Episomen, Plasmide, Insertionssequenzen und Transposons

Episomen, Plasmide, Insertionssequenzen und Transposons sind DNA-Elemente (Desoxyribonukleinsäure), die unabhängig von der Haupt-DNA oder genomischen DNA existieren können.

Episomen sind nicht-essentielle genetische Elemente. Zusätzlich zu seiner unabhängigen Existenz kann ein Episom auch als integrierter Teil des Wirtsgenoms von Bakterien existieren. Es hat seinen Ursprung außerhalb des Wirts, in einem Virus oder einem anderen Bakterium. Wenn es integriert ist, wird bei der Replikation des Wirtschromosoms eine neue Kopie des Episoms erstellt. Als autonome Einheit zerstört das genetische Material des viralen Episoms die Wirtszelle, da es die zelluläre Replikationsmaschinerie nutzt, um neue Kopien von sich selbst herzustellen. Wenn es jedoch in das bakterielle Chromosom integriert wird, vermehrt es sich bei der Zellteilung und wird auf die Tochterzellen übertragen. Eine andere Art von Episom ist der sogenannte F-Faktor. Der F-Faktor ist die am besten untersuchte der Inkompatibilitätsgruppen, die die Eigenschaft der Konjugation (der Übertragung von genetischem Material von einer Bakterienzelle auf eine andere) haben. Der F-Faktor kann in drei Zuständen existieren. F+ ist der autonome, extrachromosomale Zustand. Hfr (oder Hochfrequenz-Rekombination) bezieht sich auf einen Faktor, der sich in das Wirtschromosom integriert hat. Der Zustand F oder F prime schließlich bezeichnet einen Faktor, der außerhalb des Chromosoms existiert, an den aber ein Abschnitt der chromosomalen DNA angehängt ist. Ein Episom unterscheidet sich von anderen Stücken extrachromosomaler DNA, wie z. B. Plasmiden, durch seine Größe. Episomen sind groß und haben ein Molekulargewicht von mindestens 62 Kilobasen.

Im Gegensatz zu Episomen existiert ein Plasmid nur als unabhängiges Stück DNA. Es ist nicht in der Lage, sich mit der chromosomalen DNA zu verbinden; es trägt alle Informationen, die für seine eigene Replikation notwendig sind. Um sich selbst zu erhalten, muss sich ein Plasmid mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Wirtsbakterium teilen. Ein Plasmid ist in der Regel kleiner als ein Episom und besteht aus einem geschlossenen zirkulären Stück doppelsträngiger DNA. Ein Plasmid lässt sich durch Gelelektrophorese oder Cäsiumchlorid-Dichtegradientenzentrifugation leicht von der chromosomalen DNA unterscheiden. Zusätzlich zu den für die Replikation notwendigen Informationen kann ein Plasmid praktisch jedes andere Gen tragen. Plasmide sind zwar für das bakterielle Überleben nicht notwendig, können aber dem Wirtsbakterium einen Selektionsvorteil verschaffen. Einige Plasmide tragen zum Beispiel Gene, die für die Resistenz gegen bestimmte Antibiotika kodieren. Solche Plasmide werden als Resistenz- oder R-Faktoren bezeichnet. Andere auf Plasmiden enthaltene Eigenschaften sind der Abbau komplexer Makromoleküle, die Produktion von Bakteriozinen (Moleküle, die das Bakterienwachstum hemmen oder die Bakterien abtöten), die Resistenz gegen verschiedene Schwermetalle oder krankheitsverursachende Faktoren, die für die Infektion von tierischen oder pflanzlichen Wirten erforderlich sind. Diese Eigenschaften können dann an andere Bakterien weitergegeben werden, da einige (aber nicht alle) Plasmide auch die Fähigkeit besitzen, die Übertragung ihres genetischen Materials zu fördern, und zwar in einem Prozess, der Konjugation genannt wird. Die Konjugation ist ein einseitiger Vorgang – die DNA wird von einem Bakterium (dem Spender) auf ein anderes Bakterium (den Empfänger) übertragen. Alle Plasmide gehören zu einer der 30 oder mehr Inkompatibilitätsgruppen. Die Gruppen bestimmen, welche Plasmide in einer Bakterienzelle koexistieren können, und tragen dazu bei, dass die optimale Anzahl von Kopien jedes Plasmids erhalten bleibt.

Plasmide werden in der molekularbiologischen Forschung genutzt. Durch den Einbau von Genen in Plasmide, die eine große Anzahl von Kopien in einer Zelle beibehalten (so genannte Multikopie-Plasmide), können höhere Mengen des Genprodukts exprimiert werden. Solche Plasmide sind auch eine gute DNA-Quelle für das Klonen.

Transposons und Insertionssequenzen werden als mobile genetische Elemente bezeichnet. Sie können zwar auch außerhalb des Chromosoms vorkommen, sind aber so konzipiert, dass sie sich auf ihrem Weg von einer Zelle zur anderen bevorzugt in das Chromosom integrieren. Sie sind für Forscher von Interesse, weil sie Einblicke in die grundlegende Molekularbiologie und Evolution gewähren und als grundlegende genetische Werkzeuge dienen. Transposons enthalten Gene, die nichts mit der Übertragung des genetischen Materials von einer Zelle zur anderen zu tun haben. Transposons der Klasse 1 kodieren zum Beispiel Gene für Arzneimittelresistenz. Im Gegensatz dazu kodieren Insertionssequenzen nur für die Funktionen, die mit ihrer Einfügung in die chromosomale DNA verbunden sind. Sowohl Transposons als auch Insertionssequenzen können bei ihrem Austritt und ihrer Einfügung Veränderungen in der chromosomalen DNA hervorrufen und so Mutationen erzeugen.

Siehe auch Bakterien; DNA (Desoxyribonukleinsäure); Elektrophorese; Mikrobengenetik