Integration von fremder DNA in das Bakteriengenom durch natürliche Transformation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Vorlaufprojekt war das Phänomen der Fremd-DNA-Aneignung bei Bakterien (Pseuc/omonas stutzen bzw. Ac/netooacter baylyi) im Verlauf der natürlichen Transformation durch homologievermittelte illegitime Rekombination (HFIR) entdeckt und beschrieben worden. Bei HFIR kann die DNA einer anderen Spezies, wenn sie einen kurzen homologen Abschnitt enthält, mit diesem eine homologe Rekombination mit der DNA des neuen Wirtes eingehen, wodurch im heterologen Teil des DNA-Moleküls die Chance für illegitime Rekombination mehr als 100000-fach ansteigt. So können fremde DNA-Abschnitte mit neuen Genen natürlicherweise genomisch integriert werden. Dieser HFlR-Mechanismus kann zur Entstehung von Mosaik-Genen, Mosaik-Operons und genomischen Mosaiken führen. In dem jetzigen Projektteil wurde gezeigt, daß verschiedene Enzyme der homologen Rekombination (die RecJ-DNase, das RecBCD-Enzym, die SbcCD-DNase) auf das Ausmaß der HFIR stark einwirken, und zwar jeweils durch Einfluß auf verschiedene Zwischenstufen der illegitimen Rekombination. In den Mutanten stieg der genomische Fremd-DNA-Eintrag entsprechend 3.8- bis 60-fach an. Es wurde auch gefunden, daß die Mismatch-Reparatur den HFlRMechanismus qualitativ beeinflußt. Weiterhin wurde exemplarisch gezeigt, daß der HFlRMechanismus zum Eintrag von Pflanzengenen und deren Expression im Bakteriengenom führen kann. Schließlich wurde ein weiterer neuer Mechanismus entdeckt, der durch zwei illegitime Rekombinationsereignisse, die am gleichen DNA-Molekül angreifen, zur Integration von völlig fremder DNA führen kann (DIR). Durch eine interne Homologie wird diese doppelt illegitime Rekombination (HFDIR) deutlich gesteigert. Die Häufigkeiten pro Zelle (A. baylyi) der neu beschriebenen Abläufe im Vergleich zur normalen homologen Transformation sind ca. 10'4 (HFIR), 10'7 (HFDIR) und KT10 (DIR). Die Befunde zeigen, wie interspezifischer horizontaler Gentransfer zusammen mit den neuen Rekombinationsmechanismen zur Erhöhung der genetischen Diversität und zur Genomevolution der Prokaryoten beitragen und wie die Effizienz der Fremd-DNA-Aneignung von den Zellfunktionen moduliert werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- DNA restriction is a barrier to natural transformation in Pseudomonas stützen JM300. Microbiology 149, 895-901.
Berndt, C., Meier, P. and Wackernagel, W. (2003)
- Transfer of plastid DNA from tobacco to the soil bacterium Acinetobacter sp. by natural transformation. Mol. Microbiol. 53, 323-334.
de Vries, J., Herzfeld, T. and Wackernagel, W. (2004)
- Impact of mutS inactivation on foreign DNA acquisition by natural transformation in Pseudomonas stutzen. J. Bacteriol. 187, 143-154.
Meier, P. and Wackernagel, W. (2005)
- recBCD and recD defects influence genetic transformation differently and are lethal together with recJ deficiency in Acinetobacter baylyi Microbiology 153, 2259-2270.
Kickstein, E., Harms, K. and Wackernagel, W. (2007)
- The RecJ DNase strongly suppresses genomic integration of short but not long foreign DNA fragments by homology-facilitated illegitimate recombination during transformation of Acinetobacter baylyi. Mol, Microbiol. 64, 691-702.
Harms, K., Schön, V., Kickstein, E. and Wackernagel, W. (2007)
- Double illegitimate recombination events integrate DNA segments through two different mechanisms during natural transformation of Acinetobacter baylyi. Mol. Microbiol. 67, 984-995.
Hülter, N. and Wackernagel, W. (2008)
