Darmarchaeen wecken Immunzellen je nach Menge unterschiedlich

Menschliche Immunzellen reagieren auf zwei im Darm verbreitete Archaeen mit einem gemeinsamen Genprogramm, jedoch unterschiedlich schnell und stark. Die Menge der aufgenommenen archaeellen RNA scheint den Unterschied zu machen. Das berichtet ein Team des Forschungszentrums Borstel, Leibniz Lungenzentrum, und der Medizinischen Universität Graz im Fachblatt Nature Communications.

Archaeen sind eine eigenständige Gruppe von Mikroorganismen und stellen einen relevanten Teil der Darmbesiedlung des Menschen. Anders als viele Bakterien besitzen sie keine typischen Zellwandbestandteile wie Lipopolysaccharide, an denen das Immunsystem Krankheitserreger häufig erkennt. Wie Immunzellen sie wahrnehmen, war bislang nur unzureichend verstanden.

Untersucht wurden die beiden häufigen Darmarchaeen Methanosphaera stadtmanae und Methanobrevibacter smithii. Veröffentlicht ist die Arbeit nach Begutachtung in einer Fachzeitschrift.

Genaktivität in Blutzellen gesunder Spender

Das Team um Holger Heine und Erstautor Fan Xu hat Blutzellen von gesunden Spendern analysiert. Das Team erfasste, welche Gene nach dem Kontakt mit den beiden Archaeen aktiv werden. Dazu dienten zeitlich aufgelöste RNA-Sequenzierungen von mononukleären Zellen des Blutes, einer Mischung verschiedener Immunzellen. Unterstützt wurde das Team von der Borsteler Forschungsgruppe „Data Science“ um Inken Wohlers.

Weitere Versuche liefen an gereinigten CD14-positiven Monozyten, an denen das Team die Aufnahme der Archaeen untersuchte. Ergänzend kamen in ausgewählten Versuchen aus Monozyten gewonnene dendritische Zellen zum Einsatz.

Die Antworten auf beide Archaeen waren weitgehend vom Rezeptor TLR8 abhängig.

Gemeinsames Programm, unterschiedliches Tempo

Beide Arten lösen ein gemeinsames Grundprogramm mit 443 Genen aus, die überwiegend antiviral wirken oder Entzündungen fördern. Der Unterschied liegt in der Kinetik: M. stadtmanae löste eine frühere und stärkere Antwort aus, während M. smithii eher allmählich wirkte.

Etwas über die Hälfte der Gene, nämlich 56 Prozent, setzt M. stadtmanae deutlich früher in Gang. Die übrigen 44 Prozent werden von beiden gleich stark angeschaltet. Die früh hochregulierten Gene teilt die Studie in Klasse I und Klasse II ein. Klasse I umfasst Gene, die bevorzugt M. stadtmanae anschaltet, Klasse II solche, die beide Arten ähnlich stark induzieren. Die Bezeichnungen beziehen sich nur auf das Expressionsmuster und haben nichts mit den MHC-Klassen der Antigenpräsentation zu tun.

Typische Vertreter der Klasse I sind IL12B, IL6 und TNF, zu Klasse II zählen etwa CCL2, CCL8 und CXCL10.

Auch bei der Aufnahme unterscheiden sich die Arten. Die Immunzellen nehmen M. stadtmanae nicht nur schneller, sondern auch in höherer Zahl. Schon nach einer Stunde hatte fast die Hälfte der geprüften Monozyten, konkret 48 Prozent, mindestens eine M. stadtmanae-Zelle aufgenommen; bei M. smithii lag der Anteil bei sieben Prozent.

Die Menge der RNA macht den Unterschied

Der Toll-like-Rezeptor 8 erkennt im Zellinneren die RNA beider Archaeen. Gereinigt wirken die RNAs beider Arten gleich stark; der Unterschied liegt demnach in der aufgenommenen Menge. In Dosis-Wirkungs-Versuchen mit archaeeller RNA zeigten sich getrennte Aktivierungsschwellen: Klasse-II-Gene sprachen schon bei geringer RNA-Menge an, Klasse-I-Gene brauchten mehr.

Die Signalwege dahinter sind verschieden. Die Gene für IL-6 und TNF brauchen ein kräftiges Signal; sie unterstehen dem Transkriptionsfaktor NF-κB. Schon geringe RNA-Mengen genügen dagegen, um über den STAT1/2-Signalweg andere Gene zu aktivieren, etwa für Chemokine und Interferone. Chromatin-Immunpräzipitationen stützen das: Die stärkere Aktivierung der Klasse-I-Gene durch M. stadtmanae ging mit einer stärkeren Bindung von NF-κB p65 an die zugehörigen Genschalter einher. STAT1/2 band dagegen an den Klasse-II-Genen bei beiden Reizen.

„Wir haben lange nicht verstanden, wie über ein und denselben Rezeptor so unterschiedliche Aktivierungsprogramme gesteuert werden können“, sagt Holger Heine, Leiter der Forschungsgruppe „Angeborene Immunität“ am Forschungszentrum Borstel. Erst experimentelle Hinweise auf unterschiedliche Aktivierungsschwellenwerte bei verschiedenen Genklassen hätten zur Aufklärung geführt, so Heine.

Einordnung

Methanbildende Archaeen im Darm gelten als gesundheitlich schwer einzuordnen. Eine Übersichtsarbeit von 2018 in der Fachzeitschrift Applied Microbiology and Biotechnology hielt fest, der menschliche Körper beherberge nur eine Handvoll Methanogen-Arten, darunter Methanobrevibacter smithii und Methanosphaera stadtmanae. Ihre Anwesenheit im Darm lasse auf einen indirekten Zusammenhang mit schweren Erkrankungen des Dickdarms schließen.

Die Autoren der neuen Studie verweisen unter Berufung auf frühere Arbeiten auf eine scheinbar widersprüchliche Befundlage. Eine örtliche Überzahl von Methanobrevibacter ist danach mit Parodontitis, Verstopfung, Parkinson und Darmkrebs in Verbindung gebracht worden, ein Mangel mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (IBD). M. stadtmanae zeigt bei IBD entzündungsfördernde Eigenschaften, doch eine frühe Besiedlung wird mit einem geringeren Asthmarisiko im Kindesalter in Verbindung gebracht. Die Autoren schließen daraus, dass die Wirkung von Archaeen vom Kontext abhängt und von Menge, Stammzusammensetzung, Gemeinschaft, Ernährung und Immunlage geprägt sein dürfte.

Frühere Arbeiten hatten bereits gezeigt, dass die Erkennung der Archaeen vor allem über ihre RNA läuft. Sie betrachteten aber nur wenige Botenstoffe. Die neue Studie untersucht ganze Genmodule und ihre Schwellenwerte.

Für die Medizin könnte das Modell einen Ansatzpunkt liefern. Wirkstoffe, die auf TLR8 zielen, werden derzeit in Krebs- und Hepatitis-B-Therapien sowie als Impfstoffverstärker klinisch geprüft. Der Befund deutet darauf hin, dass sich die Immunantwort über die Signalstärke dosisabhängig lenken lassen könnte. Menge und Art der Archaeen im Darm könnten laut Pressemitteilung künftig als Biomarker bei der Asthmaentstehung dienen. Christine Moissl-Eichinger von der Medizinischen Universität Graz verweist zudem auf Dünndarmerkrankungen wie IMO, bei denen methanbildende Mikroorganismen eine Rolle spielen.

Wie belastbar ist das?

• Es handelt sich um Grundlagenforschung im Labor mit Blutzellen gesunder Spender, nicht um eine Studie an Patientinnen und Patienten.
• Die Genaktivität wurde in Zellen von neun Spendern ausgewertet, andere Versuche liefen mit nur drei bis fünf Spendern; Vergleiche beruhen auf gepaarten Tests ohne Korrektur für mehrfaches Testen.
• Der Aufsatz erschien in Nature Communications und ist in einer Fachzeitschrift veröffentlicht, kein Preprint.
• Gefördert wurde die Arbeit unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Austrian Science Fund. Die Zusammenstellung der Geldgeber stammt aus Verlagsangaben und kann unvollständig sein. Angaben zu Interessenkonflikten liegen nicht vor.
• Die Studie zeigt nicht, ob die Menge der Archaeen im Darm eines Menschen die Immunantwort dort ähnlich lenkt oder ob sich das therapeutisch nutzen lässt; Asthma-Biomarker und TLR8-Steuerung sind Perspektiven.

Offene Fragen

Offen ist, wodurch sich die unterschiedliche Aufnahme der beiden Arten erklärt.

Wie sich die im Labor beobachteten Schwellenwerte im Darm auswirken, wo Archaeen in sehr unterschiedlicher Menge vorkommen, hat das Team nicht untersucht.

Weitere Quellen

• Pressemitteilung „Die Menge macht´s: Wie Darmarchaeen das Immunsystem wecken“, Informationsdienst Wissenschaft (idw). Quelle, abgerufen am 03.11.2026
• Übersichtsarbeit: Methanogens in humans: potentially beneficial or harmful for health, Applied microbiology and biotechnology (2018). Quelle, abgerufen am 03.11.2026

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