Ein internationales Forscherteam hat einen bislang unbekannten Kommunikationsmechanismus zwischen Darmbakterien und menschlichen Zellen entdeckt: Darmbakterien können Proteine direkt in menschliche Zellen einschleusen und dadurch aktiv Immunreaktionen beeinflussen.
Das menschliche Darmmikrobiom wird seit Langem mit immunologischen, metabolischen und entzündlichen Erkrankungen in Verbindung gebracht. Allerdings sind die meisten Hinweise bislang korrelativ und die molekularen Mechanismen hinter diesen Zusammenhängen weitgehend unerforscht.
„Unser Ziel war es, einige der zugrunde liegenden Prozesse besser zu charakterisieren, durch die Darmbakterien die menschliche Biologie beeinflussen“, sagt Veronika Young, Erstautorin der Studie gemeinsam mit Bushra Dohai. „Durch die systematische Kartierung direkter Protein-Protein-Interaktionen zwischen bakteriellen und menschlichen Zellen können wir nun molekulare Mechanismen hinter diesen Zusammenhängen vorschlagen.“
Protein-Injektions-Systeme in Bakterien des gesunden Darms
Die Studie zeigt, dass viele harmlose, alltägliche Darmbakterien verfügen über Typ-III-Sekretionssysteme. Mit diesen mikroskopisch kleinen, spritzenähnlichen Strukturen können bakterielle Proteine direkt in menschliche Zellen injiziert werden. Bislang ging man davon aus, dass solche Systeme ausschließlich in pathogenen Bakterien wie Salmonella vorkommen.
„Das verändert unser Bild von kommensalen Bakterien grundlegend“, sagt Prof. Pascal Falter-Braun vom Helmholtz Munich. „Es zeigt, dass diese nicht-pathogenen Bakterien nicht nur passive Bewohner sind, sondern menschliche Zellen aktiv beeinflussen können, indem sie ihre Proteine in sie einschleusen.“
Wie Bakterien mit menschlichen Zellen kommunizieren
Um zu verstehen, welche Funktionen diese bakteriellen Proteine in menschlichen Zellen übernehmen, kartierten die Forschenden über tausend Interaktionen zwischen bakteriellen Effektorproteinen und menschlichen Proteinen. Sie erstellten so ein groß angelegtes Interaktionsnetzwerk. Die Analysen zeigten, dass bakterielle Proteine bevorzugt auf menschliche Signalwege abzielen, die an der Immunregulation und dem Stoffwechsel beteiligt sind.
Weitere Laborversuche bestätigten, dass diese Proteine zentrale Signalwege des Immunsystems modulieren können, darunter NF-κB- und Zytokinantworten. Zytokine sind Signalmoleküle, die das Immunsystem koordinieren und übermäßige Reaktionen verhindern, die zu Autoimmunerkrankungen führen können. So ist beispielsweise die Hemmung des Zytokins Tumornekrosefaktor (TNF) eine weit verbreitete Therapie bei Morbus Crohn, einer Autoimmunerkrankung des Darms.
Zusammenhang mit entzündlichen Darmerkrankungen
Die Forschenden stellten außerdem fest, dass Gene, die für diese bakteriellen Effektorproteine kodieren, in den Darmmikrobiomen von Patient*innen mit Morbus Crohn angereichert sind. Dies deutet darauf hin, dass die direkte Proteinübertragung von Darmbakterien auf menschliche Zellen zur chronischen Darmentzündung beitragen könnte. Sie liefert eine mögliche mechanistische Erklärung für zuvor beobachtete Zusammenhänge zwischen Mikrobiom und Erkrankungen.
Neue Perspektive auf Mikrobiom-Wirt-Interaktionen
Durch die Identifizierung einer bislang nicht erkannten molekularen Ebene zwischen Darmbakterien und dem menschlichen Immunsystem vertieft die Studie das Verständnis darüber, wie das Mikrobiom menschliche Zellen beeinflusst. Sie verschiebe die Forschung von reinen Korrelationen hin zu kausalen Zusammenhängen, so die Wissenschaftler*innen.
Zugleich wirft sie Fragen auf, etwa ob sich diese Injektionssysteme ursprünglich für pathogene Zwecke entwickelt haben oder ob sie zunächst das Zusammenleben mit dem Wirt unterstützten und erst später von Krankheitserregern übernommen wurden.
Zukünftige Forschungsarbeiten sollen klären, wie einzelne bakterielle Effektor-Wirt-Interaktionen in spezifischen Geweben und Krankheitskontexten funktionieren, mit dem Ziel, diese Erkenntnisse in präzisere Strategien zur Prävention und Behandlung von Krankheiten zu überführen.
Quelle: Helmholtz Zentrum München
