Forskjell mellom mitokondriell DNA og kjernefysisk DNA Forskjellen mellom
Hva er DNA?
Deoksyribonukleinsyre (DNA) bærer genetisk informasjon som brukes som et sett med instruksjoner for vekst og utvikling, samt den endelige funksjon og reproduksjon av levende organismer. Det er en nukleinsyre og er en av de fire hovedtyper av makromolekyler som er kjent for å være avgjørende for alle livsformer 1 .
Hvert DNA-molekyl består av to biopolymerstrenger som spoler rundt hverandre for å danne en dobbelt helix. Disse to DNA-strengene kalles polynukleotider, da de er laget av enklere monomerenheter kalt nukleotider 2 .
Hvert enkelt nukleotid består av en av fire nitrogenholdige nukleobaser - Cytosin (C), Guanin (G), Adenin (A) eller Thymin (T) - sammen med et sukker som heter deoksyribose og en fosfatgruppe.
Nukleotider er forbundet med hverandre ved kovalente bindinger, mellom fosfat av ett nukleotid og sukkeret av det neste. Dette skaper en kjede, noe som resulterer i et alternativt sukkerfosfat-ryggrad. Kvävebaser av de to polynukleotidstrenger bindes sammen av hydrogenbindinger for å lage dobbeltstrenget DNA i henhold til strenge baseparasjoner (A til T og C til G) 3 .
I eukaryotiske celler er DNA organisert i strukturer kalt kromosomer, hvor hver celle har 23 par kromosomer. Under celledeling blir chromosomer duplisert gjennom prosessen med DNA-replikasjon, så lenge hver celle har sitt eget komplette sett med kromosomer. Eukaryotiske organismer som dyr, planter og sopp, lagrer størstedelen av deres DNA inne i cellekjernen og noen av deres DNA i organeller som mitokondrier 4 .
Det er en rekke fundamentale forskjeller mellom mitokondrialt DNA (mtDNA) og nukleært DNA (nDNA) som befinner seg i forskjellige regioner i eukaryotcellen. Basert på viktige strukturelle og funksjonelle egenskaper påvirker disse forskjellene hvordan de virker innen eukaryotiske organismer.
Organisasjons- og strukturforskjeller av mitokondriell DNA og kjernefysisk DNA
Plassering → MtDNA inneholder utelukkende i mitokondriene 100-1 000 eksemplarer per somatisk celle. Kjernefysisk DNA ligger i kjernen til hver eukaryotisk celle (med enkelte unntak som nerve- og røde blodlegemer) og har vanligvis kun to kopier per somatisk celle 5 .
Struktur → Begge typer DNA er dobbeltstrenget. Imidlertid har nDNA en lineær, åpen endestruktur som er innelukket av en nukleær membran. Dette er forskjellig fra mtDNA, som vanligvis har en lukket, sirkulær struktur og ikke er innhyllet av noen membran
Genomstørrelser → Både mtDNA og nDNA har sine egne genomer, men har svært forskjellige størrelser.Hos mennesker består størrelsen på mitokondriegenomet av bare 1 kromosom som inneholder 16, 569 DNA-basepar. Nukleærgenomet er betydelig større enn mitokondriet, som består av 46 kromosomer som inneholder 3,3 milliarder nukleotider.
Genkoding → Det singulære mtDNA-kromosomet er mye kortere enn atomkromosomene. Den inneholder 36 gener som koder for 37 proteiner, som alle er spesifikke proteiner som brukes i metabolske prosesser som mitokondrier påtar seg (som citratsyklus, ATP-syntese og fettsyre metabolisme). Nukleært genom er mye større, med 20, 000-25, 000 gener kodende for alle proteinene som kreves for dets funksjon, som også inkluderer mitokondrie-gener. Å være semi-autonome organeller, mitokondrion, kan ikke kode for alle sine egne proteiner. Imidlertid kan de kode for 22 tRNA og 2 rRNA, hvilket nDNA mangler evnen til å gjøre.
Funksjonsforskjeller
Oversettelsesprosess → Oversetterprosessen mellom nDNA og mtDNA kan variere. nDNA følger det universelle kodonmønsteret, men dette er ikke alltid tilfelle for mtDNA. Noen mitokondriale kodende sekvenser (triplettkodoner) følger ikke det universelle kodonmønsteret når de blir oversatt til proteiner. For eksempel koder AUA for metionin i mitokondrion (ikke isoleucin). UGA koder også for tryptofan (ikke en stoppkodon som i pattedyrgenomet) 6 .
Transkripsjonsprosess → Gentranskripsjon innen mtDNA er polykistronisk, noe som betyr at en mRNA dannes med sekvenser som koder for mange proteiner. For nukleærgen transkripsjon er prosessen monokistronisk, hvor den dannede mRNA har sekvenser som koder for bare et enkelt protein 8 .
Genom arv → Nukleært DNA er diploid, noe som betyr at det arver DNA både maternalt og paternalt (23 kromosomer fra hver av mor og far). Imidlertid er mitokondrielt DNA haploid, med det enkelte kromosom som arves nedover morssiden og undergår ikke genetisk rekombinasjon 9 .
Mutasjonsrate → Når nDNA gjennomgår genetisk rekombinasjon, er det en blanding av foreldrenes DNA og blir derfor endret under arv fra foreldrene til deres avkom. Men da mtDNA bare er arvet fra moren, er det ingen endring under overføring, noe som betyr at eventuelle DNA-endringer kommer fra mutasjoner. Mutasjonsraten i mtDNA er mye høyere enn i nDNA, som vanligvis er mindre enn 0,3% 10 .
Forskjeller i anvendelsen av mtDNA og nDNA innen vitenskap
De forskjellige strukturelle og funksjonelle egenskapene til mtDNA og nDNA har ført til forskjeller i deres applikasjoner innen vitenskap. Med sin signifikant større mutasjonsrate har mtDNA blitt brukt som et kraftig verktøy for å spore forfedre og slanking gjennom kvinner (matrilineage). Metoder er utviklet som brukes til å spore forfedre av mange arter tilbake gjennom hundrevis av generasjoner og har blitt hovedrollen i fylogenetikk og evolusjonær biologi.
På grunn av den høyere mutasjonshastigheten utvikler mtDNA mye raskere enn nukleære genetiske markører 11 . Det er mange variasjoner blant koder som brukes av mtDNA som oppstår fra mutasjoner, hvorav mange ikke er skadelige for deres organismer. Ved hjelp av denne større mutasjonsfrekvensen og disse ikke-skadelige mutasjonene, bestemmer forskere mtDNA-sekvenser og sammenligner dem fra forskjellige individer eller arter.
Et nettverk av relasjoner mellom disse sekvensene blir deretter konstruert som gir et estimat av forholdene mellom enten enkeltpersoner eller arter hvorfra mtDNA ble tatt. Dette gir en ide om hvor nært og fjernt beslektet hver er - jo mer mtDNA-mutasjoner som er de samme i hver av deres mitokondrielle genomer, jo mer relaterte er de.
På grunn av den lavere mutasjonshastigheten til nDNA, har den en mer begrenset anvendelse innen fylogenetikk. Men gitt de genetiske instruksjonene det gjelder for utviklingen av alle levende organismer, har forskere anerkjent bruken i rettsmedisin.
Hver enkelt person har en unik genetisk blåkopi, til og med identiske tvillinger 12 . Forensiske avdelinger er i stand til å bruke polymerasekjedereaksjons (PCR) teknikker, ved hjelp av nDNA, for å sammenligne prøver i et tilfelle. Dette innebærer bruk av små mengder nDNA for å lage kopier av målrettede regioner kalt korte tandemrepetater (STRs) på molekylet 13 . Fra disse STR er en "profil" hentet fra bevismateriale, som deretter kan sammenlignes med kjente prøver tatt fra de involverte personene i saken.
Human mtDNA kan også brukes til å identifisere personer som bruker rettsmedisin, men i motsetning til nDNA, er det ikke spesifikt for ett individ, men kan brukes i kombinasjon med andre bevis (som antropologisk og tilfeldig bevis) for å etablere identifikasjon. Fordi mtDNA har et større antall kopier per celle enn nDNA, har den muligheten til å identifisere mye mindre, skadede eller nedbrytte biologiske prøver 14 . Jo større antall mtDNA-kopier per celle enn nDNA, gjør det også mulig å skaffe seg en DNA-kamp med en levende slektning, selv om mange morslige generasjoner skiller dem fra skjelettrester av en slektning.
Tabell sammenligning av nøkkelforskjeller mellom mitokondriell og kjernefysisk DNA
