Bakterien Entdeckung der genetischen Transformation Prokaryoten nehmen aus ihrer Umgebung oft genetischen Material auf um ihren Genom verändern zu können – Adaptation zur veränderten Umgebung Entdeckung des Gentransfers: Frederick Griffith, 1928, Streptococcus pneumoniae DNA ist das genetische Material: Oswald Avery (MacLeod und McCarty) 1944 Streptococcus Riesige Bedeutung in der Medizin: Verbreitung der Antibiotikaresistenz und der Pathogenität Allgemeine Genpool der Bakterien E. coli Stämme können bis zu 30-40% Unterschiede in ihrem Genom haben – trotzdem sind alle E. coli Das menschliche Genom und das der Maus heben weniger als 30-40 % Unterschiede. In den Bakterien können in nur wenigen Generationen neue metabolischen Wege erscheinen und Gene verlohren gehen Im Genom von zwei, genetisch sehr unterschiedlichen Bakterien können bis zu 60-70 % homologe Gene anwesend sein! Der Begriff „Species” ist im Fall von Bakterien sinnlos: OTU = operational taxonomic unit, aufgrund 16S rRNA Gensequenzen Vertikaler und horizontaler Gentransfer: DNA aus der Umgebung Gene die evolutionsmässig vorteilhaft sind verbreiten sich unter Mikroorganismen „wertlose” Gene gehen schnell verloren Die Tatsache, dass die natürliche Transformation in unter verschiedene Bedingungen lebende Bakterien detektiert wurde (inkl. Archaea) lasst vermuten, dass die Transformationsfähigkeit während der Evolution früh entstanden ist. Tree of Life aufgrund 16S rRNA Gene Sogar ausgestorbene Arten passen in dieses System Prokaryote Archea können klar unterscheidet werden Carl Woese Prokaryot-Zellen bei 0, 37 und 130 °C Gene die sich an die Umwelt anpassen Das bakterielle Metagenom Die Nummer von bakteriellen OTUs in dem menschlichen Körper wird ungefähr auf 40 000 geschätzt. Ein durchschnittliches Bakterium besitzt etwa 4-5 Tausend Gene (0.5 -10 000 ) • Man vermutet, dass sie über fast 200 Millionen Gene verfügen, 10 000-mal so viel wie wir Menschen • In der Wirklichkeit kodieren warscheinlich nur weniger als eine Millionen bakteriellen Gene : sie haben viele Homologen Gene (Gene die eine positive Selektion ausüben werden in mikrobialen Populationen schnell verbreitet, sogar in genetisch nicht-verwandten Zellen) Unterschiedliche „Spezien” die in ähnlicher Umgebung leben entwickeln einen ähnlichen Metabolismus: konvergente Evolution Gen-Aufspürung, eine neue bioinformatische Methode kann alte horizontale Genübertragungsmomente auch unter sehr unterschiedlichen Arten aufspüren Das endosymbiotische Bakterium Wolbachia hat Teile seines Genoms in zahlreiche Stämme von Drosophila ananassae, die Wespe Nasonia und der Wurm Brugia malayi eingebracht Transfer von Gene, mobile Gene • Manche Gene werden zwischen verschiedenen Zellen durch randome Ereignisse übergebracht (DNA von toten Zellen wird aufgenommen und integriert von lebendigen Zellen) • Andere Gene „bewegen” sich ständig (Transposone), oder sie vermehren sich (Retrotransposone) um ihre Chance in andere Zellen gelingen zu können zu vergrössern • Gene sind entstanden welche für Proteine kodieren die solche Strukturen (sex pili) formen die den Transfer zwischen Zellen ermöglichen • Gengruppen wurden entwickelt die das eigene Überleben sichern, falls die Wirtszelle sterben sollte (lysogene Phagen) • mehrere egoistische Gene benutzen den Wirt nur damit sie sich vermehren können (bacterielle Viren = Bacteriophage) Genaustausch unter Prokaryoten Transformation: Aufnahme von DNA aus (toten) Zellen Konjugation: Transfer von DNA (unter lebendigen Zellen) Transduktion: Genübertragung (durch Infektion) „Markern” von Bakterien prototroph - „wilder Typ" Bakterien haben minimale Nahrungsbedingungen, charakteristisch für die Arten (oft: nur Wasser, anorganische Salze, C = Energie und N Quelle). Minimale Bedingungen können variieren (Stickstoff fixation, Photosynthese, anaerobe Umstände, usw.) Pathogene Organismen benötigen in der Regel viele komplexe Zutaten. auxotroph – mutanter Stamm, benötigt bestimmte Zutaten die von dem wilden Typ nicht benötigt werden. Genetische Markern: Resistenz Antibiotika, Faktore aus der Umgebung: Osmose, pH,Schwermetalle, UV, Hitze, Detergente, Phagen Andere: Farbe, Bewegungsfähigkeit, Plaquemorphologie, Enzyme „Markern” von Bakterien Sichtbare Markern wildes and mutantes Wachsen ist anders: Kolonie Grösse, wild und mutant weisen Enzymunerschiede auf, andere Metaboliten: Farbe oder Färbung selektierbare Markern permissive und restriktive Medien, Umstände wildes oder mutantes Allel bedeutet selektiven Vorteil Bakteriengenetik Die erste „Kreuzung” der Bakterien: rekombination (Lederberg & Tatum) Die Stämme A und B wurden gemeinsam in einer Flüssigkultur vermehrt Prototrophe Bakterien sind mit 10-7Wahrscheinlichkeit Entstanden Weder Stamm A noch B können auf Minimalmedium wachsen Biotin: Vitamin H Thiamin: Vitamin B1 Entdeckung der Konjugation U-tube Experiment - William Hayes, 1953 Der filter erlaubt den Austausch von subzellulären Materialien,verhindert aber die Vermischung der Zellen. Keine Rekombination detektiert (keine prototrophe Kolonien). Formation von Rekombinanten benötigt physischen Kontakt der Zellen von verschiedenen Stämmen. Der Transfer geht nur in eine Richtung! "Sexual„-als Unterschied zwischen den Zellen A = Donor („Männchen"), B = Rezipient („Weibchen"). Fertilität geht in den „Männchen” Zellen oft verloren – unabhängig von anderen Merkmalen Entdeckung der Konjugation Bestimmung der Richtung des Gentransfers/Konjugation (Hayes) „A” Zellen: Streptomycin resistent „B” Zellen: Streptomycin sensitiv Gemeinsame Vermehrung der Zellen bildet KEINE Wildtypkolonie auf Minimalmedium mit Streptomycin Richtung des Gentranfers: „A” -> „B” „A” Zellen: Streptomycin sensitiv „B” Zellen: Streptomycin resistent Gemeinsame Vermehrung der Zellen bildet Wildtypkolonien auf Minimalmedium mit Streptomycin Richtung des Gentranfers: „A” -> „B” „A” Zellen + Streptomycin: sterben Mischung der toten „A” + lebendige „B” Zellen ergibt Wildtypkolonien Richtung des Gentranfers: „A” -> „B” Veränderung der genetischen Information: die Konjugation Die F+-Zellen von E. coli besitzen zwei genetische Elemente, das Chromosom und das F(Fertilitäts)-Plasmid/Faktor. Direkter Kontakt mit der F - Zelle über Konjugationsbrücke, Sex-Pili (Protein-Rohre). F + Donorzelle überträgt den Fertilitätsfaktor (FPlasmid) in die Empfängerzelle als einzelsträngige DNA. Der Empfänger synthetisiert den zweiten Strang. Während der Konjugation wandelt sich der F Stamm in F+. Der Transfer beginnt an der oriT (transfer) Stelle des F-Plasmids Die Konjugationsbrücke von E. coli Die Donorzelle überträgt ihre einzelsträngige DNA in die Empfängerzelle über die Konjugationsbrücke, Sex-Pilus (ein Proteinrohr) Entdeckung der Konjugation mit hoher Frequenz Luca Cavalli-Sforza: unerwartet hohe Transformationsfrequenz (1000 x), sehr niedriger oder kein Transfer von Fertilität Integration des F-Plasmids ins Chromosom: Hfr-Zelle (high frequency of recombination) mit einer 10-3Wahrscheinlichkeit Während der Paarung/Konjugation überträgt die HfrZelle ihre einzelsträngige DNA in die F—Zelle. Die Übertragung beginnt mit der oriT-Sequenz. Keine Sexualität sondern Parasexualität. Die Übertragung dauert ~100 Minuten, aber wird spontan unterbrochen. Konsequenz: ein vollkommenes, ringförmiges Chromosom, zusätzlich mehr oder weniger lange lineare DNA-Abschnitte, die Zelle ist Merozygot, nur teilweise Diploid Genetische „Kartierung” F-Plasmide können sich in verschiedene Positionen des Genoms integrieren. Abhängig von der Stelle und Orientation werden verschiedene Gene in verschiedene Sequenzen übergebracht. Falls der Plasmid sich in das Chromosom integriert werden die Fertilitätsgene zuletzt transferiert. Die Chance auf dies ist sehr niedrig, meisstens wird die Konjugation früher unterbrochen. Bei F-Plasmiden die sich selbstständig replizieren ist es genau der Gegenteil: Donor-Fähigkeit wird oft transmittiert, da das Origo von den Fertilitätsgen nicht durch den Chromosom separirt ist. Konjugation ist das meisstverbreitene und wichtigste Ereignis für Antibiotikaresistenz. Genetische „Minutenkartierung” Während der Konjugation folgen sich die einzelnen Gene von Donor zu Rezipient. Wird die Konjugation unterbrochen werden nur manche Gene übergebracht. 90 Minuten wurden benötigt um das ganze E. coli Genom zu transferieren. Transfer von Fertilitätsgene In Hfr Stämme werden die Fertilitätsgene zuletzt übergebracht: Hohe Effizienz des Gentransfers, niedrige warscheinlichkeit, dass F auch übergebracht wird. Unabhängige F-Plasmide: Niedrige Effizienz des Gentransfers, F wird mit derselben Warscheinlichkeit übergebracht. Bei Bakterien ist die Konjugation bei Weitem die meisst effektive Art der Genübertragung. Genkartierung durch unterbrochene Konjugation Donorzelle: str- s; Empfängerzelle: Str-r; Wildtyp Donorzellen werden mit Streptomycin getötet ab und zumales Schütteln der Zellkultur: die Konjugation wird Unterbrochen. Der F--Stamm kann ausschliesslich in der Anwesenheit von Methionin, Leucin und Arginin, auf Streptomycin Wachsen. Nach 9 Min. Paarung: met+ Rekombinanten; 18 Min: arg+; 24 Min: leu+Rekombinanten Die Genkarte: met-9 Einheit (Min.) -arg–6 Einheit -leu Genkartierung durch Rekombination In dieser Konjugation wird das leuGen als letztes übertragen Selektion: Minimalmedium + Arginin, Methionin, Streptomycin (nur leu+kann wachsen) Analyse der Kolonien mit Replika-Plattierung auf verschiedene Medien Genkartierung durch Rekombination Die unterbrochene Konjugation ergibt bloss raue Kartierungsdaten; die Gene die näher als 1-2 Einheit/Min. liegen können nicht kartiert werden Ein Abschnitt von ~1 Min. kann durchschnittlich 40-50 E. coli Gene enthalten Rekombinationskartierung, wie bei Eukaryonten, ermöglicht Kartierung naher Gene Selektion: Minimalmedium +Arg.+Met. + Str., wo ALLE leu+-Rekombinanten Wachsen können Alle mögliche Rekombinantenkategorien: 90%: leu+ arg+ met+ 4 %: leu+ arg--met-6 %: leu+ arg+ met-0.25 %: leu+ arg--met+ (Die seltenen, vierfachen Rekombinanten) Kartenabstände: leu 4 E. arg 6 E. met (keine Information über Reihenfolge!) Kartenabstände: leu 4 E. arg 6 E. met (keine Information über Reihenfolge!) Reihenfolge der Gene: leu+ arg-met+ , aufgrund der seltenen Rekombinanten