Schematische Darstellung bakterieller Konjugation.

Konjugationsdiagramm

  1. Spenderzelle produziert Pilus.
  2. Pilus wird an die Empfängerzelle angehängt und bringt die beiden Zellen zusammen.
  3. Das mobile Plasmid wird geknickt und ein einzelner DNA-Strang wird dann auf die Empfängerzelle übertragen.
  4. Beide Zellen synthetisieren einen komplementären Strang, um ein doppelsträngiges zirkuläres Plasmid zu erzeugen und auch Pili zu reproduzieren; Beide Zellen sind jetzt lebensfähiger Spender für den F-Faktor.,

Das F-Plasmid ist ein Episom (ein Plasmid, das sich durch homologe Rekombination in das bakterielle Chromosom integrieren kann) mit einer Länge von etwa 100 kb. Es trägt seinen eigenen Ursprung der Replikation, den oriV und einen Ursprung der Übertragung oder oriT. Es kann nur eine Kopie des F-Plasmids in einem bestimmten Bakterium geben, entweder frei oder integriert, und Bakterien, die eine Kopie besitzen, werden als F-positiv oder F-plus (bezeichnet F+) bezeichnet. Zellen, denen F-Plasmide fehlen, werden als F-negativ oder F-minus (F−) bezeichnet und können als Empfängerzellen fungieren.,

Neben anderen genetischen Informationen trägt das F-Plasmid einen Tra-und trb-Locus, die zusammen etwa 33 kb lang sind und aus etwa 40 Genen bestehen. Der Tra locus umfasst das Pilin-Gen und regulatorische Gene, die zusammen Pili auf der Zelloberfläche bilden. Der Locus umfasst auch die Gene für die Proteine, die sich an die Oberfläche von F− Bakterien binden und die Konjugation initiieren. Obwohl es eine Debatte über den genauen Mechanismus der Konjugation gibt, scheint es, dass die Pili nicht die Strukturen sind, durch die der DNA-Austausch stattfindet., Dies wurde in Experimenten gezeigt, in denen die Pilus Kontakt aufnehmen dürfen, dann aber mit SDS denaturiert werden und dennoch die DNA-Transformation weitergeht. Mehrere Proteine, die im tra-oder trb-Locus codiert sind, scheinen einen Kanal zwischen den Bakterien zu öffnen, und es wird angenommen, dass das traD-Enzym, das sich an der Basis des Pilus befindet, die Membranfusion initiiert.

Wenn die Konjugation durch ein Signal ausgelöst wird, erzeugt das Relaxase-Enzym einen Nick in einem der Stränge des konjugativen Plasmids am oriT. Relaxase kann alleine oder in einem Komplex von über einem Dutzend Proteinen arbeiten, die gemeinsam als Relaxosom bekannt sind., Im F-Plasmid-System wird das Relaxase-Enzym TraI genannt und das Relaxosom besteht aus TraI, TraY, TraM und dem integrierten Wirtsfaktor IHF. Der nickte Strang oder T-Strang wird dann von dem ungebrochenen Strang abgewickelt und in einer 5′-Terminus-zu-3′ – Terminus-Richtung auf die Empfängerzelle übertragen. Der verbleibende Strang wird entweder unabhängig von der konjugierenden Wirkung (vegetative Replikation beginnend am oriV) oder zusammen mit der Konjugation (konjugierende Replikation ähnlich der rollenden Kreisreplikation von Lambda-Phagen) repliziert., Die konjugative Replikation erfordert möglicherweise einen zweiten Nick, bevor eine erfolgreiche Übertragung erfolgen kann. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht behauptet, die Konjugation mit Chemikalien gehemmt zu haben, die einen Zwischenschritt dieses zweiten Nicking-Ereignisses nachahmen.

1.Die Insertionssequenzen (gelb) sowohl auf dem F-Faktor-Plasmid als auch auf dem Chromosom weisen ähnliche Sequenzen auf, so dass sich der F-Faktor in das Genom der Zelle einfügen kann. Dies wird als homologe Rekombination bezeichnet und erzeugt eine Hfr-Zelle (High Frequency of Rekombination). 2.,Die Hfr-Zelle bildet einen Pilus und wird an eine empfangende F – Zelle angehängt. 3.Ein Nick in einem Strang des Chromosoms der Hfr-Zelle wird erzeugt. 4.DNA beginnt, von der Hfr-Zelle auf die Empfängerzelle übertragen zu werden, während der zweite Strang seines Chromosoms repliziert wird. 5.Der Pilus löst sich von der Empfängerzelle und zieht sich zurück. Die Hfr-Zelle möchte idealerweise ihr gesamtes Genom auf die Empfängerzelle übertragen. Aufgrund seiner Größe und Unfähigkeit, mit der Empfängerzelle in Kontakt zu bleiben, ist dies jedoch nicht möglich. 6.a. Die F – Zelle bleibt F-weil die gesamte F-Faktorsequenz nicht empfangen wurde., Da keine homologe Rekombination stattgefunden hat, wird die übertragene DNA durch Enzyme abgebaut. b. In sehr seltenen Fällen wird der F-Faktor vollständig übertragen und die F-Zelle wird zu einer Hfr-Zelle.

Wenn das übertragene F-Plasmid zuvor in das Genom des Spenders integriert wurde (Herstellung eines Hfr-Stammes), kann ein Teil der chromosomalen DNA des Spenders auch mit der Plasmid-DNA übertragen werden. Die Menge an chromosomaler DNA, die übertragen wird, hängt davon ab, wie lange die beiden konjugierenden Bakterien in Kontakt bleiben. In gemeinsamen Laborstämmen von E., coli Die Übertragung des gesamten bakteriellen Chromosoms dauert etwa 100 Minuten. Die übertragene DNA kann dann über homologe Rekombination in das Empfängergenom integriert werden.

Eine Zellkultur, die in ihrer Population Zellen mit nicht integrierten F-Plasmiden enthält, enthält normalerweise auch einige Zellen, die versehentlich ihre Plasmide integriert haben. Es sind diese Zellen, die für die niederfrequenten chromosomalen Gentransfers verantwortlich sind, die in solchen Kulturen auftreten. Einige Bakterienstämme mit einem integrierten F-Plasmid können isoliert und in reiner Kultur gezüchtet werden., Da solche Stämme Chromosomengene sehr effizient übertragen, werden sie Hfr (High Frequency of Recombination) genannt. Das E. coli-Genom wurde ursprünglich durch unterbrochene Paarungsexperimente abgebildet, bei denen verschiedene Hfr-Zellen im Konjugationsprozess nach weniger als 100 Minuten (zunächst unter Verwendung eines Waring-Mixers) von Empfängern abgeschert wurden. Die übertragenen Gene wurden dann untersucht.

Seit der Integration des F-Plasmids in das E., coli-Chromosom ist ein seltenes spontanes Auftreten, und da die zahlreichen Gene, die den DNA-Transfer fördern, eher im Plasmidgenom als im Bakteriengenom liegen, wurde argumentiert, dass der konjugiative bakterielle Gentransfer, wie er im E. coli Hfr-System auftritt, keine evolutionäre Anpassung des Bakterienwirts ist, noch ist es wahrscheinlich Vorfahren eukaryotischen Geschlechts.

Spontane Zygogenese bei E. coli

Zusätzlich zur oben beschriebenen klassischen Bakterienkonjugation bei E., coli, eine Form der Konjugation, die als spontane Zygogenese (kurz Z-Paarung) bezeichnet wird, wird bei bestimmten E. coli-Stämmen beobachtet. In der Z-Paarung gibt es eine vollständige genetische Vermischung, und instabile Diploide werden gebildet, die phänotypisch haploide Zellen abwerfen, von denen einige einen elterlichen Phänotyp zeigen und einige echte Rekombinanten sind.