Różnica między mitochondrialnym DNA a jądrowym DNA

Co to jest DNA??

Kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) przenosi informacje genetyczne, które są wykorzystywane jako zestaw instrukcji dotyczących wzrostu i rozwoju, a także ostatecznego funkcjonowania i reprodukcji 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 nici biopolimerowych zwijających się wokół siebie, tworząc podwójną helisę. Te dwie nici DNA nazywane są polinukleotydami, ponieważ są zbudowane z prostszych jednostek monomeru zwanych nukleotydami²⁾.

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

Nukleotydy są połączone ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi, między fosforanem jednego nukleotydu i cukrem następnego. Tworzy to łańcuch, w wyniku czego powstaje naprzemienny szkielet cukrowo-fosforanowy. Azotowe zasady dwóch nici polinukleotydowych są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi, tworząc dwuniciowy DNA zgodnie z ścisłymi parami zasad (od A do T i od C do G)³⁾.

W komórkach eukariotycznych DNA jest zorganizowane w struktury zwane chromosomami, przy czym każda komórka ma 23 pary chromosomów. Podczas podziału komórki chromosomy są duplikowane w procesie replikacji DNA, o ile każda komórka ma swój własny kompletny zestaw chromosomów. Organizmy eukariotyczne, takie jak zwierzęta, rośliny i grzyby, przechowują większość swojego DNA w jądrze komórkowym, a niektóre DNA w organellach, takich jak mitochondria⁴.

Znajdując się w różnych regionach komórki eukariotycznej, istnieje wiele fundamentalnych różnic między mitochondrialnym DNA (mtDNA) a jądrowym DNA (nDNA). W oparciu o kluczowe właściwości strukturalne i funkcjonalne różnice te wpływają na to, jak działają w organizmach eukariotycznych.

Różnice organizacyjne i strukturalne DNA mitochondrialnego i DNA nuklearnego

Lokalizacja → Znajdujący się wyłącznie w mitochondriach mtDNA zawiera 100–1 000 kopii na komórkę somatyczną. Jądrowy DNA 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 typy DNA są dwuniciowe. 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 otoczony żadną błoną

Rozmiary genomu → Zarówno mtDNA, jak i nDNA mają własne genomy, ale mają bardzo różne rozmiary. U ludzi rozmiar genomu mitochondrialnego składa się tylko z 1 chromosomu zawierającego 16 569 par zasad DNA. Genom jądrowy jest znacznie większy niż mitochondrialny, składający się z 46 chromosomów zawierających 3,3 miliarda nukleotydów.

Kodowanie genów → Pojedynczy chromosom mtDNA jest znacznie krótszy niż chromosomy jądrowe. Zawiera 36 genów kodujących 37 białek, z których wszystkie są białkami specyficznymi wykorzystywanymi w procesach metabolicznych, które podejmują mitochondria (takie jak cykl kwasu cytrynowego, synteza ATP i metabolizm kwasów tłuszczowych). Genom jądrowy jest znacznie większy, a 20 000–25 000 genów koduje wszystkie białka wymagane do jego funkcji, w tym także geny mitochondrialne. Będąc częściowo autonomicznymi organellami, mitochondrium nie może kodować wszystkich własnych białek. Mogą jednak kodować 22 tRNA i 2 rRNA, których nDNA nie ma możliwości zrobienia.

Różnice funkcjonalne

Proces tłumaczenia → Proces translacji między nDNA i mtDNA może się różnić. nDNA jest zgodny z uniwersalnym wzorem kodonów, jednak nie zawsze tak jest w przypadku mtDNA. Niektóre mitochondrialne sekwencje kodujące (kodony tripletowe) nie są zgodne z uniwersalnym wzorem kodonów, gdy są one tłumaczone na białka. Na przykład kody AUA dla metioniny w mitochondrium (nie izoleucyna). UGA koduje również tryptofan (nie kodon stop jak w genomie ssaków)⁶.

Proces transkrypcji → Transkrypcja genu w obrębie mtDNA ma charakter policystronowy, co oznacza, że ​​mRNA powstaje z sekwencji kodujących wiele białek. W przypadku transkrypcji genów jądrowych proces jest monocistronowy, gdzie powstały mRNA ma sekwencje kodujące tylko pojedyncze białko⁸.

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

Wskaźnik mutacji → Gdy nDNA podlega rekombinacji genetycznej, jest to tasowanie DNA rodzica i dlatego ulega zmianie podczas dziedziczenia od rodziców do potomstwa. Ponieważ jednak mtDNA jest dziedziczone tylko od matki, nie ma żadnych zmian podczas transmisji, co oznacza, że ​​wszelkie zmiany DNA pochodzą od mutacji. Częstotliwość mutacji w mtDNA jest znacznie wyższa niż w nDNA, która zwykle jest mniejsza niż 0,3%¹⁰.

Różnice w zastosowaniu mtDNA i nDNA w nauce

Różne właściwości strukturalne i funkcjonalne mtDNA i nDNA doprowadziły do ​​różnic w ich zastosowaniu w nauce. Dzięki znacznie większej częstości mutacji mtDNA zostało wykorzystane jako potężne narzędzie do śledzenia pochodzenia i linii przez kobiety (matrilineage). Opracowano metody, które są wykorzystywane do śledzenia pochodzenia wielu gatunków od setek pokoleń i stały się filarem filogenetyki i biologii ewolucyjnej.

Ze względu na wyższy wskaźnik mutacji mtDNA ewoluuje znacznie szybciej niż jądrowe markery genetyczne¹¹. Istnieje wiele odmian kodów używanych przez mtDNA, które powstają w wyniku mutacji, z których wiele nie jest szkodliwych dla ich organizmów. Wykorzystując ten wyższy wskaźnik mutacji i te nieszkodliwe mutacje, naukowcy określają sekwencje mtDNA i porównują je od różnych osobników lub gatunków.

Następnie budowana jest sieć zależności między tymi sekwencjami, która zapewnia oszacowanie relacji między osobnikami lub gatunkami, z których pobrano mtDNA. Daje to wyobrażenie o tym, jak blisko i daleki jest ich związek - im więcej mutacji mtDNA jest takich samych w każdym z ich genomów mitochondrialnych, tym bardziej są one powiązane.

Ze względu na niższy wskaźnik mutacji nDNA ma on bardziej ograniczone zastosowanie w dziedzinie filogenetyki. Jednak biorąc pod uwagę instrukcje genetyczne dotyczące rozwoju wszystkich żywych organizmów, naukowcy rozpoznali jego zastosowanie w medycynie sądowej.

Każda osoba ma unikalny plan genetyczny, nawet identyczne bliźniaki¹². Działy kryminalistyczne są w stanie stosować techniki reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR) przy użyciu nDNA do porównywania próbek w przypadku. Wymaga to użycia niewielkich ilości nDNA do wykonania kopii docelowych regionów zwanych krótkimi powtórzeniami tandemowymi (STR) w cząsteczce¹³. Z tych STR uzyskuje się „profil” na podstawie dowodów, które można następnie porównać ze znanymi próbkami pobranymi od osób zaangażowanych w sprawę.

Ludzki mtDNA można również wykorzystać do identyfikacji osób korzystających z medycyny sądowej, jednak w przeciwieństwie do nDNA, nie jest on specyficzny dla jednej osoby, ale może być stosowany w połączeniu z innymi dowodami (takimi jak dowody antropologiczne i poszlakowe) w celu ustalenia tożsamości. Ponieważ mtDNA ma większą liczbę kopii na komórkę niż nDNA, ma zdolność do identyfikowania znacznie mniejszych, uszkodzonych lub zdegradowanych próbek biologicznych¹⁴. Większa liczba kopii mtDNA na komórkę niż nDNA umożliwia także uzyskanie dopasowania DNA do żyjącego krewnego, nawet jeśli liczne pokolenia matek oddzielają je od resztek szkieletowych krewnego.

Tabelaryczne porównanie kluczowych różnic między mitochondrialnym a jądrowym DNA

	DNA mitochondrialne	DNA jądrowe
Lokalizacja	Mitochondria	Jądro komórkowe
Liczba kopii na komórkę somatyczną	100–1 000	2)
Struktura	Okrągły i zamknięty	Liniowy i otwarty
Obudowa membranowa	Nie otoczona membraną	Otoczony błoną jądrową
Rozmiar genomu	1 chromosom z 16 569 parami zasad	46 chromosomów o 3,3 miliarda par zasad
Liczba genów	37 genów	20 000–25 000 genów
Metoda dziedziczenia	Macierzyński	Matczyny i ojcowski
Metoda tłumaczenia	Niektóre kodony nie są zgodne z uniwersalnym wzorem kodonów	Podąża za uniwersalnym wzorem kodonów
Metoda transkrypcji	Polikistroniczny	Monocistronic