Teil 1: Das Wichtigste in Kürze

Was haben Forscher untersucht?

• Sie haben den Darm der Hadza in Tansania extrem tief sequenziert.
• Die Hadza leben noch als Jäger und Sammler.
• Zum Vergleich dienten Proben aus Nepal und Kalifornien.
• Es ist die tiefste Darm-Sequenzierung einer solchen Gruppe bisher.

Was haben sie gefunden?

• Sie fanden zehntausende bisher unbekannte Darmmikroben-Genome.
• 124 Arten verschwinden in Industriegesellschaften fast völlig.
• Der Hadza-Darm enthält etwa 730 Arten pro Erwachsenem.
• Bei Menschen aus Kalifornien sind es nur etwa 277.

Was bedeutet das für die Gesundheit?

• Industrialisierte Darmmikroben tragen mehr Gene gegen oxidativen Stress.
• Das passt zu einem entzündlich veränderten Darmmilieu.
• Die verlorenen Arten erfüllen andere Aufgaben als die neuen.
• Gesundheitliche Folgen sind damit noch nicht bewiesen.

Was bleibt offen?

• Die Befunde beruhen auf einer einzigen Jäger-Sammler-Gruppe.
• Viele Gene der verschwundenen Arten sind noch unbekannt.
• Ob ihr Verlust krank macht, ist ungeklärt.
• Weitere Völker müssen ebenso tief untersucht werden.

Teil 2: Wissenschaftliche Darstellung

Ultratiefe Sequenzierung der Hadza deckt verschwindende Darmmikroben auf.

• Die Studie stammt von Carter et al., Cell 2023.
• Letztautoren sind Erica und Justin Sonnenburg, Stanford.

1. Fragestellung

• Die Mikrobiomforschung konzentriert sich stark auf industrialisierte Länder.
• Dort ist die Vielfalt der Darmmikroben niedrig.
• Als mögliche Ursachen gelten verarbeitete Kost, Antibiotika und Kaiserschnitt.
• Hinzu kommen Hygiene und wenig Kontakt zu Tieren und Erde.
• Bisherige Daten zu Jägern und Sammlern waren zu flach sequenziert.
• Die Autoren fragten, welche Mikroben in der Industrialisierung verschwinden.
• Sie fragten auch, welche Funktionen dabei verloren gehen.
• Als VANISH bezeichnen sie Taxa, die in Industriegesellschaften schwinden.
• BloSSUM sind Taxa, die in Industriegesellschaften zunehmen.

2. Methoden

• Untersucht wurden Stuhlproben von 167 Hadza aus den Jahren 2013 bis 2014.
• 66 Personen wurden mehrfach beprobt, 101 nur einmal.
• Die Autoren sequenzierten 388 Metagenom-Bibliotheken auf einem NovaSeq 6000.
• Die Gesamtmenge betrug 9,4 Terabasenpaare.
• Die tiefste Probe erreichte 210 Gigabasenpaare.
• Zum Vergleich wurden Proben aus Nepal und Kalifornien gleich tief sequenziert.
• Die Nepal-Gruppen reichten von Sammlern bis zu langjährigen Ackerbauern.
• Genome wurden aus Einzelproben zusammengesetzt und in Gruppen sortiert.
• Zusätzlich wurden 52 Bakterienstämme anaerob aus denselben Proben kultiviert.
• Die Prävalenz wurde in 1.800 öffentlichen Metagenomen verglichen.
• VANISH und BloSSUM wurden per Fisher-Test über das 95. Perzentil definiert.
• Replikationsraten wurden mit iRep aus der Sequenzabdeckung berechnet.
• Der pN/pS-Wert diente als Maß für Selektionsdruck auf Gene.
• Stammteilung wurde bei 99,999 % Übereinstimmung der Population definiert.

3. Ergebnisse

3.1 Genome und Neuheit

• Die Autoren gewannen 83.044 Genome aus dem Hadza-Darm.
• Das sind 48.475 Bakterien- und Archaeen-Genome.
• Dazu kommen 34.552 Bakteriophagen-Genome und 17 eukaryotische Genome.
• Über alle Gruppen hinweg sind 44 % in bestehenden Datensätzen nicht enthalten.
• Von den 8,4 Millionen Proteinfamilien fehlen 59,7 % in der UHGP-95-Datenbank.
• Unter den Eukaryoten fand sich ein nahezu vollständiges Genom einer Stachellosen Biene.
• Die Hadza verzehren deren Honig und Larven.
• Von 52 Isolaten gehören 18 Arten zu bisher unkultivierten Bakterien.

3.2 Tiefe und Artenzahl

• Die Hadza hatten höhere Vielfalt bei Bakterien, Archaeen und Phagen.
• Die Sequenziertiefe allein erklärt dies nicht.
• Seltene Arten sind häufiger bisher unbekannt als häufige Arten.
• Die geschätzte Artenzahl pro Erwachsenem zeigt die folgende Tabelle.

3.3 VANISH und BloSSUM

• Die Autoren definierten 124 VANISH-Arten und 63 BloSSUM-Arten.
• 96 % der VANISH-Arten fanden sich auch in Übergangsgesellschaften.
• Alle BloSSUM-Arten fanden sich dort ebenfalls.
• Die Zuordnung folgt der Verwandtschaft stark.
• Ganze Gattungen sind entweder VANISH oder BloSSUM, selten beides.
• In Übergangsproben replizieren BloSSUM-Arten schneller als VANISH-Arten.
• Das könnte einen Wettbewerbsvorteil im veränderten Darm anzeigen.

3.4 Funktionen

• 37 Genfunktionen (KO) waren bei VANISH-Arten häufiger.
• 268 Genfunktionen waren bei BloSSUM-Arten häufiger.
• VANISH-Arten besitzen mehr Peptidasen und Sporulationsgene.
• BloSSUM-Arten besitzen mehr Gene für Antioxidation und Redox-Sensorik.
• Das deutet auf höheren Sauerstoff- oder Entzündungsstress im Industrie-Darm.
• BloSSUM-Arten sind zudem reicher an Lipopolysaccharid-Synthese und Sekretionssystemen.
• BloSSUM-Arten sind funktionell nicht einfach Ersatz für VANISH-Arten.

3.5 Treponema succinifaciens

• Spirochäten sind in Kalifornien praktisch nicht nachweisbar.
• Die Studie ergänzte 1.047 neue Spirochäten-Genome.
• Die Zahl bekannter T.-succinifaciens-Genome stieg von 125 auf 346.
• Die Stammbaum-Struktur folgt dem Herkunftskontinent deutlich.
• 46,7 % der Übergänge zwischen Populationen führen von den Hadza weg.
• Das passt zu einer Verbreitung entlang der Out-of-Africa-Routen.
• Die Autoren betonen: Dies beweist die Wanderung nicht.

3.6 Evolution, Wachstum und Stammteilung

• Gene für Oberflächenproteine zeigen hohe pN/pS-Werte.
• Beispiele sind Pilin-Motive und Kollagen-bindende Proteine.
• Das spricht für diversifizierende Selektion im Hadza-Darm.
• Mögliche Treiber sind Saisonkost, Immunsystem und Phagenfraß.
• Die Replikationsrate der Bakterien schwankt mit der Jahreszeit.
• Sie ist in der späten Regenzeit und frühen Trockenzeit am höchsten.
• Verwandte teilen mehr Bakterienstämme als Nicht-Verwandte.
• Mitglieder desselben Buschlagers teilen fast ebenso viele Stämme.
• Auch Wasserquelle und Jahreszeit hängen mit Stammteilung zusammen.

4. Zusammenfassung

• Der Hadza-Darm enthält viele bisher unbekannte Mikroben aus allen Lebensbereichen.
• Der Unterschied zum Industrie-Darm geht weit über Artenzahlen hinaus.
• VANISH- und BloSSUM-Arten unterscheiden sich auch in ihren Genfunktionen.
• Industrie-Mikroben tragen mehr Gene gegen oxidativen Stress.
• Die Autoren deuten dies als Anpassung an entzündliche Prozesse.
• Die Daten sind frei verfügbar und dienen als Referenz.
• Einschränkung: Alle VANISH-Befunde stützen sich auf eine einzige Gruppe.
• Einschränkung: Viele Gene der VANISH-Arten sind kaum annotiert.
• Einschränkung: Die Studie zeigt Assoziationen, keine Kausalität für Krankheiten.
• Offen bleibt, welche Verluste Gesundheit tatsächlich beeinträchtigen.

5. Quellen

1. Carter MM, Olm MR, Merrill BD et al. Ultra-deep sequencing of Hadza hunter-gatherers recovers vanishing gut microbes. Cell 2023;186(14):3111–3124. DOI
2. Smits SA, Leach J, Sonnenburg ED et al. Seasonal cycling in the gut microbiome of the Hadza hunter-gatherers of Tanzania. Science 2017;357:802–806. PubMed
3. Sonnenburg ED, Sonnenburg JL. The ancestral and industrialized gut microbiota and implications for human health. Nat Rev Microbiol 2019;17:383–390. PubMed
4. Vangay P, Johnson AJ, Ward TL et al. US immigration westernizes the human gut microbiome. Cell 2018;175:962–972. PubMed
5. Wibowo MC, Yang Z, Borry M et al. Reconstruction of ancient microbial genomes from the human gut. Nature 2021;594:234–239. PubMed
6. Fragiadakis GK, Smits SA, Sonnenburg ED et al. Links between environment, diet, and the hunter-gatherer microbiome. Gut Microbes 2019;10:216–227. PubMed
7. Blaser MJ. The theory of disappearing microbiota and the epidemics of chronic diseases. Nat Rev Immunol 2017;17:461–463. PubMed