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Genom- und Proteinkatalog des Archaeoms Bestandsaufnahme der Archaeen im menschlichen Darm

Von Christian Urban*

Archaeen gehören zu den ältesten Organismen des Planeten. Manche Arten von ihnen ertragen sogar große Hitze oder saure Umgebung. Da wundert es nicht, dass auch im menschlichen Darm Archaeen vorkommen. Ihre noch wenig erforschte Rolle im Mikrobiom haben nun Wissenschaftler aus Kiel in einer umfassenden Metadatenanalyse untersucht.

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CAU-Professorin Ruth Schmitz-Streit charakterisierte gemeinsam mit internationalen Kollegen das bislang unzureichend beschriebene Archaeen-Vorkommen im menschlichen Darm.
CAU-Professorin Ruth Schmitz-Streit charakterisierte gemeinsam mit internationalen Kollegen das bislang unzureichend beschriebene Archaeen-Vorkommen im menschlichen Darm.
(Bild: Stefan Kolbe)

Kiel – Alle mehrzelligen Lebewesen – egal ob Mücke, Meise oder Mensch – beherbergen eine unvorstellbar große Anzahl von Mikroorganismen in und auf ihren Körpern. Das Mikrobiom, also die Gesamtheit dieser Mikroben, bildet zusammen mit dem Wirtslebewesen eine funktionale, symbiotische Einheit. Die Mikroben unterstützen bei der Nährstoffaufnahme, schützen vor Krankheitserregern und übernehmen weitere lebenswichtige Aufgaben für ihren Wirt. Ist das Mikrobiom gestört, können allerdings verschiedene schwerwiegende Krankheiten die Folge sein, u. a. chronisch-entzündliche Darmerkrankungen.

In den vergangenen Jahren legten Wissenschaftler eine Vielzahl so genannter Mikrobiomstudien vor. Darin untersuchten sie insbesondere Verknüpfungen zwischen der Zusammensetzung und Funktion des Mikrobioms und der Krankheitsentstehung. Die meisten dieser Arbeiten konzentrierten sich v. a. auf Bakterien, deren verschiedene Arten im Mikrobiom zahlenmäßig bei weitem dominieren. Eine bestimmte Gruppe der Mikroorganismen wurde dabei bisher wenig beachtet: die Archaeen. Obwohl sie durchschnittlich „nur“ etwa 1,2 Prozent des gesamten Darmmikrobioms ausmachen, haben Archaeen enorme regulatorische Auswirkungen auf das Mikrobiom, wie frühere Studien gezeigt haben.

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat nun mithilfe umfangreicher Genomdaten von zahlreichen globalen Standorten eine Charakterisierung des bislang unzureichend beschriebenen Archaeen-Vorkommens im menschlichen Darm vorgelegt. Die neue Studie erfolgte in Zusammenarbeit mit der Medizinischen Universität Graz und weiteren Partnerinstitutionen aus Großbritannien und Frankreich. Mit dieser Bestandsaufnahme wollen die Forscher das Wissen über diese Klasse von Mikroorganismen erweitern. Dabei haben sie bislang unbekannte Archaeen-Arten beschreiben.

Vielfalt und Kernfaktoren des Archaeoms

Die neue Analyse liefert laut Angaben der Wissenschaftler die erste umfassende Beschreibung des menschlichen Archaeoms. Das Team bediente sich dazu Datenquellen aus zahlreichen bereits bestehenden Mikrobiomstudien, die jeweils die vollständigen genetischen Informationen der individuellen mikrobiellen Besiedlung des Darms der beteiligten Probanden umfassen. „Zunächst konnten wir feststellen, dass das menschliche Archaeom weitaus vielfältiger ist, als bisher bekannt war. Auch gibt es darin eine Kernzusammensetzung immer gleicher Arten, die bei den meisten Menschen unabhängig von äußeren Faktoren wie etwa Geografie, Geschlecht oder Alter auftritt“, sagt Dr. Cynthia Chibani, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe von CAU-Professorin Ruth Schmitz-Streit. „Neben den zahlreichen neuentdeckten Arten konnten wir zudem bislang unbekannte Arten von Viren identifizieren, die Archaeen infizieren können.“

Erstautorin Dr. Cynthia Chibani stellte gemeinsam mit ihren Kollegen fest, dass das menschliche Archaeom unabhängig von äußeren Faktoren eine Kernzusammensetzung immer gleicher Arten enthält.
Erstautorin Dr. Cynthia Chibani stellte gemeinsam mit ihren Kollegen fest, dass das menschliche Archaeom unabhängig von äußeren Faktoren eine Kernzusammensetzung immer gleicher Arten enthält.
(Bild: privat)

Neben der reinen Katalogisierung der Arten suchte das Forscherteam zudem in den genetischen Informationen der Archaeen nach Verbindungen mit bereits bekannten Mustern. Dazu analysierten die Wissenschaftler mehr als 28.000 so genannte Proteincluster, die auf signifikante Zusammenhänge der Archaeen-Zusammensetzung im Darm mit soziodemografischen Merkmalen der menschlichen Probanden hindeuten. „Das Vorkommen bestimmter Arten und die von ihnen produzierten Proteine lassen sich möglicherweise nutzen, um zum Beispiel Rückschlüsse auf Altersgruppen oder Lebensstile zu ziehen“, erklärt Chibani. „Zurzeit lassen sich solche aussagekräftigen Korrelationen allerdings noch nicht zuverlässig hinsichtlich möglicher Archaeom-assoziierter Krankheitsbilder ablesen.“, schränkt die Mikrobiologin ein.

Versteckte Schwester gefunden

Ein weiteres wichtiges Ergebnis aus der Analyse genomischer Informationen war, dass es sich bei der bisher bekannten Art Methanobrevibacter smithii in Wirklichkeit um zwei Arten handelt: Neben M. smithii existiert zusätzlich die neu entdeckte Schwesterart M. intestini. Beide sind beide sind im Darmmikrobiom weit verbreitet. Das Zusammenspiel dieser eng verwandten Arten und ihre Bedeutung für die menschliche Gesundheit müssen noch entschlüsselt werden.

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Bislang ist der Zusammenhang zwischen solchen methanbildenden Archaeen und Krankheiten wie Darmkrebs oder entzündlichen Darmerkrankungen nicht eindeutig geklärt, was den Forschern zufolge wahrscheinlich auf die bisher fehlende Speziesauflösung zurückzuführen ist. Sicher ist, dass solche Methanogene in der Lage sind, die Aktivität pathogener Bakterien zu unterstützen, indem sie z. B. hemmende Stoffwechselprodukte verbrauchen. Die nun veröffentlichte Forschungsarbeit erweitert das Verständnis des menschlichen Archaeoms und stellt einen umfangreichen Genom- und Proteinkatalog für künftige Analysen zur Verfügung.

1,8 Millionen Proteine katalogisiert

Insgesamt befindet sich die Wissenschaft bei der Identifizierung der vollständigen Diversität der Archaeen erst am Anfang. „Der nun vorgestellte Katalog von rund 1,8 Millionen Archaeen-Proteinen kann künftig als einzigartige Quelle für die Entwicklung neuartiger Forschungsfragen genutzt werden“, sagt CAU-Professorin Schmitz-Streit. „Diese künftigen Ansätze umfassen zum Beispiel die Untersuchung der Physiologie und des Stoffwechsels neu entdeckter Archaeen oder der Art ihrer Kommunikation mit dem menschlichen Wirt.“

Um die funktionalen Aspekte des Archaeoms künftig untersuchen zu können, bedürfe es neuer Analysemethoden, da diese zurzeit v. a. auf bakterielle Arten zugeschnitten seien, erklärt die Expertin. Zudem müsse man Archaeen aus dem menschlichen Darm gezielt zu Forschungszwecken kultivieren. „Insgesamt trägt unsere Arbeit wesentlich zum Verständnis des menschlichen Mikrobioms als komplexes, vielschichtiges Netzwerk aus Bakterien, Archaeen, Pilzen und Viren bei“, fasst Schmitz-Streits Grazer Kollegin Professorin Christine Moissl-Eichinger zusammen. Auf dieser Grundlage hoffen die Forscher in vertiefenden Arbeiten, die Auswirkungen der Archaeen auf die menschliche Physiologie und möglicherweise ihre Beteiligung an der Krankheitsentstehung Stück für Stück zu entschlüsseln.

Originalpublikation: Cynthia Maria Chibani, Alexander Mahnert, Guillaume Borrel, Alexandre Almeida, Almut Werner, Jean-François Brugère, Simonetta Gribaldo, Robert D. Finn, Ruth A. Schmitz, Christine Moissl-Eichinger (2021): A catalogue of 1,167 genomes from the human gut archaeome. Nature Microbiology volume 7, pages 48–61 (2022); DOI:10.1038/s41564-021-01020-9

* C. Urban, Christian-Albrechts- Universität zu Kiel, 24118 Kiel

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