die Empfindlichkeit der Mitochondrien gegenüber dem Geruch pathogener Bakterien ein Überbleibsel aus einer Zeit sein könnte, als Mitochondrien frei lebende Bakterien waren, bevor sie vor etwa 2 Milliarden Jahren als Kraftwerke in andere Zellen eingebaut wurden und sich zu Eukaryoten entwickelten. Eukaryoten entwickelten sich schließlich zu mehrzelligen Organismen mit differenzierten Organen – sogenannten Metazoen, wie Tiere und Menschen.

„Es gibt viele Hinweise darauf, dass Bakterien ihre Umgebung auf irgendeine Weise wahrnehmen, obwohl nicht immer klar ist, wie sie das tun. Diese Mitochondrien haben einen Aspekt davon beibehalten, nachdem sie in Metazoen aufgegangen sind“, sagte er.

Bei seinen Experimenten mit C. elegans stellte Dishart fest, dass der Geruch von Krankheitserregern eine hemmende Reaktion auslöst, die ein Signal an den Rest des Körpers sendet. Dies wurde deutlich, als er olfaktorische Neuronen im Wurm entfernte und feststellte, dass alle peripheren Zellen, vor allem aber die Darmzellen, die für bedrohte Mitochondrien typische Stressreaktion zeigten. Diese und andere Studien zeigten auch, dass Serotonin ein wichtiger Neurotransmitter ist, der diese Informationen im gesamten Körper übermittelt.

Dillin und seine Laborkollegen verfolgen die neuronalen Schaltkreise, die von den Geruchsneuronen zu den peripheren Zellen führen, und die Neurotransmitter, die auf diesem Weg beteiligt sind. Und er sucht nach einer ähnlichen Reaktion bei Mäusen.

„Ich hasse es immer, wenn ich krank werde. Ich denke mir: ‚Körper, warum hast du dich nicht besser darauf vorbereitet?‘ Es scheint wirklich dumm, dass man Reaktionsmechanismen erst aktiviert, wenn man infiziert ist“, sagte Dillin. „Wenn es frühere Erkennungsmechanismen gibt, die unsere Überlebenschancen erhöhen, ist das meiner Meinung nach ein großer evolutionärer Erfolg. Und wenn wir das biomedizinisch nutzen könnten, wäre das ziemlich verrückt.“

Weitere Autoren des Artikels von der UC Berkeley sind Corinne Pender, Koning Shen, Hanlin Zhang, Megan Ly und Madison Webb.