Eine vergleichende Genomstudie von Menschen und Menschenaffen liefert Einblicke in die Entwicklung des Darmmikrobioms

Eine wichtige Frage in der modernen Lebenswissenschaft und medizinischen Forschung ist, wie die in und auf einem Körper lebenden Mikroorganismen die Lebensprozesse und damit Gesundheit und Krankheit des Wirtsorganismus beeinflussen. Wissenschaftler gehen davon aus, dass es Zusammenhänge zwischen der gesamten mikrobiellen Besiedlung des Körpers, dem sogenannten Mikrobiom, und der Entstehung von Krankheiten gibt.

Insbesondere chronisch entzündliche Darmerkrankungen (CED) stehen offenbar in engem Zusammenhang mit der Zusammensetzung und Störung des Mikrobioms. Gleichzeitig ist es schwierig, einen gesunden Normalzustand der menschlichen mikrobiellen Besiedlung zu definieren, da diese von vielen Faktoren beeinflusst wird und die individuelle Zusammensetzung von Mensch zu Mensch unterschiedlich ist.

Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 „Entstehung und Funktion von Metaorganismen“ in Kiel haben nun in der bisher größten Studie ihrer Art Mikrobiomdaten verschiedener Menschenaffen mit denen von Menschen mit ländlicher und städtischer Lebensweise verglichen, um dies zu erreichen bestimmte Muster von Ähnlichkeiten und Unterschieden in der mikrobiellen Besiedlung der verschiedenen Wirte identifizieren.

Die Forscher hoffen, neue Erkenntnisse über den Einfluss der evolutionären Entwicklung, der Umwelt und des Lebensstils auf die Zusammensetzung des Mikrobioms zu gewinnen und mögliche Auswirkungen zu identifizieren. In ihrer neuen Arbeit konnten sie vor allem bestätigen, dass die mikrobielle Besiedlung eines lebenden Organismus sehr wirtsspezifisch ist, dass die Evolution von Mikroorganismen und ihren Wirten gemeinsam und parallel abläuft und dass die Artenvielfalt des menschlichen Mikrobioms hoch ist ist im Vergleich zu Affen reduziert.

Gemeinsam mit Forschern verschiedener Partnerinstitutionen, darunter dem Helmholtz-Institut für One Health in Greifswald, einem Teilbereich des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung, hat das Team kürzlich veröffentlicht ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Naturkommunikation.

Metagenomstudie analysiert Daten von Menschenaffen und Menschen

Das Forschungsteam des CRC 1182 führte seine sogenannte Metagenomstudie mit etwa 200 Stuhlproben von wilden afrikanischen Menschenaffen, darunter Schimpansen und Gorillas, sowie von menschlichen Probanden aus der Demokratischen Republik Kongo und der Elfenbeinküste sowie aus Dänemark und Deutschland durch . Die afrikanischen Probanden leben in ländlichen Umgebungen in der Nähe der Nationalparks, in denen die Tiere beprobt wurden, während die europäischen Teilnehmer aus städtischen Umgebungen stammen.

Die so gewonnenen Genome von Mikroorganismen stellen den bisher größten Datensatz seiner Art dar. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler die Vielfalt und Zusammensetzung der in den jeweiligen Mikrobiomen enthaltenen Mikrobenarten ermitteln und diese hinsichtlich ihrer Entwicklung und der Auswirkungen von Umwelteinflüssen vergleichen.

„Besonders interessierte uns die evolutionäre Perspektive, also wie sich Mikrobiome über lange Zeiträume von einem gemeinsamen Vorfahren zur heutigen Affenart und menschlichen Population entwickelt haben“, sagt Dr. Malte Rühlemann, Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Prof. Dr Arbeitsgruppe von Andre Franke am Institut für Klinische Molekularbiologie (IKMB).

„Wir gehen davon aus, dass uns dieser Ansatz auch Erkenntnisse über die Entstehung von Krankheiten liefern kann, die vermutlich durch das Mikrobiom beeinflusst werden, zum Beispiel chronisch-entzündliche Darmerkrankungen.“

Das Mikrobiom folgt der Entwicklung des Wirts

Ein erstes Ergebnis dieser vergleichenden Studie war, dass erneut die hohe Wirtsspezifität des Mikrobioms bestätigt werden konnte, das heißt, dass die mikrobielle Besiedlung des Darms in jedem Wirtsorganismus eine sehr charakteristische Zusammensetzung aufweist. „Anhand der verschiedenen Bakterienarten und deren Anteile konnten wir beispielsweise das Mikrobiom eines Schimpansen, Gorillas oder Menschen klar unterscheiden“, sagt Co-Autor Dr. Jan Gogarten vom Helmholtz-Institut für One Health.

Diese charakteristischen Mikrobiome können durch das Fehlen oder Vorhandensein bestimmter Schlüsselarten deutlich voneinander unterschieden werden und ihre Zusammensetzung folgt hinsichtlich ihrer Ähnlichkeit dem evolutionären Verlauf ihrer Wirte. Eine solche gemeinsame Evolution von Wirt und Symbionten bezeichnen Forscher als Phylosymbiose.

„Unsere Daten zeigen deutliche Anzeichen dafür. Bei allen von uns untersuchten Menschenaffen fanden wir Signale, die auf konservierte evolutionäre Beziehungen zwischen mikrobiellen Gemeinschaften und ihren Wirtsarten hinweisen. Dies unterstreicht die Bedeutung der Phylosymbiose als Ergebnis der engen Interaktion zwischen Wirt und Mikrobiom.“ Evolutionszeit“, sagt Dr. Gogarten.

Funktionsanalysen geben Einblicke in die Auswirkungen von Mikrobiomveränderungen

Der Vergleich der Mikrobiomzusammensetzungen und -veränderungen in verschiedenen Wirten wirft auch die Frage auf, wie sich deren Unterschiede funktionell auswirken und welche Rolle bestimmte einzelne Mikrobenarten oder -gruppen dabei spielen. Die Studie konnte insbesondere zeigen, dass einige evolutionär konservierte Mikroorganismen bei Menschen mit urbanem Lebensstil sukzessive verloren gehen.

Als markantes Beispiel analysierte das Kieler Forscherteam die Gruppe der Prevotella-Bakterien. „Diese kommen in europäischen Mikrobiomen sehr selten vor, kommen aber häufiger in den Proben aus der Demokratischen Republik Kongo und der Elfenbeinküste sowie in massivem Ausmaß in tierischen Wirten vor. Wir vermuten daher, dass diese Bakteriengruppe ein integraler Bestandteil war.“ „Das Mikrobiom der Hominiden existiert aus evolutionärer Sicht schon seit Jahrmillionen, ist aber im menschlichen Darm im Zusammenhang mit einem urbanen Lebensstil deutlich reduziert“, erklärt Dr. Corinna Bang, Co-Autorin und Leiterin des Mikrobiomlabors am IKMB.

Um herauszufinden, was diese Veränderungen auf funktioneller Ebene bedeuten könnten, analysierten die Forscher, wie sich die im menschlichen Mikrobiom vorkommenden Prevotella-Bakterien genetisch von ihren Artgenossen im Darm von Schimpansen unterscheiden. Sie entdeckten, dass innerhalb dieser Bakteriengattung ein spezifisches Gen in 90 % der mit Menschen assoziierten Bakterien vorhanden ist, jedoch in keiner der bei Affen vorkommenden Arten.

„Bisher wurde dieses Gen in Prevotella nicht im Detail untersucht. Experimente mit dem Modellbakterium Escherichia coli zeigen jedoch, dass es den Mikroorganismen ermöglicht, sehr empfindlich auf Sauerstoff zu reagieren und den Bakterien möglicherweise dabei hilft, unter nicht vollständig sauerstoffreichen Bedingungen zu überleben.“ -frei, wie sie beispielsweise vorübergehend im menschlichen Darm vorkommen“, sagt Bang.

Eine Erklärung hierfür ist, dass es sich um eine funktionelle Anpassung der Bakterien an das Leben speziell im menschlichen Darm handeln könnte. Allerdings geht das langfristige Vorhandensein von Sauerstoff im Darm häufig mit entzündlichen Prozessen einher, insbesondere bei IBD, bei denen es zu einem massiven Anstieg des Sauerstoffgehalts im Darm kommt.

Obwohl Ursache und Wirkung noch nicht ausreichend geklärt sind, könnte diese genetische Anpassung und letztlich das Verschwinden der Prevotella-Bakterien mit Krankheitsrisiken verbunden sein, die die Forscher künftig genauer untersuchen wollen.

„Insgesamt liefert unsere Studie wichtige neue Erkenntnisse über die Zusammenhänge zwischen den Auswirkungen eines urbanen Lebensstils, dem Verlust evolutionär konservierter Bakteriengruppen und den daraus resultierenden möglichen funktionellen Anpassungen des menschlichen Mikrobioms“, sagt Professor Andre Franke, Letztautor der Studie und Vorstandsmitglied des PMI-Exzellenzclusters.

„Obwohl wir noch nicht in der Lage sind, Erkrankungen wie IBD schlüssig auf diese Faktoren zurückzuführen, verfügen wir nun über überzeugende weitere Beweise, die Störungen und Veränderungen im menschlichen Mikrobiom als Mechanismen der Krankheitsentstehung plausibel machen. Wir wollen diese Zusammenhänge weiter erforschen, um eine prophylaktische oder therapeutische Wirkung zu erzielen.“ „In Zukunft werden wir künftig Interventionen bei Mikrobiom-assoziierten Erkrankungen vorantreiben“, sagt Franke, der auch in den nächsten vier Jahren mehrere Projekte im SFB 1182 leiten wird.