Viele Jahre lang glaubte man, dass alle Bakterien im Vergleich zu den Eukaryoten, die lineare Chromosomen haben, ein einzelnes zirkuläres Chromosom haben. Vielleicht lag dies an der begrenzten Stichprobe der damals untersuchten Bakterienstämme und den verfügbaren Sequenzierungstechniken zur Untersuchung der bakteriellen Chromosomen. Dieser Glaube wurde jedoch widerlegt, als 1989 Bakterien mit multiplen und / oder linearen Chromosomen entdeckt wurden.

Einzelnes und kreisförmiges Chromosom

E. coli supercoiled chromosom

Zirkuläre Chromosomenkarte von E. coli

1963 stellten Studien mehrerer Forscher fest, dass das Escherichia coli-Genom in einem einzigen zirkulären Chromosom organisiert war . Der Beweis für die Struktur der chromosomalen DNA wurde durch Bilder gezeigt, die durch Autoradiographie, Elektronenmikroskopie und bewegte Bilder von DNA unter Verwendung der Fluoreszenzmikroskopie erzielt wurden. Cairns war der erste Forscher, der ein Bild des gesamten Chromosoms für E. coli erhielt . Die verwendete Technik war die Autoradiographie, bei der das Chromosom für E. coli mit Tritium markiertem Thymidin, einem radioaktiven Isotop von Wasserstoff, markiert wurde . Die Größen der Chromosomen waren jedoch variabel und es wurde eine geringe Häufigkeit von Kreisformen festgestellt. Weitere Experimente basierend auf der Hfr-Konjugation zeigten überzeugend, dass E. coli ein zirkuläres Chromosom hat .

Die veröffentlichten Daten des zirkulären Chromosoms in E. coli wurden von vielen Forschern schnell übernommen. Daher wurde E. coli als primäres Modell zur Untersuchung der chromosomalen Replikation weit verbreitet .

Mehrere Chromosomen

Karte von zwei kreisförmigen Chromosomen von R. sphaeroides

Der erste Nachweis von multiplen Chromosomen in Bakterien wurde in Rhodobacter sphaeroides, einem stäbchenförmigen, gramnegativen Bakterium, gefunden (Abbildung 2) . Die Forscher konnten eine vollständige physikalische Karte des R. sphaeroides-Genoms bereitstellen, indem sie chromosomale DNA-Fragmente durch Restriktionsverdau mit AseI, SpeI, DraI und SnaBI aus der genomischen DNA erhielten, was zum Nachweis der Existenz mehrerer Chromosomen beitrug . Die Pulsfeld-Elektrophorese (PFGE) wird verwendet, um die DNA-Moleküle durch Anlegen eines elektrischen Feldes zu trennen. Im Gegensatz zur Standard-Gelelektrophorese wird die Spannung ständig in drei verschiedene Richtungen geschaltet . Die Annahme hier ist, dass zirkuläre DNA unbeweglich ist, während der größte Teil der DNA durch Bruch mobilisiert wird . Der Vorteil des PFGE ist, dass es DNAs von einigen Kilobasen (kb) bis über 10 Megabase (Mb) Paaren trennen kann. Die DNA-Fragmente, die unter Verwendung von Endonukleasen wie SnaBI erhalten werden, erzeugen ein eindeutiges Muster von Banden, die für die physikalische Kartierung der Chromosomen nützlich sind. Der erste Beweis, der zur Idee von zwei zirkulären Chromosomen führte, war der genomische DNA-Aufschluss unter Verwendung von SnaBI und AseI, wo die Fragmente unter Verwendung von PFGE und Hybridisierung mit hemA als Sonde getrennt wurden . Die Ergebnisse zeigten, dass sich das SnaBI-Fragment von 784 kb genau innerhalb der AseI-Fragmente D, E und H von 914 kb befand . Es sind jedoch 130 kb DNA nicht berücksichtigt, was es rechnerisch unmöglich macht, da es eine Gesamtlänge des SnaBI-Fragments von 1.225 kb geben muss . Daher können die AseI-Fragmente D, E und H nicht mit den anderen zusammenhängenden AseI-Fragmenten verbunden werden. Durch den Prozess der Eingrenzung der Verbindung der Fragmente wurden die Chromosomen physikalisch kartiert. Auf molekularer Basis wurde mit diesem Experiment festgestellt, dass R. sphaeroides zwei zirkuläre Chromosomen hat, von denen eines 3,1 MB und das andere 0,9 Mb beträgt . In Bezug auf eine genetische Basis verstärkten die unterbrochenen Paarungsexperimente mit Hfr-Stämmen den Beweis für das Vorhandensein mehrerer Chromosomen in R. sphaeroides .

Lineare Chromosomen

1970 wurden die ersten Beweise für lineare Chromosomen entdeckt, aber die begrenzte Verfügbarkeit wissenschaftlicher Techniken und der starke Glaube an die bakterielle chromosomale Zirkularität waren so überzeugend, dass viele Menschen diese Idee erst viel später annahmen. Bis 1989 wurde die Pulsfeld-Gelelektrophorese-Technik entwickelt und in Verbindung mit Restriktionsverdauungen verwendet, um zu verifizieren, dass Spirochete Borrelia burgdorferi ein lineares Chromosom aufweist, wobei ein ähnlicher Prozess der Verengung durch Verbinden der getrennten Fragmente wie die R. sphaeroides . B. burgdorferi war das erste Bakterium, das zeigte, dass lineare Chromosomen in Prokaryoten vorhanden sind, und die Größe des Chromosoms betrug etwa 1,0 Mb . Diese Chromosomenorganisation ist vergleichbar mit der eukaryotischen Chromosomenorganisation.

Probleme mit linearen Chromosomen

Zwei Probleme ergeben sich bei der Anwesenheit und Verwendung von linearen Chromosomen im Vergleich zu zirkulären Chromosomen in Prokaryoten. Erstens müssen die freien doppelsträngigen DNA-Enden einen gewissen Schutz haben, damit intrazelluläre Nukleasen sie nicht abbauen . Zweitens erfordern die Telomere, die die Enden der linearen DNA-Moleküle sind, einen anderen Prozess für die DNA-Replikation . Zum Schutz wurden zwei Arten von Telomeren beobachtet. Die erste wird als palindromische Haarnadelschleife bezeichnet, bei der keine freien doppelsträngigen Enden verfügbar sind, . Der andere Typ sind Invertron-Telomere, bei denen die Chromosomen ein Protein enthalten, das an die 5′-Enden bindet , . Dies kann in Streptomyces linearen Chromosomen gefunden werden. In Bezug auf die DNA-Replikation der Enden der linearen DNA-Moleküle ist nicht viel über den Mechanismus bekannt.

Weitere Befunde linearer Chromosomen

S. griseus ist ein grampositives Bakterium, von dem bekannt ist, dass es das Antibiotikum Streptomycin produziert . Dieses Bakterium hat auch ein lineares Chromosom, das durch Pulsfeld-Gelelektrophorese in Verbindung mit Restriktionsverdauen identifiziert wurde . Es werden auch andere Streptomyces-Arten mit linearen Chromosomen identifiziert.

Agrobacterium tumefaciens

Mittels Pulsfeld-Gelelektrophorese wurde das A. tumefaciens-Genom analysiert, wobei ein lineares Chromosom und ein zirkuläres Chromosom identifiziert wurden . Die Größe des linearen Chromosoms beträgt 2100 Kb, was kleiner ist als das zirkuläre Chromosom mit 3000 Kb . Die Agrobacterium-Arten haben eine enge 16s-rRNA-Sequenzbeziehung zu Brucella-Arten, von denen bekannt ist, dass sie zwei zirkuläre Chromosomen haben .

Weitere Befunde mehrerer Chromosomen

B. melitensis ist ein gramnegatives coccobacillus-Bakterium, das zwei zirkuläre Chromosomen aufweist . Die beiden Chromosomengrößen sind 2117 Kb und 1178 Kb . Andere Brucella-Arten mit zwei zirkulären Chromosomen umfassen B. suis biovar 1, B. suis biovar 2, B. suis biovar 4, B. abortus und B. ovis .

Paracoccus denitrificans

P. denitrificans ist ein spezielles Bakterium mit drei zirkulären Chromosomen, die durch Pulsfeld-Gelelektrophorese identifiziert wurden . Die ungefähren Größen der Chromosomen sind 2, 1,1 und 0,64 Mb .

Vibrio Species

Es gibt viele andere Bakterien mit mehreren Chromosomen, aber Vibrio species hat Mitglieder, die zwei zirkuläre Chromosomen haben . Dazu gehören V. cholerae, V. parahaemolyticus, V. vulnificus und V. fluvialis .

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