Mikrobiom-Forschung Die Anpassungsfähigkeit von Darmbakterien

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Eine Gruppe Wissenschaftler aus Würzburg hat Moleküle identifiziert, die den Metabolismus eines Darmbakteriums an veränderte Ernährungsbedingungen anpassen. Eine wichtige Entdeckung in der Mikrobiota-Forschung, die zukünftig für therapeutische Ziele genutzt werden soll.

Forschende des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) und der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg haben ein Protein sowie eine Gruppe kleiner Ribonukleinsäuren (sRNAs) in Bacteroides thetaiotaomicron identifiziert, die den Zuckerstoffwechsel regulieren. Diese Entdeckungen geben Aufschluss darüber, wie sich dieses Darmbakterium an wechselnde Ernährungsbedingungen anpasst. Die Erkenntnisse vertiefen das Verständnis der Rolle dieses Bakteriums im menschlichen Darm und könnten den Weg für neue therapeutische Ansätze ebnen, um die Gesundheit durch die Mikrobiota zu fördern.

Der Darm spielt eine entscheidende Rolle für die menschliche Gesundheit. Die Zusammensetzung der Mikrobiota und ihre Funktionen für das menschliche Wohlbefinden werden stark davon beeinflusst, wie gut sich Bakterien an die ständig wechselnden Bedingungen im Darm anpassen. Die Frage, wie sich gutartige Bakterien, so genannte Darmkommensalen, an tägliche Nährstoffschwankungen anpassen, ist daher ein zentrales Thema der Mikrobiota-Forschung geworden.

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Kleine Moleküle helfen bei der Anpassung

Obwohl sich das mikrobielle Ökosystem des Darms von Person zu Person unterscheidet, finden sich einige Arten häufig. Eine dieser Arten ist Bacteroides thetaiotaomicron. Diese Mikroben besitzen Dutzende verschiedener Multiproteinkomplexe, die an spezifischen Stellen im Genom, den so genannten Polysaccharidverwertungsloci (PULs), kodiert sind. PUL-Komplexe ermöglichen es den Bakterien, spezifische Polysaccharide zu binden, abzubauen und aufzunehmen, und tragen so zu ihrer erfolgreichen Kolonisierung im Darm bei. Die Produktion von PUL-Komplexen wird auf transkriptionaler Ebene streng reguliert. Wie PULs jedoch posttranskriptional gesteuert werden, um sich an Umweltveränderungen anzupassen, war bisher weitgehend unbekannt.

„Unsere Untersuchungen haben ein bemerkenswert komplexes RNA-basiertes Regulationssystem für die Steuerung der PUL-Expression in B. thetaiotaomicron aufgedeckt“, erklärt Alexander Westermann, korrespondierender Autor der Studie. „Das ergänzt frühere Arbeiten, die sich auf transkriptionelle Kontrollmechanismen konzentrierten“, fügt er hinzu.

Ein komplexes Netzwerk

Im Zentrum dieses Netzwerks steht das RNA-bindende Protein RbpB: „Wir haben festgestellt, dass das Fehlen von RbpB die Kolonisierung des Darms erheblich beeinträchtigt“, berichtet Ann-Sophie Rüttiger, Erstautorin der Studie und Doktorandin in Westermanns Labor.

Die funktionelle Analyse ergab, dass RbpB mit Hunderten von zellulären Transkripten interagiert. Dazu gehört eine Gruppe gleichartiger (paraloger) nicht-kodierender RNA-Moleküle (Familie paraloger sRNAs, kurz FopS) mit 14 Mitgliedern. Gemeinsam steuern RbpB und FopS katabolische Prozesse und gewährleisten, dass sich die Mikroben optimal an wechselnde Nährstoffbedingungen anpassen können. „Diese Studie hat unser Verständnis der RNA-koordinierten Stoffwechselkontrolle erweitert, die entscheidend für die Fitness dominanter Mikrobiota-Arten ist“, ergänzt Rüttiger.

Zukünftige Fragen

Zukünftige Studien werden die Struktur von RbpB genauer untersuchen und die Schlüsselmechanismen für die RNA-Bindung identifizieren. Das Team plant außerdem, die funktionellen Ähnlichkeiten zwischen RbpB und anderen RNA-bindenden Proteinen zu analysieren, um zentrale posttranskriptionale Knotenpunkte in anderen Darmmikrobiota-Arten aufzudecken.

Ein tiefgehendes Wissen über die Funktionen bakterieller Gene und Proteine könnte wesentlich dazu beitragen, neue therapeutische Ansätze zur Bekämpfung von Infektions- und Darmerkrankungen sowie zur Förderung der Gesundheit durch Manipulation der Bioaktivitäten der Darmmikrobiota zu entwickeln. „Unsere Ergebnisse bieten einen vielversprechenden Ansatz, um dieses mikrobielle Konsortium besser zu verstehen und für neue Behandlungsstrategien nutzbar zu machen“, erklärt Westermann.

Durchgeführt wurde die Studie von Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg, einer Einrichtung des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Kooperation mit der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), sowie des Lehrstuhls für Mikrobiologie an der JMU. In Zusammenarbeit mit der Vanderbilt University in Nashville, Tennessee (USA), und der University of Toronto in Kanada erzielten sie bedeutende Fortschritte durch eine Reihe von in vitro– und in vivo-Experimenten.

Originalpublikation:Rüttiger, AS., Ryan, D., Spiga, L. et al.: The global RNA-binding protein RbpB is a regulator of polysaccharide utilization in Bacteroides thetaiotaomicron. Nat Commun (2025). DOI: 10.1038/s41467-024-55383-8

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