Asgard-Archaeen könnten unser Immunsystem geprägt haben – UT-Studie zu Viperin und Argonauten

Vor Milliarden von Jahren entstandene Mikroben könnten entscheidend dazu beigetragen haben, dass unser Immunsystem heute so funktioniert, wie es funktioniert.

Neue Forschungsergebnisse der University of Texas (UT) deuten darauf hin, dass komplexe Organismen wie wir womöglich deutlich schlechter gegen Viren gewappnet wären – gäbe es nicht das evolutionäre Erbe, das uns unsere einzelligen Vorfahren hinterlassen haben.

Uralte Asgard-Archaeen und der Ursprung komplexen Lebens

Lange bevor sich vielzelliges Leben entwickelte, war die Erde bereits von einer weit verbreiteten Gruppe urtümlicher Mikroben bewohnt.

Die heute lebenden Nachfahren dieser alten Mikroben wurden erst 2015 entdeckt – und zwar über Spuren ihrer DNA, tief im Meer zwischen Grönland und Norwegen. Fünf Jahre später gelang es erstmals, diese bislang verborgenen Lebewesen im Labor zu kultivieren: einen Superstamm von Archaeen namens Asgard.

Unter dem Mikroskop wirken sie auf den ersten Blick wie Bakterien. Evolutionsgeschichtlich stehen Archaeen-Zellen jedoch den Eukaryoten – also Lebensformen wie Pflanzen und Tieren – näher als ihren einfacheren mikrobiellen Verwandten.

Ausgehend von ihren Genomen vermuten einige Forschende, dass sich Asgard-Archaeen und unsere eukaryotischen Vorfahren vor rund 2 Milliarden Jahren auseinanderentwickelten. Damit wurde der Weg für sämtliches komplexes Leben auf der Erde bereitet – darunter Tiere, Pflanzen, Pilze, Protisten und die meisten Algen.

Wie dieser gemeinsame Vorfahr auch ausgesehen haben mag: Irgendwann musste ein Zellkern in die grundlegende Zellstruktur integriert werden. Manche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler halten es für möglich, dass Asgard-Vorfahren ihn aus einem Virus „gewonnen“ haben, das ein schützendes Kompartiment etablierte – eine sogenannte Virenfabrik. Mitochondrien könnten hingegen entstanden sein, weil ein bakterieller Vorfahr „verschluckt“ wurde.

KI-Suche nach Abwehrsystemen in Asgard-Genomen

Über die Frage, wie sich heute lebende Archaeen gegen Bedrohungen wie Bakterien oder Viren schützen, ist bislang wenig bekannt. Deshalb lassen sich solche Hypothesen nur schwer im Detail prüfen.

Ein Team der UT setzte nun ein Programm mit künstlicher Intelligenz ein, um einen neu erweiterten Datensatz an Asgard-Genomen systematisch nach uralten Immunabwehren zu durchsuchen.

Die Gruppe stellte fest, dass Asgard-Archaeen im Vergleich zu Bakterien eine breite Palette an Abwehrsystemen entwickelt haben – und dass einige davon auch bei Eukaryoten als angeborene Mechanismen vorkommen.

Viperin und Argonauten: Abwehrproteine aus Asgard

Unter allen Abwehrsystemen, die in den analysierten Genomen der Asgard-Archaeen gefunden wurden, standen ungefähr 2 Prozent in Verbindung mit einem Immunprotein namens Viperin. Dieses bekämpft ein breites Spektrum viraler Infektionen, indem es die Virusvermehrung offenbar „zum Schweigen bringt“.

Heute ist Viperin Bestandteil der Immunsysteme sämtlicher komplexer Lebensformen auf der Erde. Das spricht dafür, dass es bereits im letzten gemeinsamen Vorfahren von Archaeen und Eukaryoten vorhanden war.

Den neuen Ergebnissen zufolge sind eukaryotische Viperine und Asgard-Viperine „Schwesterproteine und haben einen gemeinsamen Vorfahren“.

„Das zeigt, dass Eukaryoten nicht nur all diese reichhaltigen Strukturproteine bekommen haben, die wir zuvor in Asgards gesehen haben“, erklärt der integrative Biologe Brett Baker von der UT, „sondern es bedeutet jetzt auch, dass sogar einige der Abwehrsysteme in Eukaryoten aus Asgards stammen.“

Neben Viperin waren fast 8 Prozent der untersuchten Abwehrgene der Asgard-Archaeen mit Argonauten verknüpft. Dabei handelt es sich um Immunproteine, die DNA zerschneiden, um die Ausbreitung eines Virus zu stoppen.

In allen Domänen des Lebens auf unserem Planeten – von Archaeen und Bakterien bis zu Eukaryoten – fungieren Argonauten als „programmierbare Immunsysteme“.

Um zu prüfen, wie diese Proteine in lebenden Zellen wirken, entnahmen die Forschenden die genetischen Anweisungen für Viperine aus den Asgard-Archaeen-Genomen und klonten sie in E. coli-Bakterien. Nach dem Einbringen eines Virus zeigten die Bakterienzellen gewisse Anzeichen von Schutz.

„Virusinfektionen gehören zu den evolutionären Selektionsdrücken, die es seit Beginn des Lebens gibt, und es ist entscheidend, immer irgendeine Form der Abwehr zu haben“, erläutert Pedro Leão, der die Forschung in Bakers Labor an der UT durchgeführt hat.

„Als Bakterien und Archaeen Werkzeuge entdeckt haben, die funktionieren, wurden sie weitergegeben und sind bis heute Teil unserer ersten Verteidigungslinie.“

Dank sei den Mikroben.

Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.