Phagen. Extra Anforderung

Transkript

1 Phagen Extra Anforderung

2 Genetik der Bakteriophagen Bakteriophagen: Viren der Bakterien Virus: Giftstoff Manche der wichtigsten und grundlegenden genetischen Informationen resultierten aus Studien mit den E. coli Phagen T2, T4 und Lambda Nach der Infektion mit einem einzigen Phagpartikel wurden in nur wenigen Stunden zehntausende Phagen aus der lysierten Bakteriumzelle freigesetzt. Die neuen Phage infizieren neue Zellen und es wird schnell ein klares Plaque im Bakteriumfeld geformt.

3 Genetik der Phagen Die meissten Phagmutationen sind "lethal. Phage haben ein haploides Genom. Eine Mutation kann nur weitergegeben werden, falls sie konditionell lethal ist: unter permissiven Umstände (passender Wirt, niedrigere Temperatur) kann es funktionieren.

4 Der Lebenszyklus der Phagen Infektion: der Syntheseapparat wird umprogrammiert Proteine und DNA der Phagen werden synthetisiert Die Bakterienzelle wird aufgelöst (lysiert) ~100 Phagen freigesetzt Der lytische Zyklus beginnt (Virulenter Ph.) Lysogenie: Die Phage- DNA integriert ins Wirtsgenom und bildet Prophage (temperierter Phage)

5 Der Lebenszyklus der Phagen Lysogene Infektion: Phage DNA Integriert sich in das bakteriale Chromosom und wird mit der bakterialen DNA repliziert. Lytische Infektion resultiert die Synthese von Phage proteinen, Replikation der Phage DNA und den Lysis der Zelle.

6 Die Integration des λ-phagen ins E. coli Genom Integration: Zwischen gal und bio Operons durch Sequenzspezifische Rekombination Der Abstand zwischen galund bio nimmt ~ 1 Min. zu Lysogene Bakterien: Resistent gegen Infektion ( Immunität ) wegen der Anwesenheit des λ-prophagen Induktion: Das λ-genom wird ausgeschnitten, der lytische Zyklus geht los Fehlerhaftes Ausschneiden: λdgal

7 Transduktion: Übertragung Bakteriengene durch Phagen Generelle Transduktion Nach der Infektion durch virulenter Phagen (P1, P22) wird die Bakterien- -DNA auf kleine Stücke enzymatisch geschnitten Bei der Verpackung der DNA in die Phagenköpfe gelangt Bakterien- -DNA Das Verpackungssystem merkt die Grösse der DNA, nicht die genetische Information Nach der Infektion gelingt die Bakterien-DNA in die Zelle und rekombiniert, betrifft beliebte Gene Spezielle Transduktion Nach fehlerhaftem Ausschneiden des Prophagen λwird die Phagen-DNA galod. Biomitnehmen und in die Wirtszelle übertragen

8 Genetische Feinkartierung mithilfe von generelle Transduktion Eng benachbarte Gene können gemeinsam von einem Phagen durch Kotransduktion übertragen werden Je enger die Kopplung ist, desto häufiger tritt die Kotransduktion auf (leu-azi) Wenn der Abstand der Gene grösser als das Phagen-Genom ist tritt keine Kotransduktion auf: leu-thrabstand, keine azirrekombinanten Die Karte: azir1/50 leu1/2-1/3 thr

9 Phage-mediierter Gentransfer: spezielle Transduktion λdgal: Defektiver Phage, trägt das gal-operon Im Fall der speziellen Transduktion trägt der transduzierender Phaga nur spezifische Wirtsgene: Gene die den Phage Intgrationsstelle benachbaren. Das Ereignis wurde in dem Lambda-Phage - E. coli System entdeckt. Lambda-Phage wird an einer bestimmten Stelle in den E. coli Chromosom integriert : (attb).

10 Spezielle Transduktion Im Fall von inkorrekte Beseitigung des Phage DNAs aus dem Chromosom wird das Gen gal was in der Nähe von attb ist einen Teil des Phaggenoms ersetzen. Nur dieses Gen wird durch speziellen Transducing-Phagen mitgeschleppt. Dieser Transducing-Phage ist ein defektiver Phage, Lambda dgal, da er Gene verloren hat. Dieser Phage kann sich nicht integrieren, es sei denn ein helper Phage ersetzt die verlorene Funktionen.

11 Phage-mediierter Gentransfer: generelle Transduktion Rekombination der Phage DNA mit chromosomalen Gene kann einen transduzierenden Phages erschaffen. Diese Phagen tragen Wirtssequenzen, haben aber Phaggene verloren. Die infizierte Zelle agiert als rezipient. Alle Wirtsgene können durch diese Phagen geschleppt werden. Generelle Transduktion wurde von Lederberg und Zinder (1951) erforscht, die mit dem P22 Phage von Salmonella gearbeitet haben.

12 Verwendung der bakterialen und der Phage-Genetik Neues Wissen die aus diesen Untersuchungen resultierte hat die Erforschung der Restriktion- Modifikationsenzyme und die in vitro Gentechnologien möglich gemacht. Heutzutage kann die Sequenz eines Lebewesens bestimmt werden. Die Untersuchung der Genetik von Mikroben ist auch Heute noch eine grosse Aufgabe: vor Allem Bakterien und Archea die Erkrankungen verursachen, in extremen Umgebungen leben, oder in Symbiose mit entwickelteren Organismen stehen. Wir möchten alles über Virulenzgene und Exoenzymproduktion wissen.

13 Insel der Pathogenität (Islands of pathogenicity PAI) viele pathogene Bakterien produzieren Virulenzfaktoren, die Pathogenitätsgene sind, bilden genomische Inseln die die Pathogenitätsgene durchführen können Mit Hilfe von mobilen genetischen Elementen (Transposons, Retrotransposons): Plasmide Bakteriophagen Wirts-Chromosom

14 Zirkuläre Genomkarte der Bakterien Der äußere Ring (rot): Gene auf dem W Strang der DNA Gelber Ring: Gene euf dem komplementären (C) Strang. grüne Pfeile: trnas Pink, bzw. orange Linie: rrnas Braune Linie: GC/AT Verhältnis gelbe Linie G/C Verhältnis schräge gelbe Linie: Replikationsorigo

15 E. coli: geichmäßige Genorientation A Clostridium perfringens: der klassische Gasbranderre ger, der auch Lebensmittelvergif tungen verursacht, hat eine sehr andere Genomorientation und G/C Inhalt!

16 Das G/C Verhältnis zeigt die neugestolene Regionen des bakteriellen Genoms Das G/C Verhältnis variirt in der Regel nicht innerhalb des Genoms, deswegen die lokale Variationen können oftmal das zeigen, dass die entspechende Gene im Genom nicht zu lange erworben sind. Der Mechanismus, damit die Bakterien/Phagen fremde Gene erworben können, nennt man horizotaler Gentransfer. Beispielweise bei dem Corynebacterium glutamicum, siehe bei zirka 7 Uhr-Stück seines Genoms

17 Stammbaum der Erreger und Menschen steht miteinander in Korrelation: Koevolution des Erregersgenom mit dem Wirt 119 Isolaten der Helicobacter pylori (kann Magengeschwür und Magenkrebs verursachen) Stämme von Bewöhnerin Ladakh: sie zeigen den Ursprung der verschiedenen Menschen auch (=Koevolution)

18 Die sprachliche Verwandtschaft und die Migration der Darmbakterien spiegelt ähnliche genetische Migration mit der Bezug der Sahul (Australien, Asien) und der pazifischen Bevölkerung vor 5000 Jahren

19 Zusammenfassung Das bakterielle Genom ist sehr variabel: Gene können verloren gehen, oder ausgetauscht werden. Identifizierung der Bakterien ist möglich mit Hilfe der ribosomalen Gensequenzen (sie wurden in der Evolution konservativ geblieben) Der häufigste Gen-Austausch tritt durch Konjugation auf: F + und Hfr Stämme! DNA aus der Umwelt (zb tote Zellen) kann ins Genom integriert werden: Transformation. Rekombinante, defekte Phagen können Gene zwischen Wirtszellen übertragen (Spezifische und allgemeine Transduktion, selten). Die Mehrzahl der Bakterien einen Vorteil für uns bedeutet. Ein kleiner Teil der Bakterien ist Krankheitserreger: Sie können spezifische Virulenz- Gene tragen, Virulenzfaktoren, Pathogenität Inseln kodieren. Die Pathogenität Inseln kommen in mobilen genetischen Elementen (Transposons) Plasmide, Bakteriophagen oder in der DNA der Wirts vor. The list of genome-sequenced microorganisms: Ongoing microbial genome projects:

20 Danke für die Aufmerksamkeit!