Wie Urbakterien Entzündungsreaktionen auslösen können

Forschende aus Borstel und Kiel ergründen die Rolle der Archaeen bei der Entstehung von Entzündungen im menschlichen Körper

Der Körper jedes Menschen beherbergt Billionen unterschiedlichster Mikroorganismen. Immer mehr wissenschaftliche Studien konnten in den letzten Jahren belegen, dass diese körpereigene Mikrobiota ganz wesentlich unsere Gesundheit beeinflusst und viele immunologische Prozesse durch diese Mikroben moduliert werden.

Die Mikrobiota wird zwar von Bakterien dominiert, besteht aber auch aus anderen Organismen wie Viren, tierischen Einzellern und Archaeen, die auch als Urbakterien bezeichnet werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungszentrums Borstel (FZB) und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnten nun erstmals zeigen, wie Archaeen des Stamms Methanosphaera stadtmanae vom menschlichen Immunsystem erkannt werden. Die Forschenden veröffentlichten ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Frontiers in Immunology.

Archaeen bilden neben den Bakterien und den Eukaryoten – Organismen, die Zellen mit Zellkern besitzen und zu denen auch die Menschen gehören – die dritte sogenannte Domäne des Lebens. Ebenso wie Bakterien sind Archaeen einzellig und haben keinen Zellkern. Viele ihrer wesentlichen zellulären Prozesse ähneln im Gegensatz dazu aber eher denen der Eukaryoten.

Heute ist bekannt, dass Archaeen nicht nur unter extremen Umweltbedingungen wie zum Beispiel in Hydrothermalquellen der Tiefsee zu finden sind, sondern auch in kalten Umgebungen wie im und auf dem menschlichen Körper leben. Dort besiedeln sie unter anderem die Haut und den Darm, werden aber auch in der Lunge vermutet.

Im Rahmen eines gemeinsamen Projektes, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird, konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem FZB und der CAU zeigen, dass wichtige menschliche Immunzellen unterschiedlich stark auf verschiedene Archaeen-Stämme reagieren. Insbesondere der Stamm Methanosphaera stadtmanae, der mit verschiedenen entzündlichen Darmerkrankungen aber auch mit Atemwegsentzündungen in Verbindung gebracht wird, führte dabei zu starken entzündlichen Reaktionen.

Das Immunsystem reagiert auf einen Fremdorganismus mit einer Entzündungsreaktion, wenn es diesen als schädlich erkannt hat. Die Mechanismen dieser immunologischen Erkennung sind im Falle von Bakterien und Viren in den letzten Jahrzehnten intensiv untersucht und aufgeklärt worden. Bis jetzt völlig unbekannt war hingegen, wie Archaeen des Stamms Methanosphaera stadtmanae durch das menschliche Immunsystem erkannt werden können.

Im Rahmen seiner Doktorarbeit konnte Tim Vierbuchen aus der Forschungsgruppe Angeborene Immunität am Forschungszentrum Borstel gemeinsam mit Dr. Corinna Bang aus der Abteilung Molekularbiologie der Mikroorganismen an der CAU diesen immunologischen Erkennungsprozess nun identifizieren.

„Für unsere Untersuchungen haben wir modernste molekularbiologische Methoden eingesetzt: Mittels des sogenannten Gene-Editings durch CRISPR/Cas9 konnten wir einzelne Rezeptoren und Signalwege von Immunzellen gezielt ausschalten,“ erläutert Prof. Holger Heine, Leiter der Forschungsgruppe Angeborene Immunität am FZB. Hierbei zeigte sich, dass die Erkennung von M. stadtmanae über dessen Ribonukleinsäure (RNA), also den Informationsüberträger genetischer Informationen, erfolgt:

Nach Aufnahme des Archaeons durch die Immunzellen wird dessen RNA zugänglich und in der Folge über zwei spezifische Rezeptoren des angeborenen Immunsystems namens TLR7 und TLR8 aktiviert. Auslöser der Entzündungsreaktion ist dann TLR8 allein. Dieser Rezeptor aktiviert einen entscheidenden Signalkomplex, das sogenannte Inflammasom, das den Entzündungsprozess schließlich in Gang setzt.

Die vorliegende Publikation liefert eine Grundlage, auf der nun weitere Forschungsarbeiten aufbauen können: „Wir möchten in Zukunft klären, ob der neu beschriebene Mechanismus der Immunerkennung auch auf weitere Methanoarchaeen-Stämme übertragbar ist oder möglicherweise sogar allgemein für alle Urbakterien gilt oder ganz spezifisch ist für M. stadtmanae“, betont Professorin Ruth Schmitz-Streit, Direktorin am Institut für Allgemeine Mikrobiologie der CAU. So könne es künftig gelingen, die Rolle der durch (Methano-)Archaeen ausgelösten Entzündungsreaktionen bei der Entstehung gravierender Entzündungskrankheiten des Menschen zu klären, so Schmitz-Streit weiter.

Originalpublikation:
Vierbuchen T, Bang C, Rosigkeit H, Schmitz RA and Heine H (2017).
The Human-Associated Archaeon Methanosphaera stadtmanae Is Recognized through Its RNA and Induces TLR8-Dependent NLRP3 Inflammasome Activation. Frontiers in Immunology 8:1535. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2017.01535/full

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-371-1.jpg
Bildunterschrift: Mikroskopische Aufnahme von Zellen des angeborenen Immunsystem mit Archaeen.
Abbildung: Tim Vierbuchen, FZB

Kontakt:
Prof. Dr. Holger Heine
Leiter Forschungsgruppe Angeborene Immunität
Programmbereich Asthma & Allergie
Forschungszentrum Borstel, Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften, Airway Research Center North (ARCN), Deutsches Zentrum für Lungenforschung (DZL)
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23845 Borstel
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E-Mail: hheine@fz-borstel.de

Prof. Dr. Ruth Schmitz-Streit
Molekularbiologie der Mikroorganismen,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
Telefon: 0431 880-4334
E-Mail: rschmitz@ifam.uni-kiel.de

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Telefon: 04537 188-2870
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Weitere Informationen:
Programmbereich Asthma und Allergie,
Forschungszentrum Borstel – Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften:
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Molekularbiologie der Mikroorganismen (AG Schmitz-Streit),
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
http://www.mikrobio.uni-kiel.de/de/ag-schmitz-streit

Über das Forschungszentrum Borstel
Das Forschungszentrum Borstel ist das Lungenforschungszentrum der Leibniz-Gemeinschaft. Im Fokus stehen chronisch-entzündliche Lungenerkrankungen wie Asthma und Allergien, chronisch-obstruktive Lungenerkrankung (COPD) sowie Tuberkulose und andere infektionsbedingte Entzündungen der Lunge. Das übergeordnete Ziel der interdisziplinären Forschungsaktivitäten ist, die Ursachen und Mechanismen chronisch-entzündlicher und degenerativer Erkrankungen der Lunge aufzuklären, um daraus neue innovative Konzepte zu deren Diagnostik, Prävention und Therapie abzuleiten.
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Text / Redaktion: Britta Weller / Christian Urban