Mikrobiomforschung: Small RNA spielt Schlüsselrolle bei der Besiedelung, Darmbakterium Segatella copri im Fokus

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) haben erforscht, wie ein spezieller Vertreter der Darmmikrobiota – das Bakterium Segatella copri – sich seiner Umgebung anpasst und auf welche Signale es reagiert.

Das Darmmikrobiom ist ein hochkomplexes Ökosystem mit Tausenden unterschiedlicher Bakterienarten. Leben und leben lassen, das ist die Devise. Das harmonische Miteinander basiert darauf, dass die Darmbakterien unterschiedliche Nischen besetzen. Und es basiert darauf, dass die verschiedenen Bakterien miteinander kommunizieren.

Trotz regionaler (Entwicklungs- vs. Industrieländer) und individueller Unterschiede von Mensch zu Mensch gibt es grundlegende Muster der Darmbesiedelung, bei denen jeweils ein bestimmter Leitkeim dominiert. Bei einem dieser drei Enterotypen ist S. copri der prominenteste Keim. Vor allem in Entwicklungs- und Schwellenländern kommt dieses Darmbakterium sehr häufig vor.

Trotz seiner weltweiten Verbreitung ist S. copri bisher nur wenig erforscht. Bekannt ist, dass sich das Bakterium auf den Abbau von Ballaststoffen spezialisiert hat. Unklar ist dagegen, welche Rolle es mit Blick auf die menschliche Gesundheit spielt: Ist es vorteilhaft oder hat es im Gegenteil negative Auswirkungen? Trotz der Fülle an Daten über das Mikrobiom geben bisherige Studien auf diese Frage keine Antwort.

Die gesundheitliche Bedeutung von S. copri aufzuklären, ist eines der Ziele der Forschungsarbeiten von Prof. Till Strowig, Leiter der Abteilung Mikrobielle Immunregulation am HZI. Die Anzüchtung von Segatellen im Labor ist schwierig, aber Strowigs Arbeitsgruppe ist es doch gelungen. „Wir wollten herausfinden, unter welchen Bedingungen eine verstärkte Besiedelung mit S. copri stattfindet, und welche Prozesse dabei in den Zellen ablaufen. Dafür benötigen wir Einblicke in die Funktionsweise dieser Bakterien“, erklärt Strowig.

Kleiner Schnipsel mit großer Wirkung

Das Programm für alle Lebensvorgänge ist in den Genen verschlüsselt aufgeschrieben. Das ist bei Bakterien nicht anders als beim Menschen. Wenn sich S. copri vermehrt und ausbreitet, werden komplexe Stoffwechselvorgänge in Gang gesetzt. Dafür müssen die zuständigen Gene abgelesen werden. Für diese Transkription wird die Erbinformation umgeschrieben, und zwar von Desoxyribonukleinsäure (DNA) in Ribonukleinsäure (RNA).

„Bei der Untersuchung des Transkriptoms von S. copri sind wir auf einen winzigen RNA-Schnipsel gestoßen, der offenbar bei der Vermehrung und Ausbreitung des Bakteriums eine essenzielle Rolle spielt“ berichtet Erstautor Dr. Youssef El-Mouali. Diese small RNA ist maßgeblich beteiligt, wenn S. copri Neuland besiedelt. Das konnten die Forscher an Mäusen mit definiertem Darmmikrobiom zeigen. Dass small RNAs bei der Regulation zellulärer Prozesse als wichtige Steuerelemente fungieren, ist auch von anderen Lebewesen einschließlich des Menschen bekannt.

Darmbakterien kommunizieren miteinander

Den bei S. copri entdeckten RNA-Schnipsel nannten die Forscher SrcF (Segatella RNA colonization factor) und nahmen ihn genauer unter die Lupe. Eine Frage, die sie klären wollten: Wann wird SrcF in den Zellen exprimiert? Die Vermutung liegt nahe, dass die Vermehrung des Bakteriums vom Nahrungsangebot abhängig ist. Bei einem hohen Angebot an Ballaststoffen, aus denen S. copri Energie gewinnt, werden sich die Bakterien ausbreiten und neue Lebensräume erobern. Tatsächlich konnten die Forscher zeigen, dass die Bildung von SrcF durch bestimmte komplexe Kohlehydrate getriggert wird. Eine hohe Konzentration an Fruktanen unterdrückt dagegen die SrcF-Aktivität.

Und noch etwas fanden die Forscher heraus: Die Zusammensetzung des Mikrobioms hat einen Einfluss darauf, ob S. copri den Signalweg über SrcF aktiviert. Die vielen unterschiedlichen Bakterienspezies, die im Darm koexistieren und um vorhandene Ressourcen konkurrieren, kommunizieren miteinander. Nur so ist der ausbalancierte Zustand des Mikrobioms zu erklären: Die individuelle Zusammensetzung des Darmmikrobioms ist erstaunlich konstant, und selbst nach vorübergehenden Turbulenzen stellt sich meist die alte Balance innerhalb dieses Ökosystems wieder her.

„Laut unseren Forschungsergebnissen scheint der Abbau größerer Mengen an Fruktanen die Kommunikation zwischen verschiedenen Darmbakterien zu beeinflussen“, sagt Strowig. „Wir werden weiter in diese Richtung forschen und hoffen, dass man das bessere Verständnis des Darmmikrobioms, zu dem wir beitragen möchten, irgendwann gezielt mit Blick auf die menschliche Gesundheit wird nutzen können.“