Verschiedene Erkrankungen des Verdauungstraktes, zum Beispiel schwere Darmentzündungen beim Menschen, sind eng mit Störungen in der natürlichen Beweglichkeit des Darms. Welche Rolle das mikrobiom—also die Natürliche mikrobielle Gemeinschaft Besiedlung des Verdauungstraktes—spielt diese rhythmische Kontraktionen des Darms, auch bekannt als Peristaltik, ist derzeit Gegenstand intensiver Forschung. Es ist insbesondere unklar, wie die Kontraktionen gesteuert werden und wie die Zellen des Nervensystems, die als Schrittmacher-Funktion zusammen mit den Mikroorganismen.
Ein Forscherteam aus Zell-und Entwicklungsbiologie-Gruppe an der Universität Kiel ist es nun gelungen, demonstriert zum ersten mal, mit der süßwasserpolyp Hydra als Beispiel, daß phylogenetisch alte Neuronen und Bakterien tatsächlich direkt miteinander kommunizieren. Überraschenderweise entdeckten Sie, dass die Nervenzellen sind in der Lage, cross-talk mit den Mikroorganismen mittels immun-Rezeptoren, D. H., zum Teil mit den Mechanismen des Immunsystems.
Auf dieser Grundlage haben die Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 „Ursprung und Funktion der Metaorganisms“ formuliert die Hypothese, dass das Nervensystem hat nicht nur über die sensorischen und motorischen Funktionen von Beginn der evolution an, sondern ist auch verantwortlich für die Kommunikation mit den Mikroben. Die Kieler Forscher um Professor Thomas Bosch veröffentlichte Ihre Ergebnisse gemeinsam mit internationalen Kollegen heute in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Beobachtungen in einer einfachen und alten Nervensystems
Das Forscherteam untersuchte die einfach Nerven-Netzwerk des phylogenetisch alten süßwasserpolyp Hydra. Dieser Nerv net ist eine ähnliche Funktion wie das so genannte enterische Nervensystem von Wirbeltieren, die steuert den Verdauungstrakt Motilität. Die Forscher der CRC1182 machte zwei wichtige Beobachtungen. Ersten ist es Ihnen gelungen, zum ersten mal in der Identifizierung von Zellen der Hydra Nervensystems, die verantwortlich sind für die rhythmischen Kontraktionen des Magen-Hohlraum.
Der Schlüssel zu dieser Entdeckung war die enge Zusammenarbeit mit einer menschlichen Medizin, die Forschungsgruppe von Professor Mauro D ‚ Amato von der Monash University in Melbourne, Australien. In einem high-throughput-Studie mit Probenmaterial von Patienten mit Reizdarmsyndrom (IBS), der Australische Forscher entdeckten Genen, die verantwortlich sein könnte für die Störungen der Darmperistaltik beim Menschen. Auf dieser Grundlage Thomas Bosch-Forschungs-team untersucht Hydra für Zellen, in denen diese Gene aktiv sind. Überraschend haben die Kieler Forscher fanden Sie in einer kleinen Gruppe von Nervenzellen dieser alten Nervensystems.
Wenn Sie blockiert die Aktivität dieser Gene in Hydra, diese sofort führte zu einer drastischen Reduzierung in der rhythmischen Körper-Kontraktionen. Die Wissenschaftler an der Universität Kiel waren so in der Lage zu beweisen, dass diese Tat waren die Schrittmacher-Zellen, die Steuerung der Peristaltik. Da die Gene wurden ursprünglich entdeckt in menschlichen Proben, der Reizdarm-Patienten, die Kieler Forscher vermuten, dass diese Neuronen sind zentrale Steuerungseinheiten, die sich früh in der evolution der Tiere, zur Regulierung komplexer Körperfunktionen.
Zusätzlich wird die Studie von der Kieler Forschungs-team produzierte auch eine zweite, ebenso überraschende Ergebnis. Der detaillierte molekulargenetische Analyse des Hydra einzelnen Nervenzellen, die zeigten, dass Sie üben einen direkten Einfluss auf die Dichte und Zusammensetzung der symbiotischen Bakterien mit den Werkzeugen des angeborenen Immunsystems. Es war bereits bekannt, dass die Abwesenheit oder Störung der mikrobiom-übt einen wesentlichen Einfluss auf die Häufigkeit und Regelmäßigkeit der Kontraktionen. Die neue Studie macht jetzt deutlich, dass dies ein phylogenetisch alten Regulierungssystem, in dem die bi-direktionale Kommunikation zwischen bestimmten Neuronen und die symbiotischen Bakterien eine zentrale Rolle spielt.
„Unsere Beobachtungen zeigen, dass die Nervenzellen in der Lage sind, wahrzunehmen, Mikroorganismen und auf Sie reagieren“, erklärt Dr. Alexander Klimovich, Wissenschaftler in Zell-und Entwicklungsbiologie-Gruppe und Mitglied der CRC-1182. „Für die Neuronen-Rezeptoren, die in anderen Tieren in den Zellen des Immunsystems,“ der erste Autor der Studie weiter. Aktiviert pacemaker-Zellen lassen dann bestimmte Moleküle, wie antimikrobielle Peptide, die wiederum einen starken Einfluss auf die Anwesenheit oder Abwesenheit von spezifischen Mikroben.
In den nachfolgenden Untersuchungen, die Kieler Forschungsteam verglich die molekularen toolkit der Schrittmacher-Neuronen in den Mäusen und Nematoden, die mit der situation gefunden, in Hydra. Sie fanden, dass die Kommunikation von Schrittmacher-Zellen und Mikroben können auch in anderen Organismen. Detailliertere Analysen zeigten, dass sich, zum Beispiel, die Schrittmacher-Zellen in der Maus Darm auch besitzen immun-Rezeptoren, die die Kommunikation mit den Mikroorganismen, die in einer ähnlichen Weise.
„Wir gehen daher davon aus, dass die Kommunikation zwischen Neuronen und Mikroben über immun-Rezeptoren ist evolutionär hoch konserviert grundlegende Prinzip,“ Klimovich betont. „Es ist möglich, dass diese Verbindung zwischen dem Nervensystem und dem mikrobiom zuerst entwickelt, in hydras rund 650 Millionen Jahren“, sagt Klimovich.
Eine neue Hypothese
Die Ergebnisse der Kieler Forschungsteam liefern somit einen starken Beweis, dass die Entstehung des Nervensystems in engem Zusammenhang mit symbiotischen Mikroorganismen von Anfang an. „Wir haben vielleicht zu überdenken, die Entwicklung des immun-und Nervensystems“, betont Bosch, Leiter des Kieler Zell-und Entwicklungsbiologie-Gruppe und Sprecher des SFB 1182, „Die Untersuchungen auf Hydra zeigen, dass auch die evolutionär ältesten Nervensystem interagiert mit Mikroorganismen. Es ist möglich, dass Nervenzellen sich entwickelt, um die Kommunikation mit den Mikroben, die so wichtig sind für den Körper,“ Bosch weiter.