Wie ein industrieller Lebensstil das Darmmikrobiom des Menschen verändert

Forschungsteams aus Kiel haben gerade parallel zwei Studien veröffentlicht, in denen sie systematisch den Einfluss der Industrialisierung auf das Darmmikrobiom, dessen Genetik und mögliche Zusammenhänge mit der Krankheitsentstehung analysieren.

Die Wissenschaftler gingen von der Feststellung aus, dass es in der Mikrobiomforschung immer noch zentrale Fragen gibt, die wissenschaftlich bisher nicht ausreichend beantwortet werden konnten: Wie ist ein gesundes Mikrobiom zusammengesetzt. Welche inneren und äußeren Faktoren können es verändern können? Und wie unterscheidet es sich zwischen Menschen insbesondere verschiedener Lebensstile und räumlicher Herkunft?

An diesen Herausforderungen forschen an der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und dem Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH), Campus Kiel, Prof. Mathilde Poyet vom Institut für Experimentelle Medizin (IEM) und Prof. Mathieu Groussin vom Institut für Klinische Molekularbiologie (IKMB) gemeinsam mit ihren Forschungsgruppen.

Basierend auf der Hypothese, dass sich Mikrobiome je nach Herkunft einer Bevölkerungsgruppe unterscheiden, widmen sich die Forschenden speziell der Frage, wie sich Geografie, Lebensstil und Grad der Industrialisierung auf die mikrobielle Besiedlung des menschlichen Darms auswirken. Vor zehn Jahren gründeten sie dazu die Global Microbiome Conservancy (GMbC): Diese global agierende wissenschaftliche Initiative setzt sich anhand der weltweiten Sammlung von mikrobiellen Proben für die Erforschung und Konservierung der gesamten Vielfalt des menschlichen Darmmikrobioms ein.


Industrialisierung: Folgen für das Mikrobiom

Nun haben Poyet und Groussin, die das Kiel Metaorganism Center (KMC) im Rahmen des CAU-Forschungsschwerpunkts Kiel Life Science (KLS) leiten und im Sonderforschungsbereich (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ sowie im Exzellenzcluster „Precision Medicine in Chronic Inflammation“ (PMI) aktiv sind, gemeinsam mit einer Reihe internationaler Expertinnen und Experten zwei zusammenhängende Forschungsarbeiten publiziert. Darin haben sie zentrale Einflüsse wie Geografie, Lebensstil, Ernährung und Genetik als kumulative zivilisatorische Effekte auf das menschliche Darmmikrobiom und dessen individuelle Bakterienarten systematisch analysiert. Dabei konnten Poyet und Groussin gemeinsam mit ihren Koautorinnen und -autoren insbesondere zeigen, dass die Industrialisierung und die damit verbundene Veränderung des Lebensstils zu einer drastischen Verarmung und starken Vereinheitlichung der Biodiversität des Mikrobioms führen.

Außerdem konnten die Forschenden demonstrieren, dass sich neben den auf der Ebene der mikrobiellen Gemeinschaften beobachteten Veränderungen auch die einzelnen mikrobiellen Genome als Reaktion auf den Industrialisierungsgrad des Wirts verändern. So führt beispielsweise ein stark industriell geprägter Lebensstil aufgrund des verstärkten Genaustauschs unter den Mikroben zu einer Vergrößerung der bakteriellen Genome. Beide Publikationen, zu denen unter anderem auch Kolleginnen und Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT/USA) sowie von zahlreichen internationalen Partnerinstitutionen der GMbC-Initiative beigetragen haben, sind heute parallel im Journal „Cell“ erschienen.

Hoher Grad an Industrialisierung macht Mikrobiome homogener und artenärmer

Manche der endogenen und exogenen Faktoren, die die mikrobielle Besiedlung des menschlichen Darms beeinflussen, agieren nur indirekt und sind langfristig veränderlich. Dazu gehört etwa die Genetik des Wirts. Andere dieser Einfluss nehmenden Faktoren hingegen hängen stark von den Lebensumständen des Individuums ab. Für die nun vorgelegten Studien haben die Kieler Forschenden Daten aus der GMbC-Probensammlung hinsichtlich ihres Industrialisierungsgrades analysiert und zusätzlich die Faktoren Lebensstil, mikrobielle Genetik und Ernährung als direkt auf die Mikrobiomzusammensetzung einwirkende Größen in Betracht gezogen. All diese Einflüsse, so die Forschenden, beeinflussen sich stark gegenseitig und tragen auch als einzelne Faktoren zur Variation des Darmmikrobioms bei.



„Die zentrale Erkenntnis unserer Analysen ist, dass ein industrialisierter Lebensstil zu homogeneren und artenärmeren mikrobiellen Gemeinschaften in unserem Darm führt“, betont Groussin. „Das bedeutet, dass Menschen aus Kiel in Deutschland und aus Kuala Lumpur in Malaysia eine sehr ähnliche Zusammensetzung an Bakterienarten aufweisen, obwohl sie in weit voneinander entfernten Regionen leben und sich in Bezug auf Ernährung, genetischen Hintergrund und Kultur stark unterscheiden.“

Industrialisierte Mikrobiome sind störungsanfälliger und mit erhöhten Krankheitsmarkern verbunden


In einem nächsten Schritt untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, ob durch die Industrialisierung bedingte Veränderungen der mikrobiellen Artenvielfalt und Zusammensetzung auch zu Veränderungen im Zusammenleben und den Wechselwirkungen der Bakterien untereinander führen können. Sie stellten fest, dass sich in diesem Fall gemeinsam interagierende bakterielle Netzwerke verstärkt auf eine geringere Anzahl von Bakterien beschränken. Dadurch weisen sie weniger funktionale Ausweichmöglichkeiten auf. „Letztendlich bedeutet dies: Wenn das bakterielle Ökosystem gestört wird und bestimmte Schlüsselarten verloren gehen, kann möglicherweise nicht auf andere Arten ausgewichen werden, um wichtige Funktionen des Mikrobioms aufrechtzuerhalten. Dadurch kann zum Beispiel die Stoffwechselproduktivität oder die Stabilität des gesamten mikrobiellen Ökosystems im Darm beeinträchtigt werden“, betont Poyet.

Zusätzlich konnten die Forschenden in den Proben von Menschen mit einem hohen Industrialisierungsgrad höhere Werte für Entzündungsmarker nachweisen – also bestimmte molekulare Signaturen, die mit Stressreaktionen im Darm in Verbindung stehen. Dazu gehört zum Beispiel eine erhöhte Immunreaktion, insbesondere an den Schleimhäuten des Darms, die die Forschenden als Reaktion auf eine veränderte Zusammensetzung des Mikrobioms interpretieren. „Das Vorhandensein sowohl erhöhter Entzündungsmarker als auch bestimmter charakteristischer Muster in der Immunantwort lässt vermuten, dass ein durch industrialisierte Lebensstile verändertes Mikrobiom einen starken Einfluss auf die Physiologie des Wirts ausüben kann – und somit möglicherweise zur Entstehung von Krankheiten beiträgt“, unterstreicht Prof. Philip Rosenstiel, Direktor am IKMB und Mitautor der ersten Studie.

Durch welche konkreten Veränderungen das industriell geprägte Mikrobiom anfälliger für Störungen sein könnte, die zur Krankheitsentstehung oder höheren Anfälligkeit für Infektionen führen, wollen die Forschenden in Zukunft im Detail untersuchen. Dazu bietet ihnen die GMbC-Biobank mit den konservierten Mikrobiomen aus aller Welt eine wichtige Ressource, die solche vertieften mechanistischen Untersuchungen im geografischen Vergleich erlaubt.

Einfluss des Lebensstils auf das Genom von Darmbakterien


In der zweiten Studie haben die Forschenden zehn ausgewählte Bakterienarten aus den Mikrobiomen von ursprünglicheren und industrialisierten Bevölkerungsgruppen verglichen und auf genetische Veränderungen hin untersucht, die mit dem Lebensstil zusammenhängen könnten.

„Bei allen untersuchten Mikroorganismen haben wir festgestellt, dass ein industrialisierter Lebensstil zu einer zunehmenden Größe des Genoms und einer höheren genomischen Plastizität führt“, sagt Dr. Malte Rühlemann, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Groussins Arbeitsgruppe. „Das bedeutet, dass das Genom mehr Veränderungen durchläuft, beispielsweise durch eine erhöhte Häufigkeit des Genaustauschs mittels horizontalem Gentransfer. Dies kann Bakterien dabei helfen, schnell neue Funktionen zu erwerben, zum Beispiel um sich an Störungen anzupassen.“ Poyet ergänzt: „Über diesen Gentransfer hinaus haben wir zudem eine große Vielfalt an genomischen Mutationen festgestellt, die mit der Industrialisierung in Zusammenhang stehen. Dazu zählen einzelne DNA-Mutationen, die die Sequenz und Funktion von Proteinen verändern, die an der Stressreaktion und der Stoffwechselanpassung an die Umwelt beteiligt sind.“

Für die Zukunft planen die Forschendne nun weitere Probensammlungen im Rahmen der GMbC, die sie auf zusätzliche Länder in verschiedenen Regionen der Welt ausdehnen möchten. Daran wollen die Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die industrialisierungsbedingten Mechanismen weiter untersuchen, die den Veränderungen des Mikrobioms zugrunde liegen und möglicherweise eine Ursache für den weltweit beobachteten Anstieg chronischer Erkrankungen sein könnten.