Rozdíl mezi mitochondriální DNA a nukleární DNA

Co je to DNA?

Kyselina deoxyribonukleová (DNA) obsahuje genetické informace, které se používají jako soubor pokynů pro růst a vývoj, jakož i pro konečné fungování a reprodukci živých organismů. Je to nukleová kyselina a je jedním ze čtyř hlavních typů makromolekul, o kterých je známo, že jsou nezbytné pro všechny formy života¹.

Každá molekula DNA se skládá ze dvou biopolymerních řetězců stočených kolem sebe, aby vytvořily dvojitou spirálu. Tyto dva řetězce DNA se nazývají polynukleotidy, protože jsou vyrobeny z jednodušších monomerních jednotek nazývaných nukleotidy².

Každý jednotlivý nukleotid je složen z jedné ze čtyř nukleobáz obsahujících dusík - cytosinu (C), guaninu (G), adeninu (A) nebo tyminu (T) - spolu s cukrem zvaným deoxyribóza a fosfátovou skupinou.

Nukleotidy jsou navzájem spojeny kovalentními vazbami mezi fosfátem jednoho nukleotidu a cukrem dalšího. Tím se vytvoří řetězec, což má za následek střídavý páteř cukru a fosfátu. Dusíkaté báze dvou polynukleotidových řetězců jsou spojeny vodíkovými vazbami, aby se vytvořila dvouřetězcová DNA podle přísných párů bází (A až T a C až G)³.

V eukaryotických buňkách je DNA organizována do struktur nazývaných chromozomy, přičemž každá buňka má 23 párů chromozomů. Během dělení buněk jsou chromosomy duplikovány procesem replikace DNA, pokud má každá buňka svůj vlastní kompletní soubor chromozomů. Eukaryotické organismy, jako jsou zvířata, rostliny a houby, ukládají většinu své DNA uvnitř buněčného jádra a část své DNA v organelách, jako je mitochondrie.⁴.

Nacházející se v různých oblastech eukaryotické buňky, existuje řada základních rozdílů mezi mitochondriální DNA (mtDNA) a jadernou DNA (nDNA). Na základě klíčových strukturálních a funkčních vlastností tyto rozdíly ovlivňují, jak fungují v eukaryotických organismech.

Organizační a strukturální rozdíly mitochondriální DNA a jaderné DNA

Umístění → Nachází se výhradně v mitochondriích, mtDNA obsahuje 100-1 000 kopií na somatickou buňku. Jaderná DNA se nachází v jádru každé eukaryotické buňky (až na některé výjimky, jako jsou nervy a červené krvinky) a obvykle má pouze dvě kopie na somatickou buňku⁵.

Struktura → Oba typy DNA jsou dvouvláknové. Avšak nDNA má lineární strukturu s otevřeným koncem, která je uzavřena jadernou membránou. To se liší od mtDNA, která má obvykle uzavřenou kruhovou strukturu a není obalena žádnou membránou

Velikost genomu → Jak mtDNA, tak nDNA mají své vlastní genomy, ale mají velmi odlišné velikosti. U lidí se velikost mitochondriálního genomu skládá pouze z 1 chromozomu, který obsahuje 16 569 párů bází DNA. Jaderný genom je podstatně větší než mitochondriální, sestávající ze 46 chromozomů, které obsahují 3,3 miliardy nukleotidů.

Genové kódování → Singulární mtDNA chromozom je mnohem kratší než jaderné chromozomy. Obsahuje 36 genů, které kódují 37 proteinů, z nichž všechny jsou specifické proteiny používané v metabolických procesech, které mitochondrie provádí (jako je cyklus kyseliny citrátové, syntéza ATP a metabolismus mastných kyselin). Jaderný genom je mnohem větší, s 20 000 až 25 000 geny kódujícími všechny proteiny potřebné pro jeho funkci, což také zahrnuje mitochondriální geny. Vzhledem k tomu, že jsou mitochondriony semi-autonomní organely, nemohou kódovat všechny své vlastní proteiny. Mohou však kódovat 22 tRNA a 2 rRNA, což nDNA postrádá schopnost.

Funkční rozdíly

Překladatelský proces → Proces translace mezi nDNA a mtDNA se může lišit. nDNA se řídí vzorem univerzálních kodonů, to však není vždy případ mtDNA. Některé mitochondriální kódovací sekvence (tripletové kodony) nesledují univerzální kodonový vzor, ​​když jsou přeloženy do proteinů. Například AUA kóduje methionin v mitochondriích (ne isoleucin). UGA také kóduje tryptofan (nikoli stop kodon jako v savčím genomu)⁶.

Proces přepisu → Genová transkripce v mtDNA je polycistronická, což znamená, že mRNA je tvořena sekvencemi, které kódují mnoho proteinů. Pro transkripci jaderných genů je proces monocistronický, kde vytvořená mRNA má sekvence kódující pouze jeden protein⁸.

Dědičnost genomu → Jaderná DNA je diploidní, což znamená, že zdědí DNA jak mateřsky, tak otcovsky (23 chromozomů od každé matky a otce). Mitochondriální DNA je však haploidní, přičemž jediný chromozom je zděděn po mateřské straně a nepodléhá genetické rekombinaci⁹.

Míra mutace → Protože nDNA podléhá genetické rekombinaci, jedná se o zamíchání DNA rodičů, a proto se během dědičnosti rodičů mění na jejich potomky. Protože však mtDNA je dědičná pouze od matky, nedochází k žádné změně během přenosu, což znamená, že jakékoli změny DNA pocházejí z mutací. Míra mutace v mtDNA je mnohem vyšší než v nDNA, což je obvykle méně než 0,3%¹⁰.

Rozdíly v aplikaci mtDNA a nDNA ve vědě

Různé strukturální a funkční vlastnosti mtDNA a nDNA vedly k rozdílům v jejich aplikacích ve vědě. Díky své výrazně vyšší míře mutace byla mtDNA využívána jako silný nástroj pro sledování původu a linie rodů (matrilineage). Byly vyvinuty metody, které se používají ke sledování původu mnoha druhů zpět přes stovky generací a staly se základem fylogenetiky a evoluční biologie..

V důsledku vyšší rychlosti mutace se mtDNA vyvíjí mnohem rychleji než jaderné genetické markery¹¹. Existuje mnoho variací mezi kódy používanými mtDNA, které vyplývají z mutací, z nichž mnohé nejsou škodlivé pro jejich organismy. S využitím této vyšší rychlosti mutace a těchto škodlivých mutací vědci určují sekvence mtDNA a porovnávají je od různých jedinců nebo druhů.

Pak je konstruována síť vztahů mezi těmito sekvencemi, která poskytuje odhad vztahů mezi jednotlivci nebo druhy, ze kterých byla mtDNA odebrána. To dává představu o tom, jak úzce a vzdáleně souvisí každý z nich - čím více mutací mtDNA je v každém z jejich mitochondriálních genomů stejné, tím více jsou příbuzní.

Vzhledem k nižší rychlosti mutace nDNA má omezenější použití v oblasti fylogenetiky. Avšak vzhledem k genetickým pokynům, které drží pro vývoj všech živých organismů, vědci uznali jeho použití v forenzní praxi.

Každý člověk má jedinečný genetický plán, dokonce stejná dvojčata¹². Forenzní oddělení jsou schopna použít techniky polymerázové řetězové reakce (PCR), pomocí nDNA, k porovnání vzorků v případě. To zahrnuje použití malého množství nDNA k vytvoření kopií cílených oblastí nazývaných krátké tandemové opakování (STRs) na molekule¹³. Z těchto STR je „profil“ získán z důkazů, které lze poté porovnat se známými vzorky odebranými od jednotlivců zapojených do případu.

Lidská mtDNA může být také použita k identifikaci jednotlivců pomocí forenzních prostředků, avšak na rozdíl od nDNA není specifická pro jednoho jednotlivce, ale může být použita v kombinaci s jinými důkazy (jako jsou antropologické a nepřímé důkazy) pro stanovení identifikace. Protože mtDNA má větší počet kopií na buňku než nDNA, má schopnost identifikovat mnohem menší, poškozené nebo degradované biologické vzorky¹⁴. Větší počet kopií mtDNA na buňku než nDNA také umožňuje získat shodu DNA s žijícím příbuzným, i když je odděluje mnoho mateřských generací od kosterních zbytků příbuzného.

Tabelární srovnání klíčových rozdílů mezi mitochondriální a jadernou DNA

	Mitochondriální DNA	Jaderná DNA
Umístění	Mitochondrie	Cell Nucleus
Kopie na somatickou buňku	100 - 1 000	2
Struktura	Kruhové a uzavřené	Lineární a otevřené konce
Membránový uzávěr	Není obalen membránou	Uzavřeno jadernou membránou
Velikost genomu	1 chromozom s 16 569 párů bází	46 chromozomů s 3,3 miliardami párů bází
Počet genů	37 genů	20 000 - 25 000 genů
Metoda dědičnosti	Mateřský	Mateřské a otcovské
Způsob překladu	Některé kodony nesledují univerzální kodonový vzor	Sleduje univerzální kodonový vzor
Způsob přepisu	Polycistronický	Monocistronické