Segatella copri: Genetisches Bonusmaterial macht das Darmbakterium sauerstofftolerant

Das Bakterium Segatella copri ist einer der häufigsten Bewohner des menschlichen Darms. Forschende des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) haben nun herausgefunden, dass es Stämme dieser Bakterienart gibt, die genetisches Bonusmaterial besitzen.

Dieses Bonusmaterial macht die Bakterien sauerstofftoleranter. Dafür ist unter anderem das Vorhandensein des molekularen Regulators OxyR entscheidend. Mithilfe umfangreicher Datenanalysen fand das HZI-Team heraus, dass Stämme von S. copri mit OxyR insbesondere in industrialisierten Regionen der Welt vorkommen. Die Forschenden vermuten, dass das Vorhandensein von OxyR hier einen Selektionsvorteil für das Bakterium bietet.

Störungen des Darmmikrobioms, etwa durch Antibiotika, können zu zeitweise erhöhten Sauerstoffvorkommen im Darm führen. Wie sich die Besiedlung des Darms mit unterschiedlichen Stämmen von S. copri gesundheitlich auswirkt, wollen die Wissenschaftler in weiterführenden Untersuchungen herausfinden. Die Studie im Journal „Cell Host and Microbe“ veröffentlicht.

Aus Studien ist bekannt, dass in Regionen der Welt wie etwa in Afrika oder Asien, in denen ein noch eher ursprünglicher Lebensstil vorherrscht, Bakterien der Gattung Segatella das Darmmikrobiom der Menschen dominieren. „In industrialisierten Ländern sind zwar ebenfalls Vertreter der Gattung Segatella im Darm vorhanden, doch dominiert wird das Mikrobiom von Bakterien der Gattung Bacteroides“, erläutert Prof. Till Strowig, Leiter der Abteilung „Mikrobielle Immunregulation“ am HZI und Letztautor der Studie. „Der Antwort auf die Frage nach dem Warum wollten wir uns mit der vorliegenden Studie ein Stück weit nähern.“

S. copri und Bacteroides im Vergleich in Sachen Sauerstofftoleranz

In ihrem ersten Experiment untersuchten die Forschenden die Sauerstofftoleranz des weltweit wahrscheinlich am häufigsten vorkommenden Darmbakteriums S. copri. „Bei guter Darmgesundheit ist im Darm in der Regel kaum und an den meisten Stellen gar kein Sauerstoff vorhanden. Für Bakterien, die nicht oder nicht so gut mit Sauerstoff umgehen können, ist das also ein optimaler Lebensraum“, erklärt Dr. Youssef El Mouali, Wissenschaftler in Strowigs Team und einer der beiden Erstautoren der Studie.

Für ihre Untersuchungen nutzten die Forschenden verschiedene Bakterienstämme der Art S. copri sowie den bakteriellen Modellorganismus Bacteroides thetaiotaomicron zum Vergleich. „Über einen Zeitraum von 30 Minuten setzten wir die Bakterien einer definierten Sauerstoffkonzentration aus“, berichtet Dr. Caroline Tawk, Wissenschaftlerin in Strowigs Team und ebenfalls Erstautorin der Studie. „Dass Bacteroides-Vertreter das Vorhandensein von Sauerstoff gut tolerieren können, ist bekannt. Im Vergleich war die Überlebensrate von S. copri um das 100.000-Fache geringer.“

Kein Transkriptionsregulator PerR ‒ keine Besiedelung

Doch auch, wenn die Sauerstofftoleranz von S. copri nur gering war, müssen die Bakterien eine Strategie besitzen, die ihnen dabei hilft, unter Einwirkung von Sauerstoff zu überleben, folgerten die Forschenden. Doch welche? Um das herauszufinden, setzten sie in nachfolgenden Untersuchungen S. copri über wenige Minuten Sauerstoff aus und führten anschließend eine Transkriptomanalyse durch. Damit lässt sich herausfinden, welche Gene zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv sind.

„So haben wir bei S. copri den bekannten Transkriptionsregulator PerR aufgespürt, der ein genetisches Netzwerk kontrolliert, das wiederum für die bakterielle Sauerstoffantwort entscheidend ist“, sagt El Mouali. „Im Mausmodell konnten wir darüber hinaus zeigen, dass S. copri ohne das Vorhandensein von PerR den Darm nicht besiedeln kann. Für eine erfolgreiche Darmbesiedlung ist PeR für dieses Bakterium also entscheidend.“

Um zu prüfen, ob S. copri möglicherweise noch weitere Regulationsmechanismen besitzt, um Sauerstoffstress zu überstehen, durchforsteten die Forschenden Datenbanken und nahmen mehrere hundert Genome verschiedener Stämme von S. copri unter die Lupe. Dabei suchten sie gezielt nach genetischen Spuren des Transkriptionsregulators OxyR, der die Sauerstoffantwort unter anderem bei Bakterien der Gattung Bacteroides reguliert.

Höhere Sauerstofftoleranz, wenn Transkriptionsregulator OxyR vorhanden

Und tatsächlich fanden die Wissenschaftler einige Stämme von S. copri, die OxyR besaßen. Die Stämme, die die Forschenden für das Experiment zur Untersuchung der Sauerstofftoleranz verwendet hatten, besaßen dagegen kein OxyR. Die Forschenden wiederholten daher das Experiment gezielt mit Stämmen mit OxyR, um zu prüfen, ob diese besser mit Sauerstoff umgehen können. Und tatsächlich: Die Stämme von S. copri mit OxyR zeigten eine hundert- bis tausendfach höhere Sauerstofftoleranz als Stämme ohne OxyR.

Doch wie kommt es, dass manche Stämme OxyR besitzen und andere nicht? „Unsere Untersuchungen geben Hinweise darauf, dass wahrscheinlich vor mehreren tausend Jahren ein sogenannter horizontaler Gentransfer stattgefunden hat. Dabei tauschen Bakterien – mitunter auch unterschiedlicher Arten – Gene miteinander aus“, erklärt Strowig.

In weiterführenden Untersuchungen gingen die Forschenden gemeinsam mit Kollegen der Universität Trient (Italien) der Frage nach, wo auf der Welt im Mikrobiom der Menschen Stämme des Darmbakteriums S. copri mit beziehungsweise ohne OxyR vorkommen. Dafür führten sie umfangreiche Genomdatenanalysen durch und fanden heraus, dass Stämme von S. copri mit OxyR vor allem in industrialisierten Ländern vorkommen, in afrikanischen und den meisten asiatischen Ländern hingegen deutlich seltener. Doch warum ist das so?

Selektionsvorteil in industrialisierten Ländern?

„Wir vermuten, dass Bakterienstämme von S. copri mit OxyR in stark industrialisierten Ländern einen Selektionsvorteil haben“, sagt Strowig. „Zum einen, weil es hier häufiger zu Störungen des Gleichgewichts im Darm kommt, etwa durch die Einnahme von Antibiotika, wodurch es zeitweise zu einer erhöhten Sauerstoffverfügbarkeit im Darm kommen kann. Zum anderen könnte auch die Übertragung von Mensch zu Mensch durch höhere Hygienestandards herausfordernd sein. Eine bessere Sauerstofftoleranz, um bis zur Übertragung zum nächsten Wirt längere Aufenthalte an der frischen Luft zu überstehen, könnte für das ausschließlich darmbewohnende Bakterium S. copri durchaus hilfreich sein.“

Mit ihrer Studie konnten die Forschenden zeigen, dass Darmbakterien derselben Art auf Stammebene entscheidende genetische Unterschiede aufweisen können, die zu gänzlich anderen Eigenschaften sowie Anpassungsfähigkeiten bei sich verändernden Umweltbedingungen führen. In zukünftigen Forschungsprojekten will Strowigs Team untersuchen, wie sich die Darmbesiedlung mit S. copri je nach Stamm – mit oder ohne das genetische Bonusmaterial von OxyR – auf die menschliche Gesundheit auswirkt.

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