HORIZONTALER GENTRANSFER: MECHANISMEN UND BEISPIELE - BIOLOGIE - 2025

Der horizontale Gentransfer oder laterale Gentransfer ist der Austausch von genetischem Material zwischen Organismen, der in Familien nicht stattfindet. Dieses Ereignis findet zwischen Individuen derselben Generation statt und kann bei einzelligen oder mehrzelligen Wesen auftreten.

Der horizontale Transfer erfolgt über drei Hauptmechanismen: Konjugation, Transformation und Transduktion. Beim ersten Typ ist der Austausch langer DNA-Fragmente möglich, während bei den letzten beiden der Transfer auf kleine Segmente des genetischen Materials beschränkt ist.

Ein Bakterium. THG ist in diesen Organismen häufig. Quelle pixabay.com

Das entgegengesetzte Konzept ist der vertikale Gentransfer, bei dem genetische Informationen von einem Organismus an seine Nachkommen weitergegeben werden. Dieser Prozess ist bei Eukaryoten wie Pflanzen und Tieren weit verbreitet. Im Gegensatz dazu ist eine horizontale Übertragung bei Mikroorganismen üblich.

Bei Eukaryoten ist die horizontale Übertragung nicht so häufig. Es gibt jedoch Hinweise auf einen Austausch dieses Phänomens, einschließlich des Vorfahren des Menschen, der bestimmte Gene durch Viren erhalten hat.

Was ist horizontaler Gentransfer?

Während der Reproduktion geben eukaryotische Organismen ihre Gene von einer Generation an ihre Nachkommen (Kinder) weiter, was als vertikaler Gentransfer bekannt ist. Prokaryoten führen diesen Schritt ebenfalls durch, jedoch durch asexuelle Fortpflanzung durch Spaltung oder andere Mechanismen.

Bei Prokaryoten gibt es jedoch eine andere Möglichkeit, genetisches Material auszutauschen, die als horizontaler Gentransfer bezeichnet wird. Hier werden die DNA-Fragmente zwischen Organismen derselben Generation ausgetauscht und können von einer Art zur anderen übergehen.

Horizontale Übertragung ist bei Bakterien relativ häufig. Nehmen wir das Beispiel von Genen, die Resistenzen gegen Antibiotika verursachen. Diese wichtigen DNA-Fragmente werden normalerweise zwischen Bakterien verschiedener Spezies übertragen.

Diese Mechanismen beinhalten erhebliche medizinische Komplikationen bei der Behandlung von Infektionen.

Mechanismen

Es gibt drei grundlegende Mechanismen, durch die DNA durch horizontalen Transfer ausgetauscht werden kann. Dies sind Konjugation, Transformation und Transduktion.

Konjugation

Der Gentransfer mittels Konjugation ist der einzige Typ, der einen direkten Kontakt zwischen den beiden Bakterien beinhaltet.

Es sollte jedoch nicht mit dem Genaustausch durch sexuelle Reproduktion verglichen werden (wo normalerweise ein Kontakt zwischen den beteiligten Organismen besteht), da der Prozess sehr unterschiedlich ist. Zu den Hauptunterschieden gehört das Fehlen von Meiose.

Während der Konjugation erfolgt der Übergang von genetischem Material von einem Bakterium zu einem anderen durch physischen Kontakt, der durch eine Struktur namens Pili hergestellt wird. Dies funktioniert als Verbindungsbrücke, über die der Austausch stattfindet.

Obwohl Bakterien nicht nach Geschlecht differenzieren, ist der Organismus, der eine kleine zirkuläre DNA trägt, die als Faktor F (Fruchtbarkeit f) bekannt ist, als "männlich" bekannt. Diese Zellen sind die Spender während der Konjugation und geben das Material an eine andere Zelle weiter, der der Faktor fehlt.

Faktor F-DNA besteht aus etwa 40 Genen, die die Replikation des Sexualfaktors und die Synthese der Sexualpili steuern.

Der erste Beweis für den Konjugationsprozess stammt aus den Lederberg- und Tatum-Experimenten, aber es war Bernard Davis, der schließlich zeigte, dass Kontakt für den Transfer notwendig war.

Transformation

Die Transformation beinhaltet die Aufnahme eines nackten DNA-Moleküls, das sich in der Umgebung eines Wirtsbakteriums befindet. Dieses Stück DNA stammt von einem anderen Bakterium.

Der Prozess kann auf natürliche Weise durchgeführt werden, da Bakterienpopulationen normalerweise eine Transformation erfahren. In ähnlicher Weise kann die Transformation im Labor simuliert werden, um Bakterien zu zwingen, interessierende DNA aufzunehmen, die sich außerhalb befindet.

Theoretisch kann jedes DNA-Stück entnommen werden. Es wurde jedoch beobachtet, dass an dem Prozess kleine Moleküle beteiligt sind.

Transduktion

Schließlich erfolgt der Transduktionsmechanismus mittels eines Phagen (Virus), der DNA von einem Spenderbakterium zu einem Empfänger transportiert. Wie im vorherigen Fall ist die Menge an übertragener DNA relativ gering, da die Fähigkeit des Virus, DNA zu tragen, begrenzt ist.

Normalerweise ist dieser Mechanismus auf Bakterien beschränkt, die phylogenetisch nahe beieinander liegen, da das Virus, das die DNA trägt, an bestimmte Rezeptoren der Bakterien binden muss, um das Material zu injizieren.

Beispiele

Endonukleasen sind Enzyme, die die Fähigkeit haben, Phosphodiesterbindungen innerhalb einer Polynukleotidkette von innen aufzubrechen - deshalb werden sie als "Endo" bezeichnet. Diese Enzyme schneiden nirgendwo, sie haben dafür spezifische Stellen, sogenannte Restriktionsstellen.

Die Aminosäuresequenzen für die Enzyme EcoRI (in E. coli) und RSRI (in Rhodobacter sphaeroides) weisen eine Sequenz von fast 300 Aminosäureresten auf, die zu 50% miteinander identisch sind, was eindeutig auf eine enge evolutionäre Verwandtschaft hinweist.

Dank der Untersuchung anderer molekularer und biochemischer Eigenschaften sind diese beiden Bakterien jedoch sehr unterschiedlich und aus phylogenetischer Sicht kaum verwandt.

Darüber hinaus verwendet das Gen, das für das EcoRI-Enzym kodiert, sehr spezifische Codons, die sich von den normalerweise von E. coli verwendeten unterscheiden. Daher wird vermutet, dass das Gen nicht aus diesem Bakterium stammt.

Horizontaler Gentransfer in der Evolution

1859 revolutionierte der britische Naturforscher Charles Darwin mit seiner Evolutionstheorie die biologischen Wissenschaften durch natürliche Selektion. In seinem legendären Buch The Origin of Species schlägt Darwin die Metapher des Lebensbaums vor, um die genealogischen Beziehungen zwischen Arten zu veranschaulichen.

Heute sind Phylogenien eine formale Darstellung dieser Metapher, bei der angenommen wird, dass die Übertragung genetischer Informationen vertikal erfolgt - von den Eltern zu den Kindern.

Wir können diese Vision ohne größere Unannehmlichkeiten auf mehrzellige Organismen anwenden und erhalten ein verzweigtes Muster, wie Darwin vorschlägt.

Diese Darstellung von Zweigen ohne Fusionen ist jedoch schwierig auf Mikroorganismen anzuwenden. Beim Vergleich der Genome verschiedener Prokaryoten wird deutlich, dass zwischen den Linien ein umfassender Gentransfer besteht.

Daher ähnelt das Beziehungsmuster eher einem Netzwerk, in dem Zweige verbunden und miteinander verschmolzen sind, da der horizontale Gentransfer weit verbreitet ist.

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