Tiere und Menschen leben mit einer großen Anzahl von Mikroorganismen zusammen, die als Mikrobiom bezeichnet werden, und bilden eine komplexe Beziehung, die von wechselseitig nützlich bis hin zu pathogen reichen kann. Um sich vor schädlichen Krankheitserregern zu schützen und die Anwesenheit nützlicher Mikroorganismen aufrechtzuerhalten, haben Tiere verschiedene Immunabwehrmechanismen entwickelt.
Einer der Abwehrmechanismen ist die Produktion von antimikrobiellen Peptiden, die eindringende Mikroben bekämpfen. Antimikrobielle Peptide sind Peptideffektoren, die sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren zu finden sind und Bakterien abtöten, indem sie ihre Hülle perforieren.
Frühere Studien haben gezeigt, dass sich die Gene, die für antimikrobielle Peptide kodieren, bei den verschiedenen Arten schnell verändern, aber über die Gründe für diese Entwicklung ist nur wenig bekannt. Beispielsweise haben Tiere unterschiedliche "Repertoires" an Genen, die für verschiedene antimikrobielle Peptide kodieren, während ihnen gleichzeitig andere Gene fehlen, die anderswo gefunden wurden. Es ist wichtig, die "Logik" zu verstehen, die der Evolution dieses Repertoires an Immungenen zugrunde liegt. Dadurch können wir besser verstehen, wie sich das Immunsystem im Laufe der Evolution verändert, und innovative Strategien zur Verhinderung von Infektionen entwickeln, die auf bestimmte mikrobielle Erreger abzielen.
Unter der Leitung von drei Wissenschaftlern der EPFL zeigt eine neue Studie den Selektionsdruck auf, der die Evolution antimikrobieller Peptide und die Art und Weise, wie sie die Bakterien im Mikrobiom des Wirts kontrollieren, beeinflusst. Die Arbeiten wurden im Team von Bruno Lemaitre an der Fakultät für Biowissenschaften der EPFL von Mark Hanson (jetzt an der University of Exeter) und Lena Grollmus durchgeführt. Sie wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Die Forscherinnen und Forscher haben sich mit Diptericin (Dpt) befasst. Dabei handelt es sich um ein kleines antimikrobielles Peptid, das Fliegen vor gramnegativen Bakterien schützt, indem es die Bakterienmembran der Bakterien stört. Bei der Untersuchung von Drosophila untersuchte das Team, wie sich die Gene, die für Diptericine kodieren, bei verschiedenen Arten in Abhängigkeit von ihrer mikrobiellen Umgebung entwickeln. Das Team fand heraus, dass zwei Arten von Diptericinen, die als DptA und DptB bezeichnet werden, spezifische Rollen beim Schutz der Fruchtfliege vor verschiedenen Bakterien spielen.
Durch die Verwendung von Mutanten, denen das DptA- oder das DptB-Gen fehlte, fanden die Forscherinnen und Forscher heraus, dass DptA gegen Providencia rettgeri, einen natürlichen Krankheitserreger von Drosophila, wirksam ist. DptB wiederum trägt zur Abwehr von Bakterien der Gattung Acetobacter bei. Dabei handelt es sich um symbiotische Bakterien, die sich im Darm von Drosophila befinden und zu ihrer Physiologie und Entwicklung beitragen. So sind von den über 100 Effektoren des Immunsystems nur zwei antimikrobielle Peptide gegen diese beiden Bakterien kritisch, was ihre sehr hohe Wirkungsspezifität offenbart.
Die Wissenschaftler analysierten die Entwicklung der Diptericin-Gene bei verschiedenen Drosophila-Arten mit unterschiedlichen Ökologien und zeigten, dass das Vorhandensein von DptB bei Arten zu beobachten ist, die sich von verrottenden Früchten ernähren, einer Umgebung, die mit hohenAcetobacter-Werten einhergeht. Drosophila-Arten, die auf Pilzen leben oder lebende Pflanzen parasitieren, in denen Acetobacter nicht vorkommt, haben das DptB-Gen verloren. Dies deutet darauf hin, dass sich DptB so entwickelt hat, dass es spezifisch Acetobacter , eine Bakterienart aus der Mikrobiota, kontrolliert.
Auch das DptA-Gen wird nur bei Drosophila-Arten gefunden, die in verrottenden Früchten oder Pilzen leben, in denen Providencia rettgeri vorkommt. Dieses Gen wird nicht bei Arten gefunden, die in lebenden Pflanzen parasitieren, wo dieser Erreger nicht vorkommt.
Diese Forscher haben gezeigt, dass das Vorhandensein von DptA und/oder DptB ausreicht, um die Resistenz einer Art gegen das eine oder andere Bakterium vorherzusagen. Dies unterstreicht die evolutionäre Anpassung des Immunrepertoires der Fliege, um gegen spezifische Mikroben in ihrer Umgebung zu kämpfen.
Diese Arbeiten ermöglichen ein besseres Verständnis der Evolutionsdynamik, die das Immunsystem von Tieren beeinflusst, und der Art und Weise, wie sich die Abwehrkräfte anpassen, um spezifische Krankheitserreger zu bekämpfen und gleichzeitig nützliche Mikroorganismen zu begünstigen. Sie ermöglichen die Entwicklung eines neuen Modells der Evolution antimikrobieller Peptide, bei dem die Verdopplung von Genen, bestimmte Mutationen oder einfach der Verlust dieser Gene von der Ökologie und dem Mikrobiom des Wirts geleitet wird. Dieses Modell erklärt, warum verschiedene Arten über spezifische Repertoires antimikrobieller Peptide verfügen. Damit lässt sich auch erklären, wie sich die Immunsysteme des Wirts schnell an alle Mikroben anpassen, die mit einer neuen ökologischen Nische assoziiert sind.
"Die Art und Weise, wie unser Körper Infektionen bekämpft, ist sehr komplex", sagt Mark Hanson. "Aber diese Art von Forschung ermöglicht es uns, unser Immunsystem aus einer neuen Perspektive zu betrachten. Sie wirft die Frage auf, was wir tun sollten: Warum ist unser Immunsystem so aufgebaut? Das kann uns helfen, Infektionen zu bekämpfen, auch solche, die gegen Antibiotika resistent sind."
