Analiza mtDNA
Stopa mutacije mitohondrijske DNA 10x je veća od one u jezgri jer nema mehanizma za popravak. Oko 2-4 % mtDNA mutira jednom u milijun godina, što znači da će usporedba mitohondrijskih i jezgrinih DNA dati veće razlike u mitohondrijskoj nego u jezgrinoj DNA. Stopa mutacije mtDNA također nam pomaže u procjeni vremena divergencije vrsta od zajedničkog pretka (primjerice ako se mtDNA dva organizma razlikuje 1 % to znači da je njihov zajednički predak živio prije 250.000 – 500.000 godina).
Mitohondrijska DNA je zaštićenija (dvostruka membrana) od procesa prirodne selekcije, vrlo malo ili gotovo ništa ne znamo o rekombinaciji, te pokazuje majčinsko nasljeđivanje. Sve to je razlog zbog čega se istraživanja o porijeklu vrsta rade na mtDNA.
U prošlom stoljeću, 1980.-tih godina počela su istraživanja porijekla modernog čovjeka na osnovu analize mtDNA. Uzeti su uzorci mtDNA ženskih osoba iz 5 različitih geografskih područja: Azija, Afrika, Europa, Australija i Nova Gvineja. Mitohondrijska DNA je pocijepana restrikcijskim enzimima te je analiziran svaki haplotip. Pretpostavka je bila da je onaj haplotip koji se najviše razlikuje ujedno i najstariji, jer je bilo potrebno puno vremena za akumulaciju različitih mutacija. Najstariji je afrički haplotip te je prema tome posljednji zajednički predak bila Eva, žena koja je živjela prije oko 200.000 godina u istočnoj Africi (slika 17.10.).
Slika 17.10. Posljednji zajednički predak čovjeka (MRCA, engl. most recent common ancestor) analizom mtDNA bila je Eva iz istočne Afrike, teorija Out of Africa (vlastiti rad Pdeitiker, public domain; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Early_diversification_2011.PNG).
Ovi se nalazi ne slažu s fosilnim nalazima, jer paleontolozi smatraju da je do odvajanja od zajedničkog pretka došlo prije 800.000 g. budući da se tada razvio arhaični čovjek koji je iz Afrike selio u Aziju i Europu te evoluirao u modernog čovjeka. Trenutno dvije hipoteze objašnjavaju porijeklo modernog čovjeka: hipoteza out-of-Africa koja je bazirana na genetskim analizama i multiregionalna analiza bazirana na arheološkim i fosilnim dokazima.
80 % genskog koda modernih Europljana potječe od predaka koji su došli na europski kontinent prije više od 11.000 godina. Porijeklo svih današnjih Europljana čini 7 ženskih loza (analizom mtDNA) i 10 muških loza (analizom polimorfizama kromosoma Y koji se prenosi po muškoj liniji).
Izvankromosomske gene mogu nositi stanice domaćina u obliku plazmida, te virusne ili bakterijske DNA. Ove izvanjezgrine komponente utječu na fenotip domaćina, ali nisu od esencijalnog značenja za stanicu.
KAPPA-čestice
Sonneborn i suradnici su 1930.-tih radili istraživanja na jednostaničnoj praživotinji, papučici. Kada su pomiješali dva različita soja papučice (Paramecium aurelia) primijetili su da su neke praživotinje ugibale. Razlog tomu je bio toksin paramecin. Paramecin luče tzv. kappa-čestice u citoplazmi papučice, koje imaju svoju vlastitu DNA. Te čestice dolaze izvana i zaražavaju stanice, pa ih nazivamo infektivnim česticama. Njihov suživot sa papučicom je oblik simbioze, jer svaki organizam od onog drugog ima koristi. Kappa-čestice se mogu razmnožavati unutar papučice, a budući da luče toksin paramecin papučica ga ispušta u podlogu i tako ubija ostale stanice (fenotip ubojice – engl. killer) koje su osjetljive (nemaju kappa-čestice). Kappa-čestice su gram-negativne bakterije (vrsta Caedobacter taeniospiralis). Preživljavanje kappa-čestica ovisi o genu u jezgri papučice (gen K). Ukoliko papučica u genomu nema tog gena (dominantni oblik), ugroženo je preživljavanje kappa-čestica.
Mu-čestice u papučice (engl. mate killer) su također infektivne čestice. Papučice koje imaju mu-čestice prilikom konjugacije ubijaju partnera. Radi se o bakteriji Caedobacter conjugatus.
Papučice se razmnožavaju spolnim načinom (konjugacija i autogamija; slika 17.11.) te nespolnim (binarna dioba). Na slici 17.12. prikazana je konjugacija i autogamija te ovisnost genotipa o fenotipu (kappa čestice) papučice.
Slika 17.11. Konjugacija papučice (crtež Renata Horvat).
Slika 17.12. Autogamijom heterozigota Kk koji je nastao konjugacijom KK i kk s izmjenom citoplazme nastaju stabilni ubojica i osjetljiva papučica u omjeru 1:1 (crtež Renata Horvat).
Infektivne čestice uočene su i u vinske mušice. Neki sojevi vinske mušice iznimno su osjetljivi na anesteziju ugljičnim dioksidom, dok se drugi vrlo brzo oporavljaju. Uzrok tomu je prisutnost virusa Sigma u stanicama, koji dovodi do pojačane osjetljivosti na CO2. Sigma-čestice prenose se iz generacije u generaciju preko ženskog roditelja (majčinsko nasljeđivanje).
Plazmidi su male kružne molekule DNA koje nalazimo najčešće u bakterijskim stanicama, ali se javljaju i u eukariotskim stanicama (jednostanični kvasci). Plazmidi sadrže gene odgovorne za neka svojstva važna stanici u kojoj se nalaze. Repliciraju se neovisno o bakterijskoj DNA. Mogu se prenositi iz stanice u stanicu i tako utjecati na fenotip, a neki se plazmidi mogu ugrađivati (integrirati) u bakterijski genom.
Neke vrste plazmida i njihova funkcija:
F-plazmid ili faktor fertilnosti određuje spol bakterije
R-plazmid nosi gene za rezistenciju na antibiotike
Col-plazmidi sadrže gene za sintezu kolicina (toksina) koji su toksični za sojeve bakterije E. coli
Ti-plazmid – vektor u genetičkom inženjerstvu (u bakteriji Agrobacterium tumefaciens)