Fakultät für Biowissenschaften, WS 2009/10
Grundvorlesung Biologie I, Teil Mikrobiologie
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 Victor Sourjik, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz
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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 Transkribierte Sequenz Regulatorische Sequenz (Promoter)
Kodierende Sequenz
DNA Terminator
+1 (Transkriptionsstart)
Transkription
5‘ UTR RNA
3‘ 3‘ UTR
5‘ AUG
UGA
Translation N
Protein
C
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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
Chromosom
Bakterien
Archaea
Eukaryoten
1, ringförmig
1, ringförmig
>1, linear
Histone +supercoiling
Histone
Ja
selten
DNAÜberspiralisierung Kompaktierung (supercoiling) Plasmide
Ja
DNA im Kern DNA im Nukleoid
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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 9.000.000 Bp
Mycoplasma genitalium (Humanpathogen) Bradyrhizobium japonicum (freilebendes, stickstofffixierendes Bakterium)
Kodierende Sequenzen
Kleine Chromosomen tragen weniger Gene, ca. 1 Gen pro 1.100 Bp
Genomgröße (x106 Bp)
Ca. 300 Gene sind für das Leben notwendig (Minimalgenom): DNA-Replikation, Proteinproduktion, Energiegewinnung, Stoffwechsel Victor Sourjik, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz
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Genome von eukaryotischen Mikroorganismen 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 )
S. cerevisiae
P. tetraaurelia
Gene von höheren Eukaryoten sind viel größer als bei Mikroben: Mensch (Homo sapiens)
2.800.000.000 Bp (25.000 Gene)
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-> mehr Regulation
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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 Höhere Organismen Viren
10-6 – 10-7 10-8 10-3 – 10-4
109 Bakterien/ml -> 102-103 Mutationen
Optimale Mutationsrate -> Gleichgewicht zwischen Genomerhaltung und Evolution Mutationsraten hängen von Wachstumsbedingungen ab -> Evolution als aktiver Prozess Stress
Stress
Neues Genotyp
Normales Wachstum
Normales Wachstum
Geringe Mutationsrate
Hohe Mutationsrate
Geringe Diversität
Hohe Diversität
Selektion
Hohe Diversität
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Transposone: mobile genetische Elemente Transposone können im Genom „springen“ (Replikative) Transposition
Insertionselemente sind minimale transponierbare Elemente
Tn3
Große Transposone tragen oft Resistenzgene
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Transposonbewegung kann zu Veränderungen im Genom führen Insertion
Deletion / Inversion
Duplikation
Homologe Recombination
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Mechanismen vom genetischen Austausch DNA kann zwischen prokaryotischen Zellen übertragen werden: Transformation; Transduktion; Konjugation
-> Lateraler (horizontaler) Gentransfer in prokaryotischen Gemeinschaften Victor Sourjik, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz
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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 Victor Sourjik, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz
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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? Gen mit verbesserten Eigenschaften Selektion Mutation
Rekombinante Gene Mutation/ Selektion Rekombination
Redundante Gene
Mutation/ Selektion
Zusätzliche Gene
Mutation/ Selektion
Duplikation
Lateraler Gentransfer
Selektion auf Fitness: besseres Wachstum und Überleben unter bestimmten Bedingungen Victor Sourjik, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz
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Evolution: Komplexität und Degeneration Eigenschaften können nicht nur akquiriert sondern auch verloren werden
Eigenschaft ist vorteilhaft
Erhöhter Komplexität
Evolution neue Gene
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) Victor Sourjik, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz
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Endosymbiotischer Ursprung der eukaryotischen Zelle Eukaryotische Zellen weisen Merkmale von Archaea und Bakterien auf: Archaea: • • • • • • • •
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
Bacteria: 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
Eukaryotische Transkription und Translation -> ähnlicher zu Archaea Membranen und Stoffwechsel -> ähnlicher zu Bakterien Viele bakterielle Gene wurden ins eukaryotische Genom übertragen Victor Sourjik, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg, DKFZ-ZMBH-Allianz
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Mitochondrien und Chloroplasten haben eigene Genome Chloroplasten-Genom
ca. 150.000 Bp bzw. ca. 100 Gene: 70 für Proteine (überwiegend für die Photosynthese) 30 für tRNAs, 1 für rRNA
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
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