Das Immunsystem, das Mikrobiom und der Biorhythmus

Der circadiane Rhythmus ist ein fundamentaler Aspekt lebender Organismen. Der Rhythmus von Tag und Nacht bringt Vorteile für das survival of the fittest mit sich, so zum Beispiel Energieeinsparungen in Zeiten der Knappheit. Doch brauchen wir das heute noch?

Teil 3: Evolutionärer Kontext

Der circadiane Rhythmus des Verhaltens und der biologischen Prozesse stellt bei allen Säugetieren und auch bei vielen anderen Lebensformen wie Pflanzen und sogar einigen Bakterien eine fundamentale Tatsache dar. Trotz Hunderttausenden von Jahren evolutionären Drucks ist er bis heute erhalten geblieben. Der circadiane Rhythmus muss daher enorme Vorteile im Kampf um das Überleben der Art mit sich bringen.

Simple Anfänge

Die einfachste biologische Uhr, die wir kennen, ist die Uhr der Cyanobakterien, die aus drei Enzymen besteht, die in einem geschlossenen Kreislauf aus Phosphorylierung und Dephosphorylierung pulsieren. Dies verhindert die DNA-Replikation während des Tages, an dem die Sonne schädliches UV-Licht aussendet. Dadurch erhöhen sich die Überlebenschancen und Vermehrungsrate der Bakterien. In tierischen Zellen ist die biologische Uhr viel komplexer aufgebaut und wird vom suprachiasmatischen Kern mit Melatonin als Botenstoff orchestriert. Eine der Aufgaben dieser komplexen biologischen Uhr besteht in der nächtlichen Reparatur von DNA, die tagsüber durch UV-Licht beschädigt wurde. Eine Funktion, die mit der der Cyanobakterien vergleichbar ist. Darüber hinaus ist die biologische Uhr auf zellulärer (und mitochondrialer) Ebene eng mit den zahlreichen biochemischen Schritten des Energiehaushalts verwoben.

Evolutionär gesehen musste ein Säugetier in Zeiten der Nahrungsknappheit, im Winter und Sommer mit viel oder wenig Sonnenlicht und bei unterschiedlichen Temperaturen überleben. Dies zeigt sich unter anderem auch deutlich am braunen Fettgewebe, das mit verschiedenen Komponenten der biologischen Uhr aufs engste korrespondiert. Das braune Fettgewebe muss uns – durch Thermogenese, das heißt Fettverbrennung – auf der richtigen Temperatur halten, wenn es kalt ist. So konnten Säugetiere auch bei niedrigen Temperaturen überleben. Aber angesichts der Nahrungsmittelknappheit, der unsere Vorfahren über Jahrtausende hinweg ausgesetzt waren, konnte der energieverschwendende Charakter des braunen Fettgewebes auch zum großen Nachteil werden. Deshalb nimmt der dänische Biologe Zachary Gerhart-Hines von der Universität Kopenhagen an, dass die biologische Uhr dazu programmiert wurde, braunes Fettgewebe abzuschalten, wenn es nicht benötigt wird, wie zum Beispiel im Schlaf, für den das Tier eine geschützte Umgebung aufsucht. Das braune Fettgewebe wird wieder aktiv, wenn Tiere sich auf Nahrungssuche oder Jagd begeben.

Dieser Mechanismus ist sogar mit einer Sicherheitsvorkehrung ausgestattet, falls ein Tier im Schlaf von extremer Kälte überrascht wird. Das Enzym, das braunes Fettgewebe unterdrückt, wird in einem solchen Fall schnell deaktiviert und es erfolgt eine intensive thermogene Reaktion: Die interne Heizung wird auf die höchste Stufe geschaltet. Der größte Energievorrat befindet sich im weißen Fettgewebe. Beim Fasten mobilisiert das weiße Fettgewebe die Fettreserven und leitet sie an das Muskelgewebe weiter, wo sie verbrannt werden können. Im Laufe der Evolution erwies es sich als vorteilhaft, diese Lipolyse im Schlaf zu erhöhen, um den Mangel an Nahrung auszugleichen. Umgekehrt wird das in der Leber erzeugte Fett zu den Zeiten gespeichert, in denen die Tiere wach sind und fressen. Genetische Anomalien in der circadianen Steuerung des weißen Fettgewebes führen zu einer verringerten Lipolyse und damit zu Adipositas.

Externe Stressfaktoren

Es ist wahrscheinlich kein Zufall, dass das Verschwinden solcher externer Stressfaktoren mit der aktuellen Epidemie von Adipositas, Depressionen, Typ-2-Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen zusammenfällt. Der häufige Verzehr kalorienreicher Lebensmittel hat in Kombination mit einem verkürzten Nachtschlaf und kürzeren Zeiten des Fastens dazu geführt, dass das weiße Fettgewebe mehr Zeit im Ansammlungsmodus verbringt. Auf diese Weise trägt eine evolutionär gesehen nützliche Eigenschaft zur heutigen Adipositasepidemie und metabolischen Erkrankungen bei.

Das Mikrobiom könnte uns dabei helfen, diese nachteilige Seite unseres heutigen Wohlstands auszugleichen. Das zeigt sich an der Tatsache, dass schlanke Mäuse (und Menschen) mit einem gesunden Mikrobiom trotz widriger Umstände nicht dick werden. Ihr „schlankes“ Mikrobiom kann sogar in dicke Mäuse transplantiert werden, die daraufhin schlank werden. Doch während das Mikrobiom unter natürlichen, evolutionären Bedingungen leicht in Form bleiben konnte, muss es heute dem Druck von Antibiotika und anderen Faktoren standhalten, die die Zusammensetzung der Darmflora negativ beeinflussen. Antibiotika können den Artenreichtum der Darmflora ernsthaft beeinträchtigen und damit die Widerstandsfähigkeit und Vielseitigkeit einer gesunden Bakterienpopulation untergraben. Und dies kann – insbesondere bei Kindern – das Risiko für Adipositas deutlich erhöhen.

Enge Beziehung

Die enge Beziehung zwischen Wirt und Mikrobiom besteht seit Millionen von Jahren. Gemeinsam konnten wir uns zu einer intelligenten und funktionalen Symbiose weiterentwickeln. Die Darmflora trainierte dabei das Immunsystem und trug so zur Überlebenschance in einer Welt voller aggressiver mikrobieller Eindringlinge und Parasiten bei. Aber viele dieser Eindringlinge wurden inzwischen aus unserer Umwelt entfernt, sodass das Training nicht mehr up-to-date ist und sich das Immunsystem irrtümlich auf völlig harmlose Substanzen stürzt. Außerdem sind neue Eindringlinge und Störfaktoren wie Fastfood, Computerbildschirme und Antibiotika an die Stelle der alten Widersacher getreten. Sie mögen unser Leben zwar angenehmer machen, aber unser Körper und unser Mikrobiom haben bisher noch keine angemessene Antwort auf sie gefunden.

In unserer nächsten enews-Ausgabe erscheint der vierte Teil dieser fünfteiligen Serie zum Immunsystem, Mikrobiom und Biorhythmus: Vorbeugung und Behandlung: Lebensstil und Ernährung. Das vollständige, gut bebilderte E-Book zu diesem Thema können Sie hier downloaden. Darin finden Sie auch alle wissenschaftlichen Quellenangaben.