Pathogenes Potenzial: Wie Pilze zu Krankheitserregern werden

Neue Studie von Forschenden an CAU und MPI-EvolBio beschreibt, wie eine effizientere Proteinproduktion die Anpassung von Pilzen an den menschlichen Körper vorantreibt und wie zuvor harmlosen Pilze zu Krankheitserregern werden könnten.

Im Zuge des globalen Wandels und den damit verbundenen steigenden Temperaturen nehmen Pilzinfektionen weltweit zu. Sie bedrohen Nutzpflanzen, Wildtiere und zunehmend auch die menschliche Gesundheit. Viele Pilzarten sind völlig harmlos und erfüllen wichtige ökologische Funktionen. Beispiele sind etwa die Zersetzung organischer Stoffe und die Freisetzung von Nährstoffen in den Boden, als Symbionten vielzelliger Organismen übernehmen sie nützliche Funktionen für den Wirt. Auf der anderen Seite sind einige Arten opportunistische Krankheitserreger des Menschen: Insbesondere bei einem geschwächten Immunsystem können solche Pilze schwere, sogar lebensbedrohliche Infektionen verursachen.

Während Pilze vor allem als Krankheitserreger von Nutzpflanzen unter anderem an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und dem Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön (MPI-EvolBio) intensiv untersucht werden, wenden sich Forschende ihrer schädlichen Wirkung für den Menschen aktuell vermehrt zu. Ein Forschungsteam um Prof. Eva Stukenbrock, Leiterin der Arbeitsgruppe Umweltgenomik an CAU und MPI-EvolBio, hat in einer neuen Studie untersucht, warum bestimmte Pilze zu Krankheitserregern werden könnten. Dazu haben die Forschenden verschiedene Pilzarten der Ordnung Trichosporonales analysiert. Zu dieser gehören sowohl harmlose als auch für den Menschen gefährliche Arten.

Risiko, dass Pilze zu Krankheitserregern werden höher als angenommen

Das Team hat die Genome von harmlosen Pilzen, die normalerweise im Boden vorkommen, und schädlichen Arten, die im Körper von Säugetieren leben, vergleichen. Ergebnis: Diese unterscheiden sich weniger in der genetischen Ausstattung, sondern viel mehr in der Effizienz mit der sie genetische Informationen in bestimmte Proteine umwandeln. Schädliche Pilze haben eine Optimierungsstrategie für ihren Fettstoffwechsel entwickelt. Im Gegensatz dazu, sind ihre im Boden lebenden Verwandten hauptsächlich auf Kohlenstoffe spezialisiert. Dadurch können sich erstere schneller an neue Lebensbedingungen in einer fettreichen Umgebung anpassen. Das erleichtert ihnen möglicherweise den Übergang zu einer pathogenen Lebensweise, so die Hypothese der Studienautoren.

Die genetische Ausstattung von harmlosen und schädlichen Arten stimmt ansonsten weitgehend überein. Daher scheint das Risiko, dass Pilze zu Krankheitserregern werden, höher zu sein als bisher angenommen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden kürzlich gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Braunschweig, Bochum und Illinois in „Nature Communications“.

Effizientere Proteinproduktion erlaubt schnelle Anpassung an neue Lebensbedingungen

Ausgangspunkt der Studie war eine vergleichende Genomanalyse nah verwandter Pilzarten, um mögliche Unterschiede zu identifizieren. „Wir gingen davon aus, dass krankmachende Pilze über sogenannte Virulenzgene verfügen. Diese produzieren bestimmte schädliche Proteine, um menschliche Zellen anzugreifen, Giftstoffe herzustellen oder das Immunsystem zu bekämpfen. Entgegen unseren Erwartungen waren sich pathogene und harmlose Arten jedoch in ihrer genetischen Ausstattung bemerkenswert ähnlich“, erklärt Erstautor Dr. Marco Guerreiro, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Stukenbrocks Arbeitsgruppe.

Tatsächlich fanden die Forschenden heraus, dass der entscheidende Unterschied zwischen harmlosen und schädlichen Pilzen nicht darin besteht, welche Gene sie besitzen, sondern wie effizient sie diese nutzen. So können sie die Produktion von bestimmten Proteinen optimieren.

Anpassung des Fettstoffwechsels lässt Pilze zu Krankheitserregern werden

„Pathogene Pilze haben eine Strategie entwickelt, bei der Proteine schneller produziert werden, die am Fettstoffwechsel beteiligt sind. Diese Anpassung ist äußerst wichtig, da Lipide im Körper von Säugetieren reichlich vorhanden, in der Umwelt jedoch sehr selten sind. Auf diese Weise können sie sich schnell an den menschlichen Körper anpassen und in dieser Umgebung gedeihen“, so Guerreiro.

Dieser Mechanismus beruht auf einem späten Schritt in der Genexpression: Die Translation läuft umso schneller ab, je besser spezifische Signale der mRNA – Codons – mit den tRNA-Molekülen übereinstimmen. „Bei pathogenen Pilzen ist diese Übereinstimmung zwischen tRNA und Codons besonders gut. Die adaptive Evolution könnte die Zusammensetzung beider Bestandteile beeinflusst haben, um die Proteinproduktion für den Fettstoffwechsel zu optimieren und so eine Anpassung an den menschlichen Körper zu erreichen“, betont Guerreiro.

Die Forschenden konnten die Wirkung dieser genetischen Optimierung im Labor bestätigen: Auch in ihren Experimenten zeigten Pilze mit für den Fettstoffwechsel optimierten Genen eine schnellere Anpassung an lipidreiche Lebensbedingungen. Unter diesen wuchsen sie deutlich besser. Dies stützt die Annahme, dass diese Strategie tatsächlich eine schnelle Anpassung an den menschlichen Körper begünstigt – im Gegensatz zu den im Boden lebenden Pilzen in einer kohlenstoffreichen Umgebung.

Optimierter Fettstoffwechsel steigert das Potenzial für neu auftretende Krankheitserreger

Die neue Forschungsarbeit zeigt damit auf, dass der Schritt zur Entstehung neuer pilzlicher Krankheitserreger sehr klein sein könnte. Diese könnten sich – im Prinzip – bereits durch eine erhöhte Effizienz des Fettstoffwechsels entwickeln.

„Angesichts der zunehmenden Resistenz gegenüber pilzhemmenden Wirkstoffen ist dies besorgniserregend, da Arten, die bei menschlicher Körpertemperatur gedeihen, aber derzeit als harmlos gelten, diesen Übergang leicht vollziehen könnten“, betont Guerreiro die Bedeutung der Forschung. Unter den für die nahe Zukunft prognostizierten Klimabedingungen ist also mit zahlreichen neuen und problematischen Pilzerregern zu rechnen.

Beobachtung der evolutionären Dynamik wird immer wichtiger für die Medizin

Die Forschenden wollen daher jene Pilzarten identifizieren, die aufgrund bestimmter genomischer Signaturen pathogenes Potenzial haben, bevor sie zum Gesundheitsproblem werden. „Insgesamt verändert unsere Studie die Sichtweise auf die Pathogenität von Pilzen grundlegend. Sie zeigt, dass die Transformation von harmlosen Umweltorganismen zu einer Gefahr für die menschliche Gesundheit schneller und evolutionär zugänglicher sein kann als bisher angenommen. Da der Klimawandel, die Zunahme immungeschwächter Bevölkerungsgruppen und die globale Vernetzung neue Möglichkeiten für Pilzkrankheiten schaffen, wird das Verständnis und die Beobachtung dieser evolutionären Dynamik aus medizinischer Sicht immer wichtiger“, fasst Stukenbrock, Leiterin des Kiel Plant Centers (KPC) im Rahmen des CAU-Forschungsschwerpunkts Kiel Life Science (KLS), zusammen.