Konjugativer Transfer chromosomaler DNA in Streptomyces: molekulares Prinzip und Relevanz für die Genomevolution
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Horizontaler Gentransfer (HGT) stellt die treibende Kraft bei der Evolution von Genomen dar. Dies ist bei dem myzelial wachsenden Gram-positiven Bodenbakterium Streptomyces besonders ausgeprägt. Streptomyceten sind die wichtigsten Antibiotika Produzenten, wobei jedes Isolat in der Regel mehr als 10 verschiedene Biosynthesegencluster kodiert. Streptomyceten haben einen einzigartigen Weg des konjugativen Plasmid-Transfers entwickelt. Dieser beruht auf einem einzigen Plasmid-kodierten Protein, der DNA-Translokase TraB, die mit nahezu 100 % Effizienz ein doppelsträngiges Plasmid-Molekül in die Rezipientenzelle überträgt. Durch genetische Kreuzungsexperimente mit spezifisch markierten S. coelicolor „superhost“ Stämmen konnten wir zeigen, dass praktisch jedes Plasmid-Transferereignis auch mit dem simultanen Transfer chromosomaler DNA verbunden ist. Neben dem Plasmid werden dabei Megabasen-große chromosomaler DNA-Fragmente, die mehrere BGC kodieren, oder auch das gesamte Chromosom transferiert. Die DNA-Transferfrequenz ist so hoch, dass der Transfer chromosomaler DNA auch ohne vorherige Selektion durch fluorescent repressor operator system (FROS) imaging im Mikroskop sichtbar gemacht werden konnte. In diesen Kreuzungsexperimenten wurde diese hohe Mobilisierungsfrequenz von nahezu 100 % von den chromosomal-kodierten Biosynthesegenclustern (BGC) des Donors hervorgerufen, die einen positiven Selektionsdruck auf den BGC-Transfer in den superhost-Rezipienten, in dem alle BGCs deletiert waren, ausüben. Verhindert man die Antibiotikaproduktion im Donor, oder verwendet man Rezipienten, die die gleichen BGCs tragen wie der Donor, verringerte sich die Chromosomentransfer-Rate auf 0,2 – 0.8 %, da unter diesen Kreuzungsbedingungen kein Selektionsdruck herrscht. Offensichtlich wirken BGCs als ungewöhnliche Toxin - Antitoxin Systeme, wobei das produzierte Antibiotikum die Toxin-Komponente und das Resistenzgen des BGC das Antitoxin darstellt. Somit bewirken die BGC des Donors, dass bei den Kreuzungen bevorzugt die Rezipienten überleben, die das im BGC kodierte Resistenzgen (Antitoxin) durch konjugativen DNA- Transfer erhalten haben. Da jedes BGC einen Selektionsdruck auf seinen Transfer ausübt, kommt es beim konjugativen DNA-Transfer zwangsweise zur Anhäufung von BGC im Genom des Rezipienten. Die Erkenntnis, dass das Streptomyces-spezifische TraB-Plasmidtransfersystem in der Lage ist mit hoher Effizienz riesige chromosomale DNA-Fragmente, oder auch das gesamte Chromosom in einen Rezipienten zu übertragen, verbunden mit der Erkenntnis, dass BGCs einen positiven Selektionsdruck auf ihren konjugativen Transfer ausüben, erklärt die Abundanz von BGCs in Streptomyces Genomen und verändert unser Verständnis der Genomevolution in Streptomyceten.
