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Prophage – Definition, Funktion und Bedeutung

Ein Prophage ist das in das Bakteriengenom integrierte Erbgut eines Bakteriophagen. Er verbleibt latent und kann unter bestimmten Bedingungen reaktiviert werden.

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Wissenswertes über "Prophage"

Ein Prophage ist das in das Bakteriengenom integrierte Erbgut eines Bakteriophagen. Er verbleibt latent und kann unter bestimmten Bedingungen reaktiviert werden.

Was ist ein Prophage?

Ein Prophage (auch Profage) ist die integrierte Form eines Bakteriophagen – also eines Virus, der Bakterien befällt – im Chromosom seines Wirtsbakteriums. In diesem Zustand liegt das virale Erbgut (DNA) still im bakteriellen Genom eingebettet vor und wird bei jeder Zellteilung des Bakteriums passiv mitverdoppelt und an die Tochterzellen weitergegeben. Dieses Phänomen wird als Lysogenie bezeichnet.

Entstehung und Integration

Die Bildung eines Prophagen beginnt, wenn ein Bakteriophage sein genetisches Material in eine Bakterienzelle einschleust. Anstatt die Wirtszelle sofort zu zerstören (lytischer Zyklus), integriert das virale Genom mithilfe spezifischer Enzyme (sogenannter Integrasen) gezielt in das Chromosom des Bakteriums. Dieser Vorgang heißt Integration, und der daraus entstehende Zustand wird als lysogener Zyklus bezeichnet.

Das virale Erbgut wird Teil des bakteriellen Chromosoms.
Die meisten viralen Gene sind während der Lysogenie inaktiv (reprimiert).
Das Bakterium zeigt nach außen hin keine Anzeichen einer Infektion.

Reaktivierung: Der lytische Zyklus

Unter bestimmten Stressbedingungen – etwa UV-Strahlung, DNA-Schäden oder Nährstoffmangel – kann ein Prophage induziert werden. Das bedeutet, er wird aus dem Bakterienchromosom herausgeschnitten (Exzision), und die virale Replikation beginnt erneut. Neue Phagen werden produziert, die schliesslich die Wirtszelle lysieren (auflösen) und freigesetzt werden, um neue Bakterien zu infizieren.

Biologische und medizinische Bedeutung

Prophagen spielen eine bedeutende Rolle in der Mikrobiologie und Medizin:

Horizontaler Gentransfer: Prophagen können bakterielle Gene zwischen verschiedenen Bakterienstämmen übertragen (sogenannte Transduktion). Auf diese Weise können z. B. Antibiotikaresistenzgene oder Virulenzfaktoren verbreitet werden.
Pathogenität: Viele krankheitserregende Bakterien besitzen Prophagen, die Toxingene tragen. Ein bekanntes Beispiel ist das Shiga-Toxin produzierenden Escherichia coli (STEC), bei dem das Toxingen auf einem Prophagen kodiert ist.
Lysogene Konversion: Durch die Integration eines Prophagen kann das Bakterium neue Eigenschaften erwerben – ein Prozess, der als lysogene Konversion bezeichnet wird. Dies betrifft unter anderem Toxinproduktion und Oberflächenproteine.
Biotechnologie: Prophagen werden in der Forschung und Biotechnologie genutzt, etwa als Werkzeuge zur Genmanipulation oder zur Entwicklung neuer Therapieansätze (Phagentherapie).

Prophagen im menschlichen Mikrobiom

Das menschliche Mikrobiom – die Gesamtheit aller Mikroorganismen im und am menschlichen Körper – enthält eine Vielzahl von Bakterien, die wiederum Prophagen tragen. Diese sogenannten Phagen im Mikrobiom beeinflussen die Zusammensetzung und Stabilität der Bakteriengemeinschaften erheblich. Forschungen legen nahe, dass ein Ungleichgewicht im Phagom (der Gesamtheit aller Phagen) mit verschiedenen Erkrankungen in Verbindung stehen könnte.

Abgrenzung: Prophage vs. aktiver Phage

Es ist wichtig, den Prophagen vom aktiven, frei vorliegenden Bakteriophagen zu unterscheiden:

Prophage: In das Wirtsgenom integriert, inaktiv, wird passiv repliziert.
Aktiver Phage: Frei vorliegend, aktiv replizierend, kann Wirtszellen infizieren und lysieren.

Quellen

Madigan, M. T. et al. - Brock Biology of Microorganisms (15. Auflage). Pearson Education, 2019.
Canchaya, C. et al. - Phage as agents of lateral gene transfer. Current Opinion in Microbiology, 6(4):417-424, 2003. PubMed PMID: 12941415.
Nanda, A. M. et al. - Impact of Spontaneous Prophage Induction on the Fitness of Bacterial Populations and Host-Microbe Interactions. Journal of Bacteriology, 197(3):410-419, 2015. PubMed PMID: 25404693.

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