Ero mitokondrio-DNA n ja ydin-DNA n välillä

Mikä on DNA?

Deoksiribonukleiinihappo (DNA) sisältää geneettisen tiedon, jota käytetään ohjeena kasvua ja kehitystä sekä elävien organismien lopullista toimintaa ja lisääntymistä varten. Se on nukleiinihappo ja yksi neljästä päätyypistä makromolekyyleistä, joiden tiedetään olevan välttämättömiä kaikille elämänmuodoille¹.

Jokainen DNA-molekyyli koostuu kahdesta biopolymeerijuosasta, jotka kiertyvät toistensa ympäri muodostaen kaksoiskierre. Näitä kahta DNA-juostetta kutsutaan polynukleotideiksi, koska ne on valmistettu yksinkertaisemmista monomeeriyksiköistä, joita kutsutaan nukleotideiksi².

Jokainen yksittäinen nukleotidi koostuu yhdestä neljästä typpeä sisältävästä nukleobaasista - sytosiini (C), guaniini (G), adeniini (A) tai tymiini (T) - sekä sokeri, jota kutsutaan deoksiribosiksi ja fosfaattiryhmä.

Nukleotidit yhdistetään toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla, yhden nukleotidin fosfaatin ja seuraavan sokerin välillä. Tämä luo ketjun, mikä johtaa vuorottelevaan sokeri-fosfaatti runkoon. Kahden polynukleotidiketjun typpipitoiset emäkset sidotaan toisiinsa vety sidoksilla kaksijuosteisen DNA: n muodostamiseksi tiukkojen emäsparien (A - T ja C - G) mukaisesti³.

Eukaryoottisoluissa DNA on järjestetty rakenteisiin, joita kutsutaan kromosomeiksi, jokaisessa solussa on 23 paria kromosomeja. Solujen jakautumisen aikana kromosomit monistuvat DNA: n replikaatioprosessin kautta, kunhan jokaisella solulla on oma täydellinen kromosomisarja. Eukaryoottiset organismit, kuten eläimet, kasvit ja sienet, varastoivat suurimman osan DNA: staan ​​solun ytimessä ja osan DNA: staan ​​organelleissa, kuten mitokondrioissa⁴.

Koska ne sijaitsevat eukaryoottisolun eri alueilla, mitokondriaalisen DNA: n (mtDNA) ja ydin-DNA: n (nDNA) välillä on joukko perustavanlaatuisia eroja. Perusteellisiin rakenteellisiin ja toiminnallisiin ominaisuuksiin perustuen nämä erot vaikuttavat niiden toimintaan eukaryoottisissa organismeissa.

Mitokondrio-DNA: n ja ydin-DNA: n organisaatiot ja rakenteelliset erot

Sijainti → Yksinomaan mitokondrioissa sijaitseva mtDNA sisältää 100 - 1 000 kopiota per somaattinen solu. Ydin-DNA sijaitsee jokaisen eukaryoottisen solun ytimessä (joitain poikkeuksia lukuun ottamatta, kuten hermo- ja punasolut) ja sillä on yleensä vain kaksi kopiota per somaattinen solu⁵.

Rakenne → Molemmat DNA-tyypit ovat kaksijuosteisia. NDNA: lla on kuitenkin lineaarinen, avoin päätyrakenne, joka on suljettu ydinmembraanilla. Tämä eroaa mtDNA: sta, jolla on yleensä suljettu, pyöreä rakenne ja jota ei peitä mikään membraani

Genomikoko → Sekä mtDNA: lla että nDNA: lla on omat genomit, mutta ne ovat hyvin erikokoisia. Ihmisillä mitokondriogenomin koko koostuu vain yhdestä kromosomista, joka sisältää 16 569 DNA-emäsparia. Ydingenomi on huomattavasti suurempi kuin mitokondrio, joka koostuu 46 kromosomista, jotka sisältävät 3,3 miljardia nukleotidia.

Geenikoodaus → Yksittäinen mtDNA-kromosomi on paljon lyhyempi kuin ydinkromosomit. Se sisältää 36 geeniä, jotka koodaavat 37 proteiinia, jotka kaikki ovat spesifisiä proteiineja, joita käytetään aineenvaihduntaprosesseissa, joita mitokondriat toteuttavat (kuten sitraattihapposykli, ATP-synteesi ja rasvahappojen metabolia). Ydingenomi on paljon suurempi, sillä 20 000-25 000 geeniä, jotka koodaavat kaikkia sen toimintaan tarvittavia proteiineja, joihin sisältyy myös mitokondriogeenejä. Koska mitokondrio on puoliautonominen organeli, se ei voi koodata kaikkia omia proteiinejaan. Ne voivat kuitenkin koodata 22 tRNA: ta ja 2 rRNA: ta, mistä nDNA: lla puuttuu kyky.

Toiminnalliset erot

Käännösprosessi → NDNA: n ja mtDNA: n välinen translaatioprosessi voi vaihdella. nDNA noudattaa yleistä kodonikuviota, mutta tämä ei aina tapahdu mtDNA: lla. Jotkut mitokondrioita koodaavat sekvenssit (triplettikodonit) eivät seuraa yleistä kodonikuviota, kun ne muunnetaan proteiineiksi. Esimerkiksi AUA koodaa metioniinia mitokondrioissa (ei isoleusiinia). UGA koodittaa myös tryptofaania (ei lopetuskodonia, kuten nisäkkäiden genomissa)⁶.

Transkriptio → Geenitranskriptio mtDNA: n sisällä on monistristronista, mikä tarkoittaa, että mRNA muodostetaan sekvensseillä, jotka koodaavat monia proteiineja. Ydingeenin transkriptiota varten prosessi on monokistroninen, jossa muodostuneessa mRNA: ssa on sekvenssejä, jotka koodaavat vain yhtä proteiinia⁸.

Perimän perimä → Ydinaari-DNA on diploidi, tarkoittaen, että se perii DNA: ta sekä äidillisesti että paternalisesti (23 kromosomia jokaiselta äidiltä ja isältä). Mitokondriaalinen DNA on kuitenkin haploidi, jolloin yksi kromosomi periytyy äidin puolelle eikä siihen kohdistu geneettistä rekombinaatiota⁹.

Mutaatioaste → Koska nDNA käy läpi geneettisen rekombinaation, se on sekoitus vanhempien DNA: han ja muuttuu siksi vanhempien perinnöissä jälkeläisilleen. Koska mtDNA periytyy vain äidiltä, ​​siirron aikana ei tapahdu muutoksia, mikä tarkoittaa, että DNA-muutokset johtuvat mutaatioista. Mutaationopeus mtDNA: ssa on paljon korkeampi kuin nDNA: ssa, joka on normaalisti alle 0,3%¹⁰.

Erot mtDNA: n ja nDNA: n soveltamisessa tieteessä

MtDNA: n ja nDNA: n erilaiset rakenteelliset ja toiminnalliset ominaisuudet ovat johtaneet eroihin niiden sovelluksissa tieteen sisällä. MtDNA: lla on huomattavasti suuremman mutaatiosuhteen avulla hyödynnetty tehokkaana työkaluna esi-isien ja suvun seuraamiseksi naisilla (matrilineage). On kehitetty menetelmiä, joita käytetään jäljittämään monien lajien esiintymistä satojen sukupolvien ajan, ja siitä on tullut fylogenetiikan ja evoluutiobiologian perusta..

Korkeamman mutaationopeuden takia mtDNA kehittyy paljon nopeammin kuin ydingeneettiset markkerit¹¹. MtDNA: n käyttämissä koodeissa on monia variaatioita, jotka johtuvat mutaatioista, joista monet eivät ole haitallisia heidän organismeilleen. Hyödyntämällä tätä suurempaa mutaatioastetta ja näitä haitallisia mutaatioita, tutkijat määrittävät mtDNA-sekvenssit ja vertaa niitä eri yksilöistä tai lajeista.

Sitten rakennetaan näiden sekvenssien välinen suhteiden verkko, joka antaa arvio suhteista joko niiden yksilöiden tai lajien välillä, joista mtDNA otettiin. Tämä antaa kuvan siitä, kuinka läheisesti ja etäisesti liittyvät toisiinsa - mitä enemmän mtDNA-mutaatioita, jotka ovat samat kaikissa niiden mitokondriogenomeissa, sitä läheisempiä ne ovat.

Koska nDNA on pienempi mutaatiosuhde, sillä on rajoitetumpi käyttö fylogenetiikan alalla. Kuitenkin, ottaen huomioon geneettiset ohjeet, joita sillä on kaikkien elävien organismien kehittämiseen, tutkijat ovat tunnustaneet sen käytön oikeuslääketieteessä.

Jokaisella ihmisellä on ainutlaatuinen geneettinen suunnitelma, jopa identtiset kaksoset¹². Oikeuslääketieteen yksiköt kykenevät käyttämään polymeraasiketjureaktiomenetelmiä (PCR) nDNA: ta käyttämällä näytteiden vertaamiseen tapauksessa. Tähän sisältyy pienten määrien nDNA: n käyttäminen kopioiden tekemiseksi kohdealueista, joita kutsutaan lyhyiksi tandemtoistoiksi (STR) molekyyliin¹³. Näistä STR-todistuksista saadaan todisteista 'profiili', jota voidaan sitten verrata tunnettuihin näytteisiin, jotka on otettu tapauksesta osallistuvilta henkilöiltä.

Ihmisen mtDNA: ta voidaan käyttää myös auttamaan yksilöimään rikosteknisiä tutkimuksia, mutta toisin kuin nDNA, se ei ole spesifinen yhdelle yksilölle, mutta sitä voidaan käyttää yhdessä muiden todisteiden kanssa (kuten antropologinen ja epäsuora näyttö) tunnistamisen löytämiseksi. Koska mtDNA: lla on enemmän kopioita solua kohden kuin nDNA: lla, sillä on kyky tunnistaa paljon pienemmät, vaurioituneet tai hajonneet biologiset näytteet¹⁴. Suurempi määrä mtDNA-kopioita solua kohti kuin nDNA: ta tekee mahdolliseksi myös saada DNA-ottelu elävän sukulaisen kanssa, vaikka lukuisat äiti-sukupolvet erottaisivat heitä sukulaisen luurankojäännöksistä.

Mitokondrio- ja ydin-DNA: n avainerojen taulukkomääritys

	Mitokondriaalinen DNA	Ydin-DNA
Sijainti	mitokondriot	Solun ydin
Kopioita somaattisessa solussa	100-1000	2
Rakenne	Pyöreä ja suljettu	Lineaarinen ja avoin
Kalvon kotelo	Ei kalvon peittämä	Suljettu ydinmembraanilla
Genomikoko	1 kromosomi 16 569 emäsparilla	46 kromosomia 3,3 miljardilla emäsparilla
Geenien lukumäärä	37 geeniä	20 000-25 000 geeniä
Perintotapa	Äidin	Äiti ja isä
Käännösmenetelmä	Jotkut kodonit eivät noudata yleistä kodonikuviota	Seuraa yleistä kodonikuviota
Transkriptiomenetelmä	polykistroniseksi	monokistronisia