Plazmid

1. ábra: A baktérium sematikus ábrázolása kromoszóma DNS -sel (1) és plazmidokkal (2).
2. ábra: Egy plazmid sematikus ábrázolása antibiotikum rezisztencia génekkel (1 és 2) és a replikáció eredete (3).
3. ábra: Nem integráló plazmidok ( felül ) és epizómák ( alul ) összehasonlítása . (1) Kromoszómális DNS . (2) plazmidok . (3) sejtosztódás . (4) A kromoszomális DNS és integrált plazmidokat .
4. ábra: A bakteriális konjugáció sematikus ábrázolása. (1) Kromoszómális DNS . (2) plazmidok . (3) plazmahíd.

A plazmidok kicsi, általában kör alakú, autonóm módon replikálódó , kétszálú DNS- molekulák, amelyek megtalálhatók a baktériumokban és az archae-ban , de nem részei a bakteriális kromoszómának (nukleáris ekvivalens), azaz extrachromosomálisak (1. ábra). Ezért extrakromoszomális elemeknek (ECE) is nevezik őket . A plazmidok csak ritkán fordulnak elő az eukariótákban (pl. 2 mikrométeres gyűrűként a sütőélesztőben ). Méretük általában 2  kBp és 200 kBp között van, kivételes esetekben kevesebb, mint 1 kBp (miniplazmid) és 1000 kBp (megaplazmid) között, a megaplazmid és a minikromoszóma közötti átmenet folyékony. Az archaea analóg extrachromosomális DNS -je a Borgs .

Építkezés

A plazmidok sok különböző gént tartalmazhatnak . Ezek a gének közvetítik -e a z -t. Mint antibiotikum - rezisztencia , származhat a gazdasejt baktérium egy szelektív előny. Mindegyik plazmid tartalmaz legalább egy olyan szekvenciát , amely egy replikációs origót (Engl. Replikációs kezdőhely , röviddel ORI) alkalmazunk. Ha a replikáció kezdete kompatibilis a bakteriális törzzsel, a plazmid a kromoszóma DNS -től függetlenül replikálható (2. ábra). A plazmidok tehát autonóm módon replikálódnak ( replikonok ) és öröklődnek. A replikációs eredet típusától függően kevés ( alacsony másolat , iteronok , antiszensz RNS vagy ctRNS miatt ) vagy nagyon sok másolat ( magas másolat ) található egy baktériumsejtben .

Az epizódok a baktériumok plazmidjaiban találhatók a kromoszómális DNS-ből a gazdaszervezetbe integrált konzervdobozba , mint az F-plazmid (3. ábra). Sokáig ott maradhatnak, a gazdaszervezet minden sejtosztódásával megismétlődnek, sőt a DNS szerves részévé válhatnak. Más plazmidokhoz hasonlóan azonban önmagukban is létezhetnek.

Az eukariótákban esetenként előforduló vírusos epizódok, például a hepatitisz B vírus cccDNS -e vagy a herpeszvírusok és adenovírusok epizómái nem integrálódnak a gazdaszervezet genomjába , de jelen vannak a sejtmagban is . Kivételt képeznek a himlővírusok epizómái , amelyek a citoszolban fordulnak elő. A vírusos epizómák mechanizmusai az immunerősítésnek a tartós kórokozókkal történő fertőzések esetén .

osztályozás

A plazmidoknak két alapvető csoportja van: konjugáló és nem konjugáló. A konjugáló plazmidok tartalmaznak egy úgynevezett tra gént, amely kiválthatja a konjugációt , a plazmidok paraszexuális cseréjét két baktérium között (4. ábra). A nem konjugáló plazmidok nem rendelkeznek ezzel a képességgel, de konjugáló plazmidokkal együtt átvihetők a konjugáció során.

Különböző típusú plazmidok létezhetnek egy és ugyanazon sejtben, Escherichia coliban pl. B. legfeljebb hét. Ha két plazmid összeegyeztethetetlen egymással, az egyik megsemmisül. Tehát attól függően, hogy képesek együtt élni ugyanabban a cellában, inkompatibilitási csoportokra oszthatók.

A plazmidok osztályozása funkciójuk alapján történhet. Öt fő osztály van:

  • Termékenységi (F) plazmidok (lásd F plazmid ), amelyek csak tra géneket tartalmaznak. Egyetlen funkciója a konjugáció kezdeményezése.
  • Resistance (R) plazmidok , amelyek géneket tartalmaznak az antibiotikumokkal vagy mérgekkel szembeni rezisztenciához.
  • Col plazmidok , amelyek olyan géneket tartalmaznak, amelyek a kolicinokat kódolják (más baktériumokra mérgező fehérjék).
  • Lebomló plazmidok, amelyek elősegítik a szokatlan anyagok lebomlását, mint pl B. engedje meg a toluolt vagy a szalicilsavat .
  • Virulencia plazmidok , amelyek egy baktériumot kórokozóvá alakítanak.

A plazmidok egy speciális típusa az úgynevezett Ti plazmid (tumort indukáló), amely transzfer DNS-t továbbít . Gyakran bizonyos baktériumok ( Agrobacterium tumefaciens vagy Agrobacterium rhizogenes ) alkotórészei, és ezek a növényekbe kerülnek. Ott okozzák az egyetlen ismert rákot a növényekben.

Egy másik speciális plazmid a Halobacterium lacusprofundi R1S1 -ből származó pR1SE , amelyet az Antarktiszon találtak 2017 -ben . Ez képes hólyagokat (védő buborékokat) képezni . Megvitatják, hogy a pR1SE átmeneti vagy köztes formát jelenthet -e a vírusokkal szemben.

Az IncP1 típusú plazmidok mindhárom doménből átvihetők a baktériumokból az élőlényekbe ( angol transz -kingdom conjugation, TKC - sic! - különböző domének szervezetei között ).

használat

A plazmidok fontos eszközök a molekuláris biológiában , a genetikában , a biokémiában és más biológiai és orvosi területeken. A géntechnológiában vektoroknak nevezik őket , és gének reprodukálására vagy kifejezésére szolgálnak . A vektor specifikus adaptációját vektor tervezésnek nevezzük .

Az erre a célra használt plazmidok nagy része kereskedelmi forgalomban kapható, de laboratóriumok között is megosztottak, és gyakran nem kereskedelmi szolgáltatóktól, például az Addgene- től kaphatók . Ezek a természetben előforduló plazmidokból származnak, és még mindig rendelkeznek szerkezeti összetevőikkel, mint például a replikáció eredete (replikációs origó , ORI). Ezenkívül úgy módosították őket, hogy könnyen használhatók legyenek klónozásra (tartalmaznak egy úgynevezett MCS-t ( Multiple Cloning Site ), amely számos restrikciós enzim felismerési szekvenciáit tartalmazza): A replikálandó gént beszúrjuk olyan plazmidokká, amelyek antibiotikum -rezisztens gént tartalmaznak . Ezeket a plazmidokat ezután baktériumokba vezetik be, amelyek a megfelelő antibiotikummal kezelt tápközegben nőnek. Tehát csak azok a baktériumok maradnak életben, amelyek lenyelték a plazmidot az antibiotikum -rezisztencia információival . Azok a baktériumok, amelyek nem vették be a plazmidot, elpusztulnak az antibiotikumtól. Az antibiotikum szelekciós markerként működik, amely csak a rezisztens plazmiddal rendelkező baktériumok túlélését teszi lehetővé. Általában, amikor a gént a plazmidba illesztik, egy másik gén ( riportergén ) megszakad, amelyet ezután már nem lehet kifejezni . Ez a hiányzó tulajdonság szűrésre használható, mert már csak azok a baktériumok nem rendelkeznek ezzel a tulajdonsággal, amelyek felvették a kívánt gént tartalmazó plazmidot. Ha géneket juttatunk be a plazmidok, amelyek biztosítják, hogy a gének bevezetett vannak kifejezve nagy mennyiségben ( expressziós plazmidok ), a megfelelő gén termékek állíthatók elő nagy mennyiségben. Ez az eljárás most lehetővé teszi rekombináns inzulin ( azaz a humán inzulinnal azonos inzulin) előállítását, amelyet korábban a sertésekből egy fáradságos folyamat során kellett izolálni.

Ha egy DNS -szegmenst be kell juttatni egy szervezetbe ( baktérium , növény , állat , ember stb.), A plazmidok hordozóként ( vektorokként ) is használhatók . Állatokban és emberekben ez a módszer csak a sejtkultúrában lévő sejtekre érvényes, mivel az ott lévő sejtek egyrétegűek . A célsejt (ek) típusától függően vagy kicsapott DNS -t (pl. Az izomsejtek módosítására endocitózisos plazmidfelvétel útján ) vagy liposzómákba csomagolt DNS -t kell alkalmazni . Számos más módszerek, mint például elektroporáció , gén fegyvereket, DNS minicircles, vírusvektorok és még sok más. a. amelyek tovább növelhetik a célsejtek transzfekciós hatékonyságát (eukarióták) vagy transzformációs hatékonyságát (prokarióták).

Megjelenítés

Plazmidok különböző konformációkban elektronmikroszkópos képen.

A plazmidok láthatóvá tehetők elektronmikroszkóppal megfelelő módszerek alkalmazásával, például uránatomokkal történő színezéssel ( BAC szórás ). A plazmid gyűrűs szerkezetének, amely körül DNS -seb van, topológiai következményei vannak. A plazmidok három különböző formában lehetnek. A szupertekercs alakja a plazmid természetes konformációja. Mivel a DNS kettős spirál maga körül van tekerve, és nem tud lecsévélni egy zárt plazmidban, torziós feszültség keletkezik, ami miatt a plazmid meghajlik maga körül az űrben. Ugyanez a hatás figyelhető meg a saját tengelyük körül csavarodó telefonkábelekkel is. Nyílt láncú formában a két DNS-szál egyike egy ponton megszakad (ún. Nick), ami azt jelenti, hogy a nyitott szál szabadon foroghat a rögzített szál körül; ez ellazítja a torziós feszültséget, és a plazmid nyitva van. A lineáris DNS -ben mindkét szál megszakad, a körkörös szerkezet megszűnik.

Különbség a kromoszómához képest

Nem könnyű megkülönböztetni a plazmidokat és a kromoszómákat. Az egyik definíció szerint a plazmidok kisebbek, mint a kromoszómák. Azonban z. B. a Sinorhizobium meliloti pSymB plazmidja kétszer akkora, mint a Mycoplasma pneumoniae primer genomja . Egy másik definíció szerint a plazmidok nem hordoznak esszenciális géneket . Az a kérdés azonban, hogy mi az „esszenciális gén”, az életkörülményektől függ. Egy másik definíció szerint a plazmidok több példányban léteznek a sejtben, mint a kromoszómák. Azonban az olyan plazmidok, mint az E. coli F -plazmidja és sok más, ugyanannyi példányban vannak jelen, mint a kromoszóma. A kromoszóma alapvető jellemzője, hogy replikációja a sejtciklushoz igazodik. Ez azt jelenti, hogy a replikáció kezdete mindig a baktériumsejt azonos korában, egyenletes növekedéssel történik. E meghatározás szerint az V. cholerae második kromoszómája valójában kromoszóma lenne . A kromid kifejezést a kromoszómák és a plazmidok határán lévő replikonokra javasolták.

irodalom

  • Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer : Biokémia. 6. kiadás. Spectrum Academic Publishing House, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-8274-1800-5 .
  • Donald Voet, Judith G. Voet: Biokémia. 3. Kiadás. John Wiley & Sons, New York 2004, ISBN 0-471-19350-X .
  • Bruce Alberts , Alexander Johnson, Peter Walter, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts: A sejt molekuláris biológiája. 5. kiadás. Taylor & Francis, 2007, ISBN 978-0-8153-4106-2 .

web Linkek

Egyéni bizonyíték

  1. ↑ F. Lottspeich, H. Zorbas (szerk.): Bioanalytik. Spectrum Academic Publishing House, Heidelberg / Berlin 1998, 578. o.
  2. ↑ Brock mikrobiológiája. 11. kiadás. 2009, ISBN 978-3-8273-7358-8 , 305. o.
  3. ↑ Finbarr Hayes: 1. fejezet - A plazmidok működése és szervezete. In: Nicola Casali, Andrew Presto. E. Coli plazmidvektorok: módszerek és alkalmazások. (= Methods in Molecular Biology. 235). Humana Press, 2003, ISBN 1-58829-151-0 , 1-5.
  4. ^ DM Knipe, Peter M. Howley (szerk.): Fields Virology. 5. kiadás. Philadelphia 2007, ISBN 978-0-7817-6060-7 .
  5. ↑ Susanne Erdmann és mtsai: Egy antarktiszi haloarcheon plazmidja speciális membránvezikulákat használ a plazmidmentes sejtek terjesztésére és megfertőzésére. In: Természeti mikrobiológia. 2017. július 17, doi: 10.1038 / s41564-017-0009-2 (angol)
  6. ↑ Robert Gast: Az antarktiszi mikrobák termelték az első vírusokat? on: Spektrum.de , 2017. augusztus 22.
  7. ↑ Fatin Iffah Rasyiqah Mohamad Zoolkefli, Kazuki Moriguchi, Yunjae Cho, Kazuya Kiyokawa, Shinji Yamamoto Katsunori Suzuki: izolálása és analízise Donor kromoszóma gének Kinek hiány Machinery miért felelős felgyorsítása Bakteriális és Trans -Kingdom a ragozás. By IncP1 , Microbiol., 21. kötet, 2021. május 20., 971. o., Doi: 10.3389 / fmicb.2021.620535, ISSN 1664-302X. Továbbá:
  8. ↑ S. Weidner, B. Baumgarth és mtsai: Genor Sequence of Sinorhizobium meliloti Rm41. In: Genomközlemények. 1, 2013, p. E00013-e00012, doi: 10.1128 / genomeA.00013-12 .
  9. ↑ T. Kenri, A. Horino és mtsai.: Mycoplasma pneumoniae 2a . Típusú, 299. törzs teljes genomszekvenciája, izolált Japánban. In: Journal of Bacteriology. 194, 2012, 1253. o., Doi: 10.1128 / JB.06553-11 .
  10. ↑ ES Egan, A. Løbner-Olesen, MK Waldor: A két Vibrio cholerae kromoszóma szinkron replikációs iniciálása. In: Curr Biol. 14 (13), 2004. július 13., R501-R502.
  11. ↑ Peter W. Harrison, Ryan PJ Lower és munkatársai: Bemutatjuk a bakteriális „kromidot”: nem kromoszóma, nem plazmid. In: Trends in Microbiology. 2010, 18., 141. o., Doi: 10.1016 / j.tim.2009.12.010 .