Muttermilch bewirkt beim Säugling die optimale epigenetische Programmierung durch chemische Modifikationen des Erbguts. Die Effekte betreffen beispielsweise die Histon-Proteine, um die sich die DNA wickelt, um besser verpackt zu sein. Diese Histone werden durch enzymatische Anfügung oder Entfernung von Methylgruppen reguliert. Bei der Methylierung wickelt sich die DNA noch enger um sie herum und es findet im stillen (silenten) Zustand keine Übersetzung in Boten-RNA (mRNA) statt. Die Acetylierung dagegen führt dazu, dass sich die Histone auflockern, so dass die DNA aktiv ist und abgelesen werden kann. Es gibt erhebliche Unterschiede in der Methylierung der DNA und spezieller Fettstoffwechselgene wie Leptin bei Säuglingen, die mit proteinreicher Formula ernährt werden. Diese aktiviert wie Gelée Royal den mTORC1-S6K1- Signalweg, der bei Bienen die Körpermassen- und Fettkörper­zunahme der Königinnen erklärt und bei Säuglingen die gesteigerte Adipogenese mit erhöhtem Übergewichtsrisiko. Illustration: © Birgit Heimbach

Stillen hat im Vergleich zu Muttermilchersatznahrung präventive Wirkungen gegen Übergewicht und Diabetes. Die Weltgesundheitsorganisation und die Lancet Breastfeeding Series Group setzen sich daher vehement für mindestens sechs Monate ausschließliches Stillen ein. Warum und wie stört künstliche Babynahrung die epigenetische Prägung des Fettgewebes?

Übergewicht hat sich zu einer Pandemie entwickelt, die zu chronischen Folgekrankheiten wie Diabetes und metabolischem Syndrom führt, die unsere Gesundheitssysteme überlasten. Adipositas beruht nur in seltenen Fällen auf rein genetischen Störungen, Mutationen und Genpolymorphismen wie die aktivitätssteigernde rs9939609-Variante des Fat Mass- and Obesity-Associated Gens (FTO). In größerem Ausmaß fördern epigenetische Störungen die Entwicklung von Adipositas. Den epigenetischen Störungen liegen keine Abweichungen in der Sequenz der DNA-Basen (Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin) zugrunde, sondern kleine chemische Modifikationen, vor allem Methylierungen beziehungsweise Demethylierungen von Nukleotiden in DNA und RNA sowie DNA-regulierender Histonproteine im Zellkern. Die Anfügung einer Methylgruppe (-CH3) beziehungsweise deren Entfernung von Basen in DNA, RNA oder Histonen beeinflusst maßgeblich die Genexpression (siehe Links).

Um ein Gen abzulesen, muss der mit Histonproteinen umwickelte DNA-Strang aufgelockert werden, um Euchromatin zu bilden. Dadurch wird der jeweilige DNA-Abschnitt zugänglich und kann kopiert werden (Transkription). Anschließend wird dieser DNA-Abschnitt in Boten-RNA (mRNA) übersetzt (Translation). Letztendlich wird die korrekte Aminosäurekette synthetisiert, die das gewünschte Protein als Endprodukt für die Zelle bereitstellt.

Abbildung 1: Epigenetische Modifikationen können auf verschiedenen Ebenen die Genexpression ändern. Grafik: © Sabine Weiskirchen

Epigenetische Modifikationen können die Genexpression auf verschiedenen Ebenen verändern:

  1. Durch epigenetische Modifikationen der Desoxyribonukleinsäure (DNA): DNA kann durch Methylierung chemisch modifiziert werden, meist von DNA in CpG-Inseln. DNA-Hypermethylierungen von Promoter- oder Enhancer-Regionen vermindern meist die Genexpression, wohingegen Hypermethylierungen der Gene Bodies die Genexpression steigern.
  2. Durch microRNA (miRNA): MicroRNAs (miRNAs) sind kurze nicht-kodierende RNA-Sequenzen. Sie können Boten-RNAs (mRNAs) hemmen und dadurch die Translation eines Gens negativ beeinflussen. Die DNA-Stränge sind um Histonproteine gewickelt. Bei dichter Packung von DNA um Histone (Heterochromatin) ist die Transkription eines Gens verhindert; bei Auflockerung (Euchromatin) kann die Transkription des Gens stattfinden.
  3. Durch Modifikationen der Histonproteine (H2A, H2B, H3, H4): Die DNA-Stränge sind um Histonproteine gewickelt. Bei dichter Packung von DNA um Histone (Heterochromatin) ist die Transkription eines Gens verhindert; bei Auflockerung (Euchromatin) kann die Transkription des Gens stattfinden. Die Aktivität der Histone kann epigenetisch durch Phosphorylierung, Methylierung und Acetylierung modifiziert werden. Die Trimethylierung von Histon 3 an Lysin 27 (H3K27me3) schaltet die Genexpression ab.

Damit wird deutlich, dass epigenetische Modifikationen einen erheblichen und meist häufigeren Einfluss auf die Genexpression haben als die selteneren Störungen der DNA-Basensequenz (Genpolymorphismen), die bei seltener erblich bedingter Adipositas auftreten.

Ernährung und epigenetische Regulation

Die Ernährung hat einen erheblichen Einfluss auf die epigenetische Regulation, zum Beispiel der gut bekannte Einfluss des Methyl-Donors Folsäure zur Prävention einer Neuralrohrfehlbildung (Spina bifida). Ein besonders sensibles und vulnerables Zeitfenster der epigenetischen Prägung ist die frühe Säuglingszeit (Plagemann et al., 2012). Zunehmende Evidenz stützt die Vorstellung, dass die frühe postnatale Ernährung das Adipositas-Risiko durch epigenetische Mechanismen maßgeblich programmiert (Marousez et al., 2019; Rajamoorthi et al., 2022).

Die Muttermilch basiert auf evolutionsbedingter Laktationserfahrung und artspezifischer Optimierung und Anpassung über hunderttausende von Jahren und gilt als bewährter Goldstandard für die korrekte epigenetische Prägung.

Muttermilchersatznahrung führt dagegen zu erheblichen Abweichungen von der korrekten epigenetischen Regulation des Fettgewebes auf allen Ebenen und trägt damit wesentlich zur Adipositas-Epidemie bei.

Fehlregulation auf DNA-Ebene

Veränderungen der DNA-Methylierung werden seit langem mit der Pathogenese von Adipositas und Diabetes in Verbindung gebracht (de Mello et al., 2014). Stillen und Stilldauer haben einen signifikanten Einfluss auf die Methylierung zahlreicher Gene des Fettstoffwechsels, wie des Leptin-Gens (LEP) (Obermann-Borst et al., 2013). Die durch das Stillen und die Stilldauer beeinflusste LEP-Methylierung korreliert mit dem Body-Mass-Index (BMI) – ein Effekt, der noch bei Kindern im Alter von zehn Jahren nachweisbar ist (Sherwood et al., 2020). Es besteht heute kein Zweifel mehr, dass die DNA-Methylierung den Einfluss des Stillens auf die Wachstumsachsen des Kindes wesentlich mitbestimmt (Briollais et al., 2021).

Kürzlich verglich ein Team um Yamini Mallisetty die epigenetischen Effekte bei Kindern, die ausschließlich Muttermilch beziehungsweise Formula erhielten (Mallisetty et al., 2020). Die Summe aller Veränderungen der Genmethylierungen von der Geburt bis zum Alter von zehn Jahren war in der Gruppe der Kinder, die künstliche Babynahrung erhielten, signifikant reduziert. Dies bestätigt, dass künstliche Säuglingsnahrung auf DNA-Ebene von der epigenetischen Achse der Muttermilch abweicht und damit das Adipositas-Risiko erhöhen kann.

Fehlregulation auf RNA-Ebene

Nicht nur die DNA, sondern auch die RNA unterliegt der epigenetischen Regulation. Eine der wichtigsten epigenetischen Modifikationen ist die N6-Methylierung von Adenosin (m6A) in RNAs. Enzyme (Methylasen) führen diese m6A-Methylierungen durch. Demethylasen entfernen sie wieder. Eine wichtige m6A-RNA-Demethylase ist das Fat Mass- and Obesity-Associated Protein (FTO). Die erhöhte Expression und Aktivität von FTO mit verstärkter m6A-Demethylierung von RNA spielt eine zentrale Rolle in der Adipogenese und damit in der Entwicklung von Übergewicht (Yang et al., 2021; Wu et al., 2021; Azzam et al., 2022).

Besorgniserregend ist, dass Sahar Cheshmeh und Kolleg:innen eine 26-fach überhöhte FTO-Expression in Blutzellen von sechs Monate alten Säuglingen fanden, die im Vergleich zu gestillten Säuglingen ausschließlich mit künstlicher Säuglingsnahrung ernährt wurden (Cheshmeh et al., 2020). Es ist bekannt, dass die Expression von FTO durch die Eiweißzufuhr beziehungsweise die Verfügbarkeit von Aminosäuren erhöht wird (Cheung et al., 2013; Doaei et al. 2019). Als gesichert gilt die »Frühe Eiweißhypothese«, die besagt, dass die Gabe von überhöhten Proteinmengen wie etwa in künstlicher Babynahrung zu einer erhöhten Entwicklung von Übergewicht bei Kindern führt (Koletzko et al., 2009; Haschke et al., 2016). FTO aktiviert in der Zelle bei ausreichender Verfügbarkeit von Aminosäuren den zentralen Wachstumsschalter, die Kinase mTORC1 (Gulati et al., 2013).

Der erstmals postulierte Zusammenhang zwischen proteinreicher künstlicher Ernährung im Säuglingsalter und erhöhter mTORC1-Aktivität bei der Entwicklung von Adipositas (Melnik, 2012) findet heute in der Kinderheilkunde zunehmend Anerkennung (Luque et al., 2016). Die zugrunde liegenden Mechanismen zwischen übermäßiger Eiweißzufuhr und verstärkten FTO-mTORC1-Signalen bei der frühen Programmierung zum Übergewicht durch Formula-Nahrung konnten wir kürzlich darstellen (Melnik et al., 2024).Durch epigenetische Modifikationen der Ribonukleinsäuren (RNA): Die RNA-Expression kann ebenfalls durch Methylierung beziehungsweise Demethylierung beeinflusst werden. Am häufigsten wird N6-Adenosin (m6A) in RNA durch RNA-Methylasen und RNA-Demethylasen modifiziert, wie durch die RNA-Demethylase des Fat Mass- and Obesity-Associated Protein (FTO). Meist steigern m6A-Demethylierungen die Expression der jeweiligen RNA.

10 offene Fragen
Einige wichtige Fragen zu epigenetischen Entgleisungen durch die Gabe von künstlicher Säuglingsnahrung bleiben noch offen und bedürfen weiterer Klärung:

  1. Wann ist der Zeitraum der höchsten Vulnerabilität für die Adipositas-Induktion durch Formula-Ernährung?
  2. Welche Zelltypen der Adipogenese (Stammzellen, Präadipozyten, Adipozyten) werden primär durch Formula epigenetisch gestört?
  3. Welche epigenetischen Effekte hat die Formula auf die Anzahl der gebildeten Fettzellen (Fettgewebshyperplasie) und auf die Größe und Lipidspeicherung der Fettzellen (Fettgewebshypertrophie)?
  4. Bedingt mütterliches Übergewicht weitere durch die Formula induzierte epigenetische Störungen?
  5. Spielt Schwangerschaftsdiabetes eine konditionierende Rolle für weitere Formula-induzierte epigenetische Entgleisungen?
  6. Welchen Einfluss hat ein Kaiserschnitt mit seinen Beeinträchtigungen des intestinalen Mikrobioms auf weitere Formula-induzierte epigenetische Störungen?
  7. Brauchen Säuglinge mit einem FTO-aktivierenden Genpolymorphismus wie der rs9939609-Variante ein besonders engmaschiges Monitoring vor und während der Formula-Gabe und sollten sie nicht bevorzugt gestillt werden oder Humanmilch von Milchbanken erhalten?
  8. Können sich frühe Formula-induzierte epigenetische Effekte bei weiblichen Neugeborenen in ihren späteren Schwangerschaften negativ auf die Fettgewebsentwicklung ihrer Kinder auswirken?
  9. Sind Formula-induzierte epigenetische Veränderungen vererbbar? Fördern sie die Adipositas-Pandemie?
  10. Reicht der gegenwärtige Erkenntnisstand nicht schon aus, um Formula einer kontrollierten Verordnung und Überwachung durch Hebammen und Laktationsberater:innen zu unterziehen?

Fehlregulation auf microRNA-Ebene
Die Translation von Boten-RNAs (Messenger-RNA, mRNAs) wird auch durch micro­RNAs (miRNAs) reguliert. Sie sind kleine, nicht-kodierende RNAs mit einer Kettenlänge von meist nur 20 bis 22 Nukleotiden (Basen). Bindet eine miRNA an ihre spezifische mRNA (Ziel-RNA), wird diese meist abgeschaltet oder gehemmt. Muttermilch ist reich an miRNAs, die zur epigenetischen Regulation beitragen (Melnik & Schmitz, 2017). Ein Großteil dieser miRNAs wird über das Milchfett (Milchfettkügelchen) sowie über kleine extrazelluläre Vesikel (Exosomen) zum Säugling transportiert (Melnik et al., 2021).

Kürzlich wurde experimentell bestätigt, dass miRNAs der Milch von Schleimhautzellen des Darms aufgenommen werden und in den Blutkreislauf des Neugeborenen gelangen (Weil et al., 2023). Beispielsweise kann die häufigste miRNA der Muttermilch, die miRNA-148a, die mRNA der DNA-Methyltransferase 1 (DNMT1) hemmen (Melnik & Schmitz, 2017). Da die DNMT1 die Methylierung unzähliger Gene auf DNA-Ebene reguliert, ist dies ein weitreichender epigenetischer Effekt. Die miRNA-148a hemmt auch die mRNA des Zinkfingerproteins 217 (ZNF217) und reduziert so dessen aktivierende Wirkung auf die FTO-Expression. ZNF217 spielt eine aktuelle Rolle in der Adipogenese (Xiang et al., 2017). Die Ausschaltung von ZNF217 reduziert die frühe klonale Expansion von Adipozyten und hemmt so die Adipogenese (Liu et al., 2019). Die in Milchexosomen transportierte miRNA-30b hemmt direkt die mRNA von FTO (Sun et al., 2021).

Die miRNA-30b induziert die Bildung von braunem Fettgewebe und aktiviert die Thermogenese (Melnik et al., 2021), ein lebenswichtiger Mechanismus für den Energiehaushalt des Neugeborenen. Die miRNA-22, die in der Milch von Müttern mit Frühgeborenen hoch exprimiert ist, fördert die Proliferation von Darmepithelzellen und hemmt ebenfalls die mRNA-Expression von FTO. Eine reduzierte Expression von FTO vermindert einerseits die Adipogenese von weißem Fettgewebe, fördert aber andererseits die Bildung von braunem Fettgewebe, das für die Wärmeproduktion (Thermogenese) insbesondere für Frühgeborene essenziell ist.

Im Gegensatz zur Muttermilch enthalten künstliche Babynahrungen keine nennenswerten Mengen an Exosomen und miRNAs (Leiferman et al., 2019). Damit unterscheiden sich diese signifikant von der Muttermilch, insbesondere bei der miRNA-gesteuerten epigenetischen Regulation von DNMT1 und FTO mit ihren weitreichenden Einflüssen auf die DNA- und RNA-Expression.

Fehlregulation auf Histonebene
Der zentrale zelluläre Wachstumsschalter, die Kinase mTORC1, wird durch erhöhte Insulin- und IGF-1-Signale sowie essenzielle Aminosäuren aktiviert (Melnik et al., 2012) (siehe auch Nachgefragt, Seite 89). Proteinreiche Babynahrung erhöht die Serumspiegel von Insulin und IGF-1 sowie die Verfügbarkeit essenzieller Aminosäuren wie Leucin (Melnik et al., 2012; Luque et al., 2016). Dabei spielt FTO eine wichtige Rolle bei der Aminosäure-induzierten Aktivierung von mTORC1.

Abbildung 2: Erklärung der frühen Proteinhypothese zur adipogenen Wirkung proteinreicher Säuglingsnahrung: Proteinüberschuss aktiviert FTO und die Kinase mTORC1 sowie deren Substrat S6K1. Abbildung: © Sabine Weiskirchen

Das Ausschalten von FTO (»FTO knock out«) in Mäusen reduziert die Aktivität von mTORC1 und seinem Substrat, der Kinase S6K1. Proteinreiche Säuglingsnahrung erhöht dagegen die Aktivität von FTO, mTORC1 und der Kinase S6K1, die von mTORC1 zu pS6K1 phosphoryliert wird (Melnik, 2012/2015). Bei jungen Mäusen, die im Vergleich zu Kontrolltieren über mehrere Wochen Kuhmilch und dadurch einen Milchprotein-Überschuss zu sich nahmen und in der Folge Übergewicht entwickelten, konnten erhöhte pS6K1-Spiegel im weißen Fettgewebe nachgewiesen werden (Bar Yamin et al., 2014). Wird dagegen S6K1 im Mausmodell ausgeschaltet (»S6K1 knock out«), so bilden diese Mäuse nur eine verminderte Anzahl früher Fettzellvorstufen (Präadipozyten) und eine deutlich reduzierte Fettgewebsmasse (Carnevalli et al., 2010).

Wegweisende Forschungsergebnisse von Sang Ah Yi und Team erklären nun diesen Zusammenhang durch eine veränderte epigenetische Histonregulation (Yi et al., 2016). Die durch mTORC1 aktivierte S6K1 kann in den Zellkern gelangen und dort selbst das Histon 2B-Protein phosphorylieren. Diese Modifikation ermöglicht den Zutritt der Methylase EZH2, die Histon 3 dreifach methyliert. Das Produkt H3K27me3 übt einen negativen Einfluss auf die Expression der Wingless-Gene (WNT10A, WNT10B und WNT6) aus (Yi et al., 2016).

WNT-Gene haben eine zentrale Kontrollfunktion in der frühen Adipogenese (Ross et al., 2000). So unterdrücken WNT-Signale die Weiterentwicklung von Präadipozyten zu reifen Adipozyten, indem sie adipogene Transkriptionsfaktoren wie C/EBPα und PPARγ hemmen. Werden jedoch die WNT-Signale in Präadipozyten gehemmt, so können Präadipozyten zu reifen Adipozyten differenzieren (Ross et al., 2000) (siehe Abbildung 2).

Proteinüberschuss aktiviert FTO und die Kinase mTORC1 sowie deren Substrat S6K1. Die phosphorylierte Kinase S6K1 (pS6K1) wandert in den Zellkern und phosphoryliert dort Histon 2B. Dies ermöglicht die Anlagerung der Methylase EZH2 an Histon 3, wodurch H3K27me3 entsteht, das die Genexpression von Wingless-Genen (WNT) hemmt. Dadurch verringert sich deren hemmender Einfluss auf die adipogenen Transkriptionsfaktoren C/EBPα und PPARγ, wodurch deren Expression und damit die Adipogenese gesteigert werden. Zusätzlich aktivieren FTO-induzierte m6A-Demethylierungen auf RNA-Ebene weitere adipogene Transkriptionsfaktoren (Melnik et al., 2024).

Damit zeichnet sich ein wichtiger epigenetisch regulierter früher Signalweg ab, der eine überhöhte postnatale Eiweißzufuhr (»Frühe Proteinhypothese«) mit einer verstärkten Adipogenese in Zusammenhang bringt. Die Gabe von proteinreicher Säuglingsnahrung oder auch die fehlerhafte Zubereitung der Babyflaschen mit Überdosierung von Formula-Pulver erklären somit plausibel die adipogenen Effekte der Formula-Ernährung im Vergleich zur Muttermilch durch den Verlust der epigenetischen Kontrolle auf DNA-, RNA-, miRNA- und Histonebene (Melnik et al., 2024).

Inwieweit und mit welcher Präferenz die Muttermilchersatznahrung Adipozyten-Stammzellen, Präadipozyten und Adipozyten fördert, ist noch unzureichend geklärt.

Abbildung 3: Mögliche epigenetische Ziele der Formula-induzierten Adipogenese. Die bisherigen Daten deuten auf eine bevorzugte Stimulation von Präadipozyten mit klonaler Expansion (Fettgewebshyperplasie) hin. Grafik: © Sabine Weiskirchen

Resümée für die Praxis

Im Vergleich zum natürlichen Goldstandard Muttermilch führt künstliche Muttermilchersatznahrung zu erheblichen Abweichungen in der epigenetischen Regulation auf DNA-, RNA-, miRNA- und Histonebene. Die Formula-induzierten epigenetischen Störungen betreffen das höchst vulnerable Zeitfenster der postnatalen Entwicklung und beeinträchtigen die physiologische Adipogenese. Viele epigenetische Befunde deuten darauf hin, dass eine übermäßige postnatale Proteinzufuhr durch übersteigerte FTO-mTORC1-S6K1-Signale stimulierende Effekte auf Adipozyten-Stammzellen und Präadipozyten ausüben. Eine postnatale exzessive Vermehrung von Fettzellen durch künstliche Babynahrung könnte im Vergleich zur physiologischen frühen Prägung des Fettgewebes durch Stillen die Adipositas-Entwicklung mit ihren Langzeitfolgen begünstigen. Erstmals können wir die frühe Eiweißhypothese der Adipositas-Entstehung (Luque et al., 2016) auf epigenetischer Basis plausibel erklären (Melnik et al., 2024). Diese Forschungsergebnisse gehen weit über die bisher diskutierten Mechanismen verstärkter Insulin/IGF-1-Signale bei Formula-Ernährung hinaus und schließen FTO, mTORC1, S6K1, EZH2 und WNT mit in den Pathomechanismus ein.

Ein besonderer, nicht beherrschbarer Kontrollverlust bei der Formula-Nahrung ist die Zubereitung von Fläschchen mit überhöhten Eiweißmengen nach dem Motto »Viel hilft viel«. Eine weitere Gefahr ist die regelmäßige Gabe einer eiweißreichen Nachtflasche, die die Durchschlafzeit des Säuglings verlängert: angenehm für die Eltern, aber fatal für die metabolische Fehlprogrammierung des Säuglings. Auch die Vergrößerung der Schnulleröffnung, die eine zu schnelle Zufuhr übermäßiger Eiweißmengen pro Zeiteinheit ermöglicht, ist im Vergleich zum Stillen und den damit verbundenen Anstrengungen unphysiologisch.

Der Mangel an miRNA in künstlichen Formula könnte sich ebenfalls negativ auf die Adipogenese in der frühen postnatalen Phase auswirken, da kritische miRNAs der Muttermilch für die korrekte Kalibrierung der Genexpression fehlen, etwa des FTO- und ZNF217-Gens. Bemerkenswerterweise konnten Yan Yan Wu und Team (2017) sowie Bernado Lessa Horta und Koautor:innen (2018) über Beobachtungszeiträume von 16 beziehungsweise 30 Jahren zeigen, dass Stillen der Entwicklung von Adipositas bei Trägern der aktivitätssteigernden FTO-Variante rs9939609 entgegenwirkt.

Es wird also immer deutlicher, dass Muttermilch weit mehr ist als ein reines Ernährungssystem, so wie es der Kinderarzt und Formula-Mitentwickler Prof. McKim Marriott noch vor einem Jahrhundert postulierte: »Milk is just food« (Bryder, 2009). Heute sehen wir darin einen der größten und folgenreichsten Irrtümer der Medizingeschichte, der nur durch konsequente Verwendung des von der Natur vorgesehenen Originals korrigiert werden kann. Muttermilch nährt nicht nur, sondern sichert unsere ursprüngliche epigenetische Programmierung für die regelhafte metabolische Prägung.

Ausblick

Grundsätzlich stellt sich die medizinethische Frage, ob wir das Recht haben, künstlich in die natürlichen postnatalen epigenetischen Prozesse einzugreifen, zumal die ersten 1.000 Tage nach der Empfängnis als besonders schützenswerte Zeit für die Prävention von Adipositas angesehen werden (Victora et al., 2016; Pietrobelli et al., 2017, WHO 2024).

Die motivierte Arbeit der Hebammen und Laktationsberater:innen mit der praktikablen Anleitung junger Mütter zum nachhaltigen Stillen sollte daher im gesellschaftlichen Bewusstsein einen viel höheren Stellenwert erhalten, da hier die Primärprävention späterer kostenintensiver Zivilisationskrankheiten beginnt.

Link
Eine anschauliche Einführung in die Epigenetik: www.youtube.com/watch?v=BLw1eXerF-E

Nachgefragt

Birgit Heimbach: Koordiniert Mechanistic Target of Rapamycin Complex 1 (mTORC1) das Wachstum und den Stoffwechsel der Zellen in Abhängigkeit von Umweltfaktoren wie Nährstoffen und Wachstumsfaktoren?

Dr. Bodo Melnik: mTOR ist die zentrale Proteineinheit aller mTOR-Komplexe: von mTORC1, mTORC2 und neuerdings auch mTORC3. Von größter Wichtigkeit ist für uns der mTOR Complex 1 (mechanistic target of rapamycin complex 1). mTORC1 ist genau der beschriebene Zentralschalter der Zelle, bei dem Wachstumssignale (wie Insulin, IGF-1, EGF etc) und Nährstoffsignale (vor allem das Vorhandensein von essenziellen verzweigtkettigen Aminosäuren vom Prototyp Leucine) sowie zelluläre Energie für Wachstumsvorgänge koordiniert werden. Auch Palmitinsäure kann mTORC1 aktivieren. Mehrfach ungesättigte Fettsäuren wie DHA hemmen mTORC1 dagegen. Deren Zusatz zur künstlichen Säuglingsnahrung ist somit nicht nur gut für die Hirnentwicklung, sondern könnte auch die Adipogenese vorteilhaft abbremsen.

Im Gegensatz zu Wachstumshormonen und essenziellen Aminosäuren kann mTORC1 durch die Substanz Rapamycin gehemmt werden?

Nur mTORC1 ist Rapamycin-sensibel und durch diese Substanz (gefunden im Erdboden der Osterinseln Rapanui) kann man mTORC1 hemmen, nicht aber mTORC2, das kein Raptor enthält. Rapamycin ist auch ein Immunsuppressivum, da es mTORC1 in T-Zellen hemmt. Rapaloge sind gebräuchliche Medikamente in der Transplantationsmedizin.

Spielt mTORC1 auch eine Rolle beim Gelée Royal der Bienen­königinnen?

Ja, wenn man mTORC1 in der Bienenlarve durch Gabe von Rapamycin hemmt, bleibt das Gelée Royal wirkungslos und es entwickelt sich keine Königin, sondern eine Arbeiterbiene, so eine Studie von Patel und Mitarbeiter:innen. Damit wird deutlich, dass mTORC1 die Morphogenese zur Königin maßgeblich steuert. Es ist zu betonen, dass Königin und Arbeiterbiene absolut die gleichen Gene besitzen. Beide unterscheiden sich nur durch die Ernährung und deren Einfluss auf die epigenetische Regulation. Da wir jetzt wissen, dass die durch mTORC1-induzierte Kinase S6K1 epigenetische Histonmodifizierungen induziert, könnte die Epigenetik zur Königin ebenfalls einem neuen Denken unterzogen werden. Im Gelée Royal sind bis 20 % Proteine und essenzielle Aminosäuren sowie Roylactin enthalten, die die Kinasen mTORC1 und S6K1 aktivierten. Roylactin, ein sezerniertes Hormon aus den hypopharyngealen Drüsen der Arbeiterbienen, stimuliert den Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR), der den mTORC1-S6K1-Signalweg aktiviert. Roylactin ist im Fettkörper der Königin vermehrt enthalten. Der Fettkörper bei Insekten entspricht dem Fettgewebe bei Säugern.

Laut einer Dissertation von Bärbel Heidtmann »Die Wirkung von Gelée Royale auf Histon­modifikationen und seine Rolle in Lern- und Gedächtnisprozessen am Modellorganismus der Honigbiene« (2010) reicht schon eine einmalige Fütterung mit Gelée Royal, um die Histonacetylierung und -methylierung zu verändern.

Die Studie von Bärbel Heidtmann verdeutlicht, dass die Ernährung einen signifikanten und unmittelbaren Einfluss auf die Epigenetik hat. Der hohe Proteingehalt und die hohe Verfügbarkeit von Roylactin und essenziellen Aminosäuren, die den mTORC1- S6K1-Signalweg aktivieren, sind ein sehr interessantes Modell für die Erklärung der »Frühen Eiweißhypothese«, die vermehrte Eiweißzufuhr durch Formula mit der Übergewichtsentwicklung und erhöhtem Body Mass Index der Kinder in Verbindung bringt. Wir wissen seit Kurzem, dass die durch mTORC1-aktivierte Kinase S6K1 in den Zellkern eintritt und dort ebenfalls Histone modifiziert. Hier sehen wir den zentralen Signalweg zur Erklärung der frühen überstimulierten Adipogenese durch Formula. Die neuen Zusammenhänge konnten wir kürzlich in der Fachzeitschrift Nutrients publizieren (Melnik el al., 2024). Nur Muttermilch garantiert offensichtlich die korrekte Kalibrierung unserer eigenen postnatalen epigenetischen Achsen. Neben ihrer erhöhten Körpermasse verfügt die Bienenkönigin auch über einen ausgeprägteren Fettkörper, der dem Fettgewebe bei Säugetieren entspricht.

Bärbel Heidtmann schreibt, dass ein Transport von Gelée Royal zum Fettkörper möglich ist. Es könnte auch als freie Fettsäure zum Fettkörper transportiert und zu Diacylglycerol (DAG) umgewandelt oder zu verschiedenen Organen transportiert werden. In Insekten werden durch die Ernährung aufgenommene Fette oder Fettsäuren gewöhnlich in Form von DAG aus dem Mitteldarm zum Fettkörper transportiert und dort gespeichert. Es war jedoch nicht Teil der Studie, dies genauer herauszufinden.

In der Tat, die epigenetischen Effekte sind von größter Bedeutung für die Entwicklungsbiologie aller Lebewesen. Sie spielen eine zentrale Rolle in der postnatalen Adipogenese. Wir zahlen einen hohen Preis, wenn wir künstlich und ohne Grund von unserem eigenen eigenetischem Goldstandard Muttermilch abweichen. Wenn alle Bienen mit Gelée Royal gefüttert würden, würden auch die natürlichen Abläufe im Bienenvolk außer Kontrolle geraten.

Danke für Ihre wertvollen Ausführungen!

Zitiervorlage
Melnik, B. et al. (2024). Adipositas aus dem Fläschchen. Deutsche Hebammen Zeitschrift, 76 (10), 82–89.
Literatur
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