Helmichs Biologie-Lexikon

Gentransfer, horizontaler

Bei Bakterien

Bei Bakterien können Individuen untereinander Gene austauschen, die zum Beispiel Resistenz gegenüber bestimmte Antibiotika verleihen. Dieser horizontale Gentransfer findet mit Hilfe von Plasmiden statt oder Viren statt.

Viren können Bakterienzellen befallen, sie werden dann als Bakteriophagen bezeichnet. Sie injizieren ihre DNA oder RNA in die Bakterienzelle, die dadurch "umprogrammiert" wird und Viren-DNA bzw. -RNA und Viren-Proteine synthetisiert. Manchmal wird die injizierte Viren-DNA aber auch in die Bakterien-DNA integriert und vermehrt sich "unauffällig" über viele Generationen mit der Bakterien-DNA. Unter bestimmten Umständen kann sich diese integrierte Viren-DNA aber wieder aus der Bakterien-DNA lösen und die Bakterienzelle umprogrammieren. Bei diesem Herauslösen der Viren-DNA aus der Bakterien-DNA kann es passieren, dass Stücke aus der Bakterien-DNA herausgerissen werden und bei der Viren-DNA verbleiben. Infizieren die dann gebildeten Viren andere Bakterien, so gelangt die Bakterien-DNA der ursprünglich infizierten Zelle in die neuen Bakterien, die auch durchaus einer völlig anderen Art angehören können. Auch in diesem Falle spricht man von einem horizontalen Gentransfer.

Man schätzt, dass bei Escherichia coli, dem "Haustier" der Bakteriengenetiker, mindestens 18% aller Gene durch horizontalen Gentransfer in das Genom übernommen worden sind [1].

Bei höheren Organismen

Ob auch bei höheren Organismen ein solcher Gentransfer stattfindet, ist noch nicht ganz geklärt. Zumindest bei Pflanzen hat man Beispiele für einen horizontalen Gentransfer gefunden, allerdings nicht zwischen zwei Pflanzen, sondern von einem Bakterium auf eine Pflanze. Agrobacterium tumefaciens befällt Pflanzenzellen und überträgt dann Plasmide in die Wirtszellen. Diese Plasmide enthalten genetische Informationen, die die Pflanzenzelle umprogrammieren und zu Tumorwachstum führen. Dabei werden außerdem Nährstoffe produziert, die die Bakterien zum Wachstum brauchen.

Auch von manchen Viren nimmt man an, dass sie genetisches Material in das Genom von Pflanzen, Tieren und Menschen einbringen bzw. in der Vergangenheit eingebracht haben. Bekanntlich können sich manche Viren als Proviren in die DNA der Wirtszelle integrieren und werden dann bei jeder Zellteilung mit verdoppelt. Wenn eine infizierte Wirtszelle die neuen Viren in ihre Umgebung entlässt, kann es sein, dass Wirts-DNA in die Viren-DNA mit eingebaut wurde. Infiziert der Virus dann einen anderen Wirt, so kann auf diese Weise DNA von einem Tier auf ein anderes übertragen werden. Ob dieser theoretische Übertragungsweg tatsächlich in der Praxis auftritt, ist allerdings noch ungeklärt.

Ende 2008 ist ein Fall des horizontalen Gentransfers bei Kieselalgen bekannt geworden (Spektrum direkt vom 17.10.2008). Die Klasse der Kieselalgen wird in zwei Ordnungen unterteilt, nämlich die Pennales und die Centrales. An sich würde man erwarten, dass Vertreter von solchen Schwester-Ordnungen einen recht hohen Anteil gemeinsamer DNA haben. Das Gegenteil ist aber der Fall. Als man zwei Vertreter aus diesen beiden Ordnungen untersuchte, fand man nur 57% gemeinsame DNA. Das Genom der einen Kieselalge enthielt über 300 fremde Prokaryoten-Gene, die offensichtlich durch horizontalen Gentransfer übertragen worden sind. Auch das Genom der anderen Kieselalge enthielt viele Fremd-Gene, die aber von anderen Bakterien, Blaualgen etc. stammen. Der Anteil gemeinsamer "Kieselalgen"-DNA war daher extrem gering.

Horizontaler Gentransfer und Evolutionsbiologie

Durch horizontalen Gentransfer können auf sehr schnelle Weise völlig neue Eigenschaften erworben werden, die beim Überleben in der Umwelt helfen können; vor allem bei Bakterien und der Antibiotikaresistenz ist das ja nachgewiesen worden. Die Evolution von Arten kann also durch horizontalen Gentransfer beschleunigt werden. Die Evolutionsbiologen werden durch solche Vorgänge allerdings vor ein kleines Problem gestellt. Gene, die durch horizontalen Gentransfer erworben wurden, sind ja für das Aufstellen von Stammbäumen oder Abstammungslinien im Grunde wertlos. Haben zwar Arten A und B durch horizontalen Gentransfer das selbe Gen G von einer Art C erworben, ist das kein Hinweis auf eine gemeinsame Abstammung von A und B. Auch eine Abstammung von C ist hier nicht der Fall, wird aber durch den Gentransfer eventuell vorgetäuscht.

Spektrum-Artikel zum horizontalen Gentransfer bei Eukaryoten

Austausch von Genen zwischen verschiedenen Wirbeltierarten

Die urtümlichen Neunaugen haben einiges Erbmaterial mit manchen viel "moderneren" Knochenfischen gemeinsam – allerdings nicht von alters her. Offenbar sind hier Gene von einer Art zur anderen gesprungen.

Spektrum.de vom 14.12.2012

Extremist besteht aus ziemlich viel Bakterium

"Die in heißen, schwefligen Vulkanquellen heimische Rotalge Galdieria sulphuraria hat viel vom nötigen Überlebensrüstzeug für ihren herausfordernden Lebensraum von urtümlicheren Einzellern abgekupfert: Mindesten fünf Prozent der für Proteine kodierenden Genausstattung der Alge stammen ursprünglich von Mikroben oder Archaeen, so die Erbgutanalyse eines Teams um Gerald Schönknecht von der Universität Düsseldorf."

Spektrum.de vom 08.03.2013

Toxische Tiere nutzen den Giftschrank von Bakterien

Giftig zu sein ist kostspielig, weil die Produktion von Toxinen über komplizierte Stoffwechselwege führt. Besser, man klaut sich Chemiewaffen-Knowhow von anderswo.

Spektrum.de vom 24.11.2014

Wir sind nicht allein mit unseren Genen

Wir Menschen tauschen nicht nur untereinander Erbgut aus, sondern angeblich auch mit anderen Lebewesen. Biologen machten nun eine neue Bestandsaufnahme.

Spektrum.de vom 14.03.2015

Stark durch Genspende

"Nicht nur durch Sex lässt sich das eigene Genom auffrischen. Immer mehr Studien deuten darauf hin, dass viele Gene von Einzellern stammen, auch beim Menschen."

Spektrum.de vom 03.12.2015

Unverwundbar dank Bärtierchen-Protein

"Sie überleben zehn Tage im Weltall und dreißig Jahre in der Tiefkühltruhe. Was macht Bärtierchen so widerstandsfähig? Ein einzigartiges Protein könnte die Antwort sein."

Spektrum.de vom 20.09.2016

Streit ums Bärtierchen-Genom

Bärtierchen sollen Rekordhalter in der Übernahme fremder Gene sein - dies ergab kürzlich eine groß angelegte Studie. Doch fand dieser Gentransfer überhaupt so statt?

Spektrum.de vom 10.12.2015

Nutzen Phagen Spinnengene in Insektenbakterien?

"Gene von höheren Organismen verirren sich ab und an in Bakterien, aber was machen sie in den Viren dieser Keime? Irgendetwas Sinnvolles, vermuten Forscher nach Genanalysen."

Spektrum.de vom 11.10.2016

Horizontaler Gentransfer bei Spektrum.de

Weitere Artikel zum horizontalen Gentransfer bei Spektrum.de finden Sie mit der Suchfunktion. Allerdings sind die meisten gefundenen Artikel schon etwas älter, hier wäre vielleicht mal ein horizontaler Wissenstransfer zu Spektrum.de angebracht.

Quellen:

  1. Alberts, Bruce et al. Molekularbiologie der Zelle, 6. Auflage, Weinheim 2017.