Immunsystem Nicht ohne meine Mikroben!

Wozu haben Menschen, Tiere und Pflanzen eigentlich eine Immunabwehr? "Das angeborene Immunsystem hat die Aufgabe, eine frühe Abwehrlinie gegen angreifende Mikroorganismen zu bilden und dem adaptiven Immunsystem mitzuteilen, dass eine Invasion von Krankheitserregern begonnen hat." So steht es in der Immunologen-"Bibel" von Charles Janeway, und so wird es im Schulunterricht gelehrt. Inzwischen aber lassen neue Daten eine ganz andere Schlussfolgerung zu: "Das angeborene Immunsystem hat die Kommunikation mit Organismen zur Aufgabe, denn Mikroorganismen leben mit uns in unterschiedlicher Weise als Symbionten, Kommensalen und als Parasiten oder Pathogene", sagt Stefan Kaufmann vom Max-Planck-Institut für Infektionsforschung in Berlin. Tatsache ist: Das erworbene, adaptive Immunsystem, das erst von Mikroben aktiviert wird und das die Grundlage des Impfgedächtnisses ist, entwickelte sich erst bei den Wirbeltieren. Das angeborene Immunsystem indes ist uralt. Wir finden es in allen höheren Organismen, Tieren wie Pflanzen. Kaufmann: "Die auffälligste Eigenschaft des Immunsystems ist natürlich die Abwehr von Krankheitserregern, aber wir sehen nun immer mehr, dass es auch zur Kommunikation mit friedfertigen Bakterien von großer Bedeutung ist."

Radikaler gibt sich Thomas Bosch. "Wir denken das Immunsystem ganz neu", sagt der Zoologe von der Universität in Kiel. "Wir behaupten, Bakterien sind unsere vergessenen Organe, also ein Teil des Selbst, das wir zum Überleben brauchen. Deshalb ist das Immunsystem in erster Linie kein Abwehrsystem, sondern es ermöglicht und organisiert die Kommunikation mit Mikroben im Körper." Aber kann man Bakterien wirklich als Teil des Selbst bezeichnen?

Mikroben braucht es

Mikroben können Freund und Feind sein. Die meisten, die auf und mit dem Menschen leben, sind eher Freund. Denn ganz im Sinne des evolutionären Überlebens wollen sie ihren eigenen Weg zum Überleben finden, und dafür wären Krankheit oder gar Tod des Wirts nicht wirklich nützlich. Und so tummeln sich auf und in uns Menschen zehnmal so viel Mikroben wie wir Körperzellen haben - die meisten davon im Darm. Steril gezogene Mäuse ohne Darmbakterien zeigen Störungen im Immunsystem, bei der Darmentwicklung sowie bei endokrinen und vaskulären Funktionen. Obendrein sind sie anfälliger für Stress.

Bakterien sind also nötig für die Gesundheit. Allerdings stellen sie auch eine enorme Herausforderung an das Immunsystem, welches die Bakterien erkennen und tolerieren muss. Jeffrey Gordon von der Washington University in St. Louis, der die Koexistenz von Mikroben und Menschen, das Mikrobiom, dokumentiert, meint, Menschen seien ein Gemisch aus eukaryontischen sowie bakteriellen Zellen und Archaebakterien zusammen. Also gehören Kolibakterien und Laktobazillen wirklich zum Selbst? "In der Tat", sagt Bosch. Seit zwanzig Jahren arbeitet er mit Hydra, einem kleinen Süßwasserpolypen. Im Jahr 2007 entdeckten er und sein damaliger Doktorand Sebastian Fraune, dass verschiedene Arten dieser schlauchartigen Nesseltiere von jeweils einer typischen Gesellschaft von Mikroben besiedelt sind, anhand derer man sie auch unterscheiden kann. "Dass diese Hydraspezies regelrecht mikrobielle Signaturen beherbergen, hat uns doch stark überrascht", sagt Bosch. Wenn das stimmt, sagten sich die Forscher, dann muss es einen evolutionären Grund dafür geben.

Bakterien als Entwicklungsauslöser

Einen Hinweis fanden die Kieler Forscher bei der Analyse des Immunsystems von Hydra. Bei steril gezogenen Tieren traten plötzlich Pilzinfektionen auf, die man vorher im Labor nie beobachtet hatte. Und an transgenen Tieren, die bestimmte antimikrobielle Peptide, die Effektoren der Immunantwort, nicht mehr herstellen können, entwickelten sich völlig neue Mikrobengesellschaften. "Dies sind für uns definitiv Hinweise darauf, dass unsere Theorie richtig ist. Die Mikroorganismen sind Teil des Immunsystems und damit erklärt sich meine Behauptung: Bakterien sind unsere vergessenen Organe", so Bosch.

Bakterien greifen sogar in die Entwicklung und das Verhalten von Tieren ein. Zu den ersten Untersuchungen, die zeigten, dass Bakterien Entwicklungsprozesse bei ihren tierischen Partnern auslösen können, gehört die Beschreibung der Beziehungen zwischen dem im Meerwasser lebenden Symbionten Vibrio fischeri und dem Tintenfisch Euprymna scolopes durch Margret McFall-Ngai von der Universität auf Hawaii. Bei frisch geschlüpften Tintenfischen lösen die Bakterien eine Immunreaktion aus, die zu Zelltod und Zelldifferenzierung führt. Als Ergebnis entwickelt der Tintenfisch ein Leuchtorgan, welches die bioluminiszenten Bakterien zum Glühen bringen. Haben die jungen Tintenfische keinen Kontakt mit Vibrio fischeri, bilden sie auch kein Lichtorgan aus.

Den Einfluss von Mikroben auf das Verhalten von Tieren dokumentierten kürzlich Eugene Rosenberg und Kollegen von der Harvard Medical School in Boston. Wie sie in den "Proceedings" der amerikanischen Nationalen Akademie der Wissenschaften (Bd. 7, S. 20051) zeigen konnten, nehmen symbiotische Bakterien im Darm von Drosophila Einfluss auf deren Paarungsverhalten, indem sie die Bildung von Sexualhormonen der Insekten steuern.

Auch Pflanzen mischen mit

Diese und andere Befunde sind die Basis für Rosenbergs Theorie vom Hologenom, der Summe der genetischen Information des Wirts und seiner Mikroben. Der Forscher und seine Frau Ilana Zilber-Rosenberg sehen den Holobionten - eine Pflanze oder ein Tier mit all seinen assoziierten Mikroorganismen - als die Einheit, auf die Selektion wirkt. Drei Gründe nennen sie: Erstens, alle Tiere und Pflanzen unterhalten symbiotische Beziehungen mit Mikroorganismen. Symbiontische Mikroorganismen werden von Generation zu Generation übertragen. Zweitens: Die Verbindung von Wirt und Symbionten beeinflussen die Fitness des Holobionten, und drittens können Variationen im Hologenom entweder durch Veränderungen am Wirt oder an den Symbionten auftreten. Unter Umweltstress beispielsweise kann sich die Symbiontengesellschaft schnell verändern, etwa durch horizontalen Gentransfer, schnelle Vermehrung oder durch Veränderung der Artenzusammenstellung. Die Theorie ist freilich unter Wissenschaftlern heftig umstritten. Bosch findet, seine Theorie füge sich hier wunderbar ein. "Wir glauben, dass Mikroorganismen und die Tiere in intimer Abhängigkeit evolviert sind, das Immunsystem sich also quasi im Zuge der Besiedelung der Tiere mit Mikroben entwickelt hat."

Und was ist mit Pflanzen, die sich mit Milliarden von Mikroorganismen im Boden und der Luft herumschlagen müssen? Zwar haben Pflanzen keine adaptive Immunabwehr mit Antikörpern und T-Zellen, aber ein ausgefuchstes angeborenes Immunsystem, jenem der Tiere nicht unähnlich. Kann solch eine Pflanze denn Wirt für Bakterien und Pilzen sein? "Hier gibt es ein Paradoxon", meint Paul Schulze-Lefert vom Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung in Köln.

Er untersucht das Mikrobiom von Arabidopsis thaliana - genauer: die Mikroorganismen, die auf, mit und von jener kleinen Pflanze leben, die der Biologie seit vielen Jahren als Modellorganismus gilt. Mit genetischen Fingerprintstudien konnten spezifische Mikrobengesellschaften identifiziert werden, die an über- wie unterirdischen Teilen der Pflanzen leben. Die Frage ist, ob, wie und warum die Pflanze Einfluss darauf nimmt, welche Bakterienspezies mit ihr leben.