Wenn man die Gefahr riechen kann: Forscher finden Zellen in der Nase, die ein hochgiftiges bakterielles Molekül wahrnehmen

Wer Gefahren rechtzeitig erkennt, überlebt länger – ein evolutionärer Vorteil. Beim Erkennen von Gefahren spielt auch die Nase eine wichtige Rolle. Forscher der Saar-Universität konnten nun einen Mechanismus entschlüsseln, der beim „Wittern“ von Gefahren eine zentrale Rolle spielt: Mäuse können feinste Konzentrationen Schwefelwasserstoff riechen. Die Entdeckung ist von großer Bedeutung für das evolutionäre Verständnis des Geruchssinns, aber auch für die Frage, wie Bakterien und Viren in der Nase detektiert werden können. Die Studie ist im renommierten Fachjournal Neuron erschienen.

 

29. Juni 2021


Im Volksmund ist das Phänomen bereits hinlänglich bekannt und in Redewendungen beschrieben: Man kann Gefahr riechen, es liegt etwas Schlimmes in der Luft oder man wittert Unheil. Wissenschaftlich untersucht hingegen ist es bisher nur wenig, durch welche Mechanismen Säugetiere in der Lage sind, Gefahren auch über die Nase wahrzunehmen. Einem Team um den Homburger Physiologen Professor Frank Zufall ist dieser Nachweis nun für einen speziellen chemischen Stoff gelungen: Schwefelwasserstoff, H2S. Was viele Menschen nicht wissen: H2S wird nicht nur als extrem unangenehm und abstoßend empfunden, sondern es ist auch eine der gefährlichsten biologisch produzierten Substanzen und kann zur Hemmung der intrazellären Atmung und damit zum Tod führen.
 
H2S entsteht dort, wo Bakterien keinen Sauerstoff verstoffwechseln können. Solche anaeroben Bedingungen herrschen beispielsweise in sauerstoffarmen Gebieten im Meer oder auch an manchen Stellen im Erdreich. „Für Tiere, die Höhlen bauen, ist dies sehr gefährlich. Gräbt etwa eine Maus eine Höhle in einem Bereich, in dem Bakterien unter Ausschluss von Sauerstoff leben und H2S produzieren, kann das für sie lebensbedrohend sein, schließlich ist sie als Säugetier auf Sauerstoff angewiesen“, erläutert Physiologie-Professor Frank Zufall. Beim menschlichen Sozialverhalten spielt H2S zum Beispiel  eine wichtige Rolle bei der abstoßenden Wirkung von chronisch schlechtem Mundgeruch (Halitosis), der hauptsächlich durch die Produktion von bakteriellem Schwefelwasserstoff in der Mundhöhle entsteht und der mit einer Infektion assoziiert wird.
 
Das Team um Frank Zufall hat nun an Mäusen untersucht, ob es einen speziellen Mechanismus gibt, solche Gefahren über die Nase wahrzunehmen und daraufhin Abwehrmechanismen zu aktivieren. Und tatsächlich haben die Forscher Sinneszellen in der Nase von Mäusen identifizieren können, die auf eine steigende Schwefelwasserstoff-Konzentration reagieren und die in der Folge eine Stressreaktion auslösen. „Dieser Detektor für Schwefelwasserstoff, den wir gefunden haben, ist der empfindlichste, der bisher im Tierreich entdeckt wurde“, erklärt Frank Zufall. „Wir haben ihn mit empfindlichen industriellen Gas-Sensoren aus dem Bergbau verglichen, die auch bei steigenden H2S-Konzentrationen anschlagen, um die Bergleute zu schützen. Diese schlagen noch lange nicht an, während die Sinneszellen in der Mausnase längst Alarm schlagen“, beschreibt er die Empfindlichkeit des neu entdeckten Mechanismus.
 
Gelangen Schwefelwasserstoffmoleküle an die so genannten „Typ-B-Zellen“ in der Mausnase, wird der Ort der H2S-Produktion als abstoßend und wenig attraktiv empfunden und im Gehirn abgespeichert (Zufall: „Die erste und wichtigste Reaktion bei Gefahr überhaupt: die Gefahr vermeiden!“). Mäuse lernen damit, diesen Ort auch in Zukunft zu vermeiden. Diese Überlebensstrategie wird begleitet von so genanntem „self-grooming behaviour“, also einer Art zwanghaftem Putzen. „Die Maus fährt sich ständig mit den Pfoten über Nase, Ohren und Gesicht.“ Außerdem werden Stresshormone freigesetzt. Das Team um Frank Zufall konnte genau diese Reaktionen als Indikator dafür nutzen, ob es tatsächlich die Typ-B-Zellen sind, die den H2S-Detektor beherbergen. „Haben wir die Signalmechanismen in diesen speziellen Sinneszellen ausgeschaltet, waren diese Verhaltenreaktionen gänzlich verschwunden und die Stressreaktion bei erhöhter Konzentration von Schwefelwasserstoff war ebenso abgeschaltet“, erläutert der Spezialist für den Geruchssinn. Damit konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass der Detektor tatsächlich in den Typ-B-Zellen sitzt.
 
„Nun stellt sich die Frage, ob es diesen Mechanismus auch beim Menschen gibt“, blickt Frank Zufall in die Zukunft. „Wir wissen, dass manche Menschen auch in der Lage sind, H2S bei niedrigsten Konzentrationen zu riechen. Aber wie das genau funktioniert, wissen wir nicht.“ Der von ihm entschlüsselte Mechanismus in der Mausnase könnte ein wichtiger Hinweis für eine solche Funktion auch beim Menschen sein.
 
Die Ergebnisse dieser Grundlagenforschung sind wichtige Bausteine für eine zentrale wissenschaftliche Frage, nämlich, wie Pathogene, das heißt Krankheitserreger oder andere gefährliche biologische Substanzen, schon durch unsere Sinnesorgane  aufgespürt werden können, um wichtige Abwehrreaktionen zu aktivieren. „Wir wissen jetzt, dass es Rezeptoren in der Nase von Säugetieren gibt, die bakterielle Gefahrenstoffe aufspüren können“, so Frank Zufall. Auf dieser Grundlage können nun weitere Forschungsprojekte entstehen, die der Frage, wie Tiere und Menschen Bakterien, Viren und bestimmte Krankheiten „wittern“ können, auf den Grund gehen.


 
Hintergrund:
Die Forschungsarbeit ist im Rahmen der Sonderforschungsbereiche "SFB 894: Ca2+-Signale: Molekulare Mechanismen und Integrative Funktionen" sowie „TRR 152 - Steuerung der Körper-Homöostase durch TRP-Kanal-Module“ (federführend: LMU München) entstanden. Die Veröffentlichung unterstützt überdies die enge Zusammenarbeit zwischen der Universität des Saarlandes und dem Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS), das führend in der Erforschung bakterieller Wirkstoffe ist.
 
Bibliographische Angaben:

Koike et al., Danger perception and stress response through an olfactory sensor for the bacterial metabolitehydrogen sulfide, Neuron (2021), doi.org/10.1016/j.neuron.2021.05.032
 
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Dr. Frank Zufall
Tel.: (06841) 16350
E-Mail: frank.zufall@uks.eu