Transduktion (Genetik)

Grundprinzip

Transduktion bezeichnet in der Genetik den Gentransfer durch Viren. Meist werden virale Gene übertragen; gelegentlich können Viren aber auch bakterielle oder künstliche Gene transportieren. Wenn Zielzellen mit viralen Vektoren infiziert werden, um fremde Gene in sie einzubringen, heißt dies ebenfalls Transduktion.

Sie ist neben Konjugation und Transformation – bei tierischen Zellen Transfektion – eine von drei Möglichkeiten des Gentransfers. Bakteriophagen sind Viren, die Bakterien infizieren. Sie können Erbmaterial zwischen Bakterienzellen übertragen, wenn sie beim Aufbau neuer Viruspartikel versehentlich bakterielle DNA aufnehmen oder beim Verlassen einer Wirtszelle mitnehmen.

Einsatz in Gentechnik und Gentherapie

In Gentechnik und Gentherapie dient Transduktion dazu, Genmaterial mithilfe viraler Vektoren in Eukaryoten einzubringen. Als Beispiel werden Adeno-assoziierte Viren genannt. Das Verfahren ist ein häufig genutztes Werkzeug der Grundlagenforschung und ein potenzieller Kernmechanismus der Gentherapie.

Nach einer Transduktion durch einen künstlichen Adeno-assoziierten Virus können Nervenzellen der Ratte rot und grün fluoreszierende Proteine exprimieren, also diese Proteine herstellen.

Allgemeine und spezifische Transduktion

Bei der unspezifischen oder allgemeinen Transduktion überträgt ein virulenter Bakteriophage Bakterien-DNA. Während seiner Vermehrung im lytischen Zyklus wird die DNA der Wirtszelle, gesteuert durch die Phagen-DNA, in Stücke zerlegt. Zufällig kann statt Phagen-DNA ein Stück dieser Bakterien-DNA in einen neuen Phagen eingebaut werden. Infiziert dieser Phage eine weitere Zelle, kann die übertragene Bakterien-DNA in deren Bakteriengenom rekombiniert, also eingebaut, werden.

Die spezifische oder spezielle Transduktion beruht auf temperenten Phagen. Diese treten nach der Injektion ihrer DNA in die Wirtszelle gelegentlich nicht in den lytischen, sondern in den lysogenen Zyklus ein. Ihre DNA wird meist an einer bestimmten Stelle in das Hauptchromosom des Wirts integriert; bei Escherichia coli ist dies die att-Region. Der integrierte oder ringförmig vorliegende Phage heißt Prophage. Eine Ausnahme mit episomalem Genom ist beispielsweise Phage P1.

Während der Ruhephase bleibt die Wirtszelle vital und vermehrt sich zusammen mit dem Prophagen. Ein Prophage kann das Bakterium vor einer Superinfektion durch weitere Bakteriophagen derselben Art schützen. Bei schlechten Umweltbedingungen, etwa UV-Strahlen oder Chemikalien, kann der Phage in den lytischen Zyklus wechseln. Wird der Prophage dabei ungenau aus dem Wirtsgenom herausgeschnitten (Exzision), kann er zufällig benachbarte Bakterien-DNA mitnehmen und in ein anderes Bakterium einbauen.

Für die Gentechnik lässt sich dies nutzen, um bestimmte DNA-Bereiche zwischen Bakterien zu übertragen. Der Phage nimmt die gewünschten Abschnitte nicht gezielt mit, sondern nur mit statistischer Wahrscheinlichkeit. Enthält ein zu übertragender Abschnitt jedoch einen Selektionsmarker, beispielsweise ein Antibiotikum-Resistenzgen, überleben bei der Selektion nur Bakterien, die den gewünschten Abschnitt erhalten und durch homologe Rekombination eingebaut haben.

Nachweis im U-Rohr-Experiment

Edward Lawrie Tatum und Joshua Lederberg hatten 1947 bereits die Konjugation bei Escherichia coli gezeigt. 1952 prägten Joshua Lederberg und Norton Zinder den Begriff „Transduktion“, nachdem sie den Vorgang mit Salmonella typhimurium, dem Erreger des Mäusetyphus, nachgewiesen hatten.

In einem U-Rohr waren zwei Schenkel durch einen Filter getrennt, der nur für Partikel kleiner als Bakterienzellen durchlässig war. In Schenkel 1 befand sich ein Stamm, der Histidin nicht, Tryptophan aber selbst synthetisieren konnte. Stamm 2 konnte Histidin, jedoch kein Tryptophan synthetisieren. Nach einigen Stunden Inkubation fanden sich Bakterien, die beide Aminosäuren selbst herstellen konnten. Außerdem waren freie Bakteriophagen P22 vorhanden, die zu Beginn des Versuchs nicht in der Suspension gewesen waren.

Direkter Kontakt zwischen den Bakterien und damit Konjugation waren ausgeschlossen. Auch Transformation wurde ausgeschlossen, weil keine freie DNA in den Schenkeln gefunden wurde. Daraus folgerten die Forschenden, dass Bakteriophagen Teile des Genoms eines Stammes auf Zellen des anderen Stammes übertragen hatten.