Nachrichten | Können die Gene von Menschen, mit denen Sie zusammenleben, in Ihren Darm „einwandern“? Studie zeigt die soziale Übertragung genetischer Effekte durch Mikroben
Nachrichten | Können die Gene von Menschen, mit denen Sie zusammenleben, in Ihren Darm „wandern“? Studie zeigt soziale Übertragung genetischer Effekte durch Mikroben
Die Gene von Menschen, mit denen Sie zusammenleben, könnten unbemerkt die Bakterien in Ihrem Darm beeinflussen. Eine in Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt, dass das Zusammenleben nicht nur das Darmmikrobiom eines Menschen prägt, sondern auch dazu führen kann, dass sich genetische Effekte über Mikroben in einer Population „ausbreiten“.
Die Studie, eine Zusammenarbeit zwischen dem Center for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona und der University of California, San Diego, untersuchte mehr als 4,000 Labormäuse. Sie ergab, dass die Zusammensetzung des Darmmikrobioms einer Maus sowohl von ihren eigenen Genen als auch in erheblichem Maß von den Genen ihrer Käfiggenossen beeinflusst wurde.
Die Forschenden erklärten, dass die Gene selbst nicht zwischen Individuen übertragen werden, dass aber von diesen Genen geprägte kommensale Mikroben durch engen sozialen Kontakt weitergegeben werden können. Einige Gene fördern selektiv das Wachstum bestimmter Darmbakterien, die zwischen zusammenlebenden Tieren übertragen werden können und dazu führen, dass genetische Effekte auf andere Individuen „übergreifen“.
„Das ist keine Magie, sondern das Ergebnis genetischer Einflüsse, die durch sozialen Kontakt übertragen werden. Gene prägen das Darmmikrobiom, und wir haben festgestellt, dass nicht nur die eigenen Gene eines Individuums wirksam sind“, sagte die korrespondierende Autorin Dr. Amelie Baud, Forscherin am CRG.
Das Darmmikrobiom besteht aus Billionen von Mikroorganismen und spielt eine wichtige Rolle bei Verdauung, Immunität und der allgemeinen Gesundheit. Obwohl Ernährung und Medikamente als wichtige Einflussfaktoren gelten, war der genetische Beitrag lange schwer präzise zu bestimmen. In Humanstudien wurden bisher nur das Laktasegen und das Gen der ABO-Blutgruppe zuverlässig mit dem Darmmikrobiom in Verbindung gebracht.
Forschende stellten fest, dass Natur und Umwelt in natürlichen Lebensumgebungen eng miteinander verflochten sind: Gene beeinflussen Ernährung und Lebensstil, während Familienmitglieder und soziale Kontakte Nahrung, Lebensumgebungen und Mikroben teilen, wodurch sich genetische Effekte nur schwer isolieren lassen. Das Team verwendete daher genetisch vielfältige Labormäuse, die unter streng kontrollierten Bedingungen aufgezogen und mit derselben Nahrung gefüttert wurden.
Die 4,000 Mäuse stammten aus vier unabhängigen Populationen an vier US-Einrichtungen mit unterschiedlichen Haltungsverfahren. Durch die Kombination von Ganzgenom- und Darmmikrobiomdaten identifizierten die Forschenden drei Regionen mit Gen-Mikroben-Zusammenhängen, die unter verschiedenen Umweltbedingungen stabil blieben.
Der stärkste Zusammenhang betraf das Gen St6galnac1, das Zuckermoleküle an den Darmschleim anfügt. Die Forschenden vermuten, dass das Darmbakterium Paraprevotella diese Zucker verwertet. Der Zusammenhang wurde in allen vier Populationen beobachtet. Eine zweite Genregion enthielt mehrere Muzingene und stand mit der Häufigkeit von Firmicutes-Bakterien in Verbindung. Der dritte Zusammenhang betraf das Pip-Gen, das für ein antimikrobielles Molekül kodiert, und stand mit Bakterien aus der Familie Muribaculaceae in Verbindung, die bei Mäusen häufig und auch beim Menschen vorhanden ist.
Die große Stichprobe ermöglichte es den Forschenden erstmals zu quantifizieren, wie stark das Darmmikrobiom der Labormäuse durch ihre eigenen Gene bestimmt wurde und wie viel auf den genetischen Einfluss ihrer Käfiggenossen zurückzuführen war. Dieses Phänomen wird als „indirekter genetischer Effekt“ bezeichnet und ähnelt klassischen Beispielen, bei denen mütterliche Gene über die Fürsorgeumgebung das Wachstum oder die Immunität der Nachkommen beeinflussen.
Das Team entwickelte Rechenmodelle, um direkte genetische Effekte von indirekten, durch sozialen Kontakt vermittelten Effekten zu unterscheiden. Einige Bakterien der Familie Muribaculaceae wurden von beiden beeinflusst. Wurden diese sozialen Effekte in das Modell einbezogen, nahm die Gesamtstärke des genetischen Einflusses bei den drei neu identifizierten Gen-Mikroben-Zusammenhängen um das 4- bis 8-Fache zu. Die Forschenden vermuten, dass dies nur einen kleinen Teil des tatsächlichen Bildes darstellen könnte.
„Vielleicht sehen wir nur die Spitze des Eisbergs“, sagte Dr. Baud. „Derzeit können wir die Bakterien mit den stärksten Signalen nachweisen. Mit verbesserten Mikrobiomsequenzierungen könnten wir noch viele weitere Mikroben finden, die von sozialen genetischen Effekten beeinflusst werden.“
Die Studie legt außerdem nahe, dass große Bevölkerungsstudien die Auswirkungen von Genen auf die Gesundheit systematisch unterschätzen könnten, falls ähnliche Mechanismen beim Menschen existieren. Gene bestimmen möglicherweise nicht nur das Erkrankungsrisiko eines Individuums, sondern beeinflussen über die mikrobielle Übertragung auch die Gesundheit anderer Menschen in seinem sozialen Netzwerk.
Auf mechanistischer Ebene stellten die Forschenden fest, dass St6galnac1 bei Mäusen funktionell eng mit dem menschlichen Gen ST6GAL1 verwandt ist und frühere Studien ST6GAL1 ebenfalls mit Paraprevotella in Verbindung gebracht haben. Dies deutet darauf hin, dass verschiedene Arten einen biologischen Mechanismus teilen könnten, bei dem die Glykosylierung der Oberfläche des Darmschleims bestimmt, welche Mikroben den Darm besiedeln und sich dort vermehren können.
Das Team formulierte außerdem mögliche medizinische Hypothesen. Andere Studien haben ST6GAL1 mit einer SARS-CoV-2-Durchbruchsinfektion nach der Impfung in Verbindung gebracht, während gezeigt wurde, dass Paraprevotella den Abbau eines Verdauungsenzyms fördern kann, das das Virus zum Eindringen in Wirtszellen benötigt. Genetische Varianten könnten das Infektionsrisiko indirekt beeinflussen, indem sie die Häufigkeit dieses Bakteriums regulieren.
Paraprevotella könnte auch die Struktur von IgA-Antikörpern beeinflussen. IgA schützt den Darm, aber abnormales IgA kann in den Blutkreislauf gelangen und sich in den Nieren ansammeln, wodurch eine IgA-Nephropathie verursacht wird. Die Forschenden vermuteten, dass dieser Weg erklären könnte, warum manche Menschen die Autoimmunerkrankung entwickeln.
Als Nächstes will das Team untersuchen, wie St6galnac1 Paraprevotella bei Labormäusen reguliert, und die nachgelagerten Auswirkungen auf den Darm und die Physiologie des gesamten Körpers verfolgen.
„Ich bin inzwischen fast besessen von diesem Bakterium“, sagte Dr. Baud. „Unsere Ergebnisse wurden in vier unabhängigen Einrichtungen reproduziert, was uns eine außergewöhnlich seltene Gelegenheit für weiterführende Forschung bietet.“
Nachrichten | Können die Gene von Menschen, mit denen Sie zusammenleben, in Ihren Darm „einwandern“? Studie zeigt die soziale Übertragung genetischer Effekte durch Mikroben
Nachrichten | Können die Gene von Menschen, mit denen Sie zusammenleben, in Ihren Darm „wandern“? Studie zeigt soziale Übertragung genetischer Effekte durch Mikroben
Die Gene von Menschen, mit denen Sie zusammenleben, könnten unbemerkt die Bakterien in Ihrem Darm beeinflussen. Eine in Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt, dass das Zusammenleben nicht nur das Darmmikrobiom eines Menschen prägt, sondern auch dazu führen kann, dass sich genetische Effekte über Mikroben in einer Population „ausbreiten“.
Die Studie, eine Zusammenarbeit zwischen dem Center for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona und der University of California, San Diego, untersuchte mehr als 4,000 Labormäuse. Sie ergab, dass die Zusammensetzung des Darmmikrobioms einer Maus sowohl von ihren eigenen Genen als auch in erheblichem Maß von den Genen ihrer Käfiggenossen beeinflusst wurde.
Die Forschenden erklärten, dass die Gene selbst nicht zwischen Individuen übertragen werden, dass aber von diesen Genen geprägte kommensale Mikroben durch engen sozialen Kontakt weitergegeben werden können. Einige Gene fördern selektiv das Wachstum bestimmter Darmbakterien, die zwischen zusammenlebenden Tieren übertragen werden können und dazu führen, dass genetische Effekte auf andere Individuen „übergreifen“.
„Das ist keine Magie, sondern das Ergebnis genetischer Einflüsse, die durch sozialen Kontakt übertragen werden. Gene prägen das Darmmikrobiom, und wir haben festgestellt, dass nicht nur die eigenen Gene eines Individuums wirksam sind“, sagte die korrespondierende Autorin Dr. Amelie Baud, Forscherin am CRG.
Das Darmmikrobiom besteht aus Billionen von Mikroorganismen und spielt eine wichtige Rolle bei Verdauung, Immunität und der allgemeinen Gesundheit. Obwohl Ernährung und Medikamente als wichtige Einflussfaktoren gelten, war der genetische Beitrag lange schwer präzise zu bestimmen. In Humanstudien wurden bisher nur das Laktasegen und das Gen der ABO-Blutgruppe zuverlässig mit dem Darmmikrobiom in Verbindung gebracht.
Forschende stellten fest, dass Natur und Umwelt in natürlichen Lebensumgebungen eng miteinander verflochten sind: Gene beeinflussen Ernährung und Lebensstil, während Familienmitglieder und soziale Kontakte Nahrung, Lebensumgebungen und Mikroben teilen, wodurch sich genetische Effekte nur schwer isolieren lassen. Das Team verwendete daher genetisch vielfältige Labormäuse, die unter streng kontrollierten Bedingungen aufgezogen und mit derselben Nahrung gefüttert wurden.
Die 4,000 Mäuse stammten aus vier unabhängigen Populationen an vier US-Einrichtungen mit unterschiedlichen Haltungsverfahren. Durch die Kombination von Ganzgenom- und Darmmikrobiomdaten identifizierten die Forschenden drei Regionen mit Gen-Mikroben-Zusammenhängen, die unter verschiedenen Umweltbedingungen stabil blieben.
Der stärkste Zusammenhang betraf das Gen St6galnac1, das Zuckermoleküle an den Darmschleim anfügt. Die Forschenden vermuten, dass das Darmbakterium Paraprevotella diese Zucker verwertet. Der Zusammenhang wurde in allen vier Populationen beobachtet. Eine zweite Genregion enthielt mehrere Muzingene und stand mit der Häufigkeit von Firmicutes-Bakterien in Verbindung. Der dritte Zusammenhang betraf das Pip-Gen, das für ein antimikrobielles Molekül kodiert, und stand mit Bakterien aus der Familie Muribaculaceae in Verbindung, die bei Mäusen häufig und auch beim Menschen vorhanden ist.
Die große Stichprobe ermöglichte es den Forschenden erstmals zu quantifizieren, wie stark das Darmmikrobiom der Labormäuse durch ihre eigenen Gene bestimmt wurde und wie viel auf den genetischen Einfluss ihrer Käfiggenossen zurückzuführen war. Dieses Phänomen wird als „indirekter genetischer Effekt“ bezeichnet und ähnelt klassischen Beispielen, bei denen mütterliche Gene über die Fürsorgeumgebung das Wachstum oder die Immunität der Nachkommen beeinflussen.
Das Team entwickelte Rechenmodelle, um direkte genetische Effekte von indirekten, durch sozialen Kontakt vermittelten Effekten zu unterscheiden. Einige Bakterien der Familie Muribaculaceae wurden von beiden beeinflusst. Wurden diese sozialen Effekte in das Modell einbezogen, nahm die Gesamtstärke des genetischen Einflusses bei den drei neu identifizierten Gen-Mikroben-Zusammenhängen um das 4- bis 8-Fache zu. Die Forschenden vermuten, dass dies nur einen kleinen Teil des tatsächlichen Bildes darstellen könnte.
„Vielleicht sehen wir nur die Spitze des Eisbergs“, sagte Dr. Baud. „Derzeit können wir die Bakterien mit den stärksten Signalen nachweisen. Mit verbesserten Mikrobiomsequenzierungen könnten wir noch viele weitere Mikroben finden, die von sozialen genetischen Effekten beeinflusst werden.“
Die Studie legt außerdem nahe, dass große Bevölkerungsstudien die Auswirkungen von Genen auf die Gesundheit systematisch unterschätzen könnten, falls ähnliche Mechanismen beim Menschen existieren. Gene bestimmen möglicherweise nicht nur das Erkrankungsrisiko eines Individuums, sondern beeinflussen über die mikrobielle Übertragung auch die Gesundheit anderer Menschen in seinem sozialen Netzwerk.
Auf mechanistischer Ebene stellten die Forschenden fest, dass St6galnac1 bei Mäusen funktionell eng mit dem menschlichen Gen ST6GAL1 verwandt ist und frühere Studien ST6GAL1 ebenfalls mit Paraprevotella in Verbindung gebracht haben. Dies deutet darauf hin, dass verschiedene Arten einen biologischen Mechanismus teilen könnten, bei dem die Glykosylierung der Oberfläche des Darmschleims bestimmt, welche Mikroben den Darm besiedeln und sich dort vermehren können.
Das Team formulierte außerdem mögliche medizinische Hypothesen. Andere Studien haben ST6GAL1 mit einer SARS-CoV-2-Durchbruchsinfektion nach der Impfung in Verbindung gebracht, während gezeigt wurde, dass Paraprevotella den Abbau eines Verdauungsenzyms fördern kann, das das Virus zum Eindringen in Wirtszellen benötigt. Genetische Varianten könnten das Infektionsrisiko indirekt beeinflussen, indem sie die Häufigkeit dieses Bakteriums regulieren.
Paraprevotella könnte auch die Struktur von IgA-Antikörpern beeinflussen. IgA schützt den Darm, aber abnormales IgA kann in den Blutkreislauf gelangen und sich in den Nieren ansammeln, wodurch eine IgA-Nephropathie verursacht wird. Die Forschenden vermuteten, dass dieser Weg erklären könnte, warum manche Menschen die Autoimmunerkrankung entwickeln.
Als Nächstes will das Team untersuchen, wie St6galnac1 Paraprevotella bei Labormäusen reguliert, und die nachgelagerten Auswirkungen auf den Darm und die Physiologie des gesamten Körpers verfolgen.
„Ich bin inzwischen fast besessen von diesem Bakterium“, sagte Dr. Baud. „Unsere Ergebnisse wurden in vier unabhängigen Einrichtungen reproduziert, was uns eine außergewöhnlich seltene Gelegenheit für weiterführende Forschung bietet.“
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