Rozdiel medzi mitochondriálnou DNA a jadrovou DNA

Čo je to DNA?

Kyselina deoxyribonukleová (DNA) obsahuje genetické informácie, ktoré sa používajú ako súbor pokynov pre rast a vývoj, ako aj pre konečné fungovanie a reprodukciu živých organizmov. Je to nukleová kyselina a je jedným zo štyroch hlavných typov makromolekúl, o ktorých je známe, že sú nevyhnutné pre všetky formy života¹.

Každá molekula DNA sa skladá z dvoch biopolymérnych vlákien, ktoré sa stočia okolo seba, aby vytvorili dvojitú špirálu. Tieto dva reťazce DNA sa nazývajú polynukleotidy, pretože sú vyrobené z jednoduchších monomérnych jednotiek nazývaných nukleotidy².

Každý jednotlivý nukleotid je zložený z jednej zo štyroch nukleobáz obsahujúcich dusík - cytozín (C), guanín (G), adenín (A) alebo tymín (T) - spolu s cukrom nazývaným deoxyribóza a fosfátová skupina..

Nukleotidy sú navzájom spojené kovalentnými väzbami medzi fosfátom jedného nukleotidu a cukrom nasledujúceho. Takto sa vytvorí reťazec, ktorý vedie k striedavej kostre cukru a fosfátu. Dusíkaté bázy dvoch polynukleotidových vlákien sú navzájom spojené vodíkovými väzbami, aby sa vytvorila dvojvláknová DNA podľa prísnych párov báz (A až T a C až G).³.

V eukaryotických bunkách je DNA usporiadaná do štruktúr nazývaných chromozómy, pričom každá bunka má 23 párov chromozómov. Počas delenia buniek sú chromozómy duplikované procesom replikácie DNA, pokiaľ má každá bunka svoj vlastný kompletný súbor chromozómov. Eukaryotické organizmy, ako sú zvieratá, rastliny a huby, uchovávajú väčšinu svojej DNA vo vnútri bunkového jadra a časť svojej DNA v organelách, ako sú mitochondrie.⁴.

Nachádza sa v rôznych oblastiach eukaryotických buniek a existuje množstvo základných rozdielov medzi mitochondriálnou DNA (mtDNA) a jadrovou DNA (nDNA). Na základe kľúčových štruktúrnych a funkčných vlastností tieto rozdiely ovplyvňujú spôsob, akým pôsobia v eukaryotických organizmoch.

Organizačné a štrukturálne rozdiely mitochondriálnej DNA a jadrovej DNA

Poloha → Nachádza sa výlučne v mitochondriách a mtDNA obsahuje 100 až 1 000 kópií na somatickú bunku. Jadrová DNA sa nachádza v jadre každej eukaryotickej bunky (s niekoľkými výnimkami, ako sú nervy a červené krvinky) a obvykle má iba dve kópie na somatickú bunku.⁵.

štruktúra → Oba typy DNA sú dvojvláknové. Avšak nDNA má lineárnu štruktúru s otvoreným koncom, ktorá je uzavretá jadrovou membránou. To sa líši od mtDNA, ktorá má obvykle uzavretú kruhovú štruktúru a nie je obalená žiadnou membránou

Veľkosti genómu → MtDNA aj nDNA majú svoje vlastné genómy, ale majú veľmi odlišné veľkosti. U ľudí je veľkosť mitochondriálneho genómu tvorená iba jedným chromozómom, ktorý obsahuje 16 569 párov báz DNA. Jadrový genóm je výrazne väčší ako mitochondriál, ktorý pozostáva zo 46 chromozómov, ktoré obsahujú 3,3 miliardy nukleotidov.

Génové kódovanie → Singulárny mtDNA chromozóm je oveľa kratší ako jadrové chromozómy. Obsahuje 36 génov, ktoré kódujú 37 proteínov, z ktorých všetky sú špecifickými proteínmi používanými pri metabolických procesoch, ktoré mitochondrie vykonáva (napríklad cyklus citrátovej kyseliny, syntéza ATP a metabolizmus mastných kyselín). Jadrový genóm je omnoho väčší, s 20 000 až 25 000 génmi kódujúcimi všetky proteíny potrebné na jeho fungovanie, ktoré zahŕňajú aj mitochondriálne gény. Ako poloautonómne organely nemôže mitochondrión kódovať všetky svoje vlastné proteíny. Môžu však kódovať 22 tRNA a 2 rRNA, ktorým nDNA chýba spôsobilosť.

Funkčné rozdiely

Proces prekladu → Proces translácie medzi nDNA a mtDNA sa môže líšiť. nDNA sleduje univerzálny kodónový obrazec, nie je to však vždy prípad mtDNA. Niektoré mitochondriálne kódujúce sekvencie (tripletové kodóny) neaplikujú univerzálny kodónový obrazec, keď sú translatované do proteínov. Napríklad AUA kóduje metionín v mitochondriách (nie izoleucín). UGA tiež kóduje tryptofán (nie stop kodón ako v cicavčom genóme)⁶.

Proces prepisu → Génová transkripcia v mtDNA je polycistronická, čo znamená, že mRNA sa tvorí so sekvenciami, ktoré kódujú mnoho proteínov. Pre transkripciu jadrového génu je proces monocistronický, kde vytvorená mRNA má sekvencie kódujúce iba jeden proteín⁸.

Dedičstvo genómu → Jadrová DNA je diploidná, čo znamená, že dedí DNA maternálne aj otcovsky (23 chromozómov od každej matky a otca). Mitochondriálna DNA je však haploidná, pričom jediný chromozóm sa zdedil po materskej strane a nepodlieha genetickej rekombinácii.⁹.

Miera mutácie → Pretože nDNA prechádza genetickou rekombináciou, jedná sa o premiešanie DNA rodiča, a preto sa mení počas dedičstva od rodičov k ich potomkom. Keďže však mtDNA je dedená iba od matky, nedochádza k žiadnym zmenám počas prenosu, čo znamená, že akékoľvek zmeny DNA pochádzajú z mutácií. Miera mutácie v mtDNA je oveľa vyššia ako v nDNA, ktorá je normálne nižšia ako 0,3%.¹⁰.

Rozdiely v aplikácii mtDNA a nDNA vo vede

Rôzne štrukturálne a funkčné vlastnosti mtDNA a nDNA viedli k rozdielom v ich aplikáciách vo vede. Vďaka svojej výrazne vyššej miere mutácie bola mtDNA použitá ako účinný nástroj na sledovanie pôvodu a rodovej línie cez samice (matrilineage). Boli vyvinuté metódy, ktoré sa používajú na sledovanie pôvodu mnohých druhov späť cez stovky generácií a stali sa základom fylogenetiky a evolučnej biológie..

V dôsledku vyššej rýchlosti mutácie sa mtDNA vyvíja oveľa rýchlejšie ako jadrové genetické markery¹¹. Existuje veľa variácií medzi kódmi používanými mtDNA, ktoré vyplývajú z mutácií, z ktorých mnohé nie sú škodlivé pre ich organizmy. Použitím tejto väčšej rýchlosti mutácií a týchto škodlivých mutácií vedci určujú sekvencie mtDNA a porovnávajú ich s rôznymi jedincami alebo druhmi..

Potom sa skonštruuje sieť vzťahov medzi týmito sekvenciami, ktorá poskytuje odhad vzťahov medzi jednotlivcami alebo druhmi, z ktorých bola získaná mtDNA. Toto dáva predstavu o tom, ako úzko a vzdialene súvisí každý z nich - čím viac mutácií mtDNA je rovnaké v každom z ich mitochondriálnych genómov, tým viac sú príbuznejšie..

V dôsledku nižšej rýchlosti mutácie nDNA má obmedzenejšie použitie v oblasti fylogenetiky. Avšak vzhľadom na genetické pokyny, ktoré drží pri vývoji všetkých živých organizmov, vedci uznali jeho použitie v súdnom konaní.

Každý človek má jedinečný genetický plán, dokonca identické dvojčatá¹². Forenzné oddelenia sú schopné použiť techniky polymerázovej reťazovej reakcie (PCR) pomocou nDNA na porovnanie vzoriek v prípade. To zahŕňa použitie malého množstva nDNA na vytvorenie kópií cieľových oblastí nazývaných krátke tandemové repetície (STR) na molekule¹³. Z týchto STR sa získa „profil“ z dôkazov, ktoré sa potom dajú porovnať so známymi vzorkami odobratými jednotlivcom zapojeným do prípadu..

Ľudská mtDNA sa môže tiež použiť na identifikáciu jednotlivcov pomocou forenzných prostriedkov, avšak na rozdiel od nDNA nie je špecifická pre jedného jednotlivca, ale na stanovenie identifikácie sa môže použiť v kombinácii s inými dôkazmi (ako sú antropologické a nepriame dôkazy). Pretože mtDNA má väčší počet kópií na bunku ako nDNA, má schopnosť identifikovať oveľa menšie, poškodené alebo degradované biologické vzorky.¹⁴. Väčší počet kópií mtDNA na bunku ako nDNA tiež umožňuje získať zhodu DNA so živým príbuzným, aj keď ich početné materské generácie oddeľujú od kostrových zvyškov príbuzného..

Tabuľkové porovnanie kľúčových rozdielov medzi mitochondriálnou a jadrovou DNA

	Mitochondriálna DNA	Jadrová DNA
umiestnenia	mitochondrie	Cell Nucleus
Kópie na somatickú bunku	100-1000	2
štruktúra	Kruhové a uzavreté	Lineárne a otvorené konce
Membránové puzdro	Nie sú obalené membránou	Uzavreté jadrovou membránou
Veľkosť genómu	1 chromozóm so 16 569 pármi báz	46 chromozómov s 3,3 miliárd bázových párov
Počet génov	37 génov	20 000 - 25 000 génov
Spôsob dedenia	materský	Materské a otcovské
Spôsob prekladu	Niektoré kodóny sa neriadia univerzálnym vzorcom kodónov	Nasleduje univerzálny vzorec kodónov
Spôsob prepisu	polycistronická	monocistronní