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Mikrobiologie: Die erstaunliche Karriere des Pest-Erregers

Keine andere Krankheit hat in der Menschheitsgeschichte so viele Opfer gefordert wie die Pest. Die Entzifferung der Erbinformation ihres Erregers Yersinia pestis liefert nun Einblicke in die verblüffende Evolution dieses gefürchteten Bakteriums.


Häufige Pestepidemien verbreiteten im Mittelalter in Europa Angst und Schrecken und rafften immer wieder bis zu einem Drittel der Bevölkerung dahin. Obwohl man die Krankheit heute gut mit Antibiotika behandeln kann, mahnen Pestausbrüche wie zuletzt 1994 in Indien, dass die Seuche keineswegs endgültig besiegt ist. Außerdem gilt die einstige Geißel der Menschheit heute als eine der brisantesten potenziellen Biowaffen in der Hand von Terroristen.

Auslöser der Krankheit ist das Bakterium Yersinia pestis, benannt nach dem französischen Arzt und Bakteriologen Alexandre Yersin, der es 1894 in Südchina entdeckte. Seine eigentlichen Wirte sind kleine Nagetiere, insbesondere Ratten, die durch Flohstiche infiziert werden. Wenn beim Blutsaugen Pest-Erreger in den Flohdarm geraten, vermehren sie sich dort so stark, dass sie die Eingeweide schließlich verstopfen. Bei einer erneuten Blutmahlzeit erbricht der Floh daher erst einmal einen Teil der Bakterien in die Stichwunde, um in seinem Verdauungstrakt Platz für neue Nahrung zu schaffen. Auf diese Weise kann sich Y. pestis sehr schnell verbreiten. Da die Nagetiere in der Regel resistent sind, bleibt der Kreislauf zwischen ihnen und den Flöhen gewöhnlich in sich geschlossen.

Manchmal treten aber anfällige Nagerpopulationen auf, in denen die Tiere rasch an den Krankheitsfolgen verenden. Dann besteht die Gefahr, dass Flöhe auf Grund von Nahrungsmangel auch auf den Menschen überspringen und ihn infizieren.

Die Symptome der Pest sind gravierend und führen unbehandelt in den meisten Fällen zum Tod. Die Bakterien siedeln sich zunächst in den Lymphknoten an und führen hier zu starken Schwellungen und Eiterungen: Charakteristika der Beulenpest. Nach Durchbrechen der Lymphbarriere können die Mikroben über die Blutbahn auch in die Lunge gelangen. Die resultierende Lungenpest ist dann durch Tröpfcheninfektion direkt von Mensch zu Mensch übertragbar.

Y. pestis
hat sich vermutlich erst vor wenigen tausend Jahren aus dem harmlosen Durchfallerreger Y. pseudotuberculosis entwickelt. Beide gehören zu den Enterobacteriaceen. Krankheitserreger dieser Gruppe besiedeln normalerweise den Verdauungstrakt von Wirbeltieren und rufen relativ harmlose Darmentzündungen hervor. Das Pest-Bakterium fällt mit seiner Spezialisierung auf Körperflüssigkeiten und Gewebe von Säugetieren sowie auf den Darm von Flöhen völlig aus dem Rahmen. Daher haben sich Mikro-biologen schon lange gefragt, wie ein derart drastischer Wechsel der Überlebensstrategie in so kurzer Zeit stattfinden konnte.

Wechsel der Überlebensstrategie

Mit der vollständigen Entzifferung des Erbguts von Y. pestis ist es Julian Parkhill und seinen Kollegen am Sanger Centre in Cambridge (England) nun gelungen, entscheidend zur Klärung dieses Rätsels beizutragen (Nature, Bd. 413, S. 523). Als einer der Gründe für die rasante Evolution des Pest-Erregers erwies sich dabei die ungewöhnlich häufige Umlagerung ganzer DNA-Blöcke im Genom des Bakteriums. Durch solche Transpositionen können sich schnell völlig neue Eigenschaften entwickeln.

Die wichtigste Rolle für die Entwicklung von Y. pestis spielte allerdings der so genannte horizontale Gentransfer. Dabei bereichern die Mikroben ihr Erbgut, indem sie Gene von artfremden Organismen übernehmen. Als Überträger fungieren oft Viren. Sie können beim Befall einer Bakterienzelle DNA aus deren Genom aufnehmen und sie weitergeben, wenn sie eine andere Bakterienart infizieren. Anhand typischer Abschnitte, die solche "fremde" DNA in der Regel flankieren, konnten Parkhill und seine Kollegen die über horizontalen Transfer erworbenen Gene bei Y. pestis aufspüren.

Tatsächlich passen viele davon zu der spezifischen Lebensweise des Pest-Bakteriums. So tragen einige die Bauanleitung für insektizide Substanzen. In der Abfolge ihrer "Buchstaben" (der Nucleotidsequenz) ähneln sie Toxin-Genen verschiedener Bakterien und Viren, die speziell Insekten befallen – beispielsweise Serratia entomophila und Baculoviren. Von ihnen stammen wahrscheinlich mehrere Gene, die es Y. pestis ermöglichen, als Parasit im Flohdarm zu hausen.

Weiterhin hat der Pest-Erreger aus noch unbekannten Quellen zahlreiche Gene für Oberflächen-Proteine erworben. Sie könnten für sein aggressives Verhalten gegenüber Säugetieren und dem Menschen verantwortlich sein, indem sie das Bakterium befähigen, die Abwehrmechanismen des Wirts zu unterlaufen.

Während seiner Evolution hat Y. pestis aber auch große Teile seiner Erbinformation verloren. So beherbergt das Bakterium eine ungewöhnlich hohe Anzahl so genannter Pseudogene: Vier Prozent seines Genoms bestehen aus solchen einstmals aktiven Erbfaktoren, die durch Mutationen inzwischen unbrauchbar geworden sind. Die Degeneration zeugt davon, dass das betreffende Gen schon seit längerem nicht mehr benötigt und nur noch quasi als evolutionärer Schrott mitgeschleppt wird. Als solcher eignet es sich aber hervorragend dazu, die Lebensweise der Ahnen des Pest-Erregers zu erforschen.

So lassen die Pseudogene von Y. pestis noch deutlich erkennen, dass es von einem Durchfallerreger abstammt. Viele von ihnen haben funktionierende Gegenstücke bei Darmbakterien wie Y. pseudotuberculosis und Escherichia coli. Dort codieren sie für Faktoren, die eine spe-zifische Einnistung im Wirbeltier-Verdauungstrakt ermöglichen. Computergestützte Sequenzvergleiche mit den bereits bekannten Teilen des Y. pseudotuberculosis-Genoms zeigten, dass bei ihm noch 95 Prozent der Y. pestis-Pseudogene ihre vorgesehene Aufgabe erfüllen.

Die Inaktivierung unnötiger Gene tritt auch bei anderen Organismen auf. Ein extremes Beispiel ist der Lepra-Erreger Mycobacterium leprae. Bei ihm besteht über die Hälfte des Genoms aus Pseudogenen, die im nah verwandten Tuberkel-Bakterium M. tuberculosis größ-tenteils noch funktionsfähig sind (Nature, Bd. 409, S. 1007).

Mit seiner Fähigkeit zur raschen genetischen Veränderung und Aneignung fremden Erbmaterials bleibt Y. pestis ein bedrohlicher Erreger, der plötzlich neue, noch gefährlichere Stämme bilden könnte. Die genaue Kenntnis des Genoms sollte jedoch helfen, in diesem Falle rasch Gegenmaßnahmen zu finden. Ähnliches gilt für das denkbare Szenario, dass Terroristen antibiotikaresistente Pest-Bakterien konstruieren und für Anschläge missbrauchen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 2002, Seite 16
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 2002

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