Vektor (Gentechnik)

Aufgabe und Einteilung von Vektoren

Ein Vektor ist in Gentechnik und Biotechnologie ein Transportvehikel beziehungsweise eine Transportmatrix („Genfähre“ oder „Gentaxi“). Er überträgt eine Fremd-Nukleinsäure, oft DNA, durch Transfektion oder Transformation in eine lebende Empfängerzelle.

Zu den Vektoren zählen Plasmide, Cosmide oder YACs sowie modifizierte Viren wie Adenoviren oder Retroviren. Sie werden je nach Verwendung in Klonierungsvektoren und Expressionsvektoren eingeteilt. Klonierungsvektoren dienen dazu, DNA-Abschnitte zu vervielfältigen; Expressionsvektoren ermöglichen die Expression, also das Ablesen eines Gens. Nach dem Einfügen eines Transgens durch Klonierung wird ein Vektor umgangssprachlich auch Konstrukt genannt. Seine gezielte Anpassung heißt Vektordesign.

Anforderungen und Aufnahmekapazität

Ein geeigneter Vektor soll sich möglichst einfach in die Empfängerzelle einschleusen lassen; dabei kann unter anderem die spezifische Immunabwehr wichtig sein. Er sollte sich außerdem unabhängig vom Hauptgenom der Zelle replizieren können, damit er stark vermehrt wird.

Die maximale DNA-Kapazität beträgt bei Plasmiden 10–15 kbp, bei M13-Phagen und Phagemiden jeweils < 6 kbp, bei λ-Phagen < 25 kbp und bei Cosmiden < 50 kbp. Als Grund wird bei diesen Vektoren genannt, dass sonst keine Ringbildung beziehungsweise Verpackung möglich ist. P1-Phagen können 30–100 kbp, BACs und PACs jeweils 100–300 kbp und YACs 20–2000 kbp aufnehmen. Bei YACs ist Instabilität bei Mitose und Meiose ein Nachteil; für P1-Phagen, BACs und PACs nennt die Tabelle keinen Grund für die Kapazitätsgrenze.

Plasmidvektoren

Plasmidvektoren werden aus Plasmiden gewonnen. Plasmide kommen häufig in Prokaryoten vor, aber auch in einigen Eukaryoten wie Hefezellen. Als Wirtszelle wird besonders häufig das Bakterium Escherichia coli verwendet.

Plasmidvektoren sind klein, dadurch einfach zu verwenden, und lassen sich durch Plasmidpräparation in größeren Mengen aus Zellen gewinnen. Da Plasmide für das Überleben der Zelle nicht unbedingt notwendig sind, hat ein Eingriff selten Folgen für die Wirtszelle. Sie replizieren unabhängig vom Bakterienchromosom und können in vielen Kopien vorkommen. Die Kopienzahl hängt von der Art des Plasmids und seinem Replikationsstartpunkt, dem origin of replication, ab.

Ihr Hauptnachteil ist die geringe Kapazität: Bereits bei DNA-Fragmenten von 5 kb nimmt die Klonierungseffektivität ab; maximal sind 10–15 kb möglich.

Virale und Bakteriophagenvektoren

Virale Vektoren sind modifizierte Viren, die eukaryotische Zellen transduzieren und dabei fremde Gene einschleusen können. Sie werden beispielsweise in der Gentherapie eingesetzt.

Bakteriophagen oder Phagen sind Viren, die Bakterien befallen. Bakteriophagenvektoren nutzen den lysogenen Zyklus. Viren können virulent oder temperent sein: Virulente Viren durchlaufen einen lytischen Zyklus, dringen in die Wirtszelle ein und veranlassen die Bildung neuer Viren. Temperente Viren besitzen einen lysogenen Zyklus und bauen ihr Genom in das Genom der Wirtszelle ein. Dadurch kann zusammen mit dem Virusgenom auch ein zu untersuchendes DNA-Fragment in die Zelle gelangen.

Cosmide und Phagemide

Cosmide entstehen, wenn cos-sites aus λ-Phagen in Plasmide eingebaut werden. Ihr Genom besitzt kurze einzelsträngige, zueinander komplementäre Enden, die sich zu einem Ring schließen können. Diese cos-Region heißt auf Englisch cohesive sites, also kohäsive Enden.

Cosmide sind selbst kürzer als Plasmidvektoren und haben deshalb eine größere Aufnahmekapazität. Sie können DNA-Abschnitte bis etwa 47 kb aufnehmen und damit sogar Phagenvektoren übertreffen. Sie werden wie Bakteriophagenvektoren verarbeitet, verhalten sich in der Wirtszelle aber wie Plasmide, weil sie keine Phagengene enthalten. Ihre schwierige Handhabung gleicht diesen Vorteil teilweise wieder aus.

Ein Phagemid, gelegentlich Phasmid, ist ein Hybridvektor aus Plasmid und Phage. Es trägt einen origin of replication für die einzelsträngige Replikation von f1-Phagen. Liegt es als Plasmid in der Zelle vor, können die darauf liegenden Gene exprimiert werden.

Weitere Ansätze für den Gentransfer

Beim spermienvermittelten Gentransfer werden Spermien genutzt, um im Rahmen einer künstlichen Befruchtung DNA in Eizellen einzuführen.

Forschungs- und Pilotprojekte der Grundlagenforschung beschäftigen sich außerdem in Nanobiotechnologie und Nanomedizintechnik mit einem zukünftigen Einsatz nanoskaliger Roboter, sogenannter Naniten, für die Gentherapie.