Transduktion (Genetik) - Transduction (genetics)

Transduktion
Dies ist eine Veranschaulichung des Unterschieds zwischen der generalisierten Transduktion, bei der ein beliebiges bakterielles Gen durch einen Bakteriophagen auf ein zweites Bakterium übertragen wird, und der spezialisierten Transduktion, bei der eingeschränkte bakterielle Gene zu einem Empfängerbakterium transportiert werden. Während die generalisierte Transduktion zufällig und einfacher erfolgen kann, hängt die spezialisierte Transduktion von der Lage der Gene auf dem Chromosom und der falschen Exzision des a-Prophagen ab.

Transduktion ist der Vorgang, bei dem fremde DNA durch ein Virus oder einen viralen Vektor in eine Zelle eingeführt wird . Ein Beispiel ist der virale DNA-Transfer von einem Bakterium auf ein anderes und damit ein Beispiel für den horizontalen Gentransfer . Die Transduktion erfordert keinen physischen Kontakt zwischen der Zelle, die die DNA spendet, und der Zelle, die die DNA erhält (was in Konjugation auftritt ), und sie ist DNase- resistent (die Transformation ist anfällig für DNase). Die Transduktion ist ein gängiges Werkzeug, das von Molekularbiologen verwendet wird, um ein fremdes Gen stabil in das Genom einer Wirtszelle (sowohl Bakterien- als auch Säugerzellen) einzuführen .

Entdeckung (bakterielle Transduktion)

Die Transduktion wurde 1952 von Norton Zinder und Joshua Lederberg an der University of Wisconsin-Madison bei Salmonellen entdeckt.

In den lytischen und lysogenen Zyklen

Die Transduktion erfolgt entweder durch den lytischen Zyklus oder den lysogenen Zyklus. Wenn Bakteriophagen (Viren, die Bakterien infizieren), die lytisch Bakterienzellen infizieren, nutzen sie die Replikations- , Transkriptions- und Translationsmaschinerie der bakteriellen Wirtszelle, um neue Viruspartikel ( Virionen ) herzustellen . Die neuen Phagenpartikel werden dann durch Lyse des Wirts freigesetzt. Im lysogenen Zyklus wird das Phagenchromosom als Prophagen in das Bakterienchromosom integriert und kann dort über längere Zeit ruhen. Wird der Prophagen induziert (zB durch UV-Licht), wird das Phagengenom aus dem Bakterienchromosom herausgeschnitten und der lytische Zyklus eingeleitet, der in der Lyse der Zelle und der Freisetzung von Phagenpartikeln gipfelt . Eine generalisierte Transduktion (siehe unten) findet in beiden Zyklen während des lytischen Stadiums statt, während eine spezialisierte Transduktion (siehe unten) auftritt, wenn ein Prophagen im lysogenen Zyklus ausgeschnitten wird.


Als Methode zur Übertragung von genetischem Material

Transduktion durch Bakteriophagen

Die Verpackung von Bakteriophagen-DNA in Phagenkapside hat eine geringe Genauigkeit. Kleine Stücke bakterieller DNA können in die Bakteriophagenpartikel verpackt werden. Es gibt zwei Möglichkeiten, wie dies zur Transduktion führen kann.

Generalisierte Transduktion

Eine generalisierte Transduktion tritt auf, wenn zufällige Stücke bakterieller DNA in einen Phagen verpackt werden. Dies geschieht, wenn sich ein Phagen im lytischen Stadium befindet, in dem Moment, in dem die virale DNA in Phagenköpfe verpackt wird. Vermehrt sich das Virus mit „headful packaging“, versucht es, den Kopf mit genetischem Material zu füllen. Wenn das virale Genom zu Kapazitätsreserven führt, können virale Verpackungsmechanismen bakterielles genetisches Material in das neue Virion einbringen. Alternativ kann eine generalisierte Transduktion durch Rekombination erfolgen . Die generalisierte Transduktion ist ein seltenes Ereignis und tritt in der Größenordnung von 1 Phagen von 11.000 auf.

Die neue Viruskapsel, die einen Teil bakterieller DNA enthält, infiziert dann eine andere Bakterienzelle. Wenn die in das Virus verpackte bakterielle DNA in die Empfängerzelle eingefügt wird, können drei Dinge mit ihr passieren:

  1. Die DNA wird für Ersatzteile recycelt.
  2. Wenn die DNA ursprünglich ein Plasmid war , wird sie in der neuen Zelle rezirkularisieren und wieder ein Plasmid werden.
  3. Wenn die neue DNA mit einer homologen Region des Chromosoms der Empfängerzelle übereinstimmt, wird DNA-Material ähnlich wie bei der bakteriellen Rekombination ausgetauscht .

Spezialisierte Transduktion

Spezialisierte Transduktion ist der Prozess, bei dem ein eingeschränkter Satz bakterieller Gene auf ein anderes Bakterium übertragen wird. Die übertragenen Gene (Donor-Gene) flankieren die Stelle, an der sich der Prophagen auf dem Chromosom befindet. Eine spezialisierte Transduktion tritt auf, wenn ein Prophagen ungenau aus dem Chromosom herausschneidet, so dass benachbarte bakterielle Gene in die ausgeschnittene DNA eingeschlossen werden. Die ausgeschnittene DNA wird dann in ein neues Viruspartikel verpackt, das die DNA dann an ein neues Bakterium liefert. Dabei können die Donorgene je nach Art des Bakteriophagen in das Empfängerchromosom eingefügt werden oder im Zytoplasma verbleiben.

Wenn das teilweise eingekapselte Phagenmaterial eine andere Zelle infiziert und zu einem Prophagen wird, wird die teilweise kodierte Prophagen-DNA als "Heterogenote" bezeichnet.

Ein Beispiel für eine spezialisierte Transduktion ist der λ-Phagen in Escherichia coli .

Laterale Transduktion

Laterale Transduktion ist der Prozess, bei dem sehr lange Fragmente bakterieller DNA auf ein anderes Bakterium übertragen werden. Bisher wurde diese Form der Transduktion nur bei Staphylococcus aureus beschrieben , sie kann jedoch mehr Gene und mit höheren Frequenzen übertragen als die generalisierte und spezialisierte Transduktion. Bei der lateralen Transduktion beginnt der Prophagen seine Replikation in situ vor der Exzision in einem Prozess, der zur Replikation der benachbarten bakteriellen DNA führt. Danach erfolgt die Verpackung des replizierten Phagen von seiner pac- Stelle (die sich etwa in der Mitte des Phagengenoms befindet) und angrenzenden bakteriellen Genen in situ auf 105% einer Phagengenomgröße. Aufeinanderfolgendes Verpacken nach Initiation von der ursprünglichen pac- Stelle führt dazu, dass mehrere Kilobasen bakterieller Gene in neue Viruspartikel verpackt werden, die auf neue Bakterienstämme übertragen werden. Wenn das übertragene genetische Material in diesen transduzierenden Partikeln ausreichend DNA für die homologe Rekombination liefert, wird das genetische Material in das Empfängerchromosom eingefügt. Da während der in situ-Replikation mehrere Kopien des Phagengenoms erzeugt werden, werden einige dieser replizierten Prophagen normal ausgeschnitten (anstatt in situ verpackt zu werden), wodurch normale infektiöse Phagen produziert werden.

Transduktion von Säugetierzellen mit viralen Vektoren

Rattennervenzellen exprimieren rot und grün fluoreszierende Proteine ​​nach viraler Transduktion mit zwei künstlichen adeno-assoziierten Viren .

Die Transduktion mit viralen Vektoren kann verwendet werden, um Gene in Säugerzellen zu inserieren oder zu modifizieren. Es wird oft als Werkzeug in der Grundlagenforschung verwendet und wird aktiv als potenzielles Mittel für die Gentherapie erforscht .

Verfahren

In diesen Fällen wird ein Plasmid konstruiert, in dem die zu übertragenden Gene von viralen Sequenzen flankiert werden, die von viralen Proteinen verwendet werden, um das virale Genom zu erkennen und in virale Partikel zu verpacken. Dieses Plasmid wird (normalerweise durch Transfektion ) zusammen mit anderen Plasmiden (DNA-Konstrukten), die die für die Bildung infektiöser Virionen erforderlichen viralen Gene tragen, in eine Erzeugerzelle inseriert . In diesen Produzentenzellen binden die von diesen Verpackungskonstrukten exprimierten viralen Proteine ​​die Sequenzen auf der zu übertragenden DNA/RNA (je nach Art des viralen Vektors) und inserieren diese in virale Partikel. Aus Sicherheitsgründen enthält keines der verwendeten Plasmide alle für die Virusbildung erforderlichen Sequenzen, so dass eine gleichzeitige Transfektion mehrerer Plasmide erforderlich ist, um infektiöse Virionen zu erhalten. Außerdem enthält nur das Plasmid, das die zu übertragenden Sequenzen trägt, Signale, die es ermöglichen, das genetische Material in Virionen zu verpacken, so dass keines der Gene, die virale Proteine ​​kodieren, verpackt werden. Von diesen Zellen gesammelte Viren werden dann auf die zu verändernden Zellen aufgebracht. Die Anfangsstadien dieser Infektionen ahmen eine Infektion mit natürlichen Viren nach und führen zur Expression der übertragenen Gene und (im Falle von Lentivirus/Retrovirus-Vektoren) zur Insertion der zu übertragenden DNA in das zelluläre Genom. Da das übertragene genetische Material jedoch für keines der viralen Gene kodiert, erzeugen diese Infektionen keine neuen Viren (die Viren sind „replikationsdefizient“).

Einige Enhancer wurden verwendet, um die Transduktionseffizienz zu verbessern, wie Polybren , Protaminsulfat , Retronectin und DEAE-Dextran.

Medizinische Anwendungen

  • Gentherapie : Korrektur genetischer Erkrankungen durch direkte Veränderung genetischer Fehler.

Siehe auch

Verweise

Externe Links

In der Molekularbiologie und Genetik ist Transformation die genetische Veränderung einer Zelle, die aus der direkten Aufnahme und dem Einbau von exogenem genetischem Material aus ihrer Umgebung durch die Zellmembran resultiert.