Razlika između mitohondrijske DNK i nuklearne DNK

Što je DNK?

Deoksiribonukleinska kiselina (DNK) sadrži genetske informacije koje se koriste kao skup uputa za rast i razvoj, kao i za konačno funkcioniranje i razmnožavanje živih organizama. To je nukleinska kiselina i jedna je od četiri glavne vrste makromolekula za koje se zna da su neophodne za sve oblike života¹.

Svaka molekula DNA sastoji se od dva biopolimerna lanca koji se oko sebe umotavaju u dvostruku spiralu. Ova dva lanca DNA nazivaju se polinukleotidi, jer su izrađeni od jednostavnijih monomernih jedinica koje se nazivaju nukleotidi².

Svaki pojedinačni nukleotid sastoji se od jedne od četiri nukleobaze koje sadrže dušik - citozin (C), gvanin (G), adenin (A) ili timin (T) - zajedno sa šećerom zvanim deoksiriboza i fosfatnom skupinom.

Nukleotidi su međusobno spojeni kovalentnim vezama, između fosfata jednog nukleotida i šećera sljedećeg. Ovo stvara lanac, što rezultira naizmjeničnom okosnicom šećera-fosfata. Dušične baze dvaju polinukleotidnih lanaca povezane su vodikovim vezama kako bi se napravila dvolančana DNK prema strogim spajanjima baza (A do T i C do G)³.

Unutar eukariotskih stanica DNA je organizirana u strukture nazvane kromosomi pri čemu svaka stanica ima 23 para kromosoma. Tijekom diobe stanica, kromosomi se umnožavaju kroz proces replikacije DNK, sve dok svaka stanica ima svoj potpuni skup kromosoma. Eukariotski organizmi kao što su životinje, biljke i gljivice, skladište većinu svoje DNK u staničnoj jezgri i dio svoje DNK u organelama poput mitohondrija⁴.

Smještene u različitim regijama eukariotske stanice, postoji niz temeljnih razlika između mitohondrijske DNA (mtDNA) i nuklearne DNA (nDNA). Na temelju ključnih strukturnih i funkcionalnih svojstava, ove razlike utječu na njihovo djelovanje unutar eukariotskih organizama.

Organizacijske i strukturne razlike mitohondrijske DNA i nuklearne DNA

Mjesto → Smještena isključivo u mitohondrijama, mtDNA sadrži 100-1000 primjeraka po somatskoj stanici. Nuklearna DNK nalazi se u jezgru svake eukariotske stanice (uz neke iznimke poput živca i crvenih krvnih zrnaca) i obično ima samo dvije kopije po somatskoj stanici⁵.

Struktura → Obje vrste DNA su dvolančane. Međutim, nDNA ima linearnu, otvorenu strukturu koja je zatvorena nuklearnom membranom. To se razlikuje od mtDNA koja obično ima zatvorenu kružnu strukturu i nije obuhvaćena nijednom membranom

Veličine genoma → I mtDNA i nDNA imaju svoje genome, ali su vrlo različite veličine. Kod ljudi, veličina mitohondrijskog genoma sastoji se od samo 1 kromosoma koji sadrži 16.569 baza parova DNK. Nuklearni genom je značajno veći od mitohondrija, sastoji se od 46 kromosoma koji sadrže 3,3 milijarde nukleotida.

Gensko kodiranje → Pojedinačni mtDNA kromosom mnogo je kraći od nuklearnih kromosoma. Sadrži 36 gena koji kodiraju 37 proteina, a svi su specifični proteini koji se koriste u metaboličkim procesima koje mitohondrija poduzima (poput ciklusa citratne kiseline, sinteze ATP-a i metabolizma masnih kiselina). Nuklearni genom je puno veći, s 20 000-25 000 gena koji kodiraju sve proteine ​​potrebne za njegovu funkciju, što uključuje i mitohondrijske gene. Budući da su poluautonomne organele, mitohondrij ne može kodirati sve vlastite proteine. Međutim, mogu kodirati za 22 tRNA i 2 rRNA, što nDNA nema sposobnost za obavljanje.

Funkcionalne razlike

Postupak prevođenja → Proces prevođenja između nDNA i mtDNA može varirati. nDNA slijedi univerzalni kodon uzorak, ali to nije uvijek slučaj za mtDNA. Neki nizovi kodiranja mitohondrija (trostruki kodoni) ne slijede univerzalni kodonski obrazac kad se prevode u proteine. Na primjer, AUA kodira metionin u mitohondriju (a ne izoleucin). UGA također kodira triptofan (ne stop kodon kao u genomu sisavaca)⁶.

Postupak transkripcije → Transkripcija gena unutar mtDNA je polikistronička, što znači da se formira mRNA s nizovima koji kodiraju mnoge proteine. Za transkripciju nuklearnih gena postupak je monokistronički, gdje formirana mRNA ima sekvence koje kodiraju samo jedan protein⁸.

Nasljeđivanje genoma → Nuklearna DNK je diploidna, što znači da nasljeđuje DNK i majčinski i očinski (23 kromosoma svake majke i oca). Međutim, mitohondrijalna DNA je haploidna, s tim da je pojedinačni kromosom naslijedio majčinsku stranu i ne podliježe genetskoj rekombinaciji⁹.

Stopa mutacije → Kako se nDNA podvrgava genetskoj rekombinaciji, to je pomicanje roditeljske DNK i zbog toga se mijenja tijekom nasljeđivanja od roditelja do potomstva. Međutim, kako se mtDNA nasljeđuje samo od majke, nema promjene tijekom prijenosa, što znači da bilo kakve promjene DNA potječu od mutacija. Stopa mutacije u mtDNA mnogo je viša nego u nDNA koja je normalno manja od 0,3%¹⁰.

Razlike u primjeni mtDNA i nDNA u znanosti

Različita strukturna i funkcionalna svojstva mtDNA i nDNA doveli su do razlika u njihovim primjenama u znanosti. Sa svojom značajno većom stopom mutacije, mtDNA je korištena kao moćan alat za praćenje roda i roda kroz ženke (matrilineage). Razvijene su metode koje se koriste za praćenje roda mnogih vrsta kroz stotine generacija i postale su temelj filogenetske i evolucijske biologije.

Zbog veće stope mutacije, mtDNA se razvija mnogo brže od nuklearnih genetskih markera¹¹. Među kodovima koje koristi mtDNA postoji mnogo varijacija koje proizlaze iz mutacija, od kojih mnoge nisu štetne za njihove organizme. Koristeći ovu veću stopu mutacije i ove neškodljive mutacije, znanstvenici određuju mtDNA sekvence i uspoređuju ih s različitim pojedincima ili vrstama.

Zatim se izgrađuje mreža odnosa između tih nizova koja daje procjenu odnosa bilo među pojedincima ili vrstama iz kojih je uzeta mtDNA. To daje predstavu koliko su međusobno usko i udaljeno povezane - što je više mutacija mtDNA jednakih u svakom od njihovih mitohondrijskih genoma, to su međusobno povezane..

Zbog niže stope mutacije nDNA, ona ima ograničenu primjenu u području filogenetike. Međutim, s obzirom na genetske upute koje ima za razvoj svih živih organizama, znanstvenici su prepoznali njegovu uporabu u forenzičkim medicinama.

Svaka osoba ima jedinstveni genetski plan, čak identične blizance¹². Forenzički odjeli mogu koristiti tehnike lančane reakcije polimeraze (PCR), koristeći nDNA, za usporedbu uzoraka u slučaju. To uključuje korištenje male količine nDNA za izradu kopija ciljanih područja koja se nazivaju kratka tandem ponavljanja (STR) na molekuli¹³. Iz ovih se izvještaja dobiva 'profil' iz dokaza koji se mogu uporediti s poznatim uzorcima oduzetih od pojedinaca uključenih u slučaj..

Ljudska mtDNA se također može koristiti za identifikaciju pojedinaca pomoću forenzike, ali za razliku od nDNA, ona nije specifična za jednog pojedinca, ali može se koristiti u kombinaciji s drugim dokazima (poput antropoloških i indirektnih dokaza) za uspostavljanje identifikacije. Budući da mtDNA ima veći broj kopija po stanici od nDNA, on ima sposobnost identifikacije mnogo manjih, oštećenih ili degradiranih bioloških uzoraka¹⁴. Veći broj kopija mtDNA po stanici u odnosu na nDNA također omogućuje dobivanje DNK podudaranja sa živim srodnikom, čak i ako ih brojne majčinske generacije razdvajaju od koštanih ostataka rođaka.

Tablična usporedba ključnih razlika između mitohondrijske i nuklearne DNA

	Mitohondrijska DNA	Nuklearna DNK
Mjesto	Mitohondriji	Stanični nukleus
Kopije po somatskoj ćeliji	100-1000	2
Struktura	Kružne i zatvorene	Linearno i otvoreno završilo
Membransko kućište	Nije omotana membranom	Zatvorena je nuklearnom membranom
Veličina genoma	1 kromosom sa 16.569 parova baze	46 kromosoma s 3,3 milijardi baznih parova
Broj gena	37 gena	20.000-25.000 gena
Način nasljeđivanja	majki	Materinski i očinski
Način prevođenja	Neki kodoni ne slijede univerzalni kodon	Prati univerzalni uzorak kodona
Način transkripcije	policistronsku	monocistronske