Plasmid: Definition, Aufbau und Rolle im horizontalen Gentransfer
Plasmid: Was sind Plasmide, Aufbau, Funktionen und ihre Rolle beim horizontalen Gentransfer – Mechanismen, Konjugation, Bedeutung für Antibiotikaresistenz und Gentechnik.
Ein Plasmid ist ein DNA-Molekül, das von der chromosomalen DNA getrennt ist und sich unabhängig voneinander replizieren (sich selbst kopieren) kann.
Der Begriff Plasmid wurde erstmals 1952 von dem amerikanischen Molekularbiologen Joshua Lederberg eingeführt.
Plasmide sind doppelsträngig und in vielen Fällen kreisförmig. Plasmide kommen normalerweise natürlich in Bakterien vor, werden aber manchmal auch in eukaryotischen Organismen gefunden (z.B. der 2-Mikrometer-Ring in Saccharomyces cerevisiae).
Die Größe der Plasmide variiert von 1 bis über 1.000 Kilobasenpaaren (kbp). Die Anzahl identischer Plasmide innerhalb einer einzelnen Zelle kann von einem bis zu Tausenden reichen. Plasmide werden oft mit Konjugation in Verbindung gebracht, einem Mechanismus des horizontalen Gentransfers.
Plasmide sind übertragbare genetische Elemente oder "Replikone", die in der Lage sind, sich in einem geeigneten Wirt selbstständig zu kopieren. Plasmide sind in allen drei Hauptdomänen Archaea, Bakterien und Eukarya zu finden. Ähnlich wie Viren gelten Plasmide nicht als eine Form von "Leben", wie es derzeit definiert ist. Im Gegensatz zu Viren sind Plasmide "nackte" DNA und kodieren nicht für Gene, die notwendig sind, um das genetische Material für die Übertragung auf einen neuen Wirt zu umhüllen.
Der Plasmid-Wirt-zu-Wirt-Transfer erfordert einen direkten, mechanischen Transfer durch Konjugation oder Veränderungen der Genexpression des Wirtsgens, die die absichtliche Aufnahme des genetischen Elements durch Transformation ermöglichen.
Die mikrobielle Transformation mit Plasmid-DNA ist weder parasitärer noch symbiotischer Natur, da beide das Vorhandensein einer unabhängigen Spezies implizieren, die mit dem Wirtsorganismus in einem kommensalen oder schädlichen Zustand lebt. Vielmehr stellen Plasmide einen Mechanismus für den horizontalen Gentransfer innerhalb einer Mikrobenpopulation dar und können unter einem gegebenen Umweltzustand einen selektiven Vorteil bieten.
Plasmide können Gene tragen, die eine Resistenz gegen natürlich vorkommende Antibiotika in einer konkurrierenden Umweltnische bieten, oder alternativ können die produzierten Proteine unter ähnlichen Umständen als Toxine wirken. Plasmide können Bakterien auch die Fähigkeit verleihen, elementaren Stickstoff zu fixieren oder schwierige organische Verbindungen abzubauen. Dies kann unter Bedingungen des Nährstoffmangels einen Vorteil darstellen.
Aufbau und Replikation
Plasmide bestehen aus doppelsträngiger DNA, die meist zirkulär, seltener linear ist. Wichtige strukturelle Merkmale sind:
- Origin of replication (ori): Startstelle der Replikation. Abhängig von der Art des Plasmids wird die Replikation über einen theta-Mechanismus (ähnlich wie chromosomale Replikation) oder über einen rolling-circle-Mechanismus durchgeführt.
- Kontrollregionen: Promotoren und Regulatoren steuern Kopienzahl und Expressionsniveau plasmidkodierter Gene.
- Mobilitätsgene: Bei konjugativen Plasmiden finden sich Gene für den Transfer (z. B. tra-Gene), für die Ausbildung einer Sex-Pilius-Struktur und für die Relaxase, die den DNA-Einschnitt an der oriT-Stelle durchführt.
- Lastgene: Gene, die dem Wirt einen Nutzen (z. B. Antibiotikaresistenz, Metabolismus, Virulenz) oder eine Last (Fitnesskosten) bringen.
Die Kopienzahl eines Plasmids (copy number) kann sehr niedrig (1–2 Kopien pro Zelle) oder sehr hoch (hundert bis tausend Kopien) sein. Niedrig-kopierende Plasmide besitzen oft Partitionierungsmechanismen (z. B. Par-Systeme), die eine gleichmäßige Verteilung auf Tochterzellen sicherstellen.
Klassifikation und Eigenschaften
Plasmide lassen sich nach mehreren Kriterien einteilen:
- Funktion: Resistenzplasmide (R-Plasmide), Virulenzplasmide, Abbauplasmide, Kolizins (Col), Symbioseplasmide (z. B. N2-Fixierung).
- Mobilität: Konjugative Plasmide (selbstübertragen), mobilisierbare Plasmide (benötigen Hilfsplasmid) und nicht-mobilisierbare Plasmide.
- Wirtsspektrum: Enges Wirtsspektrum (nur nahe verwandte Arten) vs. breites Wirtsspektrum (z. B. bestimmte Gram-negative Konjugationsplasmide).
- Inkompatibilitätsgruppen (Inc-Gruppen): Plasmide mit ähnlichen Replikations- oder Kontrollmechanismen können nicht dauerhaft in derselben Zelle koexistieren.
- Größe: Von kleinen (< 5 kbp) bis zu Megaplasmiden (> 100 kbp).
Mechanismen des horizontalen Gentransfers
Plasmide sind zentrale Akteure beim horizontalen Gentransfer. Die Hauptwege sind:
- Konjugation: Direkter Zelle-zu-Zelle-Transfer, vermittelt durch Tra-Proteine und Pili. Ein einzelner DNA-Strang wird an den Empfänger übertragen und dort wieder ergänzt.
- Transformation: Aufnahme freier, extrazellulärer DNA aus der Umgebung durch kompetente Zellen; Plasmide können so in neue Wirte gelangen.
- Transduktion: Viren (Bakteriophagen) können DNA-Pakete übertragen, gelegentlich auch Plasmidfragmente.
Konjugative Plasmide besitzen typischerweise eine oriT-Sequenz und eine Relaxase, die den Transfer initiiert. Mobilisierbare Plasmide tragen nur die oriT und benötigen Transferfunktionen eines anderen Elements.
Stabilisierungsmechanismen
Um in Populationen erhalten zu bleiben, nutzen Plasmide verschiedene Strategien:
- Partitionierungssysteme (Par) sorgen für gezielte Verteilung auf Tochterzellen.
- Toxin-Antitoxin-Systeme (Addiction): Gehen Tochterzellen leer aus, kommt es zum Verlust des Antitoxins und damit zur Wirkung des stabilen Toxins.
- Multimer-Resolution verhindert die Bildung von Plasmidmultimeren, die die Vererbung stören könnten.
- Integrative Elemente wie Transposons und Integrons können Gene leicht mobilisieren und umarrangieren.
Bedeutung in Medizin, Umwelt und Biotechnologie
- Medizin: Plasmide tragen maßgeblich zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzen (z. B. ESBL-, Carbapenemase-Gene) und von Virulenzfaktoren bei Pathogenen. Das macht die Kontrolle nosokomialer Infektionen schwierig.
- Umwelt: Plasmide ermöglichen Mikroorganismen, sich schnell an Umweltveränderungen anzupassen (z. B. Abbau xenobiotischer Stoffe, Schwermetallresistenz).
- Biotechnologie: Plasmide sind unverzichtbare Vektoren für Klonierung, Expressionsstudien, Gentherapie-Modelle und CRISPR-Anwendungen. Typische Elemente in Laborplasmiden sind ein Replikationsursprung, Selektionsmarker (z. B. Antibiotikaresistenzgene) und Multiple-Cloning-Sites.
Erkennung, Isolierung und Analyse
Übliche Methoden zur Untersuchung von Plasmiden umfassen:
- Plasmidpräparationen (Alkalische Lyse, kommerzielle Kits) zur Isolierung der zirkulären DNA.
- Gel-Elektrophorese zur Abschätzung der Größe und Kopienzahl.
- Restriktionsverdau und Klonierung zur Charakterisierung.
- Sequenzierung (inkl. Ganzgenom- und Plasmidsequenzierung) für präzise Genom- und Gen-Inventare.
- Plasmidtyping (z. B. Bestimmung der Inc-Gruppe) zur epidemiologischen Analyse.
Zusammenfassung
Plasmide sind vielseitige, extrachromosomale DNA-Elemente, die Bakterien und anderen Mikroorganismen schnelle evolutionäre Anpassungen ermöglichen. Sie spielen eine Schlüsselrolle beim horizontalen Gentransfer, tragen oft Gene für Antibiotikaresistenz, Virulenz oder spezielle Stoffwechselwege und sind damit sowohl aus ökologischer als auch aus medizinischer Sicht und für die Biotechnologie von großer Bedeutung.
Abbildung 1 : Illustration eines Bakteriums mit eingeschlossenem Plasmid, das chromosomale DNA und Plasmide zeigt.
Fragen und Antworten
F: Was ist ein Plasmid?
A: Ein Plasmid ist ein DNA-Molekül, das von der chromosomalen DNA getrennt ist und sich unabhängig replizieren kann. Es ist doppelsträngig und hat in vielen Fällen eine zirkuläre Form.
F: Wer hat den Begriff "Plasmid" eingeführt?
A: Der Begriff "Plasmid" wurde erstmals 1952 von dem amerikanischen Molekularbiologen Joshua Lederberg eingeführt.
F: Wie groß sind Plasmide?
A: Plasmide variieren in ihrer Größe von 1 bis über 1.000 Kilobasenpaaren (kbp).
F: Wo kommen Plasmide natürlich vor?
A: Plasmide kommen in der Regel in Bakterien vor, manchmal aber auch in eukaryontischen Organismen wie Saccharomyces cerevisiae.
F: Was hat der horizontale Gentransfer mit Plasmiden zu tun?
A: Plasmide werden oft mit Konjugation in Verbindung gebracht, einem Mechanismus des horizontalen Gentransfers.
F: Gelten Plasmide als lebendig?
A: Nein, ähnlich wie Viren gelten Plasmide nicht als eine Form von Leben, wie es derzeit definiert ist.
F: Welche Vorteile kann das Tragen bestimmter Gene auf einem Plasmid mit sich bringen?
A: Das Tragen bestimmter Gene auf einem Plasmid kann Bakterien die Fähigkeit verleihen, elementaren Stickstoff zu fixieren oder schwierige organische Verbindungen abzubauen, was unter Bedingungen des Nährstoffmangels von Vorteil sein könnte.
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