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Lexikon der Biologie: Plasmide

Plasmide, Episomen, bei Bakterien und zum Teil bei Hefen kleine (1–2% des Gesamt-Genoms) zirkuläre doppelsträngige, im Cytoplasma vorkommende (extrachromosomale) DNA, die meist nur wenige Gene enthält und als unabhängige genetische Einheit repliziert wird, da sie jeweils mindestens 1 Replikationsursprung (origin of replication) besitzt. Bei Bakterien unterscheidet man, je nach den auf ihnen codierten Genen, hauptsächlich 3 Typen von Plasmiden. 1) F-Faktoren (Fertilitätsfaktoren, Fertilitätsplasmide, F-Episomen, Fertilitätsepisomen, Geschlechtsfaktoren, Sexualfaktoren): das Vorhandensein bzw. Nicht-Vorhandensein von F-Faktoren unterscheidet [F+]-Zellen (Donorzellen) und [F]-Zellen (Rezeptorzellen) bei der Konjugation von Bakterien (Parasexualität). Auf den F-Faktoren sind Gene lokalisiert, unter deren Kontrolle auf der Außenseite von [F+]-Zellen F-Pili (Geschlechtspili) ausgebildet werden, welche die Kontaktaufnahme zwischen [F+]- und [F]-Zellen vermitteln. F-Faktoren können frei im Cytoplasma vorliegen oder in das Bakterienchromosom integriert sein. Die Integration kann dazu führen, daß sie bei einer folgenden Konjugation Teile des Bakterienchromosoms in die [F]-Zellen übertragen. Wird ein F-Faktor durch Rekombination wieder aus dem Bakterienchromosom eliminiert, so kann er Teile des Bakterienchromosoms, die der Integrationsstelle benachbart waren, mit sich führen, wodurch ein sog. F'-Faktor entsteht. Bei Paarungen mit [F]-Zellen kann der F'-Faktor diese Teile des Bakterienchromosoms in die [F]-Zellen übertragen (F-Duktion, ein Spezialfall der Konjugation). 2) Colicinogene Faktoren (Colicine) enthalten Gene für die Bildung von Proteinen, die andere Escherichia-coli-Bakterien abtöten; zudem codieren sie meist auch für die Ausbildung von F-Pili. 3) Resistenzfaktoren (R-Faktoren) besitzen Gene für die Ausbildung von Resistenzen gegen Pharmaka (meist Antibiotika) oder Umweltchemikalien (z.B. Quecksilber). Gleichzeitig codieren sie Gene für den Transfer der Faktoren in andere Zellen. Die medizinische Bedeutung der Resistenzfaktoren beruht darauf, daß es durch die Einnahme von Antibiotika (z.B. bei einer Therapie oder durch den Verzehr von Fleisch Antibiotika-behandelter Tiere) zur Selektion und damit zur Anreicherung resistenter Bakterien in der normalen Darmflora kommen kann. Pathogene Bakterien können bei einer anschließenden Infektion die Resistenzfaktoren aus den Darmbakterien übernehmen, wodurch eine Behandlung mit Antibiotika erschwert wird. Inzwischen ist eine Reihe von pathogenen Bakterien bekannt, die bereits Mehrfachresistenzen (Antibiotika-Resistenz, Multidrug-Resistenz) tragen. – Die sog. Ti-Plasmide von Agrobacterium tumefaciens sind besondere Plasmide, die Pflanzenzellen genetisch verändern können. – Wegen ihrer geringen Größe und der Möglichkeit ihrer Einschleusung in Zellen durch Transformation sind Plasmide als sog. Vektoren für die Klonierung von Genen (Gen, Klonierungsvektor) in der Gentechnologie von besonderer Bedeutung. Eine Vielzahl von für gentechnische Zwecke veränderten Plasmiden, die sich von ursprünglich in Bakterien vorkommenden Plasmiden ableiten, stehen für Klonierungen inzwischen zur Verfügung. Sie enthalten neben einem Antibiotika-Resistenzgen, mit dessen Hilfe transformierte von untransformierten Bakterienzellen unterschieden werden können (Selektion), vielfach weitere Gene wie das lacZ-Gen der β-Galactosidase, mit dessen Hilfe Plasmide mit und ohne einklonierte DNA (insert) unterschieden werden können. Bei der Klonierung ist dabei ein sog. Polylinker (multiple cloning site) von großem Nutzen ( vgl. Abb. ). Er gestattet es, das ringförmige Plasmid mittels bestimmter Restriktionsenzyme zu spalten („schneiden“) und in eine linearisierte Form zu überführen, damit durch Ligation ein DNA-Fragment mit kompatiblen Enden eingefügt werden kann. Aus Plasmiden ist eine Reihe von weiteren Klonierungsvektoren, wie z.B. Cosmide, hervorgegangen. Bakterien (Abb.), Desoxyribonucleinsäuren (Tab.), Episomen, Hefeplasmid, high-copy-Plasmide, Inkompatibilität, Insertionselemente, Knöllchenbakterien, Konjugation (Abb.), Lederberg (J.), low-copy-Plasmide, multi-copy-Plasmide, Phagemid, Plasmid-Amplifikation, Plasmid-Inkompatibilität, Plasmid-Kurierung, Suizidplasmid, tra-Gene; Gentechnologie .



Plasmide

1 Schematische Darstellung des häufig als Klonierungsvektor verwendeten Plasmids pBluescript®. Die Lagen von Genen wie des Ampicillin-Resistenzgens (ApR) sind als Pfeile dargestellt. Das Gen bzw. die cDNA des zu exprimierenden Proteins wird in die MCS (multiple cloning site oder Polylinker) kloniert. Diese liegt hier innerhalb des lac-Z-Gens (Lactose-Operon). Bei erfolgreicher Klonierung wird der Leserahmen (Raster) des lac-Z-Gens zerstört und die Expression von β-Galactosidase verhindert. Die entstehenden Bakterienkolonien sind weiß gefärbt. Die Kolonien, die das gewünschte Gen nicht enthalten, sind blau. ori = Replikationsursprung (origin of replication); f1(IG) = intergene Region des Phagen f1 ( beinhaltet den ori für die Replikation mit Hilfe von Phagen); pT7 bzw. pT3 = RNA-Polymerase-Promotor des T7- bzw. T3-Bakteriophagen (dienen der RNA-Synthese in vitro); rep(pMB1) enthält den ori für die Replikation in Bakterien. Als weitere Information sind Schnittstellen von Restriktionsenzymen (z.B. ScaI, PdiI) außerhalb des Polylinkers angegeben. Die Zahlen geben die Lage der entsprechenden Schnittstelle und ihre Entfernung von der Position 1 (links von Position 3, hier nicht eingezeichnet) in Basenpaaren (bp) an. 2 Detaillierte Darstellung des Polylinkers mit den im Plasmid nur einmal schneidenden Restriktionsenzymen, die für Klonierungen von großem Nutzen sind. Flankiert wird der Polylinker jeweils von einer kurzen Sequenz, hier aus dem Genom des Bakteriophagen M13, die z.B. als primer für eine Sequenzierung dienen kann. Die Sequenz der MCS ist als Folge von Tripletts, die hier im Leserahmen des lac-Z-Gens liegen, etwas größer dargestellt. Die von ihnen codierten Aminosäuren sind darunter aufgeführt.

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