In der klinischen Mikrobiologie und bei Infektionskrankheiten spielt die Identifizierung von Bakterien eine entscheidende Rolle. Eine weit verbreitete Methode zur Identifizierung und Taxonomie von Bakterien ist die Analyse der 16S-rRNA-Gensequenz. Aber warum wird gerade dieses Gen verwendet und welche Auswirkungen hat es?
Die Wahl des 16S-rRNA-Gens als Sequenzierungsziel
In den 1960er Jahren stellte Dubnau et al. fest, dass die Beziehungen zwischen den 16S-rRNA-Gensequenzen bei Bacillus spp. konserviert sind. Die Verwendung dieser Gensequenz für die Bakterienidentifizierung und -taxonomie folgte pionierhafter Arbeit von Woese, der wichtige Eigenschaften definierte. Vor allem scheint sich das 16S-rRNA-Gen wie ein molekularer Chronometer zu verhalten. Die Konservierung resultiert vermutlich aus der Bedeutung der 16S-rRNA als wichtiger Bestandteil der Zellfunktion. Im Gegensatz zu den Genen, die zur Herstellung von Enzymen benötigt werden, können Mutationen in den 16S-rRNA-Genen häufiger toleriert werden. Weniger einzigartige und essentielle Strukturen wie rRNA können durch diese Mutationen beeinflusst werden. Dadurch ist das 16S-rRNA-Gen eines der am besten konservierten Gene. Obwohl die absolute Veränderungsrate der 16S-rRNA-Gensequenz nicht bekannt ist, markiert sie die evolutionäre Distanz und Verwandtschaft der Organismen.
Die Bedeutung der 16S-rRNA-Gensequenz
Das 16S-rRNA-Gen ist etwa 1550 Basenpaare lang und besteht aus variablen und konservierten Regionen. Die Universalprimer sind in der Regel komplementär zu den konservierten Regionen am Anfang und am Ende des Gens und die Sequenz der variablen Region dazwischen wird für die vergleichende Taxonomie verwendet. Die GenBank, die größte Datenbank für Nukleotidsequenzen, enthält über 20 Millionen abgelegte Sequenzen, von denen über 90.000 das 16S-rRNA-Gen enthalten. Dadurch können die Sequenzen unbekannter Stämme mit den zuvor abgelegten Sequenzen verglichen werden. Die Vergleichbarkeit der 16S-rRNA-Gensequenzen erlaubt eine Unterscheidung zwischen Organismen auf der Gattungsebene in allen bedeutenden Bakterienstämmen. Gelegentliche Ausnahmen von der Nützlichkeit der 16S-rRNA-Gensequenzierung beziehen sich in der Regel auf mehrere wohlbekannte Arten, die die gleichen oder sehr ähnliche Sequenzen aufweisen.
Die Länge der 16S-rRNA-Gensequenz
Die Entscheidung, ob die gesamte 1.500-Basenpaar-Länge sequenziert oder nur die häufiger berichteten kürzeren Sequenzen verwendet werden sollen, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Für die meisten klinischen bakteriellen Isolate reicht eine Sequenzierung von 500 Basenpaaren zur Identifizierung aus und kann tatsächlich einen größeren Prozentunterschied zwischen den Stämmen liefern. Dies liegt daran, dass die Region etwas mehr Diversität pro sequenziertem Kilobase aufweist. Die Generierung der 500-Basenpaar-Sequenz ist auch kostengünstiger und einfacher, da für die Generierung der 1.500-Basenpaar-Sequenz mehr Sequenzreaktionen erforderlich sind.
Andere genomische Regionen und Vergleichsmethoden
Neben der 16S-rRNA-Gensequenz wurden auch andere genomische Regionen verwendet, um die phylogenetischen Beziehungen zwischen Bakterien zu untersuchen. Die Analyse des gesamten Genoms gestaltet sich jedoch schwierig, da die Genome unterschiedliche Größen aufweisen und Gen-Duplikationen, -Übertragungen, -Löschungen, -Fusionen und -Aufspaltungen häufig vorkommen. Bisher gibt es weniger als 100 komplette Genome zum Vergleich. Dennoch wurden Ähnlichkeiten zwischen den Bäumen, die auf der Analyse des gesamten Genoms und der 16S-rRNA-Gensequenz beruhen, beobachtet. Andere Bereiche des rRNA-Gens wurden ebenfalls zur Untersuchung phylogenetischer Beziehungen zwischen Bakterien verwendet. Beispielsweise wurden die internen transkribierten Spacer-Sequenzen des 16S-23S-rRNA-Gens verwendet, um zwischen den Arten der Gattung Mycobacterium zu unterscheiden. Einige Forscher finden, dass die Verwendung von 16S-rRNA-Gensequenzen für phylogenetische Analysen viel nützlicher ist als die Verwendung des 16S-23S-rRNA-Gens.
Fazit
Die Analyse der 16S-rRNA-Gensequenz hat in der klinischen Mikrobiologie und bei Infektionskrankheiten eine große Bedeutung. Die Konservierung und Vergleichbarkeit der Sequenzen ermöglichen die Identifizierung von Bakterien und die Unterscheidung von Organismen auf verschiedenen Taxonomieebenen. Sie ist eine weit verbreitete Methode, um unbekannte Organismen zu identifizieren. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass diese Methode nicht immer ausreichend ist, um Stämme für epidemiologische Zwecke oder zur Identifizierung von bestimmten Virulenzfaktoren zu vergleichen. In solchen Fällen müssen andere Gene oder Methoden eingesetzt werden. Dennoch bleibt die 16S-rRNA-Gensequenzanalyse eine bewährte und weit verbreitete Methode in der klinischen Mikrobiologie.
