Perbezaan antara DNA mitokondria dan DNA nuklear

Apa itu DNA?

Asid Deoxyribonucleic (DNA) membawa maklumat genetik yang digunakan sebagai satu set arahan untuk pertumbuhan dan pembangunan, serta fungsi muktamad dan pembiakan organisma hidup. Ia adalah asid nukleik dan merupakan salah satu daripada empat jenis utama makromolekul yang diketahui penting untuk semua bentuk kehidupan¹.

Setiap molekul DNA terdiri daripada dua helai biopolimer yang berlabuh antara satu sama lain untuk membentuk helix berganda. Kedua -dua helai DNA ini dipanggil polynucleotides, kerana ia diperbuat daripada unit monomer yang lebih mudah yang disebut nukleotida².

Setiap nukleotida individu terdiri daripada salah satu daripada empat nukleobase yang mengandungi nitrogen - sitosin (c), guanine (g), adenine (a) atau timin (t) - bersama -sama dengan gula yang disebut deoxyribose dan kumpulan fosfat.

Nukleotida disatukan antara satu sama lain oleh ikatan kovalen, antara fosfat satu nukleotida dan gula seterusnya. Ini mewujudkan rantaian, mengakibatkan tulang belakang gula-fosfat bergantian. Pangkalan nitrogen dari dua helai polynucleotide terikat bersama dengan ikatan hidrogen, untuk membuat DNA terkandas berganda mengikut pasangan asas yang ketat (A hingga T dan C ke G)³.

Dalam sel eukariotik, DNA dianjurkan ke dalam struktur yang dipanggil kromosom, dengan setiap sel mempunyai 23 pasang kromosom. Semasa pembahagian sel, kromosom diduplikasi melalui proses replikasi DNA, selagi setiap sel mempunyai set lengkap kromosom. Organisma eukariotik seperti haiwan, tumbuh -tumbuhan dan kulat, menyimpan sebahagian besar DNA mereka di dalam nukleus sel dan beberapa DNA mereka dalam organel seperti mitokondria⁴.

Terletak di pelbagai kawasan sel eukariotik, terdapat beberapa perbezaan asas antara DNA mitokondria (mtDNA) dan DNA nuklear (NDNA). Berdasarkan sifat struktur dan fungsi utama, perbezaan ini mempengaruhi bagaimana ia beroperasi dalam organisma eukariotik.

Organisasi dan perbezaan struktur DNA mitokondria dan DNA nuklear

Lokasi → Terletak secara eksklusif dalam mitokondria, mtDNA mengandungi 100-1,000 salinan setiap sel somatik. DNA nuklear terletak di dalam nukleus setiap sel eukariotik (dengan beberapa pengecualian seperti saraf dan sel darah merah) dan biasanya hanya mempunyai dua salinan setiap sel somatik⁵.

Struktur → Kedua -dua jenis DNA dua terkandas. Walau bagaimanapun, NDNA mempunyai struktur linear, terbuka yang dilampirkan oleh membran nuklear. Ini berbeza dari mtDNA, yang biasanya mempunyai struktur pekeliling tertutup dan tidak diliputi oleh mana -mana membran

Saiz Genom → Kedua -dua mtDNA dan NDNA mempunyai genom mereka sendiri tetapi saiz yang sangat berbeza. Pada manusia, saiz genom mitokondria terdiri daripada hanya 1 kromosom yang mengandungi 16,569 pasangan asas DNA. Genom nuklear jauh lebih besar daripada mitokondria, yang terdiri daripada 46 kromosom yang mengandungi 3.3 bilion nukleotida.

Pengekodan gen → Kromosom mtDNA tunggal jauh lebih pendek daripada kromosom nuklear. Ia mengandungi 36 gen yang menyandikan 37 protein, yang semuanya adalah protein khusus yang digunakan dalam proses metabolik mitokondria (seperti kitaran asid sitrat, sintesis ATP dan metabolisme asid lemak). Genom nuklear jauh lebih besar, dengan pengekodan gen 20,000-25,000 untuk semua protein yang diperlukan untuk fungsinya, yang juga termasuk gen mitokondria. Menjadi organel separa autonomi, mitokondria tidak dapat kod untuk semua proteinnya sendiri. Walau bagaimanapun, mereka boleh mengekodkan 22 TRNA dan 2 rRNA, yang NDNA tidak mempunyai keupayaan untuk dilakukan.

Perbezaan fungsional

Proses terjemahan → Proses terjemahan antara nDNA dan mtDNA boleh berbeza -beza. NDNA mengikuti corak kodon sejagat, namun ini tidak selalu berlaku untuk mtDNA. Beberapa urutan pengekodan mitokondria (kodon triplet) tidak mengikuti corak codon sejagat apabila diterjemahkan ke dalam protein. Sebagai contoh, kod AUA untuk methionine dalam mitokondria (bukan isoleucine). UGA juga kod untuk tryptophan (bukan codon berhenti seperti dalam genom mamalia)⁶.

Proses transkripsi → Transkripsi gen dalam mtDNA adalah polycistronic, yang bermaksud mRNA dibentuk dengan urutan yang kod untuk banyak protein. Untuk transkripsi gen nuklear prosesnya adalah monocistronic, di mana mRNA yang dibentuk mempunyai pengekodan urutan untuk hanya satu protein⁸.

Warisan Genom → DNA nuklear diploid, yang bermaksud ia mewarisi DNA baik secara maternal dan paternally (23 kromosom dari setiap ibu dan bapa). Walau bagaimanapun, DNA mitokondria adalah haploid, dengan kromosom tunggal yang diwarisi ke bawah sisi ibu dan tidak menjalani penggabungan genetik⁹.

Kadar mutasi → Oleh kerana NDNA menjalani penggabungan genetik, ia adalah shuffle DNA ibu bapa dan oleh itu diubah semasa warisan dari ibu bapa ke anak mereka. Walau bagaimanapun, kerana mtDNA hanya diwarisi dari ibu, tidak ada perubahan semasa penghantaran, yang bermaksud sebarang perubahan DNA berasal dari mutasi. Kadar mutasi dalam mtDNA jauh lebih tinggi daripada di nDNA, yang biasanya kurang dari 0.3%¹⁰.

Perbezaan dalam penerapan mtDNA dan nDNA dalam sains

Ciri -ciri struktur dan fungsi yang berbeza dari mtDNA dan nDNA, telah membawa kepada perbezaan dalam aplikasi mereka dalam sains. Dengan kadar mutasi yang lebih besar, mtDNA telah digunakan sebagai alat yang berkuasa untuk mengesan keturunan dan keturunan melalui wanita (matrilineage). Kaedah telah dibangunkan yang digunakan untuk mengesan keturunan banyak spesies kembali melalui beratus -ratus generasi dan telah menjadi tulang belakang filogenetik dan biologi evolusi.

Oleh kerana kadar mutasi yang lebih tinggi, mtDNA berkembang lebih cepat daripada penanda genetik nuklear¹¹. Terdapat banyak variasi di antara kod yang digunakan oleh mtDNA yang timbul dari mutasi, yang kebanyakannya tidak berbahaya kepada organisma mereka. Menggunakan kadar mutasi yang lebih besar ini dan mutasi yang tidak berbahaya ini, saintis menentukan urutan mtDNA dan membandingkannya dengan individu atau spesies yang berbeza.

Rangkaian hubungan di antara urutan ini kemudian dibina yang memberikan anggaran hubungan antara individu atau spesies yang mana mtDNA diambil. Ini memberikan idea betapa rapat dan jauhnya berkaitan masing -masing - lebih banyak mutasi mtDNA yang sama dalam setiap genom mitokondria mereka, semakin banyak yang berkaitan.

Oleh kerana kadar mutasi nDNA yang lebih rendah, ia mempunyai aplikasi yang lebih terhad dalam bidang filogenetik. Walau bagaimanapun, memandangkan arahan genetik yang dipegangnya untuk pembangunan semua organisma hidup, saintis telah mengiktiraf penggunaannya dalam forensik.

Setiap orang mempunyai cetak biru genetik yang unik, walaupun kembar yang sama¹². Jabatan forensik dapat menggunakan teknik tindak balas rantai polimerase (PCR), menggunakan nDNA, untuk membandingkan sampel dalam kes. Ini melibatkan penggunaan kecil nDNA untuk membuat salinan kawasan yang disasarkan yang disebut ulangan pendek tandem (strs) pada molekul¹³. Dari Strs ini, 'profil' diperolehi daripada perkara -perkara bukti, yang kemudiannya dapat dibandingkan dengan sampel yang diketahui yang diambil dari individu yang terlibat dalam kes itu.

MtDNA manusia juga boleh digunakan untuk membantu mengenal pasti individu yang menggunakan forensik, namun tidak seperti NDNA, ia tidak khusus untuk satu individu tetapi boleh digunakan dalam kombinasi dengan bukti lain (seperti bukti antropologi dan keadaan) untuk menubuhkan pengenalan. Kerana mtDNA mempunyai lebih banyak salinan setiap sel daripada nDNA, ia mempunyai keupayaan untuk mengenal pasti sampel biologi yang lebih kecil, rosak atau terdegradasi¹⁴. Lebih banyak salinan mtDNA setiap sel daripada nDNA, juga menjadikannya mungkin untuk mendapatkan pertandingan DNA dengan saudara yang hidup, walaupun banyak generasi ibu memisahkan mereka dari sisa -sisa kerangka relatif.

Perbandingan jadual perbezaan utama antara DNA mitokondria dan nuklear