Das Bakteriengenom





Anmerkungen zu Lerneinheit 4:
Vergleich der Genome aus zwei Organismen


Antworten auf die Fragen:
1.
    Mycoplasma genitalium besitzt von allen rRNA-Genen nur jeweils ein einziges Exemplar (das Gen für die 16S-rRNA trägt die Bezeichnung MGrrnA16S).

    Haemophilus influenzae dagegen enthält jedes rRNA-Gen in sechsfacher Ausfertigung.

    Die Gene für die 16S-rRNA heißen HIrrnA16S, HIrrnB16S, HIrrnC16S, HIrrnD16S, HIrrnE16S, and HIrrnF16S.

    Mit sechsmal so vielen Exemplaren der Gene kann die Zelle theoretisch sechsmal so viele Ribosomen produzieren oder neue Ribosomen sechsmal schneller herstellen als eine Zelle mit einfacher Genausstattung. Das ist für eine Zelle, die bei reichlichem Nährstoffangebot heranwächst, eindeutig von Vorteil. Durch das schnellere Wachstum bringt sie mehr Nachkommen hervor, sodass die statistische Überlebenswahrscheinlichkeit steigt.

    Eine Mutante von H. influenzae, die nur eine einfache Ausstattung mit rRNA-Genen besitzt und alle anderen Genkopien verloren hat, wird aller Wahrscheinlichkeit nach langsamer wachsen als der Wildtyp. Die Wachstumsgeschwindigkeit hängt aber auch von Umweltfaktoren ab, so von verfügbaren Nährstoffen, Feuchtigkeit, pH, Temperatur und anderem. Deshalb kann man nicht genau voraussagen, um wieviel langsamer sie wächst; mit Sicherheit würde die Wachstumsgeschwindigkeit nicht auf ein Sechstel sinken.

2. Die Aminosäure-Biosynthese ist eine aufwendige Angelegenheit. Die Herstellung jeder der 20 Verbindungen erfordert mehrere Enzyme (ein solcher Reaktionsweg, die Histidin-Biosynthese, umfasst neun Einzelreaktionen, die von neun verschiedenen Enzymen katalysiert werden). Mycoplasma genitalium ist in diesem Bereich völlig untätig; soweit man weiß, besitzt es keinerlei Gene für die Herstellung von Aminosäuren. Wachsen und sich fortpflanzen kann es deshalb nur in einer Umgebung, in der die Aminosäuren bereits vorhanden sind. Wie nicht anders zu erwarten, ist der Organismus ein Parasit: Er bezieht seine Aminosäuren und andere Nährstoffe aus den Zellen eines Wirtses.

Haemophilus influenzae dagegen besitzt 70 Gene, die an der Aminosäuresynthese beteiligt sind; diese Gene kann man in mehrere Gruppen einteilen:

    Familie der aromatischen Aminosäuren: 16 Gene.
    Asparaginsäure-Familie: 18 Gene.
    Familie der Aminosäuren mit verzweigten Ketten:10 Gene.
    Glutaminsäure-Familie: 9 Gene.
    Pyruvat-Familie: 1 Gen.
    Serin-Familie: 7 Gene.
    Histidin-Familie: 9 Gene

Dieser Mikroorganismus ist wesentlich autarker und kann die benötigten Aminosäuren zum größten Teil aus einfacheren Verbindungen selbst herstellen, wenn sie ihm nicht zur Verfügung stehen. Deshalb kann sich H. influenzae an ein breiteres Spektrum von Umweltbedingungen anpassen.

Anmerkung: Die hier genannten Zahlen entsprechen dem Stand vom Januar 1998. Manchmal ändert sich die Einordnung eines Gens aufgrund neuer, genauerer Forschungsergebnisse. In einem solchen Fall können sich die Angaben ändern.

Die gleiche Gesetzmäßigkeit zeigt sich auch in anderen, hier nicht wiedergegebenen Vergleichen. So besitzt H. influenzae zum Beispiel 228 Gene, die mit Stoffwechselprozessen zu tun haben; bei M. genitalium sind es nur 44.

3. Mycoplasma genitalium besitzt ein Gen, in dessen Produkt man ein mögliches Transformationsprotein erkannte. Seine Sequenz stimmt nämlich zu 52 Prozent mit der eines Proteins von Bacillus subtilis überein. Allerdings wurde die Transformation bei Mycoplasma noch nicht unmittelbar nachgewiesen; es könnte sich also um ein echtes Transformationsprotein handeln oder auch nicht. In jedem Fall ist der Organismus aber in dieser Hinsicht nur spärlich ausgestattet.

Die Transformation ist eine ungewöhnliche Anpassung, die man außer bei H. influenzae auch bei einigen anderen Bakterienarten findet. Sie ist für die Zellen ein Weg, um gezielt DNA-Stücke aufzunehmen, die andere Bakterien derselben Art bei ihrem Tod hinterlassen. Welche Vorteile ein solches System hat, ist nicht ganz geklärt; man weiß aber, dass H. influenzae eine Menge Energie und Platz dafür aufwendet. Durch diese Suche konnte man acht Transformationsproteine identifizieren (siehe auch unten).




Kommentare:
Neben den acht Transformationsproteinen, die man bei dieser Suche fand, besitzt H. influenzae sieben weitere Gene, die mit der Transformation zu tun haben. Damit wurden bisher in diesem Zusammenhang 15 Gene identifiziert. Außerdem enthält die DNA 1465 Exemplare einer besonderen Erkennungssequenz (AAGTGCGGT); sie besagt, dass die DNA zu dieser Spezies gehört und ermöglicht ihre Aufnahme in die Zelle. Die Erkennungssequenzen sind über das ganze Genom verteilt und sorgen so dafür, dass praktisch jedes DNA-Fragment von halbwegs vernünftiger Länge als H. influenzae-DNA erkannt wird, sodass es für die Transformation zur Verfügung steht.

Für begabtere Studenten wäre es eine interessante Aufgabe, einige dieser AAGTGCGGT-Sequenzen zu finden. Mit den Möglichkeiten zur Nucleotidsuche in der TIGR-Datenbank ist das nicht möglich, weil dort nur nach Sequenzen mit einer Mindestlänge von 25 Basen gesucht werden kann (vermutlich weil man oberflächliche Suchvorgänge verhindern will). Man kann sich aber mit der Funktion für Einzelpositionen und Abschnitte des Haemophilus influenzae-Genoms jeden beliebigen Sequenzabschnitt herunterladen.

Man könnte den Studenten zum Beispiel die Aufgabe stellen, sich die ersten 10000 Basen vorzunehmen (Einstellung: linke Koordinate =1, rechte Koordinate = 10000). Dabei muss man den Button „Retrieve Sequence Segment“ wählen. Anschließend markiert man die Sequenz mit der Maus von Anfang bis Ende und zieht sie in ein Textverarbeitungsprogramm. Mit dessen Suchen-Funktion kann man dann bestimmte Sequenzen aufspüren und sie farbig markieren. Führen die Studenten diese Aufgabe aus, wird ihnen eine recht gleichmäßige Verteilung der Markierungssequenzen im gesamten Genom auffallen.