A Die Identifizierung von IS-Elementen in E. coli
IS-Elemente wurden zuerst durch die Effekte erkannt, die verursacht werden, wenn diese Elemente in das Lac integriert werden (Malamy, 1966, 1970) und Gal-Operonen (Saedler und Starlinger,1967a, b; Jordan et al., 1967; Adhya und Shapiro, 1969) von E. coli und in das frühe rechte Operon seines Bakteriophagen Lambda (Brachet et al., 1970)., Die Elemente verursachen eine Nullmutation des Gens, in das sie sich integrieren, und eine sehr starke polare Wirkung auf alle Gene des Operons, die distal zum mutierten Gen liegen. Die Mutationen kehren spontan zum Wildtyp zurück, aber die Häufigkeit der Reversion konnte durch Mutagene nicht verstärkt werden. Dies weckte den Verdacht, dass es sich bei den Mutationen nicht um Punktmutationen, sondern um DNA-Umlagerungen handelte.,
Es konnte gezeigt werden, dass die Mutation dem Gal-Operon DNA zufügte, indem die Dichte des transduzierenden Lambdabakteriophagen verglichen wurde, der die Mutation trug oder nicht und ansonsten isogen war (Jordan et al.): „The Newspaper“. Dies schloss die Möglichkeit aus, dass die Mutationen durch eine Inversion der DNA verursacht wurden. Um zwischen den beiden verbleibenden Möglichkeiten zu unterscheiden, Duplizierung eines Teils des Gal-Operons oder Insertion von nicht verwandter DNA in dieses Operon, Michaelis et al., (1969) verglich die mutierte und die nicht mutierte DNA durch Hybridisierung von RNA, die von der Mutante in beide DNA transkribiert wurde. Diese Experimente zeigten deutlich, dass die zusätzliche DNA, die in den Mutanten gefunden wurde, nicht vom Gal-Operon abgeleitet war. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die zusätzliche DNA in zwei unabhängigen Mutanten zumindest einige dieser Sequenzen teilte. Dies erhöhte die Möglichkeit, dass die Mutanten nicht durch die Insertion zufälliger Segmente von E. coli-DNA verursacht wurden, sondern durch die Transposition spezifischer transponierbarer Elemente.,
Diese Hypothese erwies sich als wahr, wenn eine größere Anzahl von Mutanten durch Einfügen heteroduplexer DNA-Moleküle in das Elektronenmikroskop untersucht wurde (Fiandt et al., 1972; Hirsch et al., 1972a,b; Malamy et al., 1972). Vier verschiedene Elemente konnten damals identifiziert werden. Sie wurden Einfügesequenzen (IS) genannt und nacheinander IS1 bis IS4 nummeriert. IS1 ist ungefähr 0,8 Kb (Kilobasen) lang. Die anderen Elemente haben eine Länge von etwa 1,5 Kb. Ein fünftes Element, IS5, von ähnlicher Größe (Blattner et al.,, 1974) und ein größeres Element von etwas mehr als 5 Kb, das aus historischen Gründen γ-δ genannt wird(Guyer, 1978), wurden seitdem nachgewiesen, aber die Zahl scheint nahe der Sättigung für E. coli K12 zu sein.
Innerhalb der Begrenzung des Elektronenmikroskops teilen sich die verschiedenen IS-Elemente keine Sequenzen, während verschiedene Isolate desselben Elements identisch sind. Dies schließt natürlich kleine Sequenzunterschiede zwischen letzteren nicht aus.,
Die Hybridisierung geeigneter DNA – Einzelstränge, die nur das IS-Element in komplementärer Form teilen, gefolgt von der Verdauung mit einzelstrangspezifischen Nukleasen, ermöglicht die Isolierung von IS-DNA in reiner Form (Ohtsubo und Ohtsubo, 1976; Schmidt et al., 1976). Die rasche Entwicklung von DNA-Restriktionsanalysen und-sequenzierungsmethoden hat in der Tat die Bestimmung der vollständigen Sequenz von IS1 ermöglicht (Ohtsubo und Ohtsubo, 1978; Johnsrud, 1979) und IS2 (Ghosal et al., 1979a). Die Sequenz von IS4 ist zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Kapitels fast abgeschlossen (R. Klaer et al., unveröffentlichte Experimente).,
DNA-DNA-Hybridisierungstechniken wurden eingesetzt, um nach IS-Elementen im E. coli-Chromosom zu suchen. IS1 und IS2 sind in ∼8 bzw. ∼5 Exemplaren vorhanden (Saedler und Heiss, 1973). Die Verwendung der Blotting-Technik von Southern ermöglichte die genaue Bestimmung der Kopierzahl von IS3 in E. coli K12 und von IS4 . Zusätzlich wurde gezeigt, dass einige der IS-Elemente auf dem E. coli fertility plasmid F (Davison et al., 1975a) und auf einigen R-Faktoren (Hu et al., 1975).,
Es ist nicht bekannt, dass die IS-Elemente Gene kodieren, die in Proteine übersetzt werden, obwohl im Fall von IS1 die bekannte DNA-Sequenz die Möglichkeit der Übersetzung in ein (wenige) Peptid (s) von begrenzter Größe nicht ausschließt. Die Länge der IS-Elemente schließt die Bildung großer Proteine aus. Die bekannten Wirkungen von IS-Elementen beschränken sich daher auf die Position, wo sie integriert sind, und auf benachbarte DNA-Sequenzen in Position cis. Diese Effekte werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.
Seit 1974 wird eine weitere Klasse transponierbarer DNA-Elemente beschrieben., Sie werden Transposons genannt. In der Regel sind sie größer als IS-Elemente und werden durch Effekte nachgewiesen, die durch in Transposon-DNA kodiertes Protein verursacht werden. Die ersten beschriebenen Transposons kodieren Resistenz gegen Antibiotika, und die meisten bekannten Transposons tragen Resistenzgene (Datta et al., 1971; Hedges und Jacob, 1974; für Bewertungen, siehe Cohen, 1976; Kleckner, 1977). Es gibt jedoch Transposons, die ein E. coli Enterotoxin kodieren (So et al., 1979) oder Gene für die Laktosegärung (Cornells et al., 1979)., Tn3 trägt nicht nur ein Gen für β-Lactamase, sondern auch Gene, die am Transpositionsprozess beteiligt sind (Heffron et al., 1977; Gill et al., 1978; Chou et al., 1979). Dasselbe scheint für Tn5 zu gelten (Berg et al., 1978).
Transposons finden sich in der Natur als Teile von Plasmiden. Die Transposition zwischen Plasmiden erklärt die Variabilität in Bezug auf die multiple Arzneimittelresistenz verschiedener Plasmide. Im Labor wurde eine Transposition zum Genom von Bakteriophagen sowie eine Transposition zum bakteriellen Chromosom nachgewiesen., Keines der bekannten Transposons ist jedoch ein natürlicher Bestandteil des E. coli K12-Chromosoms.
Die Literatur zu Transposons wächst rasant, und für eine Beschreibung der vielen verschiedenen Transposons, die zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels bekannt waren, wird der Leser auf umfassendere Rezensionen zu diesem Thema verwiesen.
Alle bisher untersuchten Transposons haben eine gemeinsame Struktur: Sie tragen eine wiederholte DNA-Sequenz an ihren Termini und einzigartige DNA-kodierende Gene zwischen diesen wiederholten DNA-Sequenzen. In den meisten Fällen sind die wiederholten DNA-Sequenzen relativ zueinander invertiert., Ihre Größe ist variabel. In einigen Transposons betragen die invertierten Wiederholungen etwa 1,5 Kb, und es besteht Grund zu der Annahme, dass diese Sequenzen unabhängig voneinander transponierbar sind. In anderen Fällen beträgt die wiederholte DNA nur etwa 0,15 Kb (z. B. Tn1-3, Codierung der Ampicillinresistenz) (Heffron et al., 1975; Kopecko und Cohen 1975).
Im Fall von Tn9, Codierung Resistenz gegen Chloramphenicol (McHattie und Jackowski, 1977), und Tn1681, Codierung E. coli Enterotoxin (So et al., 1979) ist die am Termini wiederholte Sequenz IS1., Im letzteren Fall sind die beiden Kopien von IS1 relativ zueinander invertiert, während im ersteren Fall die beiden IS1-Kopien direkte Wiederholungen sind. Da aus der DNA-Sequenz von IS1 bekannt ist, dass dieses Element selbst durch kleine nicht übereinstimmende DNA-Wiederholungen beendet wird, bleibt die allgemeine Regel, dass die Termini von Transposons invertierte Wiederholungen sind, auch für Tn9 erhalten. In der Tat, im Fall von IS2 (Ghosal et al., 1979a) und IS4 (Habermann et al., 1979) sind invertierte Wiederholungen an ihren Termini zu finden., Die Allgemeinheit dieser Beobachtung kann sogar eine Rolle dieser umgekehrten Wiederholungen im Transpositionsprozess implizieren.