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Victor Sourjik, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg,

Grundvorlesung Biologie I, Teil Mikrobiologie

DKFZ-ZMBH-Allianz

Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10

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Vorlesungsthemen Mikrobiologie

1.  Einführung in die Mikrobiologie B. Bukau

2.  Zellaufbau von Prokaryoten B. Bukau

3.  Bakterielles Wachstum und Differenzierung B. Bukau

4.  Bakterielle Genetik und Evolution V. Sourjik

5.  Mikrobielle Vielfalt und Ökologie V. Sourjik

6.  Medizinische Mikrobiologie V. Sourjik

7.  Gentechnik und industrielle Mikrobiologie V. Sourjik

Zwei mögliche Schreibweisen: Prokaryoten und Prokaryonten

Bilder: Brock Biology of Microorganisms, 12th Ed., 2009, Pearson Education, Inc

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Grundlagen der Molekulargenetik DNA (DNS) als Träger der Erbinformation

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Grundlagen der Molekulargenetik Gen: eine genetische Informationseinheit ->

meistens kodiert ein Protein, manchmal ein funktionelles RNA-Molekül

DNA

Transkription

5‘ 3‘ RNA

+1 (Transkriptionsstart) Terminator

Kodierende Sequenz

AUG UGA

N C

Translation

Protein

Regulatorische Sequenz (Promoter)

Transkribierte Sequenz

5‘ UTR 3‘ UTR

Funktion

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Grundlagen der Molekulargenetik Genom: die Gesamtheit der Gene in einem Organismus

-> ein oder mehrere Chromosomen und extrachromosomale DNA Elemente, die genetische Information der Zelle kodieren

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Genomstruktur von Bakterien, Archaea und Eukaryoten

Bakterien Archaea Eukaryoten

Chromosom 1, ringförmig 1, ringförmig >1, linear

DNA-Kompaktierung

Überspiralisierung (supercoiling)

Histone +supercoiling

Histone

Plasmide Ja Ja selten

DNA im Nukleoid DNA im Kern

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Genom von Darmbakterium Escherichia coli

E. coli K-12 Chromosom ist 4.639.221 Basenpaaren (Bp) lang und trägt 4.288 Gene (andere E. coli Stämme haben längere Chromosomen und mehr Gene)

Prokaryotische Gene sind dicht gepackt -> nur kurze regulatorische Sequenzen

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Genome von Prokaryoten Bakterien und Archaea haben ähnliche Genomgrößen: Beispiele: 580.000 Bp Mycoplasma genitalium (Humanpathogen)

9.000.000 Bp Bradyrhizobium japonicum (freilebendes, stickstofffixierendes Bakterium)

Kleine Chromosomen tragen weniger Gene, ca. 1 Gen pro 1.100 Bp

Ca. 300 Gene sind für das Leben notwendig (Minimalgenom): DNA-Replikation, Proteinproduktion, Energiegewinnung, Stoffwechsel

Kod

iere

nde

Sequ

enze

n

Genomgröße (x106 Bp)

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Genome von eukaryotischen Mikroorganismen

Gene von höheren Eukaryoten sind viel größer als bei Mikroben: Mensch (Homo sapiens) 2.800.000.000 Bp (25.000 Gene) -> mehr Regulation

Eukaryotischen Mikroorganismen haben größere Genome: Beispiele: 3.000.000 Bp (2.000 Gene) Enzephalitozoon cuniculi (Humanpathogen)

13.000.000 Bp (5.800 Gene) Saccharomyces cerevisiae (Bäckerhefe) 72.000.000 Bp (40.000 Gene) Paramecium tetraaurelia (freilebendes Ciliat <Wimpertierchen>)

S. cerevisiae P. tetraaurelia

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Genomplastizität bei Prokaryoten

Prokaryotische Genome sind sehr dynamisch -> können sich schnell an die Umwelt anpassen

1. Kurze Generationszeiten

2. Hohe Mutationsraten

3. Mobile genetische Elemente

4. Extrachromosomale Elemente

5. Lateraler (horizontaler) Gentransfer

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Mutationen

Punktmutationen können kodierte Proteinsequenz ändern

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Mutationen Häufigkeit der spontanen Punktmutationen (pro 1.000 Bp): Mikroorganismen 10-6 – 10-7 Höhere Organismen 10-8 Viren 10-3 – 10-4

Mutationsraten hängen von Wachstumsbedingungen ab -> Evolution als aktiver Prozess

Optimale Mutationsrate -> Gleichgewicht zwischen Genomerhaltung und Evolution

Normales Wachstum

Geringe Mutationsrate

Stress

Hohe Mutationsrate

Hohe Diversität Geringe Diversität Hohe Diversität

Stress

Selektion

Normales Wachstum

Neues Genotyp

109 Bakterien/ml -> 102-103 Mutationen

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Transposone: mobile genetische Elemente Transposone können im Genom „springen“

(Replikative) Transposition

Tn3

Große Transposone tragen oft Resistenzgene

Insertionselemente sind minimale transponierbare Elemente

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Transposonbewegung kann zu Veränderungen im Genom führen

Insertion Deletion / Inversion

Homologe Recombination

Duplikation

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Mechanismen vom genetischen Austausch DNA kann zwischen prokaryotischen Zellen übertragen werden:

Transformation; Transduktion; Konjugation

-> Lateraler (horizontaler) Gentransfer in prokaryotischen Gemeinschaften

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Transformation Aufnahme freier DNA aus der Umgebung

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Transduktion Übertragung der DNA zwischen Zellen

durch Phagen (bakterielle Vieren)

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Bakteriophagen Bestehen aus DNA oder RNA und Proteinen Replizieren nur innerhalb der Wirtszelle

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Plasmide: extrachromosomale Elemente

Ringförmige selbstreplizierende DNA Elemente

Plasmide tragen Gene für:

Resistenz gegen Antibiotika und Schwermetalle

Virulenz

nicht-essentielle methabolische Funktionen (z.B. Herbizidabbau)

-> bringen Vorteil für die Wirtszelle

breiten sich oft durch die Konjugation aus

Plasmid R100

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Konjugation Übertragung der Plasmid-DNA zwischen Zellen („sexueller“ Austausch)

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Evolution: Entstehung neuer Gene Wie entsteht ein Protein mit neuen Eigenschaften?

Mutation Gen mit verbesserten

Eigenschaften Selektion

Rekombination

Rekombinante Gene Mutation/Selektion

Duplikation

Redundante Gene Mutation/ Selektion

Lateraler Gentransfer

Zusätzliche Gene Mutation/ Selektion

Selektion auf Fitness: besseres Wachstum und Überleben unter bestimmten Bedingungen

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Evolution: Komplexität und Degeneration

Eigenschaften können nicht nur akquiriert sondern auch verloren werden

Evolution neue Gene

Eigenschaft ist vorteilhaft

Erhöhter Komplexität

Eigenschaft ist nicht

vorteilhaft

Degeneration

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Evolution: Ursprunge des Lebens Das Leben entstand vermutlich um die heißen Quellen am Meeresboden

Fig. 14.5

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Entwicklung der Photosynthese und Entstehung der Eukaryoten

Eukaryotische Zelle entstand als ein Produkt der Endosymbiose zwischen Archaea (Wirtszelle) und Bakterium (Symbiont)

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Endosymbiotischer Ursprung der eukaryotischen Zelle

Eukaryotische Zellen weisen Merkmale von Archaea und Bakterien auf:

•  Peptidoglykan in der Zellwand nicht vorhanden

•  Terpene als lipophile Membranbausteine •  Mehrere Typen von RNA Polymerase

vorhanden •  Methionin als Startaminosäure •  Introns in Genen z.T vorhanden •  Best. Antibiotika unwirksam •  Histone vorhanden •  Extremophil

•  Peptidoglykan in der Zellwand vorhanden •  Fettsäuren als lipophile Membranbausteine •  Nur ein Typ von RNA Polymerase vorhanden •  Formylmethionin als Startaminosäure •  Introns in Genen nicht vorhanden •  Alle Antibiotika wirksam •  Histone nicht vorhanden •  Extremophile gibt es weniger

Archaea: Bacteria:

Eukaryotische Transkription und Translation -> ähnlicher zu Archaea Membranen und Stoffwechsel -> ähnlicher zu Bakterien

Viele bakterielle Gene wurden ins eukaryotische Genom übertragen

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Mitochondrien und Chloroplasten haben eigene Genome

ca. 150.000 Bp bzw. ca. 100 Gene: 70 für Proteine (überwiegend für die Photosynthese)

30 für tRNAs, 1 für rRNA

Chloroplasten-Genom Mitochondrien-Genom

Sehr gattung-spezifisch In Säugertieren ca. 16.000 Bp bzw. ca. 35 Gene:

13 für Proteine (überwiegend für die Atmung) 22 für tRNA, 2 für rRNA

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Photosynthese wurde von Eukaryoten mehrmals akquiriert

Primäre und sekundäre Endosymbiose

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Entstehung von Chloroplasten durch primäre und sekundäre Endosymbiose