Vektoren Biologie

Vektoren Biologie – Definition

Der Begriff Vektor kommt aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie "Träger".

Für einen Gentransfer wird ein gewünschtes DNA-Fragment (Erbgut) in einen Vektor integriert. Anschließend wird der Vektor als Träger und Transportmittel der Fremd-DNA in einen entsprechenden Organismus eingebracht.

Ein typischer Vektor besteht aus einer eigenen Vektor-DNA. Er besitzt Mechanismen oder Eigenschaften, um DNA in eine Wirtszelle einzuschleusen beziehungsweise, um von ihr aufgenommen zu werden.

Vektor Biologie – Eigenschaften

Um einen Gentransfer ermöglichen zu können, muss ein Vektor bestimmte Eigenschaften besitzen.

1. Vektoren müssen replizierbar sein.

Das bedeutet, dass der Vektor durch DNA-Polymerasen verdoppelt werden kann. Nachdem ein Gentransfer erfolgreich durchgeführt wurde, ist es wichtig, dass die Wirtszelle den integrierten Vektor replizieren kann. Nur so kann die integrierte Fremd-DNA auch an die nächste Generation der Zelle weitergegeben werden. Damit ein Vektor replizierbar ist, benötigt dieser Erkennungssequenzen (Startpunkt) für die entsprechenden Replikationsenzyme (DNA-Polymerasen).

2. Vektoren müssen einfach und in großen Mengen isolierbar sein.

Die meisten Vektoren, die in der Gentechnik Verwendung finden, stammen aus Bakterien oder Viren. Bakterien und Viren lassen sich schnell vermehren und entsprechende Vektoren lassen sich relativ einfach aus ihnen isolieren beziehungsweise herstellen.

3. Die Vektor-DNA müssen geeignete Schnittstellen für Restriktionsenzyme besitzen.

Restriktionsenzyme sind Enzyme, welche DNA-Moleküle an spezifischen Stellen schneiden. Damit Fremd-DNA in einen Vektor integriert werden kann, muss die Vektor-DNA an entsprechenden Abschnitten zerschnitten werden. Durch das Zerschneiden entsteht eine Lücke, wo das Fragment integriert werden kann.

4. Vektoren müssen der Wirtszelle bestimmte Eigenschaften verleihen.

Nicht immer ist der gewünschte Gentransfer erfolgreich. Damit Wirtszellen mit integrierter Fremd-DNA von Zellen ohne integrierter DNA voneinander unterschieden werden können, wird ein Selektionsverfahren angewandt. Entsprechende Eigenschaften, die durch die integrierten Vektoren verliehen werden, werden für das Selektionsverfahren benötigt.

Die wichtigsten Vektortypen im Überblick

Wie schon erwähnt, stammen viele Vektoren aus Bakterien oder Viren. Je nachdem, aus welchen Organismus die Vektoren gewonnen werden, beziehungsweise welche Organismen als Vektoren genutzt werden, sind diese in unterschiedliche Vektortypen eingeteilt.

Plasmidvektoren

Plasmide sind kleine ringförmige DNA-Strukturen. Sie sind in dem Zellplasma von Bakterien (Prokaryoten) zu finden. Plasmide sind nicht Teil des Bakterien-Chromosoms, aber zählen als Teil des Erbgutes zum Genom der Bakterien. Auf einem Plasmid liegen bestimmte Gene, welche in der Bakterienzelle in Proteine umgesetzt werden.

In den meisten Fällen sind keine lebensnotwendigen Gene auf den Plasmiden zu finden. Gene auf Plasmiden codieren häufig für Proteine, welche dazu führen, dass Bakterien besser an bestimmte Umweltbedingungen angepasst sind. Ein Beispiel für typische Plasmid-Gene sind Gene, welche Antibiotikaresistenzen hervorrufen.

Plasmidvektoren sind relativ kleine Vektoren. Damit es nach Integrierung eines DNA-Fragments erneut zur Ringbildung kommt, darf das zu integrierende Fragment nicht zu groß sein. Die maximale Kapazität von Plasmidvektoren liegt ca. bei 10–15 kbp (10 000 – 15 0000 Basenpaare).

Plasmide sind einfach zu verwenden, da sie klein und leicht zu isolieren sind. Daher werden sie häufig als Vektoren in der Gentechnik verwendet. Wie genau Plasmide aufgebaut sind und wie sie als Vektoren genutzt werden, kannst du im letzten Abschnitt des Artikels nachlesen.

Virale Vektoren

Viren vermehren sich, indem sie ihr Genom (Erbgut) in eine Wirtszelle integrieren. Diese Eigenschaft von Viren macht sich die Gentechnik zunutze. Virus-Partikel werden so gentechnisch modifiziert, dass sie ein gewünschtes DNA-Fragment in eine entsprechende Wirtszelle einbringen. Ein Gentransfer, welcher durch Viren vermittelt wird, wird in der Genetik als Transduktion bezeichnet.

Bakteriophagen

Bakteriophagen sind Viren, welche Bakterienzellen befallen. Bakteriophagen schleusen ihr Genom von außen in eine Wirtszelle. Dort wird es unter geeigneten Bedingungen in das Genom integriert. Modifizierte Bakteriophagen werden häufig als Vektoren genutzt. Je nach Art der Bakteriophagen variiert die Kapazität des integrierbaren DNA-Fragments (bis zu 100 kbp).

Klonierungsvektoren und Expressionsvektoren

Klonierungsvektoren sind Vektoren, die genutzt werden, um Fremd-DNA in eine Wirtszelle einzubringen. In der Wirtszelle wird das Fragment beziehungsweise der Vektor durch Vermehrung der Wirtszelle vervielfacht (Klonierung). Durch einen Klonierungsvektor werden DNA-Fragmente lediglich vervielfacht, nicht jedoch in mRNA und somit in Proteine umgesetzt.

Expressionsvektoren sind spezielle Vektoren, welche die Umsetzung der integrierten Fremd-DNA in mRNA induzieren (Transkription) und somit die Umsetzung in Proteine ermöglichen (Translation).

Plasmide als Vektoren

Plasmidvektoren sind die am häufigsten verwendeten Vektoren der Gentechnik. Sie sind Bestandteil vieler gentechnischer Standardmethoden.

Aufbau

Plasmide sind ringförmige DNA Fragmente, welche aus Bakterien isoliert werden. Folgende Abschnitte sind auf einem typischen Plasmidvektor zu finden.

• Startstelle für Replikation: Hierbei handelt es sich um eine Erkennungssequenz, an welcher Replikationsenzyme (DNA-Polymerasen) binden können. Damit ist eine Vervielfältigung des Vektors gewährleistet.

• Gensequenzen für Antibiotikaresistenzen: Plasmide werden so modifiziert, dass sie Gensequenzen enthalten, welche entsprechende Antibiotikaresistenzen in den Bakterien hervorrufen. Diese Sequenzen sind entscheidend für die Selektion von transgenen Bakterien.

• Schnittstellen für Restriktionsenzyme: Plasmidvektoren enthalten Erkennungssequenzen für Restriktionsenzyme. Es handelt sich um die Stelle, an die ein DNA-Fragment eingefügt werden kann. Wichtig für die spätere Selektion ist, dass die Erkennungssequenzen innerhalb des Genabschnitts für eines der Antibiotikaresistenzen liegt.

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Plasmidvektors Quelle: blog.addgene.org

Gentransfer durch Plasmidvektoren

Bei einem Gentransfer mittels Plasmidvektoren spricht man von einer Transformation. Eine Transformation ist die Integration von Fremd-DNA in einen Organismus, ohne die Hilfe von Viren oder einer Spenderzelle.

Hierzu werden mithilfe von Restriktionsenzymen und Ligasen DNA-Fragmente in Plasmidvektoren integriert. Ein Plasmidvektor, in den erfolgreich ein DNA-Fragment integriert wurde, wird Hybridplasmid genannt. Anschließend werden die Plasmidvektoren durch Transformation von geeigneten Bakterienzellen aufgenommen. Durch ein Selektionsverfahren werden die richtigen transgenen Bakterien erkannt und anschließend vermehrt.

Für das Selektionsverfahren ist es entscheidend, dass zwei Antibiotika-Resistenzgene auf dem Plasmid liegen. So können mithilfe von spezifischen Nährböden, Bakterien mit integrierter Fremd-DNA von Bakterien ohne Fremd-DNA unterschieden werden.

Die Isolierung von Genen und anschließende Integrierung in eine andere Zelle durch einen Vektor, wird auch als Herstellung von rekombinanter DNA beziehungsweise als rekombinante DNA-Technik bezeichnet.