gedurende vele jaren werd aangenomen dat alle bacteriën één enkel, cirkelvormig chromosoom hadden in vergelijking met de eukaryoten, die Lineaire chromosomen hebben. Misschien, was dit toe te schrijven aan de beperkte steekproef van bacteriële spanningen die op het moment en het rangschikken beschikbare technieken worden bestudeerd om de bacteriële chromosomen te onderzoeken. Nochtans, werd dit geloof weerlegd toen bacteriën met veelvoudige en/of lineaire chromosomen in 1989 werden ontdekt.

Enkel-en Cirkelvormig Chromosoom

E. coli supercoiled chromosoom

Cirkelvormig chromosoom kaart van E. coli

In 1963, studies uitgevoerd door verschillende onderzoekers vastgesteld dat de Escherichia coli genoom werd georganiseerd in één cirkelvormig chromosoom . Het bewijs voor de structuur van chromosomale DNA werd getoond door beelden die door autoradiografie, elektronenmicroscopie en bewegende beelden van DNA worden bereikt gebruikend de fluorescentiemicroscopie. Cairns was de eerste onderzoeker die een beeld kreeg van het volledige chromosoom voor E. coli . De gebruikte techniek was autoradiografie waar het chromosoom voor E. coli werd geëtiketteerd gebruikend tritium geëtiketteerd thymidine, een radioactieve isotoop van waterstof . Nochtans, waren de grootte van de chromosomen veranderlijk en was er een lage frequentie van ontdekt cirkelvormen. Verdere experimenten gebaseerd op HFR conjugatie overtuigend aantonen dat E. coli een cirkelchromosoom heeft .

de gepubliceerde gegevens van het cirkelchromosoom in E. coli werden snel overgenomen door veel onderzoekers. Daarom werd E. coli wijd gebruikt als het primaire model om chromosomale replicatie te onderzoeken .

meerdere chromosomen

kaart van twee cirkelvormige chromosomen van R. sphaeroides

Het eerste bewijs van meerdere chromosomen in bacteriën werd gevonden in Rhodobacter sphaeroides, een staafvormige gramnegatieve bacterie (Figuur 2) . De onderzoekers konden een volledige fysieke kaart van het genoom van R. sphaeroides verstrekken door chromosomale fragmenten van DNA door beperking te verkrijgen verteren met AseI, SpeI, DraI, en SnaBI van genomic DNA, dat in het bewijzen van het bestaan van veelvoudige chromosomen hielp . Het puls-veld krijgt elektroforese (PFGE) wordt gebruikt om de molecules van DNA te scheiden door een elektrisch veld toe te passen. In tegenstelling tot de standaard gelelektroforese wordt de spanning constant in drie verschillende richtingen geschakeld . De veronderstelling hier is dat cirkeldna onbeweeglijk is terwijl het grootste deel van DNA door breuk wordt gemobiliseerd . Het voordeel van de PFGE is dat het DNA ‘ s kan scheiden van een paar kilobases (kb) tot meer dan 10 megabase (Mb) paren. De fragmenten van DNA die uit het gebruiken van endonucleases zoals SnaBI worden verkregen veroorzaken een verschillend patroon van banden nuttig voor fysieke in kaart brengen van de chromosomen. Het eerste bewijsmateriaal dat tot het idee van twee cirkelchromosomen leidde was van de spijsvertering van genomic DNA gebruikend SnaBI en AseI, waar de fragmenten werden gescheiden gebruikend PFGE en kruising met hemA als sonde . De resultaten toonden aan dat het snabi-fragment van 784 kb geheel binnen de Asei-fragmenten D, E en H van 914 kb werd gelokaliseerd . Echter, er is een 130 kb van DNA vermist, wat het rekenkundig onmogelijk maakt aangezien er een totale SnaBI fragment lengte van 1.225 kb moet zijn . Daarom kunnen de AseI-fragmenten D, E en H niet worden samengevoegd met de andere aaneengesloten Asei-fragmenten . Door het proces van het versmallen onderaan hoe de fragmenten verbinden, werden de chromosomen fysiek in kaart gebracht. In een moleculair-basis, werd dit experiment gebruikt om te bepalen dat R. sphaeroides twee cirkelchromosomen hebben, waar één 3.1 Mb is en de andere 0.9 Mb is . In termen van een genetische basis, versterkten de onderbroken paringsexperimenten met behulp van HFR-stammen het bewijs voor de aanwezigheid van meerdere chromosomen in R. sphaeroides .

Lineaire chromosomen

in 1970 werd het eerste bewijs van lineaire chromosomen ontdekt, maar de beperkte beschikbaarheid van wetenschappelijke technieken en een sterk geloof in bacteriële chromosomale circulariteit waren zo overtuigend dat veel mensen dit idee pas veel later accepteerden. Tegen 1989, werd de pulse-field gelelektroforese techniek ontwikkeld, en gebruikt in combinatie met restrictievertalingen om te controleren dat spirochete Borrelia burgdorferi een lineair chromosoom heeft gebruikend een gelijkaardig proces van het vernauwen door de gescheiden fragmenten zoals R. sphaeroides te verbinden . B. burgdorferi was de eerste bacterie om aan te tonen dat lineaire chromosomen in prokaryotes aanwezig zijn, en de grootte van het chromosoom werd gevonden om rond 1.0 Mb te zijn . Deze chromosoomorganisatie is vergelijkbaar met de eukaryotic chromosoomorganisatie.

problemen met lineaire chromosomen

twee problemen doen zich voor met de aanwezigheid en het gebruik van lineaire chromosomen in vergelijking met cirkelvormige chromosomen in prokaryoten. Ten eerste, moeten de vrije double-stranded uiteinden van DNA één of andere vorm van bescherming hebben zodat intracellular nucleases hen niet degraderen . Ten tweede zullen de telomeren, die de uiteinden van de lineaire DNA-moleculen zijn, een ander proces voor DNA-replicatie vereisen . Voor bescherming, zijn er twee soorten telomeren die zijn waargenomen. De eerste heet de palindromic hairpin lussen, waarin er geen vrije double-stranded uiteinden beschikbaar zijn,. Het andere type is invertron telomeren waar de chromosomen een eiwit bevatten dat aan de 5′-einden bindt . Dit kan worden gevonden in Streptomyces lineaire chromosomen. In termen van DNA-replicatie van de uiteinden van de lineaire DNA-moleculen, is niet veel bekend over het mechanisme.

andere bevindingen van lineaire chromosomen

S. griseus is een grampositieve bacterie waarvan bekend is dat hij het antibioticum streptomycine produceert . Deze bacterie heeft ook een lineair chromosoom dat door puls-veldgelelektroforese in combinatie met restrictievertalingen wordt geà dentificeerd . Er zijn ook andere Streptomyces-soorten met lineaire chromosomen geïdentificeerd.

Agrobacterium tumefaciens

met behulp van pulsveldgelelektroforese werd het A. tumefaciens-genoom geanalyseerd, waarbij één lineair chromosoom en één circulair chromosoom werden geïdentificeerd . De grootte van het lineaire chromosoom is 2100 Kb, wat kleiner is dan het cirkelchromosoom van 3000 Kb . De Agrobacterium species hebben een dichte 16S rRNA opeenvolgingsrelatie met Brucella species, die leden hebben gekend om twee cirkelvormige chromosomen te hebben .

andere bevindingen van meerdere chromosomen

B. melitensis is een gramnegatieve coccobacillus bacterie, die twee cirkelvormige chromosomen heeft . De twee chromosoomgroottes zijn 2117 Kb en 1178 Kb . Andere Brucella-soorten met twee cirkelvormige chromosomen zijn B. suis biovar 1, B. suis biovar 2, B. suis biovar 4, B. abortus en B. ovis .

Paracoccus denitrificans

P. denitrificans is een speciale bacterie met drie cirkelvormige chromosomen geïdentificeerd door pulsveldgelelektroforese . De geschatte grootte van de chromosomen is 2, 1.1, en 0.64 Mb .

Vibrio Species

Er zijn veel andere bacteriën met meerdere chromosomen, maar Vibrio species heeft leden die twee cirkelvormige chromosomen hebben . Deze omvatten V. cholerae, V. parahaemolyticus, V. vulnificus en V. fluvialis .

Summary of Currently Known Bacterial Chromosome Organizations

(1) Allardet-Servent, A., Michaux-Charachon, S., Jumas-Bilak, E., Karayan, L. and Ramuz, M. “Presence of One Linear and One Circular Chromosome in the Agrobacterium tumefaciens C58 Genome.” Journal of Bacteriology, 1993, 175(24): 7869-7874

(2) Baril, C., Richaud, C., Baranton, G. and Saint-Girons, I. “Linear Chromosome of Borrelia burgdorferi.”Res.Microbiol., 1989, 140: 507-516

(3) Bendich, A. J. “The Form of Chromosomal DNA moleculen in Bacterial Cells.”Biochimie, 2001, 83: 177-186

(4) Cairns, J. “The Bacterial Chromosome and its Manner of Replication As Seen By Autoradiography. J. Mol. Biol., 1963, 6: 208-213

(5) Del Vecchio, V. G., Kapatral, V., Elzer, P., Patra, G. and Mujer, C. V. “The Genome of Brucella melitensis.”Veterinary microbiology, 2002, 90: 587-592

(6) Egan, E. S., Fogel, M. A. and Waldor, M. K.” Divided genomen: Het onderhandelen van de celcyclus in Prokaryotes met veelvoudige chromosomen.”Moleculaire Microbiologie, 2005, 56(5): 1129-1138

(7) Griswold, A. “Genome Packaging in Prokaryotes: the Circular Chromosome of E. coli.”Nature Education, 2008, 1(1)

(8) Hinnebusch, J. and Tilly, K. “Linear Plasmids and Chromosomes in Bacteria.”Moleculaire Microbiologie, 1993, 10(5): 917-922

(9) Jumas-Bilak, E., Michaux-Charachon, S., Bourg, G., O’ Callaghan, D. and Ramuz, M. “Differences in Chromosome Number and Genome herschikkingen in the Genus Brucella.”Mol. Microbiol., 1998, 27(1): 99-106

(10) Lezhava A., Mizukami, T., Kajitani, T., Kameoka, D., Redenbach, M., Shinkawa, H., Nimi, O. and Kinashi, H. “Physical Map of the Linear Chromosome of Stremptomyces griseus.”Journal of Bacteriology, 1995, 177(22): 6492-6498

(11) Suwanto, A. and Kaplan, S. “Chromosome Transfer in Rhodobacter sphaeroides: HFR Formation and Genetic Evidence for Two Unique Circular Chromosomes.”Journal of Bacteriology, 1992, 174(4): 1135-1145

(12) Suwanto, A. and Kaplan, S. “Physical and Genetic Mapping of the Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 Genome: Aanwezigheid van twee unieke cirkelvormige chromosomen.”Journal of Bacteriology, 1989, 171(11): 5850-5859

(13) Ussery, D.” Bacteriophage Genetics.”2000, http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke / genetics980311.html

(14) Volff, J. N. and Altenbuchner, J. “A New Beginning with New Ends: Linearisation of Circular Chromosomes during Bacterial Evolution.”Fems Microbiology Letters, 2000, 186: 143-150

(15) Winterstein, C. and Ludwig, B.” Genes Coding for Respiratory Complexes Map on All Three Chromosomes of the Paracoccus denitrificans Genome.” Boog. Microbiol., 1998, 169(4): 275-281

(16) Yamaichi, Y., Iida, T., Park, K. S., Yamamoto, K. and Honda, T. “Physical and Genetic Map of the Genome of Vibrio parahaemolyticus: Presence of Two Chromosomes in Vibrio Species.”Mol Microbiol., 1999, 31(5): 1513-1521