Bakterien können Testosteron produzieren. Was könnte das für Prostatakrebs bedeuten?

Die Entdeckung bedeutet weder, dass das Bakterium Prostatakrebs verursacht, noch belegt sie, dass das von Bakterien produzierte Testosteron die Tumore erreicht oder den Krankheitsverlauf verändert. Sie deckt jedoch einen bislang unbekannten mikrobiellen Weg zu einem Hormon auf, das für die Biologie der Prostata von zentraler Bedeutung ist, und wirft neue Fragen darüber auf, ob die in der Nähe der Prostata lebenden Mikroorganismen dazu beitragen könnten, deren chemisches Umfeld zu prägen.

Die in „Nature Communications“ veröffentlichte Studie brachte Experten aus den Bereichen Mikrobiologie, Krebsbiologie, Chemie, Genomik und computergestützte Physik zusammen. Forscher des Fachbereichs Physik der Auburn University trugen mit computergestützter Strukturbiologie dazu bei, auf atomarer Ebene zu erklären, wie der neu entdeckte bakterielle Mechanismus funktioniert.

„Wir behaupten nicht, dass diese Bakterien Krebs verursachen“, sagte Rafael Bernardi, außerordentlicher Professor am Fachbereich Physik der Auburn University und Mitautor der Studie. „Was wir nun wissen, ist, dass sie über den molekularen Mechanismus zur Produktion von Testosteron verfügen. Da Prostatakrebs so eng mit der Androgen-Signalübertragung verbunden ist, ist dies eine Erkenntnis, die es zu verstehen gilt.“

Eine unerwartete Fähigkeit des mikrobiellen Ökosystems im Urin

Jahrzehntelang ging man allgemein davon aus, dass Urin steril sei, und die Harnwege wurden im ursprünglichen Human Microbiome Project nicht berücksichtigt. Wissenschaftler wissen inzwischen, dass der Urin eine eigene Gemeinschaft von Mikroorganismen enthält, die oft als Harnmikrobiom oder Urobiom bezeichnet wird. Ein Großteil der Forschung in diesem noch jungen Forschungsgebiet konzentrierte sich bisher darauf, festzustellen, welche Mikroben vorhanden sind und ob sich diese Gemeinschaften bei gesunden Menschen und bei erkrankten Menschen unterscheiden. Die neue Studie stellte eine schwierigere Frage: Was tun diese Mikroben eigentlich?

Das Forschungsteam untersuchte Bakterien, die aus Urinproben isoliert wurden, die bei Männern vor einer Prostatabiopsie entnommen worden waren. Um Organismen zu finden, die Steroide umwandeln können, entwickelten die Forscher eine Schnellscreening-Methode namens „Human Sterolbiome Discovery High-throughput assay“ (HSDH-Assay). Zu den von ihnen identifizierten Organismen gehörte Actinobaculum massiliense. Bei Zugabe von DHEA produzierte das Bakterium Steroid-Zwischenprodukte und schließlich Testosteron.

DHEA, oder Dehydroepiandrosteron, ist ein Steroid, das vom menschlichen Körper auf natürliche Weise produziert wird. Menschliches Gewebe kann es als Ausgangsstoff nutzen, um wirksamere Hormone, darunter Testosteron, herzustellen. Die neue Arbeit zeigt, dass ein im Harntrakt lebendes Bakterium mithilfe seiner eigenen Enzyme ähnliche chemische Reaktionen durchführen kann.

„Das Mikrobiom des Harntrakts wurde bisher oft untersucht, indem man sich fragte, welche Organismen dort vorkommen“, sagte Jason M. Ridlon, der die Studie konzipierte und leitete. „Wir wollten verstehen, wozu diese Organismen fähig sind. Die Entdeckung dieses Androgen-Produktionsweges liefert uns spezifische Gene und Enzyme, die nun im Zusammenhang mit der Gesundheit und Erkrankung der Harnwege untersucht werden können.“

Nachdem die Forscher die Fähigkeit des Bakteriums zur Testosteronproduktion bestätigt hatten, suchten sie in dessen Genom nach den dafür verantwortlichen Genen. Sie identifizierten zwei Kandidaten, die sie dirA und dirB nannten, für die DHEA-Isomerase-Reduktase. Laborversuche zeigten, dass DirA ungewöhnlich vielseitig war: Es führte mehrere verschiedene Steroidumwandlungen durch und ermöglichte es dem Bakterium, über mehr als einen Weg zu Testosteron zu gelangen. DirB konnte nur einen Teil dieser chemischen Prozesse ausführen.

Dieser Unterschied stellte ein Rätsel dar. Die beiden Enzyme schienen sich im Großen und Ganzen zu ähneln und enthielten viele der gleichen chemischen Bestandteile, doch das eine verhielt sich wie eine vielseitige Maschine zur Steroidverarbeitung, während das andere deutlich eingeschränktere Fähigkeiten besaß. Um dieses Rätsel zu lösen, musste man über die Gene hinausblicken und die Bewegung der Moleküle beobachten.

Die Chemie in Bewegung beobachten

An der Auburn University erstellte Bernardis Gruppe dreidimensionale Modelle von DirA und DirB und nutzte Molekularsimulationen, um zu verfolgen, was geschah, wenn Steroidmoleküle in die jeweiligen Enzyme eintraten. Anstatt die Proteine als statische Strukturen zu betrachten, erstellten die Forscher Atom-für-Atom-Filme, die zeigten, wie sich die Enzyme bogen, die Steroide rotierten und sich die umgebenden Moleküle im Laufe der Zeit verschoben.

Diese Bewegung ist entscheidend für das Verständnis der Funktionsweise von Enzymen. Ein Molekül reagiert nicht einfach deshalb, weil es in ein Protein passt. Der richtige Teil des Moleküls muss zudem im richtigen Abstand und Winkel dem richtigen Teil des Enzyms zugewandt sein. Ein Steroid kann fest an ein Enzym gebunden sein und dennoch chemisch unwirksam bleiben, wenn es in die falsche Richtung zeigt.

Die Simulationen in Auburn zeigten, dass DirA über eine breite, offene Tasche verfügt, die dem Steroid Raum gibt, sich zu bewegen und neu zu positionieren. Diese Flexibilität ermöglicht es verschiedenen Teilen des Steroids, sich in unterschiedlichen Phasen des Stoffwechselwegs von DHEA zu Testosteron dem katalytischen Mechanismus des Enzyms anzunähern. DirB hingegen verfügt über einen viel engeren inneren Tunnel. Das Steroid kann zwar eindringen und im Inneren verbleiben, doch aufgrund des beengten Raums ist es häufig verdreht oder falsch ausgerichtet, sodass der Teil, der reagieren muss, vom katalytischen Mechanismus abgewandt ist.

„In diesem Maßstab hängt die Chemie von der Choreografie ab“, sagte Bernardi. „Das Steroid muss zur richtigen Zeit am richtigen Ort sein und in die richtige Richtung zeigen. Ein Enzym gibt ihm den Raum dafür, das andere nicht.“

Dieser relativ einfache Unterschied in der molekularen Architektur erklärte die experimentellen Ergebnisse. DirA konnte ein breites Spektrum an Reaktionen unterstützen, da das Steroid genügend Platz hatte, sich zu drehen und dem Enzym verschiedene Teile seiner Struktur zu präsentieren. DirB konnte nur jene Reaktionen durchführen, die mit seiner engeren Tasche vereinbar waren.

Raissa Rosa, eine Doktorandin in Bernardis Gruppe, führte die computergestützten Untersuchungen durch und entwickelte die katalytischen Modelle in Zusammenarbeit mit Bernardi. Die Forscher aus Auburn kombinierten KI-basierte Proteinmodellierung mit Atom-für-Atom-Simulationen und nutzten dabei Software, an deren Entwicklung Bernardis Gruppe mitgewirkt hatte.

„Eine statische Struktur kann uns zeigen, dass ein Molekül in ein Protein passt“, sagte Rosa. „Die Simulationen geben Aufschluss darüber, ob es die für die Reaktion erforderliche präzise Ausrichtung erreichen kann und ob diese Anordnung stabil bleibt. In diesem Fall trugen diese Bewegungen dazu bei, zu erklären, warum sich die beiden Enzyme so unterschiedlich verhalten.“

Eine neue Fragestellung für die Prostatakrebsforschung

Testosteron und andere Androgene sind für die normale Entwicklung und Funktion der Prostata unerlässlich, können jedoch auch das Wachstum vieler Prostatakrebsarten fördern, indem sie den Androgenrezeptor aktivieren. Aus diesem Grund zielen Therapien für fortgeschrittenen Prostatakrebs häufig darauf ab, die Androgenproduktion zu unterdrücken oder die Androgensignalübertragung zu blockieren.

Die Entdeckung, dass ein Urinbakterium Testosteron bilden kann, wirft eine neue Frage auf: Könnte der mikrobielle Stoffwechsel zur Androgenkonzentration in der Umgebung der Prostata beitragen? Die vorliegende Studie beantwortet diese Frage nicht. Sie zeigt lediglich, dass das Bakterium unter Laborbedingungen die biochemische Fähigkeit besitzt, Testosteron zu produzieren. Die Forscher müssen noch klären, ob dieser Stoffwechselweg im menschlichen Körper aktiv ist, wie viel Androgen die Bakterien dort produzieren könnten, ob diese Moleküle in das umliegende Gewebe gelangen und ob sie messbare Auswirkungen auf die Biologie der Prostata haben.

Dennoch liefert die Entdeckung den Wissenschaftlern spezifische Gene und Enzyme, die sie untersuchen können. Forscher können nun Datensätze zum Urinmikrobiom nach „dirA“ und „dirB“ durchsuchen, deren Häufigkeit bestimmen und prüfen, ob ihr Vorkommen mit Unterschieden bei den Urinhormonen, Prostatakrankheiten oder Behandlungsreaktionen in Verbindung steht.

„Der nächste Schritt besteht darin, von der molekularen Fähigkeit zur physiologischen Relevanz überzugehen“, sagte Bernardi. „Wir verstehen nun, wie die bakteriellen Enzyme die chemischen Reaktionen durchführen können. Die größere Frage ist, ob diese chemischen Vorgänge in der komplexen Umgebung des menschlichen Körpers eine bedeutende Wirkung haben.“

Die Arbeit könnte auch Auswirkungen über die Prostataforschung hinaus haben. Im Urin gefundene Steroide werden in der medizinischen Forschung und Diagnostik sowie bei Tests auf leistungssteigernde Substanzen gemessen. Wenn Mikroorganismen diese Verbindungen innerhalb der Harnwege umwandeln können, könnte der mikrobielle Stoffwechsel letztendlich zu einem weiteren Faktor werden, den Wissenschaftler bei der Interpretation von Steroidprofilen im Urin berücksichtigen müssen.

Die Studie vereinte Proben von Patienten, Bakterienkulturen, Genomsequenzierung, analytische Chemie, Proteinbiochemie und computergestützte Biophysik. Die experimentellen Arbeiten belegten, dass das Bakterium Testosteron produzieren kann, und identifizierten die daran beteiligten Gene. Die computergestützten Untersuchungen zeigten dann auf, warum die von diesen Genen kodierten Enzyme unterschiedliche Fähigkeiten besaßen.

„Keine einzelne Technik hätte das vollständige Bild liefern können“, sagte Bernardi. „Die Experimente ermittelten den biologischen Stoffwechselweg, während die Simulationen die physikalischen Grundlagen für die Enzymaktivitäten aufzeigten. Zusammen ermöglichten sie uns den Übergang von der Beobachtung der Testosteronproduktion zum Verständnis dessen, wie sie abläuft.“

An der Studie waren Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign, der Auburn University, der Virginia Commonwealth University und des Carle Foundation Hospital beteiligt. Bernardi leitete den Beitrag der Auburn University im Bereich der computergestützten Strukturbiologie, während Rosa die computergestützten Untersuchungen durchführte und die katalytischen Modelle entwickelte. Bernardi leitet die Gruppe für computergestützte Biophysik an der Auburn University, und beide Forscher sind dem Fachbereich Physik sowie dem Fachbereich Chemie und Biochemie der Universität angegliedert.