Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Die langfristigen Auswirkungen des neolithischen Übergangs zum Ackerbau auf unsere Mikrobiome

Autoren
Ley, Ruth E.
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen
Zusammenfassung
Der Übergang zu einem sesshaften Lebensstil mit Ackerbau und Viehzucht während des Neolithikums hinterließ genetische Spuren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Abteilung für Mikrobiomforschung haben herausgefunden, dass Unterschiede zwischen Menschen auf der Ebene der Gene, die am Stärke- und Milchstoffwechsel beteiligt sind, eine wichtige Rolle für die Zusammensetzung des Mikrobioms im Darm spielen. Die Anpassung des Menschen an neue Ernährungsgewohnheiten führte zu genetischen Variationen, die sich noch heute in Unterschieden in modernen Mikrobiomen widerspiegeln.

Einführung

Mikroorganismen besiedeln den menschlichen Körper, wo sie Gemeinschaften, sogenannte Mikrobiome, bilden. Sie entwickelten sich parallel zum Menschen und sind an dessen Lebensbedingungen angepasst. Ihre Fähigkeiten erweitern das Potenzial ihres Wirtes: Mikroorganismen im Dickdarm bewirken eine Erweiterung der Verdauungsfähigkeiten, sensibilisieren das Immunsystem, produzieren Vitamine, bauen Giftstoffe ab und unterstützen die Abwehr gegen Pathogene (Abb. 1).

Abb. 1: Darmmikroben erreichen eine Anzahl von bis zu 10 Billionen Zellen im menschlichen Darm. Hier abgebildet ist Christensenella minuta, ein menschliches Darmbakterium, das von der Genetik seines Wirts beeinflusst wird und in Individuen mit einem gesunden Körpermaßindex angereichert ist.

Gesundheit erfordert das Vorhandensein eines Mikrobioms, dessen Wechselbeziehungen mit dem Wirt vorteilhaft sind [1]. Der relative Anteil der tausenden von Arten mikrobieller Spezies im Darm wird weitgehend durch die Ernährung und andere Faktoren, wie den allgemeinen Gesundheitszustand, beeinflusst. Aktuelle Studien zeigen darüber hinaus, dass auch das Erbgut des Wirts eine Rolle bei der Gestaltung der Zusammensetzung des Darmmikrobioms spielen kann.

Die stärksten Verbindungen zwischen dem menschlichen Genotyp und dem Mikrobiom ergaben sich durch den Übergang zur Agronomie vor rund 10.000 Jahren. Dieser Wandel hat Spuren in unseren Genomen hinterlassen und wir stellen fest, dass diese sich auch in unseren Mikrobiomen widerspiegeln.

Mikroorganismen und Milch

Um die Zusammenhänge zwischen den Veränderungen des Wirtsgenotyps und der Veränderung der Zusammensetzung des Mikrobioms zu untersuchen, vergleichen wir die Informationen über menschliche Genotypen und Mikrobiome einer definierten Population. So haben wir beispielsweise die DNA von Mikroorganismen in Stuhlproben von über 3.000 Briten sequenziert, deren Erbgut ebenfalls sequenziert worden war [2]. Wir führten dann eine genomweite Assoziationsanalyse durch, in der die Genvariationen unter den Probanden analysiert wurden, um herauszufinden, inwiefern diese als Indiz dafür genutzt werden können, den relativen Anteil der verschiedenen Arten von Mikroorganismen im Stuhl vorherzusagen.

Interessanterweise haben wir einen Zusammenhang zwischen dem Vorhandensein von Bakterien der Gattung Bifidobacterium und derjenigen Genregion, die die Produktion des Enzyms Laktase bestimmt, gefunden. Neugeborene Säugetiere produzieren Laktase, um den Milchzucker Laktose zu verdauen. Laktase wird jedoch nicht mehr benötigt, wenn die Säugetiere entwöhnt sind, sodass Erwachsene das Enzym nicht mehr produzieren. Allerdings führte die Ernährungsumstellung an mehreren Orten weltweit, wo Menschen Tiere für die Milchproduktion domestizierten, zu einer fortwährenden Laktase-Produktion auch im Erwachsenenalter. Heute besitzt ein erheblicher Teil der Weltbevölkerung eine Laktase-Persistenz, und dieses Merkmal ist im Laktase-Gen LCT kodiert.

In mehreren westlichen Populationen korreliert der alternative LCT-Genotyp, der nicht mit einer ständigen Laktase-Produktion verbunden ist, mit einer höheren, auf alle Mikroben bezogene Anzahl von Bifidobakterien im Darm, wahrscheinlich, weil diese Laktose nutzen können. Eine Möglichkeit ist, dass diese Bakterien diejenige Arbeit verrichten, die der Wirt nicht leisten kann, nämlich den Abbau der ernährungsphysiologisch wertvollen Laktose. Wie weit verbreitet dieses Muster außerhalb der westlichen Welt ist und ob Bifidobakterien ihren Wirten tatsächlich bei der Laktoseverdauung helfen oder aber sogar zu Symptomen der Laktose-Intoleranz beitragen, sind Bestandteil aktueller Forschung.

Mikroorganismen und Stärke

Gene im menschlichen Genom können nicht nur bezüglich der Zusammensetzung von Nukleotiden je nach Individuum variieren, wie beim Laktase-Gen, sondern auch in Bezug auf die Anzahl der im Genom kodierten Gen-Kopien. Speichelamylase im Mund hydrolysiert Stärke, setzt dadurch Glukose frei und stößt dadurch den Prozess des Stärkeabbaus an. Menschen mit einer niedrigen Kopienzahl des Speichelamylase-Gens AMY1 produzieren weniger Speichelamylase als Menschen mit einer höheren Kopienzahl. Die Menge an Amylase, die im Mund produziert wird, beeinflusst wiederum den Geschmack und die haptische Wahrnehmung von stärkehaltigen Lebensmitteln wie Brot und bestimmt, wie schnell Insulin als Reaktion auf die Stärkeverdauung im Körper freigesetzt wird. 

Die Variation der Kopienzahl von AMY1 im Menschen gilt ebenfalls als einer der stärksten Indikatoren jüngster Selektionsereignisse in menschlichen Populationen. Wir nehmen an, dass im Zuge der Umstellung auf Ackerbau die Ernährungsumstellung auf eine größere Stärkezufuhr die Verdoppelung der AMY1-Gene bewirkte. Weltweit und über genetische Hintergründe hinweg variiert die Kopienzahl von AMY1 zwischen zwei und 24. Die durchschnittliche AMY1-Kopienzahl in Populationen mit agrarischem Hintergrund scheint höher zu sein als bei Jägern und Sammlern. Oder anders formuliert: Auf Bevölkerungsebene scheint ein höherer Amylasegehalt im Mund vorteilhaft für diejenigen zu sein, die mehr Stärke konsumieren. Um dies zu überprüfen, haben wir die Mund- und Darmmikrobiome von Testpersonen mit hoher oder niedriger AMY1-Kopienzahl verglichen [3]. Dabei war der Effekt im Mund sehr auffällig: Personen mit einer hohen AMY1-Kopienzahl setzten mehr Zucker frei und bei diesen Personen wurden sogar eine größere Anzahl an Bakterien gefunden, die mit Karies in Verbindung stehen. Im Verdauungstrakt verlagerte sich die Funktionalität des Mikrobioms im Dickdarm vermehrt auf den Abbau resistenter Stärke, womöglich, weil die einfach abzubauende Stärke bereits im Dünndarm vom Wirt absorbiert und somit aus der Nahrung entfernt wurden.

Ausblick

Die Ergebnisse dieser Studien können sich als relevant für die Bemühungen erweisen, die Ernährung für individuelle Mikrobiome zu optimieren. Die Nahrungsaufnahme ist einer der stärksten Faktoren, der die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft im Darm beeinflusst. Traditionell wird der glykämische Index eines Lebensmittels als ein Wert angegeben, der für alle Individuen gleich sein sollte, wobei Lebensmittel mit einem niedrigeren glykämischen Index als gesünder gelten. Es zeigten sich jedoch merkliche inter-individuelle Unterschiede in den Blutzuckerspiegeln und Reaktionen des Darmmikrobioms auf verschiedene Lebensmittel. Genetische Faktoren des Wirts, wie der LCT-Genotyp und die AMY1-Kopienzahl, könnten durch ihren Einfluss auf die Zusammensetzung des Mikrobioms zu den beschriebenen Unterschieden in der Glukosereaktion und dem Blutzuckerspiegel beitragen.

Künftige Studien zur gesunden Ernährung werden vom besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Wirtsgenetik und Mikrobiom profitieren.

Literaturhinweise

1.
Goodrich, J. K.; Davenport, E. R.; Clark, A. G.; Ley, R. E.
The relationship between the human genome and microbiome comes into view
Annual Review of Genetics 51, 413 – 433 (2017)
2.
Goodrich, J. K.; Davenport, E. R.; Jackson, M. A.; Beaumont, M.; Knight, R.; Spector, T. D.; Bell, J. T.; Clark, A. G.; Ley, R. E.
Genetic determinants of the gut microbiome assessed in UK Twins  
Cell Host Microbe 19, 731 - 743 (2016)
3.
Poole, A. C.; Goodrich, J. K.; Youngblut, N. D.; Luque, G. G.; Ruaud, A.; Sutter, J. L.; Waters, J. L.; Shi, Q.; El-Hadidi, M.; Johnson, L. M.; Bar, H. Y.; Huson, D. H.; Booth, J. G.; Ley, R. E.
Human salivary amylase gene copy number impacts oral and gut microbiomes
Cell Host & Microbe 25, 553 – 564 (2019)
Zur Redakteursansicht