Bakterielles Chromosom und Plasmide

Ein Bakterium trägt die meisten seiner Gene typischerweise auf einem einzelnen, meist zirkulären Chromosom, das zu einer dichten Region, dem Nukleoid, verdichtet ist, und es kann auch Plasmide tragen, kleinere DNA-Moleküle, die sich unabhängig replizieren. Das Chromosom enthält die Kerngene, die eine Zelle zum Leben benötigt, während Plasmide oft akzessorische Gene tragen, einschließlich solcher für Antibiotikaresistenz und Virulenz, die sich zwischen Zellen bewegen können.

Definition

Das bakterielle Chromosom ist das Hauptgenom der Zelle, in der Regel ein einzelnes zirkuläres DNA-Molekül, das im Nukleoid kondensiert ist; ein Plasmid ist ein kleineres, autonom replizierendes DNA-Molekül, das akzessorische Gene trägt und vom Chromosom getrennt ist.

Scope

Dieses Thema behandelt die Organisation und Verpackung des bakteriellen Genoms, die Unterscheidung zwischen chromosomaler und extrachromosomaler (Plasmid-)DNA, die Plasmidreplikation und -erhaltung sowie die Rolle von Plasmiden als mobile, akzessorische genetische Elemente. Es handelt sich um eine Referenzübersicht über Struktur und Funktion, nicht um eine klinische Leitlinie.

Core questions

• Wie ist ein bakterielles Chromosom organisiert und im Nukleoid verdichtet?
• Was unterscheidet chromosomale DNA von Plasmid-DNA?
• Wie replizieren sich Plasmide und bleiben in einer sich teilenden Population stabil erhalten?
• Welche Arten von akzessorischen Funktionen tragen Plasmide typischerweise?

Key concepts

• Zirkuläres bakterielles Chromosom
• Nukleoid und Chromosomenverdichtung
• Supercoiling und Nukleoid-assoziierte Proteine
• Plasmid und Replikon
• Replikationsursprung
• Plasmid-Kopienzahl und Inkompatibilität
• Toxin-Antitoxin-Erhaltungssysteme
• Akzessorische (Resistenz- und Virulenz-)Gene

Mechanisms

Die meisten bakteriellen Genome sind als ein einzelnes zirkuläres Chromosom organisiert, das um mehrere Größenordnungen länger ist als die Zelle. Daher wird es in supercoiled Schleifen gefaltet und durch Nukleoid-assoziierte Proteine und Condensin-ähnliche Maschinerie im Nukleoid organisiert, wie von Wang und Kollegen beschrieben. Plasmide sind separate Replikons: Jedes trägt seinen eigenen Ursprung und repliziert unabhängig vom Chromosom, wobei die Kopienzahl und Inkompatibilitätsgruppen durch das Replikationskontrollsystem bestimmt werden. Die stabile Vererbung von Plasmiden mit niedriger Kopienzahl wird durch Partitionierungssysteme und durch post-segregationelle Tötung mittels Toxin-Antitoxin-Loci verstärkt, die Gerdes und Kollegen als einen Mechanismus beschreiben, der Tochterzellen, die das Plasmid verlieren, selektiv abtötet. Plasmide und verwandte mobile Elemente fungieren als akzessorische Genome, die Gene wie Antibiotikaresistenzdeterminanten in Populationen verbreiten können.

Clinical relevance

Plasmide sind ein Hauptvehikel für die Verbreitung von antimikrobieller Resistenz und bestimmten Virulenzgenen unter Bakterien, weshalb ihre Biologie für das Verständnis der Resistenzepidemiologie von zentraler Bedeutung ist. Dieser Eintrag erklärt die Chromosomen- und Plasmidbiologie auf mechanistischer Ebene und ist keine Grundlage für diagnostische oder Behandlungsentscheidungen.

History

Der Begriff Plasmid wurde 1952 von Joshua Lederberg eingeführt, um extrachromosomale Erbfaktoren zu bezeichnen, und nachfolgende Arbeiten etablierten Plasmide als autonome Replikons. Die Erkenntnis, dass Plasmide übertragbare Resistenzgene tragen, und spätere genomweite und bildgebende Studien zur Nukleoidorganisation, die von Wang und Kollegen beschrieben wurden, verfeinerten das moderne Bild eines strukturierten Chromosoms, das von einem mobilen akzessorischen Genom begleitet wird.

Key figures

• Joshua Lederberg
• Stanley Cohen
• Kenn Gerdes

Seminal works

• wang-2013
• smillie-2010
• frost-2005

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen einem Chromosom und einem Plasmid?

Das Chromosom trägt die für das Leben essenziellen Kerngene und ist in der Regel ein einzelnes großes zirkuläres Molekül, während ein Plasmid ein kleineres, unabhängig replizierendes DNA-Molekül ist, das akzessorische, oft übertragbare Gene trägt.

Warum sind Plasmide wichtig für die Antibiotikaresistenz?

Viele Resistenzgene befinden sich auf Plasmiden, die zwischen Bakterien kopiert und übertragen werden können, wodurch sich die Resistenz schnell innerhalb und zwischen Bakterienpopulationen ausbreiten kann.