2.2.4.1 Konjugation bei E. coli und nahe verwandten Enterobakterien
Der Genaustausch ist bei diesen Bakterien gerichtet. Es gibt Spenderzellen (Donorzellen) und Empfängerzellen (Rezipientenzellen). Die Donorzellen sind die sog. F⁺-Zellen, d. h. sie besitzen neben der normalen DNA (Chromosom) einen extrachromosomalen DNA-Ring, ein Plasmid, das sog. F-Plasmid (F-Faktor). Rezipienten (F⁻-Zellen) besitzen kein F-Plasmid.
Bei der Konjugation wird nun der DNA-Doppelstrang des F-Plasmids geöffnet, der eine Strang wird in der F⁺-Zelle wieder verdoppelt, der andere Strang wird in die F-Zelle abgespult.
Wichtig sind u. a. Gene für die Mobilisierung des Plasmids und seinen Transfer in die F-Zelle sowie die Gene für die Ausbildung der F-Pili: F-Pilus oder F-Pili dienen also gewissermaßen dazu, daß sich die Spenderzelle damit eine geeignete Empfängerzelle einfängt, um mit ihr Gene auszutauschen. Zu diesem Zweck bildet sich bei genügender Annäherung des Konjugationspartners eine sog. Konjugationsbrücke aus, über die dann der eine Strang des F-Plasmids aus der Donor- in die Rezipientenzelle abgespult wird. Auf dem Plasmid sind u. a. drei Gene enthalten:
- Ein Gen für das Pili-Protein (Pilin). (Die bei der Translation gebildeten identischen Proteine finden sich von selbst zu längeren Fäden zusammen.)
- Ein mob-Gen (Mobilisierungs-Gen).
- Ein tra-Gen (Transfer-Gen). Diese beiden Gene sind für die Übertragung des F-Plasmids von einer sog. F⁺-Zelle (besitzt F-Plasmid und F-Pilus) in eine F⁻-Zelle (besitzt kein Plasmid und kein F-Pilus) nötig.
Nachdem die F⁺- und die F⁻-Zellen eine Konjugationbrücke ausgebildet haben, wird nach der rolling circle-Methode der eine Strang in die F⁻-Zelle abgespult und gleichzeitig (mit dem anderen Strang in der F⁺-Zelle) verdoppelt (Konjugation). Die F⁺-Zelle ist hierbei der Spender (Donator, Donor), die F⁻-Zelle der Empfänger (Rezipient).
F-Plasmide übertragen i. d. R. keine chromosomalen Gene. Die chromosomale DNA besitzt kein mob- und tra-Gen. In seltenen Fällen kann aber ein F-Plasmid in die chromosomale DNA integriert (eingebaut) werden. Dabei lagert sich das F-Plasmid bei vorhandenen ähnlichen Basenabfolgen (attachements) anschließend kommt es zum Bruch von F-Plasmid und chromosomaler DNA und anschließender Rekombination:
Dabei kann das F-Plasmid an insgesamt 20 verschiedenen Stellen mit einer von jeweils zwei möglichen Orientierungen (A – D – C – B oder A – C – D – B) eingebaut werden. Da die chromosomale DNA jetzt aus mob- und das tra-Gen enthält, kann sie nun auch zum Transfer chromosomaler DNA-Gene von der F⁺- in die F⁻-Zelle kommen. Dabei werden die Gene in einer ganz bestimmten Reihenfolge übertragen, je nach der Stelle, an der beim rolling circle der Bruch erfolgt und das Abrollen beginnt, z. B. beim Bruch zwischen C und A ist die Übertragungsreihenfolge der Gene C – D – B – A.
In der F⁻-Zelle kann es zu einer sog. Rekombination (durch Crossing-over) kommen. In seltenen Fällen kann es nun passieren, daß durch diese Rekombination ein mutiertes Gen in der F⁻-Zelle wieder "geheilt" wird. Es entstehen Rekombinanten. F⁺-Zellen, die das F-Plasmid in die chromosomale DNA integriert haben und deshalb beim DNA-Transfer Rekombinanten erzeugen könne, nennt man Hfr[1]-Zellen.
Auf diese Art und Weise leisten Pili einen entscheidenden Beitrag zur genetischen Variabilität der Bakterien.
[1]: high frequency of recombination
