5.4 Beurteilung des Gentransfers

5.4.1. Prokaryotische Mikroorganismen

Eine Vielfalt von Mechanismen ist typisch für die Übertragung von DNA in Prokaryonten und dies kann zur Übertragung von vererbbaren Eigenschaften führen.

Diese Mechanismen des DNA-Transfers verschaffen Bakterien einen Vorteil bei der Reaktion auf Umweltänderungen aufgrund der Einführung neuer genetischer Information, die ein leistungsfähiges Instrumentarium zur Verfügung stellen kann, um einem ungünstigen Selektionsdruck standzuhalten. Ein Phänomen dieser Art ist etwa die Verbreitung von Mikroorganismen mit antimikrobiellen Resistenzgene als Folge der Einführung von Antibiotika innerhalb der Landwirtschaft, im Gesundheitswesen sowie in der Veterinärmedizin. Ein weit verbreiteter Mechanismus des Gentransfers in prokaryotischen Systemen ist die Konjugation, die auf der Anwesenheit eines Plasmids in den Spenderzellen oder von konjugativen Transposons in einem Chromosom beruht. Der direkte Zell-zu-Zell-Kontakt hilft, diese genetischen Elemente durch zahlreiche Kopien des Plasmids oder des Transposons in die Empfängerzellen zu übertragen. In Bakterien wurden eine Menge von Plasmiden identifiziert, und einigen von ihnen fehlt die Möglichkeit, genetische Information direkt zu übertragen. In diesem Fall wird dies durch andere Plasmide erleichtert.

Die Anzahl der vorliegenden Plasmide innerhalb der Bakterienzellen kann unterschiedlich sein. Diese beweglichen genetischen Elementen - Plasmide und Transposons - können oft neue Eigenschaften in die Zellen einführen. Ein einzigartiges Phänomen in der Natur (wie auch in experimentellen Bedingungen) stellt der konjugative Gentransfer von Bakterien zu eukaryotischen Zellen (Hefen, filamentöse Pilze, Tier- und Pflanzenzellen) dar.

Ein weiterer Gentransferprozess, der auf der aktiven Aufnahme von extrazellulärer DNA von Bakterien in ihr Zytoplasma beruht, ist eine natürliche Transformation. Dieses Phänomen wurde in großen trophischen und taxonomischen Gruppen einer begrenzten Anzahl von Bakterien gefunden. Es wurde festgestellt, dass dieser Prozess (Transfer) effektiv als "Kompetenz" während einer bestimmten Wachstumsphase der Population auftreten kann. Die Transformation kann durch chromosomale DNA-Fragmente oder Plasmide bewirkt werden. Dieser Prozess kann aber auch unter bestimmten physikalischen oder chemischen Bedingungen auftreten, so dass fremde DNA in Bakterienzellen eindringen kann. Diese Art der Transformation wird häufig zur Realisierung der Gentechnik verwendet.

Die dritte Art des Gentransfers ist die Transduktion, die auch in mikrobiellen Populationen auftreten kann. So weit ist sie von Bakterienviren vermittelt wird, wird DNA von der Wirtszelle auf eine Empfängerzelle übertragen.

Die Spezifität der drei oben beschriebenen Mechanismen hängt von der genetischen Verwandtschaft der Donor-/Rezeptorzellen ab. Der Gentransfer könnte vermittels dieser Mechanismen nicht nur innerhalb derselben Spezies auftreten, sondern auch zwischen den Individuen verschiedener Arten und Gattungen. Der so genannte "horizontale Gentransfer" wird von solchen Mechanismen realisiert und gilt als sehr wichtig für die genomische Struktur von Bakterienarten. Zur Untersuchung dieses Phänomens wird häufig eine Genom-Sequenzanalyse durchgeführt.

Untersuchungen auf dem Gebiet des natürlichen Gentransfers zeigten, dass verschiedene Übertragungsereignisse in natürlichen Lebensräume von Bakterien (etwa Boden, Rhizosphäre, Sedimente, Fluss-Epitope, Lebensmittel, Darmtrakt, Säugetier, Mundhöhle usw.) auftreten könnten.

Nach einem effizienten Transfer von Fremd-DNA in die Empfängerzelle kann diese durch genomische Integration in das Genom eingebaut werden (beispielsweise durch homologe Rekombination), oder in ein Plasmid (bei Vorhandensein der Replikationsquelle). Dieser Prozess aus verschiedenen Gründen unterbleiben (etwa durch eine fehlende Nukleotidsequenz-Homologie oder die Anwesenheit von Restriktions-Endonukleasen). Es ist offensichtlich, dass die neue genetische Informationen dem Empfänger einen Vorteil verschafft und ihm das Überleben auch bei Veränderungen des natürlichen Ökosystems ermöglicht. Somit kann der Gentransfer als ein Phänomen angesehen werden, das typisch für Prokaryotische Mikroorganismen ist. Es ist eine natürliche Reaktion auf Veränderungen im selektivem Druck der Umwelt, wobei die Zirkulation eines Gens oder einer Gen-Kombination mit verschiedenen Varianten der mikrobiellen Population bessere Möglichkeiten eines Überlebens einräumt.

Der natürliche Charakter des Gentransfers in Bakteriengemeinschaft zu haben gewährleistet eine weite Verbreitung von rekombinanten Konstrukten; daher ist es nahe liegend, eine chromosomale Integration als Ansatz für gentechnische Manipulationen zu verwenden. Die Einbeziehung der Gene in Konstrukte, die das Ziel-Konstrukt tragen, verschafft unter bestimmten Bedingungen auch unerwünschte Vorteile, weshalb sie (wie zum Beispiel Antibiotika-Resistenz-Determinanten) vermieden werden sollten. Das Verfahren der Eliminierung solcher schädlicher Gensequenzen sollte, um die zufällige Integration in andere Genome zu stimulieren, in dem Verfahren zur Herstellung eines gewünschten Konstrukts angewendet werden.

5.4.2. Eukaryotische Mikroorganismen

Eukaryotischen Zellen unterscheiden sich von prokaryotischen diejenigen durch ihre komplexere Struktur: sie besitzen einen gut entwickelten Kern.

Das Verfahren des Gentransfers in diesen Mikroorganismen (Hefen und filamentösen Pilzen) unterscheidet sich auch von den bereits für Bakterien beschriebenen.

Natürliche Zellhybridisierung und genetische Rekombination finden hauptsächlich innerhalb der Arten statt (sexuelle oder parasexuelle Zellzyklen). Diese Ereignisse treten in eukaryotischen Zellen auf, die mit der sexuellen Fortpflanzung durch Paarung, Meiose und Sporulation erzeugt wurden. Der Gentransfer in Mikroorganismen erfolgt mittels parasexuellem Lebenszyklus und Anastomose, Kernfusion und Haploidisation durch allmählichen Verlust der Chromosomen. In bestimmten Gattungen kann eine Hybridisierung auch zwischen eng verwandten Arten auftreten.

Der Transfer von synthetischen Genen von Hefezellen zu Säugerzellen wurde unter Verwendung künstlicher Hefe-Chromosomen (YACs) vorgenommen. Diese verfügen auch über ein ausgezeichnetes Potenzial als Vektoren in der Gentherapie.