Fertilitätsplasmid

Das F-Plasmid (Abk. für Fertilitätsplasmid, auch Fertilitätsfaktor genannt) ist ein spezielles Plasmid, welches Bakterien die Fähigkeit zur Konjugation (horizontaler Gentransfer) verleiht. Das F-Plasmid ermöglicht einen gerichteten Gentransfer vom Spender (dieser besitzt den F-Faktor, wird auch als F⁺ bezeichnet) zum Empfänger (F⁻). Dabei wird das F-Plasmid mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auf den Empfänger übertragen. Dadurch wird der Empfänger ebenfalls zum Spender. Daher sind alle Bakterienzellen, die ein F-Plasmid besitzen, potentielle Spenderzellen.

Strukturmerkmale

• Origin of Transfer (OriT):
  DNA-Sequenz, an der die konjugative Übertragung auf den Rezipient beginnt.
• Origin of Replication (OriV):
  DNA-Sequenz, an der die DNA-Replikation beginnt.
• tra-Region (Transfergene):
  Gene zur Bildung des sogenannten F-Pilus und einer DNA-Transferpore.
• Insertionselemente (IS):
  sogenannte selfish genes (DNA-Sequenzabschnitte, die Kopien ihrer Sequenz an anderer Stelle integrieren können)

Vom OriT aus wird während der Konjugation das Plasmid mittels der rolling circle Replikation in den Empfänger übertragen. Am Ende haben sowohl Spender als auch Empfänger ein F-Plasmid. Die Transfergene werden benötigt, um die Konjugation und die rolling circle Replikation zu ermöglichen.

Vom OriV aus wird das F-Plasmid innerhalb des Bakteriums vermehrt (man spricht auch von vegetativer Vermehrung des Plasmides, obwohl dieser Begriff in diesem Zusammenhang etwas irreführend ist). Auf diese Art und Weise erhöht sich die Kopienzahl des F-Plasmids (Bakterien haben meist mehrere Kopien ein und desselben Plasmids).

Das F-Plasmid verfügt außerdem noch über Insertionselemente (IS-Elemente). Elemente ähnlicher Sequenz befinden sich auch auf dem bakteriellen Chromosom. Dies ermöglicht die Integration des F-Plasmides ins Bakterienchromosom. Ein integriertes F-Plasmid verhält sich ähnlich wie ein nicht-integriertes und ermöglicht ebenfalls Konjugation. Da nun allerdings das F-Plasmid auch Teil des bakteriellen Chromosoms geworden ist, können jetzt DNA-Sequenzen bzw. Gene des Spenders auf den Empfänger übertragen werden, wo es zur Rekombination kommen kann. Bakterienstämme mit integriertem F-Plasmid werden auch HfR-Stämme (engl. high frequency of recombination) genannt.

Verwendung

Die Entdeckung, dass das F-Plasmid in das bakterielle Chromosom integrieren kann, eröffnete der Genetik neue Möglichkeiten. U. a. ermöglichte sie die Genkartierung mittels unterbrochenem Chromosomentransfer. Weiter war es nun erstmals möglich bestimmte Gene von einem Bakterium in ein anderes zu befördern. Heute gibt es dafür spezielle Vektoren, die allerdings immer noch Bestandteile des F-Plasmids nutzen z. B. zwei Vektorsysteme (ein Plasmid mit oriT ohne tra-Region mit Selektionsmarkern und MCS für das zu klonierende Gen, das andere wesentlich größere, von F abgeleitetes Plasmid ohne oriT mit tra-Genen).

Ein (ähnlicher) konjugativer Transfer ist auch zwischen Bakterien und z. B. Hefezellen, oder Bakterien und Pflanzenzellen möglich (vgl. Agrobacterium tumefaciens).

Ein weiterer Grund sich eingehender mit dem F-Plasmid zu befassen ist, dass F-Plasmide oder andere konjugativ übertragbare Plasmide eine Rolle bei der schnellen Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen spielen (auch zwischen nicht näher verwandten Bakterienspecies) (das F-Plasmid weist mehr als einen oriV auf, die in verschiedenen Bakterienspecies funktionieren bzw. der oriV funktioniert in verschiedenen Bakterienspecies). Das bedeutet, dass ein Transposon mit Antibiotikaresistenzgenen z. B. aus dem bakteriellen Chromosom oder einem anderen Plasmid von Species A auf ein konjugatives Plasmid springen (transponieren) kann, von dort kann es konjugativ auf Species B übertragen werden. Falls nun das Gen in Species B einen Überlebensvorteil bedingt (z. B. in Krankenhäusern etc.), bleibt es erhalten – so können sogenannte R-Plasmide mit sehr vielen Resistenzgenen am gleichen Plasmid entstehen, die auch auf pathogene Bakterien übertragbar sein können!

Durch Acridinfarbstoffe lässt sich das F-Plasmid während der Zellteilung aus einer Bakterienzelle entfernen.

Siehe auch

• Konjugation
• Hfr-Stamm