Różnica między mitochondrialnym DNA a jądrowym DNA

Co to jest DNA?

Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) przenosi informacje genetyczne, które są wykorzystywane jako zestaw instrukcji wzrostu i rozwoju, a także ostateczne funkcjonowanie i reprodukcja żywych organizmów. Jest to kwas nukleinowy i jest jednym z czterech głównych rodzajów makrocząsteczek, o których wiadomo, że są niezbędne dla wszystkich form życia¹.

Każda cząsteczka DNA składa się z dwóch pasm biopolimerowych zwijających się wokół siebie, tworząc podwójną helisę. Te dwa nici DNA nazywane są polinukleotydami, ponieważ są wykonane z prostszych jednostek monomerowych zwanych nukleotydami².

Każdy pojedynczy nukleotyd składa się z jednej z czterech nukleobaz zawierających azot - cytozyny (C), guaniny (G), adeniny (A) lub tyminę (T) - wraz z cukrem zwanym deoksyrybozą i grupą fosforanową grupą fosforanową.

Nukleotydy są łączone ze sobą przez kowalencyjne wiązania, między fosforanem jednego nukleotydu a cukrem następnego. To tworzy łańcuch, co powoduje naprzemienny kręgosłup cukru. Podstawy azotu dwóch nici polinukleotydowych są łączone ze sobą wiązaniami wodorowymi, aby wykonać podwójnie dotknięty DNA zgodnie z ścisłymi parami zasad (A do T i C do G)³.

W komórkach eukariotycznych DNA jest organizowane w struktury zwane chromosomami, przy czym każda komórka ma 23 pary chromosomów. Podczas podziału komórek chromosomy są powielane przez proces replikacji DNA, o ile każda komórka ma swój własny kompletny zestaw chromosomów. Organizmy eukariotyczne, takie jak zwierzęta, rośliny i grzyby, przechowują większość ich DNA w jądrze komórkowym i niektóre z ich DNA w organellach, takich jak mitochondria⁴.

Znajdując się w różnych regionach komórki eukariotycznej, istnieje szereg podstawowych różnic między mitochondrialnym DNA (mtDNA) i jądrowym DNA (nDNA). W oparciu o kluczowe właściwości strukturalne i funkcjonalne różnice te wpływają na sposób działania w organizmach eukariotycznych.

Organizacja i różnice strukturalne mitochondrialnego DNA i jądrowe DNA

Lokalizacja → MtDNA zlokalizowane wyłącznie w mitochondriach zawiera 100-1000 kopii na komórkę somatyczną. DNA jądrowe znajduje się w jądrze każdej komórki eukariotycznej (z pewnymi wyjątkami, takimi jak nerw i czerwone krwinki) i zwykle ma tylko dwie kopie na komórkę somatyczną⁵.

Struktura → Oba rodzaje DNA są podwójnie dotknięte. Jednak nDNA ma liniową, otwartą strukturę, która jest zamknięta przez błonę jądrową. Różni się to od mtDNA, który zwykle ma zamkniętą, okrągłą strukturę i nie jest otoczona żadną membraną

Rozmiary genomu → Zarówno mtDNA, jak i nDNA mają własne genomy, ale mają bardzo różne rozmiary. U ludzi wielkość genomu mitochondrialnego składa się tylko z 1 chromosomu, który zawiera 16 569 par zasad DNA. Genom jądrowy jest znacznie większy niż mitochondrialny, składający się z 46 chromosomów zawierających 3.3 miliardy nukleotydów.

Kodowanie genów → Samotny chromosom mtDNA jest znacznie krótszy niż chromosomy jądrowe. Zawiera 36 genów, które kodują dla 37 białek, z których wszystkie są specyficznymi białkami stosowanymi w procesach metabolicznych Podejmowanie mitochondriów (takie jak cykl kwasu cytrynianowego, synteza ATP i metabolizm kwasów tłuszczowych). Genom jądrowy jest znacznie większy, z 20 000-25 000 genów kodujących wszystkie białka wymagane do jego funkcji, które obejmują również geny mitochondrialne. Będąc częściowo autonomicznymi organellami, mitochondrion nie może kodować wszystkich własnych białek. Mogą jednak zakodować dla 22 trNA i 2 rRNA, których ndna nie ma możliwości wykonania.

Różnice funkcjonalne

Proces tłumaczenia → Proces translacji między nDNA i mtDNA może się różnić. NDNA podąża za uniwersalnym wzorem kodonu, jednak nie zawsze dotyczy to mtDNA. Niektóre mitochondrialne sekwencje kodowania (kodony trypletowe) nie przestrzegają uniwersalnego wzoru kodonu, gdy są one przetłumaczone na białka. Na przykład kody AUA dla metioniny w mitochondrii (nie izoleucyna). UGA koduje również tryptofan (nie kodon stop, jak w genomie ssaków)⁶.

Proces transkrypcji → Transkrypcja genów w mtDNA jest polikystronna. W przypadku transkrypcji genów jądrowej Proces jest monokistron⁸.

Dziedziczenie genomu → DNA jądrowe jest diploidalne, co oznacza, że ​​dziedziczy DNA zarówno matczyny, jak i ojcowski (23 chromosomy od każdej matki i ojca). Jednak mitochondrialny DNA jest haploidalny, przy czym pojedynczy chromosom jest dziedziczony po stronie matki i nie ulega rekombinacji genetycznej⁹.

Wskaźnik mutacji → Gdy nDNA przechodzi rekombinację genetyczną, jest to tasowanie DNA rodzica i dlatego jest zmieniany podczas dziedziczenia po rodzicach na ich potomstwo. Ponieważ jednak mtDNA jest dziedziczony tylko po matce, nie ma zmian podczas transmisji, co oznacza, że ​​wszelkie zmiany DNA pochodzą z mutacji. Szybkość mutacji w mtDNA jest znacznie wyższa niż w nDNA, która zwykle jest mniejsza niż 0.3%¹⁰.

Różnice w stosowaniu mtDNA i ndNA w nauce

Różne właściwości strukturalne i funkcjonalne mtDNA i ndNA doprowadziły do ​​różnic w ich zastosowaniach w nauce. Przy znacznie większym wskaźniku mutacji mtDNA został wykorzystany jako potężne narzędzie do śledzenia przodków i linii przez kobiety (Matrilineage). Opracowano metody, które są wykorzystywane do śledzenia przodków wielu gatunków z powrotem przez setki pokoleń i stały się podstawą filogenetyki i biologii ewolucyjnej.

Ze względu na wyższą szybkość mutacji mtDNA ewoluuje znacznie szybciej niż markery genetyczne jądrowe¹¹. Istnieje wiele odmian wśród kodów używanych przez mtDNA, które wynikają z mutacji, z których wiele nie jest szkodliwych dla ich organizmów. Wykorzystując ten większy wskaźnik mutacji i te niehmurne mutacje, naukowcy określają sekwencje mtDNA i porównują je od różnych osób lub gatunków.

Następnie konstruowana jest sieć relacji między tymi sekwencjami, która zapewnia oszacowanie relacji między osobnikami lub gatunkami, z których pobierano mtDNA. Daje to wyobrażenie o tym, jak blisko i odległy jest każdy z nich - im więcej mutacji mtDNA, które są takie same w każdym z ich genomów mitochondrialnych, tym bardziej są powiązane.

Ze względu na niższą szybkość mutacji nDNA ma on bardziej ograniczone zastosowanie w dziedzinie filogenetyki. Jednak biorąc pod uwagę instrukcje genetyczne, które posiada dla rozwoju wszystkich żywych organizmów, naukowcy rozpoznali jego zastosowanie w kryminalistyce.

Każda osoba ma unikalny plan genetyczny, nawet identyczne bliźniaki¹². Departamenty kryminalistyczne są w stanie zastosować techniki reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR) za pomocą nDNA, aby porównać próbki w przypadku. Obejmuje to stosowanie niewielkich ilości nDNA do wykonywania kopii ukierunkowanych regionów zwanych krótkimi powtórzeniami tandemowymi (STR) na cząsteczce¹³. Z tych STR uzyskano „profil” z pozycji dowodowych, które można następnie porównać ze znanymi próbkami pobranymi od osób zaangażowanych w sprawę.

Ludzki mtDNA może być również użyty do pomocy identyfikacji osób za pomocą kryminalistyki, jednak w przeciwieństwie do nDNA, nie jest specyficzny dla jednej osoby, ale może być stosowany w połączeniu z innymi dowodami (takimi jak dowody antropologiczne i poszlakowe) w celu ustalenia identyfikacji. Ponieważ mtDNA ma większą liczbę kopii na komórkę niż nDNA, ma zdolność do identyfikacji znacznie mniejszych, uszkodzonych lub zdegradowanych próbek biologicznych¹⁴. Większa liczba kopii mtDNA na komórkę niż nDNA umożliwia również uzyskanie dopasowania DNA z żywym względnym, nawet jeśli wiele pokoleń matczynych oddziela je od szkieletowych pozostałości względnych.

Porównanie tabelarycznych kluczowych różnic między mitochondrialnym i jądrowym DNA