Mibi 12: Bakterienzelle - Plasmide - Imunsystem

Bakterienzelle: Kapsel

• Eine Bakterienzelle kann eine Kapsel haben.
• Die Kapsel ist eine Struktur außerhalb der Zelle.
• Beispiele für Bakterien mit Kapseln sind Streptokokkus pneumoniae.
• Die Kapsel kann als Virulenzfaktor dienen.

Griffith-Experiment (1928): Transformation

• Das Griffith-Experiment von 1928 ist ein Beispiel für Transformation.
• Frederik Griffith führte dieses Experiment durch.
• Im Experiment wurden Mäuse mit verschiedenen Stämmen von Bakterien infiziert.
• Raue (nicht-virulente) und glatte (virulente) Stämme wurden verwendet, um zu beobachten, wie die Übertragung funktioniert.
• Glatte Bakterien bewirken das Sterben der Maus, raue jedoch nicht.
• Glatte, hitzeinaktivierte Bakterien bewirken nicht das Sterben der Maus.
• Werden der Maus aber glatte, hitzeinaktivierte Bakterien zusammen mit rauen Bakterien injiziert, so stirbt diese.

Bakterienkapsel Zusammensetzung

• Der Kapsellocus von Streptococcus pneumoniae wurde in Avery's Stamm D39 charakterisiert.
• D39 wird bei der Pneumokkenforschung als virulenter Stamm eingesetzt.
• Ein 21,7-kb-PCR-Fragment aus dem D39-Genom wurde sequenziert, um den Kapsel-Locus zu charakterisieren.
• Die Analyse zeigte 18 offene Leserahmen, von denen 17 potenziell an der Kapselbiosynthese beteiligt sind.
• R36A und R6, unverkapselte Derivate von D39, weisen eine 7.504-bp-Deletion auf, die neun Kapselgene betrifft.

Streptococcus pneumoniae Eigenschaften

• Streptococcus pneumoniae ist ein grampositives Bakterium.
• Es kommt üblicherweise paarweise vor (Diplokokken).
• Es bildet keine Sporen und ist nicht beweglich.
• Besiedelt die oberen Atemwege gesunder Menschen ohne Symptome.
• Es ist die Hauptursache für von Mensch-zu-Mensch übertragene Pneumonie.
• Es ist außerdem eine Hauptursache für Sepsis bei HIV-Infizierten.
• Es gibt 90 Serotypen von S. pneumoniae.
• Impfstoffe gegen S. pneumoniae sind Pneumovax 23 und Prevenar 13.
• 2,56 Millionen Menschen sind 2017 an Pneumonie gestorben.

Pneumonie

• Pneumonie ist eine Lungenentzündung.
• Lungeninfektionen entstehen bei den meisten Patienten durch Bakterien.
• Lungeninfektionen sind die zweithäufigste Infektionskrankheit nach Durchfallerkrankungen.
• Die Übertragung erfolgt durch Tröpfcheninfektion (Husten, Niesen).
• Schätzungsweise erkranken jährlich 1 bis 11 von 1.000 Einwohnern in Deutschland daran.
• Die Inzidenz ist bei Altenheimbewohnern deutlich höher.
• In Deutschland erkranken jährlich etwa eine halbe Million Menschen an einer Lungenentzündung.
• Ungefähr ein Drittel der Betroffenen muss im Krankenhaus behandelt werden, einige davon auf der Intensivstation.
• Im Jahr 2020 gab es 15.287 Todesfälle in Deutschland.

Pneumonie-Todesfälle weltweit

• Im Jahr 2021 forderte die Pneumonie das Leben von 2,2 Millionen Menschen.
• Darunter waren 502.000 (23 %) Kinder unter 5 Jahren und 152.000 (7 %) Neugeborene.
• Die meisten Todesfälle durch Pneumonie sind vermeidbar.

Strukturen der Prokaryotenzellen

• Nukleoid ist der Ort, an dem sich das Bakterienchromosom befindet.
• Es hat keine bestimmte Struktur, nimmt aber mehr als die Hälfte der Zelle ein.
• Neben dem Chromosom sind hier auch die Plasmide zu finden.
• Das Nucleoid besteht aus 60% DNA, 30% RNA und 10% Protein.
• Das E.coli-DNA-Molekül darin ist etwa 1400µm lang.
• Dies ist 230-700 mal länger als die Zelle.
• Die DNA ist effizient verschlauft und gewunden.
• Es gibt kein Histonprotein.
• Pili sind haarähnliche Anhänge (Röhren) mit einem Durchmesser von 3-10 nm
• Sie sind einige µm lang.
• Pili haben eine zentrale Funktion bei der Konjugation.
• Die Konjugation wurde 1946 von Joshua Lederberg und Edward Tatum bei Bakterien entdeckt.
• Die Konjugation ist ein Mechanismus der DNA-Übertragung und erfordert Zell-Zell-Kontakt.
• Die Konjugation kann auch zwischen Bakterien verschiedener Arten stattfinden = horizontaler Gentransfer.

Konjugation bei Bakterien

• Bakterien können in einem Konjugationsprozess genetisches Material übertragen.
• Dadurch verteilen sich z.B. Antibiotikaresistenz-Gene, auch zwischen Bakterien verschiedener Arten.
• Konjugation gibt es auch bei Archaeen.
• Konjugation braucht den Zell-Zell-Kontakt.

Methoden der DNA-Übertragung

• Transformation: Aufnahme von freier DNA aus der Umgebung.
• Transduktion: Übertragung von DNA durch Phagen (Viren, die Bakterien befallen).
• Konjugation: DNA-Übertragung zwischen Bakterien durch direkten Kontakt (Pilus).

Plasmide

• Plasmide sind kleine, zirkuläre, doppelsträngige DNA-Moleküle.
• Sie sind extrachromosomale genetische Elemente.
• Plasmide können sich unabhängig vom chromosomalen Genom replizieren.
• Sie kommen häufig in Bakterien vor, manchmal auch in Archaeen oder Eukaryoten (z.B. Saccharomyces cerevisiae).
• ECC-DNA kann ein Zeichen der Seneszenz sein.
• Plasmide können Antibiotika-Resistenzgene übertragen.
• Sie können durch horizontalen Gentransfer schnell verbreitet werden, auch über Artgrenzen hinaus.
• Künstliche Plasmide werden als Vektoren für Klonierungen genutzt, um bestimmte DNAs zu vermehren.
• E. coli wird häufig als Wirtszelle hierfür eingesetzt.
• Die Kopienzahl von Plasmiden kann sehr gering (1/Zelle) oder sehr hoch sein (viele hundert/Zellen).
• Joshua Lederberg bezeichnete diese genetischen Elemente 1952 als Plasmide.
• Plasmide sind also Werkzeuge in der Gentechnik.
• Sie sind sind einfache extrachromosomale DNA-Elemente.
• Künstliche Plasmide werden zum Klonieren von DNA-Fragmenten verwendet.
• Plasmide enthalten Selektionsmarker (z.B. das Ampicillin-Resistenzgen ampR).
• Plasmide benötigen einen Replikationsursprung (ori), wo die Replikation beginnt.
• Plasmide enthalten oft eine Multiple Cloning Site (MCS), kombiniert mit dem lacZ-Gen.
• Die multiple cloning site enthält Erkennungsstellen für DNA-Restriktionsenzyme.

Restriktionsenzyme

• Ein Restriktionsenzym (Restriktionsendonuklease) ist ein Enzym, das DNA an einer spezifischen Erkennungssequenz schneidet.
• Restriktionsenzyme werden in drei Klassen eingeteilt, je nach ihrer Struktur und Funktionsweise.
• Alle Restriktionsenzyme machen zwei Schnitte, einen in jedem DNA-Strang, wodurch ein Doppelstrangbruch entsteht.

Vorkommen und Aufgabe

• Restriktionsenzyme findet man in Bakterien und Archaeen.
• Sie sind ein Verteidigungsmechanismus gegen eindringende Viren.
• Typ-I-Restriktionsenzyme schneiden zufällig mit einem Abstand zur Erkennungssequenz.
• Typ-II-Restriktionsenzyme schneiden spezifisch an der Erkennungssequenz.
• Der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 1978 wurde für die Entdeckung der RS und ihre Anwendungen in der Molekulargenetik vergeben.
• Typ-III-Restriktionsenzyme erkennen zwei separate nicht-palindromische Sequenzen.
• Sie schneiden etwa 20-30 bp nach der Erkennungssequenz.
• Restriktionsenzyme erkennen eine spezifische Nukleotidsequenz und generieren einen Doppelstrang-Schnitt in der DNA.
• Die Erkennungssequenz ist meist 4-8 Basen lang und palindromisch.
• Restriktionsenzyme werden nach ihrer Herkunft benannt.
• Bsp: EcoRI ist ein Typ-II Restriktionsenzym.

Restriktionsweise

• Bakterielle Methylasen schützen die Wirts-DNA durch Methylierung innerhalb der Restriktionserkennungssequenzen.
• Restriktionsenzyme schneiden methylierte DNA nicht.
• Der Trick: Virale DNA, Bakteriophagen-DNA ist NICHT methyliert!
• Beispiel: Das Enzym EcoRI erkennt die Sequenz 5'-GAATTC-3'.

Viren

• Die Vermehrung von Viren ist nur in lebenden Zellen möglich.
• Am Ende der Vermehrung steht die Zerstörung der Zelle.
• Virusen sind eine Gefahr für alle Zellen (Bakterien, Pflanzen, Tiere, Menschen).
• Ein Virus ist ein infektiöser Partikel.
• Es besteht aus Nukleinsäure (DNA oder RNA) und einer Proteinhülle (Capsid).
• Ein Virus kann nur ein bestimmte Zelltypen attackieren.
• Viren haben kein Zytoplasma, Stoffwechsel oder Wachstum.
• Sie reagieren nicht auf Umweltveränderungen.
• Viren sind Parasiten und keine Lebewesen.
• Sie besitzen genetisches Material (ein Kriterium von Leben).
• Das Erbgut von Viren kann mutieren.
• Viren kidnappen die Wirtsmaschinerie, um neue Viruspartikel zu produzieren.
• Viren sind Pathogene (Krankheitserreger).
• Eine Vireninfektion hat zwei mögliche Ausgänge: -
  • Lytisch (aktive Infektion, die Wirtszelle stirbt)
  • Lysogen (Ruhezustand, Virus-DNA integriert in Wirtsgenom)
• Bakterien entwickeln Schutzmechanismen (Immunsystem): Restriktionsenzyme und CRISPR/Cas.

CRISPR/Cas9 System

• CRISPR = clustered, regularly interspaced, short palindromic repeat.
• Cas9 = CRISPR associated protein 9.
• Es wurde als ein adaptiver Immunitätsmechanismus in Prokaryoten entdeckt.
• Es ist ein Werkzeug für das gezielte Editieren von Genomen (Genomschere).
• CRISPRs sind fortgeschrittener als Restriktionsenzyme und weit verbreitet unter Bakterien und Archaeen.
• Die Spacer-DNA ähnelt dem adaptiven Immunsystem.
• Der CRISPR-Lokus wird vererbt (anders als unser Immunsystem).
• Cas9 ist eine Endonuclease, die einen Doppelstrangbruch in der DNA produziert.
• Cas9 benötigt eine RNA Guide Sequence, um den Ziellokus ansteuern zu können.
• Am Zielort muss eine PAM-Sequenz (Protospacer Adjacent Motif) vorhanden sein.
• Das Fehlen der PAM-Sequenz am CRISPR-Lokus schützt das Genom vor dem Schneiden.