Gentransfer – Gene in Bewegung
Der Begriff Gentransfer bezeichnet die Übertragung von Genen von einem Organismus auf einen anderen. Das klingt hochgradig manipulativ, ist aber ein vollkommen natürlicher Prozess, der eine zentrale Rolle im Evolutionsgeschehen einnimmt. Unterschieden wird zwischen Vertikalem Gentransfer und Horizontalem Gentransfer; beide sind auch wichtige Werkzeuge für Züchter und Gentechniker.
Das Wesen der Evolution ist die stetige Veränderung des genetischen Materials. Denn nur durch diese Flexibilität ist gewährleistet, dass Organismengruppen sich über Generationen hinweg neuen Umweltbedingungen anpassen können. Tatsächlich gibt es viele Wege, wie Lebewesen ihr Erbgut modifizieren. Durch Mutationen (vgl. Genmutationen) werden bestehende Elemente verändert, durch Gentransfer neue Elemente hinzugewonnen. Bakterien und Viren sind bedeutsame Überträger von Genmaterial.
Vertikaler Gentransfer
Bei höheren, mehrzelligen Organismen ist der „normale“ Weg für die Durchmischung des Erbguts die Kreuzung zwischen artgleichen Individuen. Durch die Vereinigung von väterlichen und mütterlichen Keimzellen entsteht ein neuartiger Organismus mit einer einzigartigen Genkomposition. Diesen Übertragungsweg des Erbguts von einer Generation auf die Nachkommenschaft nennt man Vertikalen Gentransfer.
Einzellige Organismen wie Bakterien haben diese Möglichkeit nicht. Sie bilden keine Geschlechter aus und sie vermehren sich durch einfache Teilung. Doch auch solche Lebewesen streben nach genetischem Austausch; sie gelten sogar als besonders anpassungsfähig. Um zu verstehen, wie der Gentransfer zwischen einzelnen Zellen verlaufen kann, zuerst ein kurzer Einblick in Aufbau und Lebensweise der Bakterien.
Gentransfer bei Bakterien
Bei Bakterien und anderen Mikroorganismen findet alles, was zum Überleben, zur Vermehrung und für die Weiterentwicklung notwendig ist, in einer Einzelzelle statt – und nicht wie bei Mehrzellern durch Arbeitsteilung in unterschiedlichen Geweben. Eine Bakterienzelle besteht aus Plasma, Nukleinsäuren und einer proteinbesetzten Zellhülle. Der Hauptanteil des genetischen Materials ist in einem einzelnen DNA-Molekül, dem sogenannten „Bakterienchromosom“, gespeichert. Zusätzlich besitzen Bakterien eigenständige, ringförmige DNA-Moleküle, die Plasmide, denen eine besondere Rolle beim Gentransfer zukommt. Plasmide enthalten häufig wichtige Zusatzinformationen.
Die Bakterienzelle nimmt Nährstoffe in molekularer Form aus der Umgebung auf. Durch Umwandlung der Nährstoffe wächst die Zelle und verdoppelt ihr Erbgut. Ist die Zelle groß genug, teilt sie sich durch Abschnürung. Dieser Vorgang dauert beim Modellorganismus Escherichia coli etwa 20 Minuten. Die neu entstandene Zelle ist eine exakte Kopie der Mutterzelle, ein Klon. Um trotzdem Modifikationen des Erbguts zu erreichen, haben Bakterien verschiedene Strategien entwickelt, die zusammenfassend als Horizontaler Gentransfer bezeichnet werden.
Horizontaler Gentransfer
Horizontaler Gentransfer ist die Übertragung von Genmaterial zwischen unterschiedlichen Individuen derselben Generation. Die Mechanismen sind bei Bakterien am besten erforscht, finden sich aber in ähnlicher Form auch bei einigen Pilzen und anderen Organismen.
• Konjugation: Transfer von DNA zwischen zwei Bakterienzellen über direkten Zellkontakt
Eine Spenderzelle (Donor) heftet sich an eine Empfängerzelle (Rezeptor) und bildet eine Plasmabrücke, über die ein Plasmid an den Empfänger übertragen wird. Das hinzugewonnene Plasmid wird nun mit jeder Zellteilung verdoppelt und weitergegeben. Auf diese Weise können sich Eigenschaften wie z.B. Antibiotikaresistenzen, die eine einzelne Zelle zufällig erworben hat, schnell auf eine ganze Bakterienkolonie ausbreiten.
• Transformation: Aufnahme von DNA aus dem umgebenden Medium
Einige Bakterienstämme besitzen die natürliche Fähigkeit (Kompetenz), Teilstücke freier DNA durch ihre Zellhülle hindurch aufzunehmen. Die neu erworbenen Sequenzen werden in das bestehende Genom integriert und mit diesem an die Tochterzellen weitergegeben. Dieser Mechanismus dient in erste Linie der Förderung neuer Genkombinationen.
• Transduktion: Transfer von DNA mit Hilfe eines Viruspartikels
Wenn Viren Bakterien befallen, vermischt sich das genetische Material beider Organismengruppen. Bei der Weiterverbreitung der Viren können Teile des zerstückelten bakteriellen Genoms in eine neue Wirtszelle übertragen werden.
In Forschung und Praxis der Gentechnik
Das gezielte Einbringen von Genmaterial in einen Organismus ist die Kerntechnologie zur Erzeugung transgener Organismen. Einfache Klonierungen sind eine Standardmethode der biologischen Forschung und dienen in erster Linie der Herstellung größerer Mengen eines gewünschten DNA-Teilstücks für nachfolgende DNA-Analysen (vgl. Was ist Gentechnik). Für die Erforschung von Entwicklungsprozessen oder der Entstehung von Krankheiten werden mit Hilfe von Transformationstechniken genetisch modifizierte Mikroorganismen oder Tiere erzeugt (vgl. Rote Gentechnik). Und auch die Nutz- und Kulturpflanzen der Grünen Gentechnik sind mittels Gentransfer entstanden.
Gentransfer Techniken
Verschiedene Verfahren dienen dazu, die Zellwände von Bakterien durchlässig für zugefügte DNA zu machen bzw. Fremd-DNA in eine Zelle einzubringen. Als Überträger (Vektor) dienen in der Regel Plasmide, in die ein DNA-Teilstück eingefügt wurde. Einmal in die Zelle gelangt, wird das DNA-Fragment in das Wirtsgenom integriert und über den zelleigenen Stoffwechselapparat abgelesen. Die gängigsten Methoden sind:
- Elektroporation: elektrische Impulse setzen die Barrierefunktion der Zellwand kurzzeitig außer Kraft, so dass Fremd-DNA in die Zelle eindringen kann
- Biolistischer Partikelbeschuss („Genkanone“): DNA wird an Metallpartikel gebunden und mit hohem Druck durch die Zellhülle gepresst
- Agrobakterium tumefaciens-vermittelte Transformation: das pflanzenpathogene Bakterium überträgt durch Infektion pflanzlicher Gewebe ein modifiziertes Plasmid
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Gentransfer in der Entwicklungsgeschichte der Organismen
Das Human Genome Project (HGP) lieferte die überraschende Erkenntnis, dass etwa 8 % der menschlichen DNA von Viren abstammt (vgl. helmholtz-muenchen.de). Ähnliche Beobachtungen sind inzwischen auch von anderen Organismengruppen bekannt, so dass von einem möglichen Genaustausch über alle Artgrenzen hinweg ausgegangen werden kann. Von Bakterien ist bekannt, dass sie mehr oder weniger stark fremde DNA-Sequenzmotive „einsammeln“. Dieses Vorgehen bedeutet eine effektive und rasche Anpassung, zum Beispiel an Krankheitserreger (vgl. CRISPR).
Die Möglichkeit der Übertragung von Genen ist grundsätzlich weder gut noch schlecht. Erweisen sich neuartige Genmodifikationen als nützlich, werden sie dauerhaft in ein Genom integriert und evolvieren fortan gemeinsam. Dieses Szenario ist beispielsweise bei der Entstehung von „Superunkräutern“ zu beobachten (vgl. pflanzenforschung.de). Andere Gentransfers haben keine (bekannte) Funktion, manche werden innerhalb des Genoms durch epigenetische Mechanismen stillgelegt oder verlieren durch spätere Mutationen ihre Funktion.
