Name: Christina Kind, 2018-01

Gentransfer

Der Gentransfer ist das natürliche oder künstliche Übertragen von Genen eines Organismus auf einen anderen Organismus. Dabei unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Arten des Gentransfers, die sich wieder in verschiedene Untergruppen aufteilen lassen.

• vertikaler Gentransfer: Hierbei wird ein Teil des Genoms eines Organismus auf dessen Nachkommen übertragen. Das Erbgut wird also entlang der (vertikalen/senkrechten) Abstammungslinie übertragen.
  
  
• horizontaler Gentransfer: ist das Übertragen von Genmaterial auf ein schon existierenden Organismus (also nicht entlang der Abstammungslinie).

Man unterscheidet außerdem zwischen eukaryotischem und prokaryotischem Gentransfer und ihren verschiedenen Verfahren.

1. Der eukaryotische Gentransfer

Der eukaryotische Gentransfer erfolgt nur in vitro (künstlich/"im Labor"). Man nennt ihn auch Transfektion. Es wird differenziert zwischen der transienten Transfektion (keine Aufnahme in das Erbgut) und der stabilen Transfektion (dauerhafte Aufnahme de DNA in das Erbgut). Das Erbgut kann mithilfe von verschiedenen Verfahren in den Rezipienten (Empfänger) übertragen werden. Diese sind unterteilt in chemische, physikalische und biologische Verfahren.

Chemische Verfahren:

• Calcium-Phosphat- Präzipation
• Lipofektion
• Kationische Polymere
• Nanopartikel

Physikalische Verfahren:

• Mikroinjektion
• Elektroporation
• Particle Gun
• Magnet Assisted Transfection
• Sonoporation

Biologische Verfahren:

• Viren/Retroviren
• Transferinfektion
• Antikörpervermittelte Transfektion

2. Der prokaryotische Gentransfer

Prokaryoten sind Lebewesen, die keinen Zellkern besitzen. Ihr Erbgut ist also frei im Zytoplasma (Zellplasma) vorhanden und liegt meist als doppelsträngiges DNA-Molekül vor, welches keine Enden hat und in sich geschlossen ist. Das Erbgut ist also ein DNA-Ring und wird auch Bakterienchromosom genannt. 

Da Prokaryoten sich durch Mitose fortpflanzen und dabei keine genetische Rekombination geschieht, muss es in der Natur andere Vorgänge zur Genübertragung für Prokaryoten geben. Andernfalls wäre eine Population von Prokaryoten durch geringe genetische Vielfalt gefährdet, da sonst ein einziger Erreger eine ganze Prokaryotenart (Bakterienart) vernichten könnte.

Einerseits gibt es Verfahren, die auch in der Natur ablaufen. Zu diesen zählen die Konjugation und die Transduktion. Andererseits gibt es auch Techniken des Gentransfers, die nur im Labor erfolgen. Ein Beispiel dafür ist die Transformation. 

Konjugation

Die Konjugation ist eine Möglichkeit, das Erbgut eines Bakteriums an ein anderes weiterzugeben. Dabei wird zwischen Donoren (Spenderzellen) und Rezipienten (Empfänger) unterschieden. Während die Donorzelle ein F-Plasmid/konjugatives Plasmid besitzt, hat der Rezipient dieses nicht. Das F-Plasmid trägt die spezifischen Informationen der Konjugationsmechanismen. 

Der Vorgang beginnt mit dem Ausbilden eines Sexpilus. Dieser Pilus wird von der Donorzelle bei Kontakt mit dem Empfänger synthetisiert. Die Gene werden über den Pilus (Konjugationsbrücke) übertragen.   

Transduktion

Die Transduktion ist eine weitere Möglichkeit zum horizontalen Gentransfer bei Prokaryoten. Hierbei wird ein Teil des Genoms einer Zelle mithilfe von Bakteriophagen übertragen. Man unterscheidet die spezielle von der allgemeinen Transduktion. 

Allgemeine Transduktion

Die allgemeine Transduktion ist eine Möglichkeit des Gentransfers mithilfe von virulenten Phagen. Das Genom virulenter Phagen wird nicht in das Bakterienchromosom eingebaut. Somit befindet sich das Phagenerbgut virulenter Phagen immer im lytischen Vermehrungszyklus.

Der Vorgang beginnt mit dem „Andocken“ des Bakteriophagen an das Bakterium. Dazu lagern sich die Schwanzfäden des Phagen an die Oberflächenstrukturen des Bakteriums an. Anschließend wird das Genom des Phagen mithilfe des Hohlstiftes durch die Zellwand in das Bakterium injiziert. Die leere Phagenhülle bleibt auf der Bakterienoberfläche zurück.

Danach wird das Bakterienchromosom aufgelöst und Phagen-DNA-Kopien werden aus den ehemals „Bakteriennukleotiden“ gebildet. Weil die Phagen-DNA-Stücke transkribiert und translatiert wird (Proteinbiosythese) entstehen Phagenbestandteile. Im Anschluss daran folgt die Phagenreifung. Hierbei werden die einzelnen Teile zusammengesetzt und in jedes Phagencapsid wird ein Phagen-DNA-Stück eingesetzt. Während der Lyse wird dann die Zellwand des Bakteriums aufgelöst und die neuen Phagen werden freigesetzt.

Ein Gentransfer geschieht dann, wenn ein „Fehler“ bei diesem Prozess passiert. Dieser hängt dann mit dem Auflösen des Bakterienchromosoms zusammen. Wird dieses nämlich nicht vollständig aufgelöst, kann ein Stück des Bakterienchromosoms entweder alleine in das Capsid eines neuen Phagen oder zusammen mit einem Teil des Phagengenoms eingesetzt werden. Beide „Phagenversionen“ werden trotz der „Missbildung“ freigesetzt und lagern sich an neue Bakterien an.

Ihr Genom wird wieder in das Bakterium injiziert, wo dieses aber die Wirtszelle nicht zerstört. Das Bakterium wird nicht zerstört, da entweder kein oder kein vollständiges Phagenerbgut vorhanden ist. Stattdessen wird das Stück des Bakterienchromosoms der ersten Wirtszelle in das Chromosom der zweiten Wirtszelle integriert. So ist ein Teil des Genoms der ersten Wirtszelle in das Bakterienchromosom der zweiten Wirtszelle gelangt.

Spezielle Transduktion

Die allgemeine Transduktion ist eine Möglichkeit des Gentransfers mithilfe von temperenten Phagen. Das Genom temeperenter Phagen wird in das Bakterienchromosom eingebaut. Somit befindet sich das Phagenerbgut temperenter Phagen über eine gewisse Zeit im lysogenen und dann im lytischen Vermehrungszyklus.

Nachdem das Phagenerbgut in die Wirtszelle injiziert wurde, wird das Phagengenom in das Bakterienchromosom eingebaut. Hier wird es mit der Mitose mehrmals vermehrt. Beim „Ausscheren“ in den lytischen Vermehrungszyklus wird bei der speziellen Transduktion nicht exakt geschnitten und Teile des Bakterienchromosoms werden mit herausgeschnitten. Das herausgeschnittene Erbgut (Phagen-DNA + Bakterien-DNA-Stücke) wird nun kopiert und die DNA-Stücke werden verpackt und freigesetzt. Die neu infizierten Bakterien besitzen nach dem Integrieren und dem Crossing-over der „mitgebrachten“ Bakterien-DNA womöglich ein Gen, welches sie vorher nicht hatten. Somit ist auch hier ein Gentransfer passiert.

Insgesamt kann man sagen, dass die spezielle Transduktion eine Möglichkeit zur gezielten Transduktion ist, da die Phagen-DNA immer an derselben Stelle des Bakterienchromosoms eingebaut wird und die Gene neben dieser Stelle eine hohe Möglichkeit zum Gentransfer haben.

Transformation

Das Wort Transformation beschreibt im Allgemeinen das Einschleusen freier DNA in einen Organismus. Die Transformation kann sowohl in der Natur als auch im Labor passieren. 

In der Natur beschreibt Transformation die Funktion einiger Bakterienarten, die es den Prokaryoten ermöglicht, freie DNA durch ihre Zellwand aufzunehmen und in ihr Bakterienchromosom zu integrieren. 

In der Gentechnik dient die Transformation zum gezielten Einführen von DNA in einen Zielorganismus. Die Transformation der Bakterienart E.coli ist im Laufe der Geschichte der Gentechnik zu einem Standardverfahren geworden. Nach dem Einschleusen des zu vervielfachenden Gens in E.coli wird das Bakterium vermehrt und dient danach z.B. der Herstellung von Medikamenten.

Der Vorgang der Transformation ist gut am Beispiel des Einfügens eines Gens zur Antibiotikaresistenz in E.coli zu verstehen. Das Verfahren beginnt mit dem Isolieren eines Plasmids aus einem Bakterium. Ebenso wird auch menschliche DNA isoliert. Diese menschliche DNA trägt ein Gen zur Antibiotikaresistenz in sich. Nachdem der zu vervielfachende DNA-Abschnitt mithilfe der Gesuche gefunden wurde, wird er mithilfe von Restriktionsenzymen aus der menschlichen DNA „herausgeschnitten“. Das gleiche Restriktionsenzym schneidet auch an einer Stelle des isolierten Plasmids, sodass das menschliche Gen nun in das Plasmid eingebaut werden kann. Es ist ein rekombinantes Plasmid entstanden. Nun folgt der Gentransfer in E.coli. Dazu werden die rekombinanten Plasmide in E.coli „eingeschleust“. Weil aber vereinzelt Zellen ohne rekombinantes Plasmid bleiben, wird vorher die Selektion und danach erst die Vermehrung der Bakterien durchgeführt. Die entstandenen Bakterien werden rekombinante Bakterien genannt. 

Nach diesem Verfahren können die entstandenen rekombinanten Bakterien unterschiedlich genutzt werden. Man kann mithilfe der Bakterien nun zum Beispiel Gene durch Sequenzierung identifizieren. Wenn statt der Antibiotikaresistenz eine Maiszünslerresistenz eingefügt wurde, kann das Gen im Mais exprimiert werden und den Mais so resistent vor diesen Schädlingen machen. Wird ein Gen eingefügt, was für Insulin codiert, können die Bakterien zum Exprimieren dieses Gens und zum Bilden von Insulin gebracht werden. So kann das Medikament "Humalog" zur Senkung des Blutzuckerspiegels hergestellt werden.

Transformation (Klicken zum Vergrößern)