In der Mikrobiologie und Genetik ist ein plasmid ein DNA-Molekül, das davon getrennt ist, und unabhängig von, die chromosomale DNA wiederholen kann. Sie werden doppelt gestrandet und, in vielen Fällen, Rundschreiben. Plasmids kommen gewöhnlich natürlich in Bakterien vor, aber werden manchmal in eukaryotic Organismen (z.B, der 2-Mikrometer-Ring in Saccharomyces cerevisiae) gefunden.

Größen von Plasmid ändern sich von 1 bis mehr als 1,000 kbp. Die Zahl von identischem plasmids in einer einzelnen Zelle kann sich überall von einem bis Tausende unter einigen Verhältnissen erstrecken. Plasmids kann als ein Teil des mobilome betrachtet werden, weil sie häufig mit der Konjugation, einem Mechanismus der horizontalen Genübertragung vereinigt werden.

Der Begriff plasmid wurde zuerst vom amerikanischen Molekularbiologen Joshua Lederberg 1952 eingeführt.

Plasmids werden als replicons betrachtet, der zum Wiederholen autonom innerhalb eines passenden Gastgebers fähig ist. Plasmids kann in allen drei Hauptgebieten gefunden werden: Archaea, Bakterien und Eukarya. Ähnlich Viren, wie man betrachtet, sind plasmids von einigen keine Form des Lebens. Verschieden von Viren sind plasmids nackte DNA und verschlüsseln Gene nicht, die notwendig sind, um das genetische Material für die Übertragung auf einen neuen Gastgeber einzuschließen, obwohl einige Klassen von plasmids das Geschlecht pilus notwendig für ihre eigene Übertragung verschlüsseln. Plasmid Gastgeber-zu-Gastgeber-Übertragung verlangt direkte, mechanische Übertragung durch die Konjugation oder Änderungen im Gastgeber-Genausdruck, der das absichtliche Auffassungsvermögen des genetischen Elements durch die Transformation erlaubt. Die mikrobische Transformation mit der plasmid DNA ist weder parasitisch noch in der Natur symbiotisch, weil jeder die Anwesenheit einer unabhängigen Art einbezieht, die in einem Tischgenossen oder schädlichem Staat mit dem Gastgeber-Organismus lebt. Eher stellen plasmids einen Mechanismus für die horizontale Genübertragung innerhalb einer Bevölkerung von Mikroben zur Verfügung und stellen normalerweise einen auswählenden Vorteil unter einem gegebenen Umweltstaat zur Verfügung. Plasmids kann Gene tragen, die Widerstand gegen natürlich vorkommende Antibiotika in einer Wettbewerbsumweltnische zur Verfügung stellen, oder die erzeugten Proteine als Toxine unter ähnlichen Verhältnissen handeln können. Plasmids kann auch Bakterien mit der Fähigkeit versorgen, elementaren Stickstoff zu befestigen oder widerspenstige organische Zusammensetzungen zu erniedrigen, die einen Vorteil zur Verfügung stellen, wenn Nährstoffe knapp sind.

Vektoren

In der Gentechnologie verwendeter Plasmids wird Vektoren genannt.

Plasmids dienen als wichtige Werkzeuge in der Genetik und den Biotechnologie-Laboratorien, wo sie allgemein verwendet werden, um zu multiplizieren (machen Sie viele Kopien), oder drücken Sie besondere Gene aus. Viele plasmids sind für solchen Gebrauch gewerblich verfügbar.

Das zu wiederholende Gen wird in Kopien eines plasmid eingefügt, der Gene enthält, die Zellen widerstandsfähig gegen besondere Antibiotika und eine vielfache Klonen-Seite machen (MCS oder polylinker), der ein kurzes Gebiet ist, das mehrere allgemein verwendete Beschränkungsseiten enthält, die die leichte Einfügung von DNA-Bruchstücken an dieser Position erlauben. Dann werden die plasmids in Bakterien durch einen Prozess genannt Transformation eingefügt. Dann werden die Bakterien zu den besonderen Antibiotika ausgestellt. Nur Bakterien, die Kopien des plasmid aufnehmen, überleben, da der plasmid sie widerstandsfähig macht. Insbesondere die Schutz-Gene werden ausgedrückt (hat gepflegt, ein Protein zu machen), und das ausgedrückte Protein bricht die Antibiotika. Auf diese Weise handeln die Antibiotika als ein Filter, um nur die modifizierten Bakterien auszuwählen. Jetzt können diese Bakterien in großen Beträgen, geerntet, und lysed gewachsen werden (häufig die alkalische lysis Methode verwendend), um das plasmid von Interesse zu isolieren.

Ein anderer Hauptgebrauch von plasmids soll große Beträge von Proteinen machen. In diesem Fall wachsen Forscher Bakterien, die einen plasmid das Beherbergen des Gens von Interesse enthalten. Da die Bakterie Proteine erzeugt, um seinen antibiotischen Widerstand zuzuteilen, kann sie auch veranlasst werden, große Beträge von Proteinen vom eingefügten Gen zu erzeugen. Das ist eine preiswerte und leichte Weise, ein Gen oder das Protein serienmäßig herzustellen, das es dann für, zum Beispiel, Insulin oder sogar Antibiotika codiert.

Jedoch kann ein plasmid Einsätze von nur ungefähr 1-10 kbp enthalten. Um längere Längen der DNA, Lambda phage mit lysogeny Genen gelöscht, cosmids, künstliche Bakterienchromosomen oder Hefe zu klonen, werden künstliche Chromosomen verwendet.

Anwendungen

Krankheitsmodelle

Plasmids wurden historisch verwendet, um die embryonischen Stammzellen von Ratten genetisch zu konstruieren, um Ratte genetische Krankheitsmodelle zu schaffen. Die beschränkte Leistungsfähigkeit von mit Sitz in plasmid Techniken hat ihren Gebrauch in der Entwicklung von genaueren menschlichen Zellmodellen ausgeschlossen. Jedoch haben Entwicklungen in Adeno-verbundenen Virus-Wiederkombinationstechniken und Zinkfinger nucleases, die Entwicklung einer neuen Generation von isogenic menschlichen Krankheitsmodellen ermöglicht.

Gentherapie

Der Erfolg von einigen Strategien der Gentherapie hängt von der effizienten Einfügung von therapeutischen Genen an den passenden chromosomalen Zielseiten innerhalb des menschlichen Erbgutes ab, ohne Zellverletzung, oncogenic Veränderungen (Krebs) oder eine geschützte Antwort zu verursachen. Vektoren von Plasmid sind eine von vielen Annäherungen, die für diesen Zweck verwendet werden konnten. Zinkfinger nucleases (ZFNs) bietet eine Weise an, eine mit der Seite spezifische Brechung des doppelten Ufers zum DNA-Genom zu verursachen und homologe Wiederkombination zu verursachen. Das macht ins Visier genommene Genkorrektur eine Möglichkeit in menschlichen Zellen. Plasmids, der ZFN verschlüsselt, konnte verwendet werden, um ein therapeutisches Gen an eine vorausgewählte chromosomale Seite mit einer Frequenz höher zu liefern, als diese der zufälligen Integration. Obwohl die Nützlichkeit dieser Annäherung an die Gentherapie noch bewiesen werden muss, konnten einige Aspekte davon weniger problematisch sein als die alternative Virenübergabe von therapeutischen Genen.

Episomes

Episomes sind die eukaryotic Entsprechung von bakteriellem plasmids. Im Allgemeinen, in eukaryotes, werden episomes kreisförmige DNA-Moleküle geschlossen, die im Kern wiederholt werden. Viren sind die allgemeinsten Beispiele davon, wie herpesviruses, adenoviruses, und polyomaviruses. Andere Beispiele schließen abweichende chromosomale Bruchstücke wie doppelte Minutenchromosomen ein, die während künstlicher Generweiterungen oder in pathologischen Prozessen (z.B, Krebs-Zelltransformation) entstehen können. Episomes in eukaryotes benehmen sich ähnlich zu plasmids in prokaryotes, in dem die DNA stabil aufrechterhalten und mit der Gastgeber-Zelle wiederholt wird. Cytoplasmic Virenepisomes (als in poxvirus Infektionen) kann auch vorkommen. Einige episomes, wie herpesviruses, wiederholen in einem rollenden Kreismechanismus, der phage Bakterienviren ähnlich ist. Andere wiederholen durch einen bidirektionalen Erwiderungsmechanismus (Typ Theta plasmids). In jedem Fall bleiben episomes physisch getrennt von Gastgeber-Zellchromosomen. Mehrere Krebs-Viren, einschließlich Virus von Epstein-Barr und des Sarkom-verbundenen herpesvirus von Kaposi, werden als latenter, chromosomal verschiedener episomes in Krebs-Zellen aufrechterhalten, wo die Viren oncogenes ausdrücken, die Krebs-Zellproliferation fördern. In Krebsen wiederholen diese episomes passiv zusammen mit Gastgeber-Chromosomen, wenn sich die Zelle teilt. Wenn diese Virenepisomes lytic Erwiderung beginnen, um vielfache Virus-Partikeln zu erzeugen, aktivieren sie im Allgemeinen angeborene Zellimmunitätsabwehrmechanismen, die die Gastgeber-Zelle töten.

Typen

Eine Weise, plasmids zu gruppieren, ist durch ihre Fähigkeit, zu anderen Bakterien überzuwechseln. Conjugative plasmids enthalten tra Gene, die den komplizierten Prozess der Konjugation, die Übertragung von plasmids zu einer anderen Bakterie (Abb. 4) durchführen. Non-conjugative plasmids sind unfähig, Konjugation zu beginnen, folglich können sie nur mit dem Beistand von conjugative plasmids übertragen werden. Eine Zwischenklasse von plasmids ist mobilizable, und trägt nur eine Teilmenge der für die Übertragung erforderlichen Gene. Sie können parasitize ein conjugative plasmid, an der hohen Frequenz nur in seine Anwesenheit überwechselnd. Plasmids werden jetzt verwendet, um DNA zu manipulieren, und können vielleicht ein Werkzeug sein, um viele Krankheiten zu heilen.

Es ist für plasmids von verschiedenen Typen möglich, in einer einzelnen Zelle zu koexistieren. Mehrere verschiedene plasmids sind in E. coli gefunden worden. Jedoch sind verwandte plasmids häufig im Sinn unvereinbar, dass nur ein von ihnen in der Zelllinie wegen der Regulierung von Lebensplasmid-Funktionen überleben. So kann plasmids in Vereinbarkeitsgruppen zugeteilt werden.

Eine andere Weise, plasmids zu klassifizieren, ist nach der Funktion. Es gibt fünf Hauptklassen:

• FruchtbarkeitsF-plasmids, die tra Gene enthalten. Sie sind zur Konjugation fähig.
• Resistance(R) plasmids, die Gene enthalten, die einen Widerstand gegen Antibiotika oder Gifte bauen und Bakterien helfen können, pili zu erzeugen. Historisch bekannt als R-Faktoren bevor wurde die Natur von plasmids verstanden.
• Oberst plasmids, die Gene enthalten, die für bacteriocins, Proteine codieren, die andere Bakterien töten können.
• Degradative plasmids, die das Verzehren von ungewöhnlichen Substanzen, z.B Toluol und salicylic Säure ermöglichen.
• Giftigkeit plasmids, die die Bakterie in einen pathogen verwandeln.

Plasmids kann mehr als einer dieser funktionellen Gruppen gehören.

Plasmids, die nur als eine oder einige Kopien in jeder Bakterie bestehen, sind auf die Zellabteilung in der Gefahr, in einer der sich absondernden Bakterien verloren zu werden. Solche einzelne Kopie plasmids hat Systeme, die versuchen, eine Kopie zu beiden Tochter-Zellen aktiv zu verteilen. Diese Systeme werden häufig das Teilungssystem oder die Teilungsfunktion eines plasmid genannt.

Ein plasmids oder mikrobische Gastgeber schließen ein Hingabe-System oder postsegregational Tötung des Systems (PSK), wie der hok/sok (Gastgeber-Tötung/Entstörgerät der Tötung) System von plasmid R1 in Escherichia coli ein. Diese Variante erzeugt sowohl ein langlebiges Gift als auch ein kurzlebiges Gegenmittel. Mehrere Typen von plasmid Hingabe-Systemen (Toxin / Gegengift, Metabolismus-basiert, Systemen von ORT) wurden in der Literatur beschrieben und in biotechnical (Gärung) oder biomedizinisch (Impftherapie) Anwendungen verwendet. Tochter-Zellen, die eine Kopie des plasmid behalten, überleben, während eine Tochter-Zelle, die scheitert, den plasmid zu erben, stirbt oder eine reduzierte Wachstumsrate wegen des verweilenden Giftes von der Elternteilzelle erträgt. Schließlich konnte die gesamte Produktivität erhöht werden.

Hefe plasmids

Andere Typen von plasmids sind häufig mit Hefe-Klonen-Vektoren verbunden, die einschließen:

• Hefe einheitliche plasmid (YIp), Hefe-Vektoren, die sich auf die Integration ins Gastgeber-Chromosom für das Überleben und die Erwiderung verlassen, und gewöhnlich verwendet werden, wenn sie die Funktionalität eines Sologens studieren, oder wenn das Gen toxisch ist. Auch verbunden mit dem Gen URA3, der ein Enzym codiert, das mit der Biosynthese von pyrimidine nucleotides (T, C) verbunden ist;
• Hefe Replicative Plasmid (YRp), die eine Folge der chromosomalen DNA transportieren, die einen Ursprung der Erwiderung einschließt. Diese plasmids sind weniger stabil, weil sie während des Knospens verloren werden können.

Plasmid DNA-Förderung

Wie auf den obengenannten angespielt hat, werden plasmids häufig verwendet, um eine spezifische Folge zu reinigen, da sie weg vom Rest des Genoms leicht gereinigt werden können. Für ihren Gebrauch als Vektoren, und für das molekulare Klonen, plasmids muss häufig isoliert werden.

Es gibt mehrere Methoden, plasmid DNA von Bakterien zu isolieren, von denen die Archetypen der Minivorbereitungs- und der maxiprep/bulkprep sind. Der erstere kann verwendet werden, um schnell herauszufinden, ob der plasmid in einigen von mehreren Bakterienklonen richtig ist. Der Ertrag ist ein kleiner Betrag der unreinen plasmid DNA, die für die Analyse durch die Beschränkungsauswahl und für einige Klonen-Techniken genügend ist.

In den letzten, viel größeren Volumina der Bakteriensuspendierung werden angebaut, von dem ein mit der Maximode Vorbereitungs-durchgeführt werden kann. Hauptsächlich ist das ein hoch geschraubter von der zusätzlichen Reinigung gefolgter Minivorbereitungs-. Das läuft auf relativ große Beträge (mehrere Mikrogramme) der sehr reinen plasmid DNA hinaus.

In letzter Zeit sind viele kommerzielle Bastelsätze geschaffen worden, um plasmid Förderung an verschiedenen Skalen, Reinheit und Niveaus der Automation durchzuführen. Kommerzielle Dienstleistungen können plasmid DNA zu angesetzten Preisen unter $ 300/Mg in Milligramm-Mengen und $ 15/Mg in Gramm-Mengen vorbereiten.

Conformations

Plasmid DNA kann in einem von fünf conformations, der (für eine gegebene Größe) geführt mit verschiedenen Geschwindigkeiten bei einem Gel während der Elektrophorese scheinen. Die conformations werden unten in der Größenordnung von der electrophoretic Beweglichkeit (Geschwindigkeit für eine gegebene angewandte Stromspannung) vom langsamsten bis schnellsten verzeichnet:

• Eingeschnittene offen-kreisförmige DNA hat eine Ufer-Kürzung.
• Entspannte kreisförmige DNA ist mit beiden Ufern ungeschnitten völlig intakt, aber ist (Superrollen entfernt) enzymatisch entspannt worden. Das kann modelliert werden, indem es ein gedrehtes Verlängerungskabel sich abwickeln und sich entspannen lässt und dann das Einstecken davon in sich.
• Geradlinige DNA hat freie Enden, entweder weil beide Ufer geschnitten worden sind, oder weil die DNA in vivo geradlinig war. Das kann mit einem elektrischen Verlängerungskabel modelliert werden, das in sich nicht eingesteckt wird.
• Superaufgerollt (oder covalently geschlossenes Rundschreiben) DNA ist mit beiden Ufern ungeschnitten, und mit einer integrierten Drehung völlig intakt, auf eine Kompaktform hinauslaufend. Das kann durch die Drehung eines Verlängerungskabels und dann das Einstecken davon in sich modelliert werden.
• Superaufgerollte denaturierte DNA ist superaufgerollter DNA ähnlich, aber hat allein stehende Gebiete, die es ein bisschen weniger kompakt machen; das kann sich aus übermäßiger Alkalinität während der plasmid Vorbereitung ergeben.

Die Rate der Wanderung für kleine geradlinige Bruchstücke ist zur an niedrigen Stromspannungen angewandten Stromspannung direkt proportional. An höheren Stromspannungen wandern größere Bruchstücke bei der dauernden Erhöhung noch verschiedener Raten ab. So nimmt die Entschlossenheit eines Gels mit der vergrößerten Stromspannung ab.

An einer angegebenen, niedrigen Stromspannung ist die Wanderungsrate von kleinen geradlinigen DNA-Bruchstücken eine Funktion ihrer Länge. Große geradlinige Bruchstücke (ungefähr mehr als 20 Kilobytes) wandern an einer bestimmten festen Rate unabhängig von der Länge ab. Das ist weil die Moleküle 'resperate' mit dem Hauptteil des Moleküls im Anschluss an das Hauptende durch die Gel-Matrix. Beschränkungsauswahlen werden oft verwendet, um gereinigten plasmids zu analysieren. Diese Enzyme brechen spezifisch die DNA an bestimmten kurzen Folgen. Die resultierenden geradlinigen Bruchstücke bilden 'Bänder' nach der Gel-Elektrophorese. Es ist möglich, bestimmte Bruchstücke durch den Ausschnitt der Bänder aus dem Gel und das Auflösen des Gels zu reinigen, um die DNA-Bruchstücke zu veröffentlichen.

Wegen seiner dichten Angleichung wandert superaufgerollte DNA schneller durch ein Gel ab als geradlinige oder offen-kreisförmige DNA.

Simulation von plasmids

Der Gebrauch von plasmids als eine Technik in der molekularen Biologie wird durch die bioinformatics Software unterstützt. Diese Programme registrieren die DNA-Folge von plasmid Vektoren, helfen, Kürzungsseiten von Beschränkungsenzymen vorauszusagen, und Manipulationen zu planen. Beispiele von Softwarepaketen, die Plasmid-Karten behandeln, sind pDraw32, Geneious, Lasergene, GeneConstructionKit, ApE, Klon-Betriebsleiter und Vektor NTI.

Siehe auch

• Künstliches Bakterienchromosom
• Triparental, der sich vermählt
• Transposon
• Bacteriophage
• Pro-Virus
• Segrosome
• BioShock

Weiterführende Literatur

Episomes

Links

• Internationale Gesellschaft für die Plasmid Biologie und anderen Beweglichen Genetischen Elemente
• Geschichte von Plasmids mit der Zeitachse
• Addgene: Eine bessere Weise, plasmids zu teilen
• Plasmid Klassifikation und Nomenklatur-System
• DNASU Plasmid Behältnis: Eine Quelle eines Biologen für den Protein-Ausdruck Plasmids