Definition und Arten von Plasmiden

Plasmide

Plasmide sind frei im Bakterienplasma vorkommende, kleine Ringe (es gibt auch einige lineare Plasmide) aus doppelsträngiger DNS, die sich als Replikationseinheit unabhängig von den Chromosomen vermehren und oft wichtige Gene, wie z.B. Resistenzgene gegen Antibiotika, tragen. In der Gentechnologie dienen sie als Transportmittel und als Hilfsmittel der Genvermehrung.

Die Gene, die auf Plasmiden lokalisiert sind, kodieren niemals für wesentliche Zellfunktionen, sondern verleihen den Bakterien zusätzliche Eigenschaften, die die Bakterien zu ungewöhnlichen Stoffwechselleistungen befähigen. Sie ermöglichen ihnen das Überleben unter besonderen Umweltbedingungen. Eine dieser Eigenschaften ist die Fähigkeit, Laktose statt Glukose zu verwerten.

Vor einer Zellteilung werden sowohl das Bakterienchromosom als auch die Plasmide identisch reproduziert. Bei der Zellteilung werden die Tochterchromosomen und die Plasmide aufgrund einer Verbindung mit der Zellmembran durch einfache Segregation so auf die Tochterzellen verteilt, dass beide Tochterzellen sowohl (mindestens) ein Bakterienchromosom als auch Plasmide erhalten. Plasmide, die nur in geringer Kopienzahl in der Zelle vorkommen, benötigen einen aktiven Segregationsmechanismus, der ihre Weitergabe an die bei der Teilung entstehenden Tochterzellen garantiert. Fast alle heute als Klonierungsvektoren verwendeten Plasmide haben eine so hohe Kopienzahl, dass mit einem entsprechenden Verlust nicht zu rechnen ist. Plasmide, die in sehr geringer Kopienzahl vorkommen enthalten als zusätzliches Kontroll-Element das als ccd ( control of cell division) bezeichnete System, über das eine Zellteilung nach Plasmidverlust verhindert wird. Ursprünglich war vermutet worden, dass das ccd System dafür sorgt, dass die Zellteilung des Wirts erst erfolgt, wenn wenigstens zwei Kopien des Plasmides vorliegen. Obwohl ein Einfluß auf die Zellteilung nach wie vor nicht ganz ausgeschlossen werden kann, ist seine bekannte Funktion eine andere. Das ccd System gehört zu den sogenannten Killersystemen. Das Plasmid produziert ein als Killerprotein bezeichnetes langlebiges Protein und ein zweites kurzlebiges Protein, das die Aktivität des Killerproteins inhibiert.

Geht das Plasmid verloren, so nimmt die Konzentration des den Killer blockierenden Proteins ab, und der Killer inhibiert weitere Teilungen oder zerstört die Zelle.

Man unterscheidet stringente Plasmide (1-2 pro Zelle) und relaxete Plasmide (16 bis mehrere 100 Kopien pro Zelle). Liegt das Plasmid in einer ausreichend hohen Konzentration vor, so bindet ein Protein zwei Plasmide und verhindert so deren weitere Replikation.

Es gibt bestimmte Plasmide, die neben bestimmten anderen Plasmiden nicht gleichzeitig in einer Wirtszelle vorliegen können. Dies basiert in der Regel auf sehr ähnlichen Regulationen der beiden Plasmide, die dazu führen, dass ein Plasmid "verdünnt" wird bis es verloren geht. Dies ist ein Zufallsprozess, der sich über mehrere Generationen hinzieht.

Das F-Plasmid enthält 25 Gene, die unter anderem für die Ausbildung einer Proteinröhre verantwortlich sind, über die DNA von einer Zelle zur anderen übertragen werden kann. Dabei gibt es Zellen, die kein F-Plasmid enthalten (F-) und solche, die es haben (F+). Die F+-Zellen ("männliche") können den F--Zellen ("weibliche") eine Kopie des Plasmids übertragen. Damit wird die F--Zelle ebenfalls zur F+-Zelle.

Daneben gibt es noch Zellen, bei denen das Plasmid in das Hauptchromosom integriert ist. Man nennt sie HFr-Zellen. Diese können ihre DNA auf F-- Zellen übertragen. Oft wird aber nicht die gesamte DNA übertragen, sondern nur ein Teil (z.B. wenn die Proteinröhre bricht).

In der Natur bestehen verschiedene Möglichkeiten, DNA von einem Organismus auf einen anderen zu übertragen. Bei den Bakterien ist der Gentransfer weit verbreitet, man spricht von Konjugation, Transduktion und Transformation:

Auf diese Weise können auch Antibiotika-Resistenzgene zwischen Bakterien ausgetauscht werden, sodass es zu Mehrfach-Resistenzen kommen kann. Durch dieses Phänomen werden viele gebräuchliche Antibiotika immer unwirksamer. Leider wird diese Entwicklung durch den unkritischen Gebrauch von Antibiotika begünstigt.

Hierzu ein Artikel (bdw 05.08.1997):

"Forschern der University in Yale ist es zum ersten mal gelungen, die Resistenz von Bakterien gegen zwei häufig eingesetzte Antibiotika, Chloramphenicol und Ampillicin, zu unterdrücken. Mit Hilfe von Plasmiden schleusen die Forscher synthetische RNA-Abschnitte in Zellen des Bakteriums E.Coli ein. In den Zellen produzieren die künstlichen Gene kleine RNA-Nukleotide, diese wiederum binden die "Boten-RNA" an sich und zerstören sie. Die Boten-RNA spielt im Chemiehaushalt der Zelle eine wichtige Rolle und ist an der Resistenzbildung der Zelle gegenüber Antibiotika beteiligt. Durch den Prozess werden die RNA-Nukleotide freigesetzt und können weitere Boten-RNA binden."

Die Versuche, die Erbinformation zu verändern, stützten sich bisher auf Viren. Viren können gezielt in Körperzellen eindringen und sich dort vermehren. Dabei können sie noch fremde Erbinformation mitnehmen. Viren haben aber mehrere Sicherheitsrisiken, die die Zuverlässigkeit des Eingriffs gefährden: Wenn sie in die Erbinformation eindringen, kann man nicht vorhersagen, wo und mit welchen Folgen das passiert. Der Zufall wie und wo die Viren sich in die Erbinformation einnisten, bestimmt bisher das Ergebnis aller Versuche, die genetischen Informationen zu beeinflussen. Ferner gibt es Viren, die sich nicht in die Erbinformation einlagern und trotzdem in der Zelle die Erbinformation beeinflussen können. Beide Typen aber können nach ihrem Eindringen in eine Körperzelle zur Zellentartung bis hin zur Krebsbildung führen. Außerdem reagiert der Körper mit seinem Abwehrsystem auf die eindringenden Viren. Nun weiß man aber von Gen- vehikeln, die diese Probleme umgehen können, Plasmide. Das besondere der Plasmide besteht darin, dass sie sich, nach ihrem Eindringen in die Zelle, vermehren können ohne Schaden anzurichten.

In der Gentechnik werden entweder natürliche Plasmide verwendet, wie sie in der Natur vorkommen, oder konstruierte Plasmide, die aus natürlichen hervorgehen, indem man ihnen einige gewünschte Gene einbaut. Ein solches Plasmid sollte folgende Bedingungen erfüllen:

- Es muß sich möglichst einfach isolieren lassen
- Es muß eine Replikations-Startstelle besitzen, um sich eigenständig zu replizieren.
- Es sollte nicht zu groß sein ( weniger als 10000 Basenpaare)
- Es muß geeignete Schnittstellen für Restriktionsenzyme besitzen, um den Einbau von Fremd-DNA zu ermöglichen.
- Es muß der Empfängerzelle einen selektiven Vorteil verschaffen, damit können die Zellen, die den Vektor aufgenommen haben, ausgelesen und gezielt vermehrt werden.

Forscher haben nun einen Weg gefunden, diese Vorteile der Plasmide auf Viren zu übertragen und sie so auch für höhere Lebewesen zu nutzen.

Um DNA-Stücke auszuschneiden und neu zu kombinieren, verwendet die Gentechnik Enzyme. Restriktionsenzyme sind die "genetischen Scheren", die DNA an bestimmten Basensequenzen zerschneiden. Beim Schnitt bleiben oft einsträngige Stücke an den Enden, die zueinander komplementär sind. Diese "klebrigen Enden" verbinden sich leicht mit ihren komplementären Gegenstücken an einer DNA, die mit dem selben Restriktionsenzym geschnitten wurden. Beide können durch das Enzym Ligase, dem "genetischen Kleber", zu einem fortlaufenden Doppelstrang verbunden werden.