• Virom und Mikrobiom

Das menschliche Virom

Von |2022-01-24T09:23:13+01:00Januar 24th, 2022|Kategorien: Mikrobiom|Tags: , , |

Viren als Bestandteil des gesunden Mikrobioms

Von Dr. Evelyn Zientz

Das Darm Mikrobiom ist aktuell in aller Munde und seine weitreichende Wirkung auf die Gesundheit seines Wirtes wird zurzeit intensiv erforscht. Ständig werden neue Zusammenhänge zwischen der Gesundheit unserer Organe und der Beschaffenheit des Darms aufgedeckt. Das Wohlergehen fast jedes Organs hängt irgendwie mit dem Darm und seinen Bewohnern zusammen und viele Krankheiten gehen mit Störungen des Gleichgewichts des Darm-Mikrobioms einher.

Im Fokus der Untersuchungen stehen die Interaktionen der Darmbakterien mit ihrem Wirt. Doch das Darm-Mikrobiom besteht nicht nur aus Bakterien. Im Inneren des menschlichen Darms tummeln sich neben Pilzen, Archäen (den Bakterien ähnliche Einzeller) und Protozoen (einzellige „Tierchen“), auch reichlich Viren. Den durch Viren gebildeten Teil der Darmflora nennt man Virom.

Die Viren des Darmes

Die Mikrobiomforschung konzentrierte ich in der Vergangenheit auf die Bakterien des Darmes. Sie stellen mit etwa 99% auch die absolut größte Fraktion der Darmbewohner dar. Der Anteil der Viren wurde bisher auf ein Prozent geschätzt und man schenkte ihnen nicht viel Beachtung.

Viren sind Mikroorganismen, die nur aus einer Proteinhülle und ihrer Erbinformation bestehen. Sie können sich nicht selbständig vermehren, sondern nutzen dazu den Stoffwechsel der Wirtszelle. Bakteriophagen – oder kurz Phagen – haben ein schmales Wirtsspektrum und befallen nur eine einzige oder wenige nahe verwandte Arten.

Erst in jüngster Vergangenheit entdeckte man mehrere Zigtausende bisher unbekannte Viren im Darm. Darunter auch eine ganz neue, bisher unbeschriebene Gruppe, die den Namen Gubaphagen erhielt. Guba steht für Gut Bacteroidales phage und viele von ihnen befallen Bakterien der Gattung Bacteroides, einem häufigen und nützlichem Darmbakterium.

Insgesamt war das eine ziemliche Überraschung. Und so wird mittlerweile auch am Virom, der Gesamtheit der Viren des Darm-Mikrobioms geforscht. Da das Darm-Mikrobiom hauptsächlich aus Bakterien besteht, verwundert es nicht, dass unter den Viren des Darmes die Bakteriophagen dominieren. Bakteriophagen sind Viren, die speziell Bakterienzellen befallen. Aktuellen Schätzungen zufolge übersteigt die Anzahl der Bakteriophagen im Darm die der Bakterien um das Zehnfache. Und 90% der Viren des Darmes gehören zu den Bakteriophagen.

Viren können auch stillhalten

Um sich zu vermehren, oder einfach nur zu bestehen, nutzen Viren verschiedene Fortpflanzungsmechanismen. Welchen sie wählen hängt von den Umweltbedingungen ab. Viele Phagen integrieren sich nach der Infektion in das Erbgut der Wirtszelle und vermehren sich dort wie ein ganz normaler Bestandteil der Wirts-DNA mit jeder Zellteilung. Sie können in diesem Zustand sogar nützlich für den Wirt sein, wenn sie Gene tragen, die dem Wirt Vorteile verschaffen.

Unter ungünstigen Bedingungen, etwa Stress der Wirtszelle, scheiden sie aus der DNA aus und starten den lytischen Zyklus, bei dem sie sich vermehren und verkapseln und die Wirtszelle schließlich töten, wenn die Viruspartikel freigesetzt werden. Aber Phagen können auch chronisch sein und ständig kleine Mengen an Viruspartikeln produzieren, die den Wirt nicht töten, aber in seiner Fitness beeinträchtigen.

Das Virom entwickelt sich parallel zum Bakteriom

Die Gesellschaft der Phagen entwickelt sich ähnlich wie die Bakteriengesellschaft. Bei Neugeborenen befinden sich im Kindspech, dem erstem Stuhl, der sich während der Schwangerschaft sammelt und Flaumhaare, Hautzellen und Körpersekrete enthält, noch keine Bakteriophagen. Schon nach einer Woche findet man 10 hoch 8 VLP (virus like particles) pro Gramm Stuhl. Die Diversität der Virengesellschaft des Neugeborenen ist extrem gering und sehr dynamisch. Im Laufe weniger Jahre etabliert sich aber eine feste Gemeinschaft, die beim Erwachsenen genauso stabil ist, wie die Bakteriengesellschaft. Dabei überwiegen die temperenten Phagen, die im Genom des Wirtes sitzen und stillhalten.

Mikrobiom, Dysbiose und Phagen

Viele Erkrankungen, nicht nur solche des Darms, gehen mit einer Dysbiose des Darm-Mikrobioms einher. Aber was ist die Ursache dieser Dysbiose? Dieser Frage ist man am Beispiel chronisch entzündlicher Darmerkrankungen (CED) nachgegangen, denn eine bakterielle Dysbiose scheint ein wesentlicher Faktor bei der Entstehung und dem Verlauf von Colitis ulcerosa und Morbus Crohn, die allgemein als CED zusammengefasst werden, zu sein.

In einer Studie untersuchten Forscher die Gesellschaft der Phagen bei Gesunden und an Morbus Crohn oder Colitis ulcerosa erkrankten Patienten. Sie fanden bei Morbus Crohn Patienten insgesamt deutlich mehr VLP an der Mucosa des Darmes als bei Gesunden. An den von Geschwüren befallenen Stellen der Mucosa der Morbus Crohn Patienten befanden sich aber deutlich weniger Viren als an den nicht betroffenen Arealen.

Eine andere Studie zeigte, dass bei Colitis ulcerosa manche Gruppen von Phagen stark überrepräsentiert waren, während die Diversität insgesamt eher zurückging. Vor allem Phagen mit Kopf-Schwanz-Struktur (Caudovirales) und Phagen, die Enterobakterien, zu denen auch Escherichia coli gehört, befallen. Die größte Phagenfraktion stellten Phagen, die Bacteroides und Mycobakterien befallen, dar.

Da Phagen nur ein schmales Wirtsspektrum besitzen, können sie bestimmte Arten gezielt ausdünnen, wenn sie in den lytischen Zyklus übergehen. Da aber zwischen den verschiedenen Bakterienarten auch Wechselwirkungen bestehen, kann das auch die Populationsdichte anderer Arten beeinflussen. Insgesamt könnte sich daraus eine ausgewachsene Dysbiose entwickeln, meinen die Forscher.

Viren können auch nützlich sein

Aus der Sicht der Bakterien kann es auch nützlich sein, von einem Virus befallen zu sein, solange es temperent ist und im Bakteriengenom integriert bleibt. Die Viren können Träger nützlicher Gene sein, die ihrem Wirt Antibiotikaresistenzen verleihen oder Gene enthalten, die zum Abbau von Antikörpern oder Bestandteilen des Komplementsystems benötigt werden und die Wirte dadurch vor Angriffen des Immunsystems schützen.


Quellen:

Qv, Lingling et al. “Roles of Gut Bacteriophages in the Pathogenesis and Treatment of Inflammatory Bowel Disease.” Frontiers in cellular and infection microbiology vol. 11 755650. 25 Nov. 2021, doi:10.3389/fcimb.2021.755650


Fotonachweis: (c) adobe media, Bacteria germ. Vector stomach viruses biological allergy microbes bacterium epidemiology bacterial infection germs flu diseases vector cells. Von SpicyTruffel

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