Forskel mellem Mitochondrial DNA og Nuclear DNA

Hvad er DNA?

Deoxyribonucleic acid (DNA) bærer genetisk information, der bruges som et sæt instruktioner for vækst og udvikling, såvel som den ultimative funktion og reproduktion af levende organismer. Det er en nukleinsyre og er en af ​​de fire hovedtyper af makromolekyler, der vides at være essentielle for alle livsformer¹.

Hvert DNA-molekyle består af to biopolymerstrenge, der samler sig omkring hinanden for at danne en dobbelt helix. Disse to DNA-strenge kaldes polynukleotider, da de er lavet af enklere monomerenheder kaldet nukleotider².

Hvert individuelt nukleotid er sammensat af en af ​​fire nitrogenholdige nukleobaser - Cytosin (C), Guanin (G), Adenin (A) eller Thymin (T) - sammen med et sukker kaldet deoxyribose og en fosfatgruppe.

Nukleotider forbindes med hinanden ved hjælp af kovalente bindinger mellem fosfatet i det ene nucleotid og det næste sukker. Dette skaber en kæde, hvilket resulterer i en skiftevis sukker-fosfat rygrad. Nitrogenholdige baser i de to polynukleotidstrenge er bundet sammen af ​​hydrogenbindinger for at fremstille dobbeltstrenget DNA i henhold til strenge baseparringer (A til T og C til G)³.

Inden for eukaryote celler er DNA organiseret i strukturer kaldet kromosomer, hvor hver celle har 23 par kromosomer. Under celledeling duplikeres kromosomer gennem processen med DNA-replikation, så længe hver celle har sit eget komplette sæt kromosomer. Eukaryote organismer som dyr, planter og svampe opbevarer størstedelen af ​​deres DNA inde i cellekernen og noget af deres DNA i organeller, såsom mitokondrier⁴.

Når man befinder sig i forskellige regioner i den eukaryotiske celle, er der et antal grundlæggende forskelle mellem mitokondrielt DNA (mtDNA) og nukleært DNA (nDNA). Baseret på centrale strukturelle og funktionelle egenskaber påvirker disse forskelle, hvordan de fungerer inden for eukaryote organismer.

Organisering og strukturelle forskelle mellem Mitochondrial DNA og Nuclear DNA

Placering → MtDNA ligger udelukkende i mitokondrierne og indeholder 100-1.000 kopier pr. Somatisk celle. Kerne-DNA er placeret i kernen i hver eukaryotisk celle (med nogle undtagelser såsom nerve og røde blodlegemer) og har normalt kun to kopier pr. Somatisk celle⁵.

Struktur → Begge typer DNA er dobbeltstrenget. Imidlertid har nDNA en lineær, åben ende struktur, der er lukket af en kernemembran. Dette adskiller sig fra mtDNA, som normalt har en lukket, cirkulær struktur og ikke er indhyllet af nogen membran

Genstørrelser → Både mtDNA og nDNA har deres egne genomer, men er meget forskellige størrelser. Hos mennesker består størrelsen af ​​mitokondrialt genom kun af 1 kromosom, der indeholder 16.569 DNA-basepar. Det nukleare genom er signifikant større end mitokondrielt, bestående af 46 kromosomer, der indeholder 3,3 milliarder nukleotider.

Genkodning → Det entulære mtDNA-kromosom er meget kortere end de nukleare kromosomer. Det indeholder 36 gener, der koder for 37 proteiner, som alle er specifikke proteiner, der bruges i de metaboliske processer, som mitokondrier udfører (såsom citratsyrecyklus, ATP-syntese og fedtsyremetabolisme). Det nukleare genom er meget større med 20.000-25.000 gener, der koder for alle proteiner, der kræves til dets funktion, som også inkluderer mitokondriske gener. Som semi-autonome organeller kan mitochondrion ikke kode for alle sine egne proteiner. De kan imidlertid kode for 22 tRNA'er og 2 rRNA'er, hvilket nDNA mangler evnen til at gøre.

Funktionelle forskelle

Oversættelsesproces → Oversættelsesprocessen mellem nDNA og mtDNA kan variere. nDNA følger det universelle kodonmønster, men dette er ikke altid tilfældet for mtDNA. Nogle mitokondrielle kodningssekvenser (tripletkodoner) følger ikke det universelle kodonmønster, når de oversættes til proteiner. F.eks. Koder AUA for methionin i mitochondrion (ikke Isoleucin). UGA koder også for tryptophan (ikke et stopkodon som i pattedyrsgenom)⁶.

Transkriptionsproces → Gentranskription inden i mtDNA er polycistronisk, hvilket betyder, at et mRNA dannes med sekvenser, der koder for mange proteiner. Til nuklear gentranskription er processen monocistron, hvor det dannede mRNA har sekvenser, der kun koder for et enkelt protein⁸.

Arv fra genom → Kerne-DNA er diploid, hvilket betyder, at det arver DNA både maternalt og paternalt (23 kromosomer fra hver mor og far). Imidlertid er mitokondrielt DNA haploid, idet det enkelte kromosom arves ned fra modersiden og gennemgår ikke genetisk rekombination⁹.

Mutationsgrad → Da nDNA gennemgår genetisk rekombination, er det en blanding af forældrenes DNA og ændres derfor under arv fra forældrene til deres afkom. Da mtDNA kun arves fra moderen, sker der ingen ændring under transmission, hvilket betyder, at DNA-ændringer kommer fra mutationer. Mutationsgraden i mtDNA er meget højere end i nDNA, som normalt er mindre end 0,3%¹⁰.

Forskelle i anvendelsen af ​​mtDNA og nDNA inden for videnskab

De forskellige strukturelle og funktionelle egenskaber ved mtDNA og nDNA har ført til forskelle i deres anvendelser inden for videnskab. Med sin markant større mutationshastighed er mtDNA blevet brugt som et kraftfuldt værktøj til sporing af aner og afstamning gennem hunner (matrilineage). Der er udviklet metoder, der bruges til at spore stamtavlen til mange arter tilbage gennem hundreder af generationer og er blevet bærebjælken i filogenetik og evolutionær biologi.

På grund af den højere mutationshastighed udvikler mtDNA sig meget hurtigere end nukleære genetiske markører¹¹. Der er mange variationer mellem de koder, der bruges af mtDNA, der stammer fra mutationer, hvoraf mange ikke er skadelige for deres organismer. Ved at bruge denne større mutationshastighed og disse ikke-skadelige mutationer bestemmer forskere mtDNA-sekvenser og sammenligner dem fra forskellige individer eller arter.

Der konstrueres derefter et netværk af sammenhænge mellem disse sekvenser, der giver et estimat af forholdene mellem enten individer eller arter, hvorfra mtDNA blev taget. Dette giver en idé om, hvor tæt og fjernt beslægtet hinanden er - jo flere mtDNA-mutationer, der er ens i hver af deres mitokondriske genomer, jo mere beslægtede er de.

På grund af den lavere mutationshastighed af nDNA har det en mere begrænset anvendelse inden for filogenetik. I betragtning af de genetiske instruktioner, den har for udvikling af alle levende organismer, har forskere anerkendt dets anvendelse i retsmedicin.

Hver enkelt person har en unik genetisk plan, selv identiske tvillinger¹². Retsmedicinske afdelinger er i stand til at anvende polymerasekædereaktionsteknikker (PCR) teknikker ved hjælp af nDNA til at sammenligne prøver i et tilfælde. Dette involverer anvendelse af små mængder nDNA til at fremstille kopier af målrettede regioner kaldet korte tandem-gentagelser (STRs) på molekylet¹³. Fra disse STR'er opnås en 'profil' fra bevisoptagelser, som derefter kan sammenlignes med kendte prøver taget fra de personer, der er involveret i sagen.

Humant mtDNA kan også bruges til at hjælpe med at identificere individer, der bruger retsmedicin, men i modsætning til nDNA er det ikke specifikt for et individ, men kan bruges i kombination med andre beviser (såsom antropologiske og omstændigheder) til at identificere. Da mtDNA har et større antal kopier pr. Celle end nDNA, har det evnen til at identificere meget mindre, beskadigede eller nedbrudte biologiske prøver¹⁴. Det større antal mtDNA-kopier pr. Celle end nDNA gør det også muligt at få et DNA-match med en levende slægtning, selvom adskillige modergenerationer adskiller dem fra skeletresterne af en slægtning.

Tabulær sammenligning af nøgleforskelle mellem Mitochondrial og nuclear DNA

	Mitochondrial DNA	Kerne-DNA
Beliggenhed	Mitokondrier	Cellekernen
Kopier pr. Somatisk celle	100-1.000	2
Struktur	Cirkulær og lukket	Lineær og åben ende
Membranindkapsling	Ikke indhyllet af en membran	Lukket af en nukleær membran
Genstørrelse	1 kromosom med 16.569 basepar	46 kromosomer med 3,3 milliarder basepar
Antal gener	37 gener	20.000-25.000 gener
Metode til arv	maternal	Mor og far
Metode til oversættelse	Nogle kodoner følger ikke det universelle kodonmønster	Følger universelt kodonmønster
Metode til transkription	polycistronisk	monocistronisk