Das menschliche Mikrobiom hat eine neue Dimension hinzugewonnen: Fachleute haben winzige RNA-Stücke entdeckt – viel kleiner als Viren –, die Bakterien im menschlichen Darm und Mund besiedeln. Zu winzig, um als herkömmliche Lebensform betrachtet zu werden, gehören diese Fragmente aus Genmaterial zu den kleinsten bekannten Elementen, die von einer Zelle lesbare Informationen übertragen können. Die in ihnen codierten Sequenzen waren zuvor gänzlich unbekannt.

»Das ist unglaublich seltsam«, sagt Zell- und Entwicklungsbiologe Mark Peifer von der University of North Carolina in Chapel Hill, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Die Forschung habe bei ihm die Freude wiederbelebt, die wissenschaftliche Entdeckungen bringen können, sagt er. »Die Welt ist einfach voll mit unbekannten Dingen. Und wenn man erst einmal anfängt zu suchen, findet man sie.« Die Arbeit wurde am 21. Januar 2024 auf dem BioRxiv-Preprint-Server veröffentlicht und muss noch von Fachkollegen begutachtet werden.

Der Preprint-Mitautor und Biochemiker Ivan Zheludev von der Stanford University in Kalifornien und seine Kollegen nennen die neu entdeckten Elemente, geschlossene Ringe aus RNA, Obelisken. Die Analyse der Autoren legt nahe, dass diese Ringe im natürlichen Zustand zu stäbchenartigen Strukturen gefaltet sind – daher der Name. Außerdem scheinen sie, anders als Viren, keinerlei Hülle zu besitzen.

Zwei mysteriöse Proteine

Ganz ähnliche ringförmige RNA kennt man bereits, die so genannten »Viroide«. Diese Strukturen aus RNA sind zwar ansteckend wie Viren, aber viel einfacher als diese aufgebaut. Man entdeckte sie erstmals in den 1970er Jahren. Damals stellte man fest, dass sie einige Krankheiten bei Pflanzen verursachen. Bald darauf fanden Wissenschaftler ein ähnliches Gebilde, das Hepatitis bei Menschen verursachen kann. In den letzten fünf Jahren beschrieb eine Vielzahl von Studien viroidähnliche Elemente bei verschiedenen Tieren und Pilzen, und eine Untersuchung aus dem Jahr 2023 lieferte den ersten Hinweis darauf, dass sie ebenso bei Bakterien auftreten könnten.

Auch Zheludev und seine Arbeitsgruppe suchten nach solchen Elementen. Sie nutzten die charakteristische ringförmige RNA von Viroiden als Vorlage, um sie in RNA-Datenbanken von menschlichem Stuhlproben aufzuspüren. Und dort fanden sie die Obelisken. Obwohl Obelisken die gleiche geometrische Form wie viele Viroide haben, sind ihre genetischen Sequenzen ganz anders – was darauf hindeutet, dass sie eine verwandte, aber separate Gruppe bilden.

Ein wichtiger Unterschied zu den Viroiden ist anscheinend, dass die Obelisken-RNA auch in Proteine übersetzt wird. Die Arbeitsgruppe identifizierte zwei wahrscheinliche Proteine in dem ringförmigen Erbgut, Oblin-1 und Oblin-2. Beide Proteine haben laut der Analyse keine Entsprechungen bei anderen Organismen. Erste Strukturvorhersagen deuten darauf hin, dass Oblin-1 Metallionen binden könnte; solche Proteine greifen häufig in zelluläre Signalwege ein. Oblin-2 hat eine Bindungsstelle, die typisch für Proteinkomplexe ist, und könnte damit an Wirtsenzyme binden. Welche Funktion diese Eiweiße haben, ist jedoch noch völlig rätselhaft.

Obelisken sind überall

Ein weiteres Rätsel der Obelisken ist ihre typische, kompakte Stäbchenform. Sie macht das empfindliche Molekül vermutlich stabiler. Doch normalerweise bildet RNA nur sehr unwillig solche dicht gepackten Stäbe – so mussten Impfstoffentwickler einigen Aufwand treiben, um die mRNA für die Covid-19-Impfstoffe möglichst eng zusammenzuklappen. Der Mechanismus hinter der dichten Faltung der Obelisken könnte entsprechend auch für zukünftige RNA-Medikamente interessant sein.

Tatsächlich zeigte sich, dass das Team keineswegs das erste war, das auf die bisher unbekannten Erbgutringe stieß. In öffentlichen RNA-Datenbanken menschlicher Stuhlproben entdeckte es insgesamt 21 Obelisk-Sequenzen, die bisher einfach nicht aufgefallen waren. Das zeige, dass es sich um echte biologische Entitäten handelt, schreibt die Gruppe in ihrer Veröffentlichung. Die Autoren fanden Hinweise auf die Elemente in fast zehn Prozent der Proben von Darm- und Mundmikrobiota von 472 untersuchten Personen in den Datenbanken, die meisten davon aus Nordamerika.

Die Studie sei »ein Meilenstein«, weil sie die besten verfügbaren Beweise dafür vorlege, dass solche Elemente in der bakteriellen Welt weit verbreitet seien und nicht nur in komplexeren Organismen, sagt Molekularbiologe Joan Marquez-Molins von der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften in Uppsala, der nicht an der Arbeit beteiligt war: »Es handelt sich nicht um etwas Sporadisches oder Isoliertes in der Population – es betrifft wirklich einen beträchtlichen Teil der Proben.«

Streptokokken als Obelisken-Brutschrank

Niemand weiß bisher, wie Obelisken die menschliche Gesundheit beeinflussen könnten. Die Bestandteile des Mikrobioms – Bakterien, Pilze und andere Organismen – »existieren alle in einem Gleichgewicht«, sagt die Virologin Anamarija Butković vom Pasteur-Institut in Paris, die nicht an der Arbeit beteiligt war. »Es ist spannend zu überlegen, was Obelisken dort tun und wie sie dieses gesamte Gleichgewicht beeinflussen könnten.«

Eventuell liefert das häufige Mundbakterium Streptococcus sanguinis, in dem die Forscher eine ganze Familie von Obelisken fanden, die Antwort. Da S. sanguinis leicht zu züchten ist, vermuten Marquez-Molins und Butković, dass Fachleute diese Bakterien verwenden könnten, um die neuen Gebilde zu erforschen: wie Obelisken repliziert werden, wie sie Bakterien beeinflussen und was die beiden mysteriösen Proteine tun.

Solche Experimente könnten sogar Einsichten in den Ursprung des Lebens selbst gewähren. Einige Fachleute hätten schon spekuliert, dass Viroide und ihre Verwandten auf Grund ihrer geringen Größe, Einfachheit und der Fähigkeit zur Selbstreplikation die Vorläufer allen Lebens auf der Erde seien, sagt Butković. Die Obelisken sind zwar jetzt erst entdeckt worden – aber womöglich begleiten sie uns schon von Anfang an.