Leuchtende Bakterien steuern Uhrgene im Körper des Wirts

Eine weitere neue Studie unternimmt einen weiteren Schritt, um den allgegenwärtigen Einfluss mikrobieller Gemeinschaften auf Pflanzen und Tiere auf ihre Biologie aufzudecken. Wissenschaftler in den USA haben entdeckt, dass das leuchtende Bakterium Vibrio fischeri reguliert den täglichen Rhythmus seines Wirts, des hawaiianischen Bobtail-Tintenfisches, indem er mit seinen Uhrgenen interagiert.
Margaret McFall-Ngai von der Universität von Wisconsin-Madison (UW-Madison) und Kollegen berichten, wie sie in der Online-Ausgabe der Zeitschrift vom 2. April das symbiotische Bakterium entdeckt haben, das die biologische Uhr ihres Wirtes setzt mBio.

Neue Einblicke in Microbiome

Die Studie ist die erste, die zeigt eine Mikrobe, die den zirkadianen Rhythmus ihres Wirtes reguliert. Es ist wichtig, weil es darauf hindeutet, dass zwischen lebenden Wirten und den Mikroben, die sie bewohnen, viel mehr passiert, als wir vielleicht denken: obwohl andere neuere Studien auch einige interessante neue Erkenntnisse enthüllen.
Nimm zum Beispiel das "Mikrobiom", das den menschlichen Darm bewohnt. Diese riesige Sammlung mikrobieller Gemeinschaften umfasst Tausende von Bakterien, Pilzen und anderen Organismen, die für die Verdauung wichtige Aufgaben übernehmen, wie die Herstellung von Vitaminen und essentiellen Aminosäuren, den Abbau von Giftstoffen und die Schaffung von Barrieren gegen unfreundliche Eindringlinge.
Kürzlich stellte ein internationales Team von Wissenschaftlern fest, dass die Gene im Mikrobiom des menschlichen Darms mit 3,3 Millionen um ein Vielfaches größer sind als die 23.000 oder so Gene im menschlichen Genom.
Ein anderes Team von US-Forschern berichtete, dass Darmbakterien Teil eines komplexen Systems sind, das den Blutdruck des Körpers aufrechterhält, während eine Gruppe aus China und Europa anmerkte, dass die Darmbakterien von Menschen mit Typ-2-Diabetes sehr charakteristisch sind.

Biologische Uhr

Menschen und andere Tiere haben eine "biologische Uhr", die unseren zirkadianen Rhythmus in einen 24-Stunden-Zyklus reguliert.

Unsere biologische Uhr scheint weitgehend durch die Einwirkung von Licht und Dunkelheit gesteuert zu werden und ist verantwortlich für Schlaf- und Wachmuster sowie bestimmte metabolische und physiologische Funktionen.
Dieser Rhythmus ist uns meistens nicht bewusst, bis er gestört wird, etwa durch Jetlag oder Nachtschichten.
Es gibt Hinweise darauf, dass die Unterbrechung dieses täglichen Zyklus ernsthafte Auswirkungen auf unsere Gesundheit haben kann, die zum Beispiel zu Schlafstörungen, Störungen des Immunsystems und Krankheiten wie der saisonalen affektiven Störung führen kann.
Wissenschaftler vermuten, dass der zirkadiane Rhythmus auf molekularer Ebene von einer Reihe von "Uhr-Genen" und deren Verwandten gesteuert wird.
"Die Gene, die im Darm exprimiert werden, befinden sich im Menschen in einem starken zirkadianen Rhythmus, der von den Uhrgenen gesteuert wird", sagt McFall-Ngai in einer Erklärung.

Der hawaiische Bobtail Tintenfisch

Der hawaiianische Bobtail-Tintenfisch, Euprymna scolopes, ist ein kleines wirbelloses Meerschweinchen, das seine Nächte in der Nähe der Meeresoberfläche verbringt.
Es hat viele Tricks, um vor möglichen Raubtieren abzulenken oder zu verstecken: Es kann Tinte als Lockvogel freisetzen, es kann sich im Sand vergraben, und es kann seine Farbe ändern.
Aber vielleicht ist das ausgereifteste Werkzeug in seinem Arsenal das, das eine Kolonie von biolumineszenten enthält V. Fischeri getragen in einem speziellen "Lichtorgan" innerhalb seiner Mantelhöhle.
Der Tintenfisch benutzt das Lichtorgan als eine Art Tarnvorrichtung. Es kann die Qualität des Lichts steuern und verändern, und es kann auch die Intensität des Lichts manipulieren, um es dem herabsteigenden Mond und Sternenlicht anzupassen, um seine Silhouette zu überdecken und Raubtieren auszuweichen.
Bei Tagesanbruch entlüftet der Tintenfisch 90% der leuchtenden Bakterien, gräbt sich in den Sand und schläft bis zum Einbruch der Dunkelheit, wenn er mit einer neuen Bakterienernte wieder seine nächtliche Futtersuche beginnt.

Licht aus Bakterien löst genetische Kaskade im Lichtorgan des Tintenfisches aus

In ihrer Studie fanden McFall-Ngai und Kollegen, dass das Licht von dem kolonisierenden Bakterium erzeugt wird Vibrio fischeri löst eine genetische Kaskade in den Zellen des Lichtorgans des Tintenfisches aus.
Diese Kaskade steuert den täglichen Aktivitätszyklus, der normalerweise durch Umgebungssignale wie Sonnenlicht synchronisiert wird.
"Anstelle von Umgebungslicht reagiert dieses Tier und reagiert auf die Lumineszenz seines eigenen Lichtorgans." sagt McFall-Ngai, Professor für medizinische Mikrobiologie und Autor des Bobtail-Tintenfisches und seines lumineszierenden symbiotischen Bakteriums.
"Dieses Tier hat ein Licht erzeugendes System in einem Organ in der Mitte des Körpers", erklärt sie, "Die Bakterien im Lichtorgan sind leuchtend, und ihre Lumineszenz beeinflusst den Ausdruck eines Uhrengens, das in der Zellen des Lichtorgans, die mit diesen leuchtenden Bakterien interagieren. "
Das Team untersuchte auch, was mit dem cry-Gen mit und ohne Anwesenheit der Bakterien passiert ist und was in Gegenwart von mutierten Bakterien passiert ist, die kein Licht erzeugen können.
Sie fanden heraus, dass die Gene der Tintenfische, die in einem Rhythmus ausgedrückt werden, Licht vom Bakterium benötigten.

Nützliches Modell zum Studieren des Zusammenspiels von Symbiont-Bakterien und der Biologie des Wirts

Die Forscher schlagen vor, dass das Lichtorgan des Tintenfisches ein nützliches Modell für das Verständnis des Zusammenspiels eines Symbiontenbakteriums und der biologischen Funktionen seines Wirtes ist.
McFall-Ngai sagt, dass der menschliche Darm auch ein System ist, das durch Rhythmus gekennzeichnet ist:
"Alles im menschlichen Darm ist in einem Rhythmus. Vielleicht regieren dort auch die tausenden von Bakterien die Rhythmen des Darms, ebenso wie der leuchtende Bakterienpartner des Tintenfisches die Rhythmen im Lichtorgan setzt."
Sie sagt, dass das Lichtorgan des Tintenfisches ein einfaches Modell bietet, in dem man nur eine Mikrobe genetisch manipulieren und sehen kann, wie sie das ganze System beeinflusst.
Dies bietet "viel mehr Auflösung, als in Studien des menschlichen Darms getan werden kann", sagt McFall-Ngai.
Aber der vielleicht erstaunlichste Teil dieser Entdeckung ist, wie sie sagt:
"Wir beginnen zu erkennen, dass zirkadiane Rhythmen wirklich wichtig für die Gesundheit sind und dass Mikroben für alles wichtig sind."
Mittel aus den National Institutes of Health und der National Science Foundation halfen, die Forschung zu finanzieren.

Geschrieben von Catharine Paddock