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Genotyp von Darmbakterien

Geografische Entfernung prägt Mikrobiom

Die Anzahl von Menschen, die an einer chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED) leiden, steigt weltweit. Die Bakterienvergesellschaftung im Darm, das so genannte Mikrobiom, ist vermutlich ein wichtiger Faktor der die Entstehung der Krankheiten beeinflusst. Eine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön untersucht das Mikrobiom in verschiedenen Ländern, um herauszufinden, wie Unterschiede mit der Entstehung einer CED assoziiert sind.

Die Plöner Arbeitsgruppe verglich zusammen mit Kolleginnen und Kollegen aus Kiel, Litauen und Indien Proben von menschlichem Darmgewebe. Dabei untersuchte das Team sowohl gesunde Menschen, als auch von CED Betroffene. Mittels DNA-Sequenzierung wurden menschliche Darmproben analysiert. Diese wurden bei Biopsien aus dem Darm entnommen und stammen von Probanden aus Deutschland, Litauen und Indien. Schwerpunkt der Untersuchungen von Philipp Rausch (Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön und Institut für Experimentelle Medizin, Kiel) im Rahmen seiner Doktorarbeit war das so genannte Mikrobiom, die Gesamtheit der Bakterien im Darm.

Die Bakterienzusammensetzung unterschied sich zwischen den Ländern, in Abhängigkeit von genetischen Grundlagen sowie Lebens- und Ernährungsgewohnheiten. Rausch erläutert: „Wir konnten mit unserer neuen Studie zeigen, dass sich das Mikrobiom zwischen Europäern und Indern massiv unterscheidet.“ So sei auch die unterschiedlich starke Verbreitung von Erkrankungen wie Morbus Crohn oder Colitis ulcerosa zumindest teilweise zu erklären.

MIKROBIOM

Das menschliche Mikrobiom bezeichnet die Gesamtheit aller Mikrolebewesen, die auf oder im Menschen leben. Im allgemeinen Sprachgebrauch bezeichnet das Mikrobiom insbesondere die Bakterienvergesellschaftung im Darm. Dieses komplexe System gewinnt zunehmend an Bedeutung, da das Mikrobiom vermutlich für zahlreiche Steuerungsprozesse im Körper verantwortlich ist.
Die mikrobielle Zusammensetzung des Darms wird unter anderem durch Ernährung, Alter, Geschlecht und genetische Grundlagen beeinflusst. Mit zunehmendem Alter ist die Mikrobiota vielfältiger und zahlreicher als zu Beginn des Lebens. Neugeborene Kinder sind beinahe keimfrei und entwickeln erst mit zunehmendem Alter eine Darmmikrobiota. Auch zwischen Frauen und Männern gibt es Unterschiede, die hauptsächlich hormonell bedingt sind.

In der Arbeitsgruppe von Professor John Baines wertete der Biologe Rausch einen Datensatz aus, der von seinem Kollegen Ateequr Rehman generiert wurde. Bei der Analyse wurde das sogenannte Barcoding angewendet. Untersucht hat Rausch das Gen 16S. Dieses Gen ist essentiell für die Umsetzung von DNA-basierten Informationen in Proteine, die der Körper benötigt um mit ihnen arbeiten zu können. Ein Teil des Gens 16S wurde als Identifikationsmerkmal für bestimmte Bakterienarten verwendet. Seine evolutionäre Stabilität, das heißt das Gen verändert sich bezogen auf den Lebenszyklus eines Bakteriums kaum, war dabei die Grundvoraussetzung, damit Rausch es als Marker verwenden konnte. Der Biologe verglich den Abschnitt des 16S in Bakterienarten, die er aus Darmproben von Menschen aus verschiedenen Ländern gewann. Der Aufbau des 16S Abschnittes variiert dabei zwischen verschiedenen Bakterienarten. Man kann vereinfacht sagen, dass das 16S ein genetischer Fingerabdruck der Bakterien ist. Rausch untersuchte zusammen mit Kolleginnen und Kollegen Biopsieproben von Menschen aus Deutschland, Litauen und Indien. Mit Hilfe des Barcoding konnte das Team feststellen, welche Bakterienarten und in welcher Anzahl diese bei den Untersuchten vorkamen. So stießen sie auf deutliche Unterschiede zwischen Europa und Asien.

Darmbakterien

 

Philipp Rausch
hat in Bayreuth und München Biologie studiert. Seit November 2011 ist der Doktorand als Cluster-Stipendiat am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön und am Institut für Experimentelle Medizin an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel beschäftigt.

Der Darm eines Menschen kann bis zu tausend verschiedene Bakterienarten beherbergen

Bei an Morbus Crohn Erkrankten wies das Team in fast allen Bakterienarten eine deutlich herabgesetzte Vielfalt, sowie eine verringerte Häufigkeit der Bakterien nach. Unklar ist, ob eine verringerte Bakterienvielfalt eine Folge oder ein Auslöser der Erkrankung ist. Bei Colitis ulcerosa liegt die Bakterienvielfalt höher als bei an Morbus Crohn Erkrankten, aber immer noch deutlich geringer als bei gesunden Menschen. Interessanterweise trat der Unterschied zwischen Gesunden und CED-Kranken besonders deutlich bei Menschen aus Deutschland und Litauen auf. Bei den Proben aus Indien wies das Forschungsteam kaum Unterschiede in der Mikrobiota zwischen Gesunden und an CED Erkrankten nach. Rausch vermutet, dass Mikrobiom könne in Indien einen anderen Einfluss auf die Entstehung einer CED haben: „Möglicherweise lösen in Indien aber auch andere Faktoren diese Erkrankung aus als in Europa.“ Es sei bekannt, dass ein eher westlicher Lebensstil die Entstehung von CED fördern könne.
Eine Bakterienart, Papillibacter, fand der Doktorand vor allem bei gesunden Menschen, und zwar sowohl bei den europäischen wie auch bei den indischen Probengebern. Diese Bakterienart produziert kurzkettige Fettsäuren, die sehr wichtig für die Darmgesundheit sind. Der Wissenschaftler erklärt: „Menschen, die an einer CED leiden, haben deutlich weniger Papilibacter in ihrem Darm. Zusätzlich sind die vorhandenen Bakterien inaktiver als bei Gesunden.“

Die Mikrobiota ist eigentlich ein Extraorgan, welches wir in uns tragen

Europa und Indien liegen nicht nur geografisch weit auseinander, auch die genetische Ausstattung der Bevölkerung unterscheidet sich erheblich. Diese Unterschiede sind ein Grund für die unterschiedliche Bakterienvergesellschaftung im Darm der untersuchten Personen. Außerdem sind die Lebensumstände ein weiterer Faktor, der die Mikrobiota beeinflusst. In Indien ernähren sich die Menschen anders als in Europa. Rausch wies zusammen mit seinem Team in den Proben aus Indien deutlich mehr Chloroplasten und Cyanobakterien nach; ein möglicher Hinweis auf eine überwiegend vegetarische Lebensweise. Außerdem beeinflusst das unterschiedliche Klima die bakteriellen Darmbewohner.

Genotyp beeinflusst Darmflora

Ein weiterer Schwerpunkt seiner Forschung ist die sogenannte FUT2 Mutation. Bei den meisten Menschen wird die identische Blutgruppe zweimal im Körper hergestellt: Einmal im Blutkreislauf und einmal im Darm. Etwa 20 Prozent der Bevölkerung haben ein inaktives Gen, die FUT2 Mutation, welches dafür sorgt, dass im Darm keine Blutgruppe erzeugt wird. Menschen, die diese Mutation tragen, sind klinisch relativ unauffällig. Sie sind resistenter gegen bestimmte Noroviren. Die FUT2 Mutation verursacht aber oft einen Vitaminmangel und Betroffene leiden häufiger an Harnwegsinfektionen. Die FUT2 Mutation sorgt außerdem dafür, dass Menschen beinahe immun gegen Helicobacter pylori sind, das sind Bakterien, die Magengeschwüre verursachen können. Die Mutation dieses Gens wird auch in Verbindung gebracht mit Morbus Crohn, das heißt man bezeichnet FUT2 als Risikogen für CED. Die weitere Erforschung dieser speziellen Thematik wäre ein potentielles Forschungsthema für die Postdoc-Zeit von Philipp Rausch. Denn er kann sich sehr gut vorstellen, weiter in der Arbeitsgruppe von Professor Baines zu forschen.

BARCODING

Beim DNA-Barcoding wird nur der definierte Abschnitt eines Gens analysiert, das so genannte Markergen. Dieser Abschnitt kommt bei allen analysierten Proben vor, unterscheidet sich aber zwischen Individuen. Da sich die DNA-Sequenz vor allem durch punktuelle Mutationen ändert, zeigen nah miteinander verwandte Arten große Ähnlichkeiten beim Markergen. Durch das Barcoding ist eine taxonomische Einordnung der untersuchten Spezies möglich.

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