Bioinformatiker rekonstruieren urzeitliche DNA

Was Ötzis Magenbakterium über die Besiedlung Europas verrät

Ein internationales ForscherInnenteam um die Bioinformatiker Dmitrij Turaev und Thomas Rattei von der Universität Wien entdeckte Spuren des Bakteriums Helicobacter pylori im Verdauungstrakt der besterhaltenen Mumie aus der Steinzeit – „Ötzi".

Dr. Egarter und Dr. Zink bei der Entnahme des Bakteriums Helicobacter pylori. (Copyright: Samadelli Marco/EURAC)

Mit der Rekonstruktion des Genoms liegt nun der älteste bekannte Vertreter dieses Bakteriums vor und gibt Überraschendes preis: Frühe Einwanderer aus Asien müssen bei der Besiedlung Europas eine zentrale Rolle gespielt haben, denn das Genom stammt fast vollständig von asiatischen Vorfahren ab.

Der Mensch lebt mit einer Vielzahl von Mikroorganismen, die sich an das Überleben in unserem Verdauungstrakt oder auf unserer Haut angepasst haben. Die meisten von ihnen sind für uns nützliche Bakterien, einige sind jedoch Erreger von Infektionskrankheiten, die bereits unsere frühen Vorfahren peinigten.

Das Bakterium Helicobacter pylori ist ein besonders interessanter Krankheitserreger und ein wichtiges Forschungsobjekt. Es ist seit mehr als 100000 Jahren an den Menschen gebunden und hat sich an das Überleben im sauren Milieu des Magens angepasst. Etwa die Hälfte der Weltbevölkerung ist mit diesem Erreger infiziert, wovon die überwiegende Mehrheit von 90 % jedoch nicht erkrankt. So wird Helicobacter pylori seit langem von einer Generation an die nächste weitergegeben, und hat damit eine geografische Verbreitung erlangt, die die Stammesgeschichte der Menschen erstaunlich genau widerspiegelt.

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Die Sequenzen ausgewählter Gene dieses Bakteriums ermöglichten es, die Ursprünge der Menschheit und die Geschichte der Wanderungsbewegungen der Völker mit hoher Genauigkeit nachzuvollziehen. Bisher konnten jedoch nur Daten von heute lebenden Menschen verwendet werden, auf deren Basis man die Geschichte der Völker mit Hilfe von Computerprogrammen rekonstruierte.

Die Helicobacter pylori-Genome der heutigen Europäer sind eine Mischung aus Bakterien afrikanischer und asiatischer Abstammung. Viele Fragen zum genauen Ursprung dieser Vermischung sind bis heute ungeklärt.

In einem bislang einzigartigen Forschungsprojekt suchte ein interdisziplinäres WissenschafterInnenteam daher nach Spuren von Helicobacter pylori in der Gletschermumie. Ötzis Magen war erst vor wenigen Jahren aufgrund neuer radiologischer Daten in der Mumie lokalisiert worden. Gemeinsam mit ihren KollegInnen der EURAC (Europäische Akademie Bozen), der Universität Kiel, der Veterinärmedizinischen Universität Wien und weiterer Partner werteten die Bioinformatiker Dmitrij Turaev und Thomas Rattei von der Universität Wien die aus Ötzis Verdauungstrakt gesammelten DNA-Sequenzen aus und entdeckten tatsächlich Spuren des Bakteriums Helicobacter pylori.

Das Genom des Bakteriums wurde mit Hilfe einer speziell entwickelten Anreicherungsmethode für dessen bereits gealtertes und in Fragmente zerfallenes Erbgut sequenziert. So konnten am Ende mehr als 90 % des Helicobacter pylori-Genoms aus Ötzis Magen rekonstruiert werden.

Der Vergleich des 5300 Jahre alten Bakteriengenoms aus Ötzis Magen mit Daten der heutigen Europäer brachte eine große Überraschung: Es entspricht so gut wie vollständig der asiatischen Komponente. „Das lässt sich am besten dadurch erklären, dass der Hauptteil der afrikanischen Bevölkerungskomponente erst nach Ötzis Lebenszeit, also in den letzten 5000 Jahren, nach Europa eingewandert ist", erklärt Thomas Rattei: „Ötzis Magen-Bakterium stützt also jene Theorie, wonach frühe Einwanderer aus Asien bei der Besiedlung Europas eine zentrale Rolle gespielt haben."

Zugleich demonstriert dieses Forschungsergebnis eindrucksvoll das große Potenzial moderner Methoden zur Analyse alter DNA in Verbindung mit speziellen Methoden der Bioinformatik. Die Entdeckung und Genomrekonstruktion von Ötzis Helicobacter pylori ist somit erst der Anfang eines neuen Forschungsgebietes, in dem ForscherInnen die Evolution des Menschen, seiner Krankheitserreger und seiner Umwelt anhand tausende Jahre alter Mikroorganismen nachvollziehen können.

Publikation in „Science":
„The 5,300-year-old Helicobacter pylori genome of the Iceman": Frank Maixner, Ben Krause-Kyora, Dmitrij Turaev, Alexander Herbig, Michael R. Hoopmann, Janice L. Hallows, Ulrike Kusebauch, Eduard Egarter Vigl, Peter Malfertheiner, Francis Megraud, Niall O´Sullivan, Giovanna Cipollini, Valentina Coia, Marco Samadelli, Lars Engstrand, Bodo Linz, Robert L. Moritz, Rudolf Grimm, Johannes Krause, Almut Nebel, Yoshan Moodley, Thomas Rattei, Albert Zink, DOI: http://www.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aad2545.

Wissenschaftlicher Kontakt:
Univ.-Prof. Mag. Dr. Thomas Rattei
Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung
Universität Wien
1090 Wien, Althanstraße 14 (UZA I)
E-Mail: thomas.rattei@univie.ac.at

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