Die RNA-Welt der Mikrobiota erforscht

Die Darmmikrobiota spielt eine zentrale Rolle für die Aufrechterhaltung menschlicher Stoffwechselfunktionen. Traditionell hat sich die Forschung auf Veränderungen in der Zusammensetzung der Mikrobiota unter verschiedenen Bedingungen konzentriert. Zunehmend steht jedoch die Molekularbiologie der Darmbakterien im Zentrum der Forschung.

Die Spezies Bacteroides thetaiotaomicron (B. theta) ist ein Modellorganismus für die Erforschung der menschlichen Mikrobiota. Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) haben das Transkriptom – also sämtliche zelluläre RNA-Moleküle – dieses anaeroben Bakteriums nun detailliert kartiert. Das HIRI ist eine gemeinsame Einrichtung des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig und der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. Die Ergebnisse sind in einer Online-Datenbank abrufbar und wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Eine „Landkarte“ der RNA

Im menschlichen Darm bilden unzählige Bakterien eine komplexe Gemeinschaft. „B. theta ist eine der am häufigsten vorkommenden Spezies dort und im Labor relativ einfach zu untersuchen. Bisher gab es jedoch keine hochaufgelöste Transkriptomannotation – eine ,RNA-Landkarte‘, wenn man so will. Ohne diese Karte ist es sehr schwierig, grundlegende Fragen der Biologie des Organismus zu beantworten“, sagt Juniorprofessor Alexander Westermann, Leiter der HIRI-Forschungsgruppe „Wirt-Pathogen-Mikrobiota Interaktionen“.

Mittels RNA-Sequenzierung haben Westermann und sein Team in enger Kollaboration mit der HIRI-Gruppe von Lars Barquist die in B. theta produzierten RNAs erfasst. Ihre Transkriptomdaten stehen anderen Wissenschaftlern im Online-Browser „Theta Base“ zur Verfügung; eine Ressource, die die Forschung im B. theta-Feld künftig erleichtern wird.

Erst der Beginn der Erforschung

In ihrem Datensatz fanden die HIRI-Forscher mehr als 200 nicht-kodierende RNAs. Anders als Boten-RNA, die als Bauplan für Proteine dient, werden diese RNAs nicht übersetzt. Stattdessen sind etliche unter ihnen möglicherweise regulatorische RNAs, die die Aktivität von anderen Genen kontrollieren. B. theta fehlen jedoch bekannte RNA-Bindeproteine, die in anderen Bakterienspezies die Funktionen regulatorischer RNAs unterstützen. „Daher war es unklar, inwieweit RNA-basierte Regulation für B. theta eine Rolle spielt. Wir fanden Hinweise sowohl für stark konservierte als auch für hochspezifische Mechanismen der RNA-vermittelten Genregulation“, sagt Westermann.

In ihrer Studie charakterisierten die Forscher die konservierte kleine RNA GibS. Sie fanden heraus, dass bestimmte Zuckermoleküle die Produktion von GibS auslösen. Wenn diese Zucker vom Bakterium wahrgenommen werden, wirkt GibS wie eine Art Schalter, der die Expression von Stoffwechselgenen gezielt an die neuen Bedingungen anpasst. „Verglichen mit aeroben Bakterien wissen wir aktuell noch wenig über die RNA-basierte Genregulation in anaeroben Spezies – wir haben gerade erst begonnen, diese Welt zu erforschen. Unsere nächsten Schritte gelten der Bestimmung nicht-kodierender RNA, die den Lebensstil von B. theta im menschlichen Darm beeinflusst“, sagt Westermann.

Publikation

Daniel Ryan, Laura Jenniches, Sarah Reichardt, Lars Barquist, Alexander J. Westermann: A high-resolution transcriptome map identifies small RNA regulation of metabolism in the gut microbe Bacteroides thetaiotaomicron. Nature Communications. 2020.

Finanzierung

Diese Arbeit wurde von der DFG (Projekt WE 6689/1-1) und vom IZKF an der Universität Würzburg (Projekt Z-6) finanziell unterstützt.