Lysogenie, Prophagen und lysogene Konversion
Wie temperente Phagen als Prophagen im Bakteriengenom überdauern und dabei Bakterien neue, oft krankmachende Eigenschaften verleihen.
Das Wichtigste in Kürze
- Lysogenie ist der Zustand eines Bakteriums, das die DNA eines temperenten Phagen als Prophagen in sein Genom integriert trägt.
- Der Prophage wird gemeinsam mit dem Wirtsgenom repliziert und bei der Zellteilung weitergegeben; durch Induktion kann er in den lytischen Zyklus wechseln.
- Lysogene Bakterien enthalten immer einen Prophagen; der Einbau von Phagen-DNA heißt nicht Transformation.
- Lysogene Konversion ist der Erwerb neuer Eigenschaften durch ein integriertes Phagengenom, etwa die Bildung von Diphtherietoxin (β-Prophage mit tox-Gen) oder Scharlachtoxin.
- Konversion kommt bei grampositiven (C. diphtheriae) und gramnegativen Bakterien (Salmonellen) vor.
Worum es geht
Manche Bakteriophagen töten ihre Wirtszelle nicht sofort, sondern bauen ihr Erbgut dauerhaft in das Bakteriengenom ein. Dieser Weg erklärt, warum harmlose Bakterienstämme plötzlich Toxine bilden können. Das bekannteste Beispiel ist der Erreger der Diphtherie.
Temperente Phagen und Prophagen
Virulente Phagen durchlaufen immer den lytischen Zyklus und lösen ihre Wirtszelle auf. Temperente Phagen haben eine zweite Möglichkeit. Sie bauen ihre DNA in das Bakterienchromosom ein. Beim Phagen λ schließt sich die lineare DNA dazu erst zum Ring, dann wird sie integriert.
Die eingebaute Phagen-DNA heißt Prophage. Sie bildet keine neuen Phagen, sondern ruht im Genom. Bei jeder Zellteilung wird sie gemeinsam mit dem Wirtsgenom repliziert und an beide Tochterzellen weitergegeben. Man kann sich den Prophagen wie einen blinden Passagier vorstellen, der unauffällig mitreist.
Ein Bakterium mit Prophagen nennt man lysogen, den Zustand Lysogenie. Lysogen wird eine Zelle durch Infektion mit einem temperenten Phagen. Der Name deutet die verborgene Fähigkeit zur Lyse an: Bei der Induktion löst sich der Prophage wieder heraus und startet doch den lytischen Zyklus. Temperente Phagen kennt man bei gramnegativen ebenso wie bei grampositiven Bakterien.
Wird im Examen gerne gefragt: Ein lysogenes Bakterium enthält immer einen Prophagen, der mit dem Wirtsgenom repliziert wird. Achte auf den Begriff: Der Einbau von Phagen-DNA ist keine Transformation, denn Transformation meint die Aufnahme freier DNA aus der Umgebung.
Lysogene Konversion
Ein Prophage bringt eigene Gene mit, und die Wirtszelle liest einige davon ab.
Die lysogene Konversion (Phagenkonversion) ist der Erwerb neuer genetischer Eigenschaften eines Bakteriums durch Integration des Genoms eines temperenten Phagen.
Weil zusätzliche Gene ins Genom gelangen, verändert die Infektion mit einem temperenten Phagen in der Regel die Eigenschaften der Zelle. Medizinisch wichtig wird das, wenn diese Gene für Virulenzfaktoren codieren. Prophagen können so die Pathogenität eines Bakteriums bedingen oder seine Humanpathogenität erhöhen. Manche Arten werden erst im lysogenen Zustand pathogen.
Das klassische Beispiel ist Corynebacterium diphtheriae. Nur Stämme mit dem β-Prophagen tragen das tox-Gen und bilden das Exotoxin Diphtherietoxin. Stämme ohne Prophagen bilden kein Toxin.
Auch die Gene des Scharlachtoxins von Streptococcus pyogenes liegen auf Prophagen. Beide Erreger sind grampositiv. Konversion kommt aber ebenso bei gramnegativen Bakterien vor, etwa bei Salmonellen.
Quiz
Aussage 1
Ein Prophage wird bei jeder Zellteilung zusammen mit dem Bakterienchromosom verdoppelt.
Der integrierte Prophage ist Teil des Wirtsgenoms und wird mit ihm repliziert und an beide Tochterzellen weitergegeben.
Aussage 2
Corynebacterium diphtheriae bildet Diphtherietoxin nur, wenn es einen β-Prophagen mit dem tox-Gen trägt.
Das tox-Gen stammt vom β-Phagen; Stämme ohne Prophagen bilden kein Toxin. Das ist ein Beispiel für lysogene Konversion.
Aussage 3
Der Einbau der DNA eines temperenten Phagen in das Bakteriengenom wird als Transformation bezeichnet.
Die Integration führt zur Lysogenie und erzeugt einen Prophagen. Transformation ist die Aufnahme freier DNA aus der Umgebung.
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