Warum wird 16s-rRNA zur Identifizierung von Bakterien verwendet?
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Bakterien sind die allgegenwärtigste Lebensform der Erde. Die Biomasse von Bakterien übertrifft die von Pflanzen oder Tieren. Aufgrund ihres Überflusses wurden die meisten Bakterienarten bisher nicht identifiziert. Die traditionelle Identifizierung von Bakterien basiert auf den phänotypischen Eigenschaften, die als genotypische Methoden nicht genau sind. Der Vergleich der 16S-rRNA-Sequenz hat sich als eine am meisten bevorzugte genotypische Methode zur Identifizierung von Bakterien in ihrer Gattungsebene herausgestellt. Es gibt mehrere Gründe für die Verwendung von 16S-rRNA als genetischer Hersteller im Haushalt, das wird weiter im Detail erklärt.
Wichtige Bereiche
1. Was ist 16S-rRNA?
- Definition, Struktur, Rolle
2. Warum wird 16S-rRNA zur Identifizierung von Bakterien verwendet?
- Einführung, Gründe, Methoden
3. Was sind die Anwendungen der 16S-rRNA in der Mikrobiologie?
- Anwendungen
Schlüsselbegriffe: Bakterien, Klassifizierung, Gensequenz, Identifizierung, Ribosom, 16S-rRNA
Was ist 16S-rRNA?
Die 16S-rRNA ist eine Komponente der kleinen Untereinheit des prokaryontischen Ribosoms. Die zwei Untereinheiten des prokaryotischen Ribosoms sind eine 50S-große Untereinheit und die 30S-kleine Untereinheit. Sie bilden 70S-Ribosomen. Die kleine Untereinheit besteht aus 16S-rRNA, die an 21 Proteine gebunden ist. Die 16S-rRNA besteht aus 1540 Nukleotiden. Die Sekundärstruktur von 16S-rRNA ist in gezeigt Abbildung 1.
1: 16S-rRNA
Das 3'-Ende der 16S-rRNA enthält die Anti-Shine-Dalgarno-Sequenz, die stromaufwärts an das Startcodon AUG bindet. Die Shine-Dalgarno-Sequenz ist die ribosomale Bindungsstelle der bakteriellen mRNA. Da 16S-rRNA für das Funktionieren der Bakterien essentiell ist, ist das Gen, das die 16S-rRNA kodiert, unter den Bakterienspezies hoch konserviert. Die Sequenz der 16S-rRNA wird häufig zur Identifizierung und Klassifizierung von Bakterien verwendet.
Warum wird 16S-rRNA zur Identifizierung von Bakterien verwendet?
Die traditionellen Identifizierungsmethoden von Bakterien basieren hauptsächlich auf den phänotypischen Eigenschaften von Bakterien. Der Vergleich der 16S-rRNA-Sequenz hat sich jedoch zu einem „Goldstandard“ entwickelt, der die traditionellen Methoden der bakteriellen Identifizierung ersetzt. Die Analyse der 16S-rRNA-Sequenz ist besser für die Identifizierung phänotypisch anomaler, schlecht beschriebener oder selten isolierter Stämme. Es ist auch besser für die Identifizierung von nicht kultivierten Bakterien und neuartigen Pathogenen. Das 16S-rRNA-Gen kommt im rRNA-Operon im Bakteriengenom vor. Das rRNA-Operon ist in gezeigt Figur 2.
Abbildung 2: rRNA-Operon
16S-rRNA eignet sich aus mehreren Gründen als genetischer Marker für den Haushalt. Sie werden unten beschrieben.
- Das 16S-rRNA-Gen ist ein allgegenwärtiges Gen im bakteriellen Genom. Da die 16S-rRNA-Funktion während der Translation für die Bakterienzelle essentiell ist, bestehen fast alle Bakteriengenome aus dem 16S-rRNA-Gen.
- Die Sequenz des 16S-rRNA-Gens ist stark konserviert. Da die Funktion der 16S-rRNA allgemeiner ist, ist die Sequenz des 16S-rRNA-Gens stark konserviert. Die Änderungen in der Gensequenz können als Zeitmessung betrachtet werden (Evolution).
- Die Größe des 16S-rRNA-Gens (1, 550 bp) ist für bioinformatische Zwecke ausreichend.
- Das 16S-rRNA-Gen ist ein gut untersuchtes Gen im Bakteriengenom. Da die Funktion des 16S-rRNA-Gens für die Zelle von entscheidender Bedeutung ist, wird es zahlreichen Studien unterzogen.
Identifizierung
Bis heute wurden über 8, 168 Bakterienarten unter Verwendung der 16S-rRNA-Gensequenz identifiziert. Die Prozedur des Identifizierungsprozesses wird unten beschrieben.
- Extraktion genomischer DNA
- PCR-Amplifikation des 16S-rRNA-Gens
- Erhalten Sie die Nukleotidsequenz des amplifizierten 16S-rRNA-Gens
- Vergleichen Sie die Sequenz mit den vorhandenen Nukleotidsequenzen in den Datenbanken
Die 16S-rRNA-Sequenz ist etwa 1 550 Basenpaare lang und besteht aus variablen und konservierten Regionen. Die Universal-Primer, die zu der konservierten Region des Gens komplementär sind, können zur Amplifikation der variablen Region des Gens durch PCR verwendet werden. Im Allgemeinen wird eine Region mit 540 Basenpaaren vom Anfang des Gens oder des gesamten Gens durch PCR amplifiziert. Das PCR-Fragment wird sequenziert und die Sequenz mit den vorhandenen Nukleotidsequenzen des 16S-rRNA-Gens zur Identifizierung der vorisolierten Bakterienspezies verglichen. GenBank, das größte Repository für Nukleotidsequenzen, verfügt über 20 Millionen Sequenzen von 90.000 verschiedenen 16S-rRNA-Genen. Wenn die Bakterienart neu ist, stimmt die Sequenz nicht mit einer 16S-rRNA-Sequenz in den Datenbanken überein.
Einstufung
Da die 16S-rRNA-Gensequenz in fast allen Bakterienspezies vorkommt, kann der Vergleich verschiedener 16S-rRNA-Gensequenzen verwendet werden, um Bakterien bis hin zu Spezies- und Unterspeziespiegeln zu differenzieren. Ähnliche Bakterienarten können ähnliche Sequenzen des 16S-rRNA-Gens aufweisen. Ein durch Vergleich der 16S-rRNA-Gensequenz konstruierter phylogenetischer Baum von Bakterien ist in gezeigt Figur 3.
3: Aufbau eines phylogenetischen Baums basierend auf dem Vergleich der 16S-rRNA-Sequenz
Was sind die Anwendungen von 16S-rRNA in der Mikrobiologie?
Die Anwendungen der 16S-rRNA in der Mikrobiologie sind nachstehend aufgeführt.
- Die 16S-rRNA-Gensequenzierung wird als "Goldstandard" zur Identifizierung und taxonomischen Klassifizierung von Bakterienspezies verwendet.
- Ein Vergleich der 16S-rRNA-Sequenz kann zur Erkennung neuer Pathogene verwendet werden.
- Die 16S-rRNA-Sequenzierung kann als schnelle und kostengünstige Alternative zu den phänotypischen Methoden der Bakterienidentifizierung in der medizinischen Mikrobiologie verwendet werden.
Fazit
Die 16S-rRNA ist für das Funktionieren der Bakterien von entscheidender Bedeutung, da sie während der Translation eine Stelle für die Bindung von bakterieller mRNA an das Ribosom bereitstellt. Da die Funktion der 16SrRNA für die Zelle essentiell ist, ist ihre Gensequenz in fast allen Bakterienzellen vorhanden. Darüber hinaus ist seine Reihenfolge stark konserviert. Die 16S-rRNA-Sequenz besteht jedoch ebenfalls aus variablen Regionen, wodurch die Identifizierung von Bakterienspezies ermöglicht wird. Zusätzlich können Bakterienarten basierend auf der Gensequenz von 16S-rRNA klassifiziert werden.
Referenz:
1. Janda, J. Michael und Sharon L. Abbott. „16S-rRNA-Gensequenzierung für die Identifizierung von Bakterien im diagnostischen Labor: Pluspunkte, Gefahren und Fallstricke.“ Journal of Clinical Microbiology, American Society for Microbiology, Sept. 2007, erhältlich hier.
2. Clarridge, Jill E. "Einfluss der 16S-rRNA-Gensequenzanalyse zur Identifizierung von Bakterien auf die klinische Mikrobiologie und Infektionskrankheiten." Clinical Microbiology Reviews, American Society for Microbiology, Oktober 2004, hier verfügbar.
Bildhöflichkeit:
1. „16S“ von Squidonius - Eigene Arbeit (Public Domain) über Commons Wikimedia
2. "Amit Yadav Phytoplasma-rRNA-Operon" (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia
3. "Phylogenetische Position der Mollicutes unter Bakterien" Von Kenro Oshima, Kensaku Maejima und Shigetou Namba - Front. Microbiol., 14. August 2013 / doi: 10.3389 / fmicb.2013.00230 (CC BY 3.0) über Commons Wikimedia
