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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