Разлика между митохондриалната ДНК и ядрената ДНК

Какво е ДНК?

Деоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) носи генетична информация, която се използва като набор от инструкции за растеж и развитие, както и за крайното функциониране и възпроизводство на живи организми. Това е нуклеинова киселина и е един от четирите основни типа макромолекули, за които се знае, че са от съществено значение за всички форми на живот¹.

Всяка молекула на ДНК се състои от две биополимерни нишки, навити около една друга, за да образуват двойна спирала. Тези две нишки на ДНК се наричат ​​полинуклеотиди, тъй като са направени от по-прости мономерни единици, наречени нуклеотиди².

Всеки отделен нуклеотид е съставен от една от четирите съдържащи азот нуклеобази - цитозин (С), гуанин (G), аденин (А) или тимин (Т) - заедно със захар, наречена дезоксирибоза и фосфатна група.

Нуклеотидите се свързват един с друг чрез ковалентни връзки между фосфата на един нуклеотид и захарта на следващия. Това създава верига, което води до редуване на основата на захарно-фосфатната основа. Азотните основи на двата полинуклеотидни нишки са свързани заедно с водородни връзки, за да направят двуверижна ДНК според строгите двойки на базата (от A до T и от C до G)³.

В еукариотните клетки ДНК се организира в структури, наречени хромозоми, като всяка клетка има 23 двойки хромозоми. По време на клетъчното делене хромозомите се дублират чрез процеса на репликация на ДНК, стига всяка клетка да има собствен пълен набор от хромозоми. Еукариотни организми като животни, растения и гъби, съхраняват по-голямата част от тяхната ДНК в клетъчното ядро ​​и част от тяхната ДНК в органели като митохондриите⁴.

Разполагайки в различни региони на еукариотната клетка, има редица фундаментални разлики между митохондриалната ДНК (mtDNA) и ядрената ДНК (nDNA). Въз основа на ключови структурни и функционални свойства, тези различия влияят върху начина им на работа в еукариотните организми.

Организационни и структурни различия на митохондриалната ДНК и ядрената ДНК

Местоположение → Разположена изключително в митохондриите, mtDNA съдържа 100-1000 копия на соматична клетка. Ядрената ДНК се намира в ядрото на всяка еукариотна клетка (с някои изключения като нервни и червени кръвни клетки) и обикновено има само две копия на соматична клетка⁵.

структура → И двата типа ДНК са двуверижни. Въпреки това, nDNA има линейна структура с отворен край, която е затворена от ядрена мембрана. Това се различава от mtDNA, която обикновено има затворена, кръгла структура и не е обгърната от никаква мембрана

Размери на генома → И mtDNA, и nDNA имат свои геноми, но са с много различни размери. При хората размерът на митохондриалния геном се състои само от 1 хромозома, която съдържа 16 599 основни двойки ДНК. Ядреният геном е значително по-голям от митохондриалния, състоящ се от 46 хромозоми, които съдържат 3,3 милиарда нуклеотиди.

Генно кодиране → Сингулярната mtDNA хромозома е много по-къса от ядрените хромозоми. Той съдържа 36 гена, които кодират 37 протеина, всички от които са специфични протеини, използвани в метаболитните процеси, които митохондриите предприемат (като цитратен киселинен цикъл, синтез на АТФ и метаболизъм на мастни киселини). Ядреният геном е много по-голям, с 20 000-25 000 гена, кодиращи всички протеини, необходими за неговата функция, която включва и митохондриални гени. Като полуавтономни органели, митохондрионът не може да кодира всички свои собствени протеини. Въпреки това, те могат да кодират за 22 tRNAs и 2 rRNAs, което nDNA няма възможност да направи.

Функционални разлики

Процес на превод → Процесът на транслация между nDNA и mtDNA може да варира. nDNA следва универсалния модел на кодон, но това не винаги е така за mtDNA. Някои кодиращи последователности на митохондриите (триплетни кодони) не следват универсалния модел на кодон, когато се превеждат в протеини. Например, AUA кодира метионин в митохондриона (а не изолевцина). UGA също кодира триптофан (не стоп кодон, както в генома на бозайници)⁶.

Процес на транскрипция → Генетичната транскрипция в рамките на mtDNA е полицистронна, което означава, че mRNA се образува с последователности, които кодират много протеини. За транскрипцията на ядрен ген процесът е моноцистронен, където образуваната иРНК има последователности, кодиращи само един протеин⁸.

Наследяване на геном → Ядрената ДНК е диплоидна, което означава, че наследява ДНК както по майчина линия, така и по бащин (23 хромозоми от всяка майка и баща). Въпреки това, митохондриалната ДНК е хаплоидна, като единичната хромозома се наследява по майчина страна и не се подлага на генетична рекомбинация⁹.

Степен на мутация → Тъй като nDNA е подложена на генетична рекомбинация, тя е изместване на ДНК на родителя и следователно се променя по време на наследяване от родителите към тяхното потомство. Въпреки това, тъй като mtDNA се наследява само от майката, няма промяна по време на предаването, което означава, че всички промени в ДНК идват от мутации. Степента на мутация в mtDNA е много по-висока, отколкото в nDNA, която обикновено е по-малка от 0,3%¹⁰.

Разлики в приложението на mtDNA и nDNA в науката

Различните структурни и функционални свойства на mtDNA и nDNA са довели до различия в техните приложения в науката. Със значително по-високата му степен на мутация, mtDNA е използвана като мощен инструмент за проследяване на потекло и родословие чрез жени (matrilineage). Разработени са методи, които се използват за проследяване на потомството на много видове през стотици поколения и се превръщат в основата на филогенетиката и еволюционната биология.

Поради по-високата степен на мутация, mtDNA се развива много по-бързо от ядрените генетични маркери¹¹. Има много вариации сред кодовете, използвани от mtDNA, които произтичат от мутации, много от които не са вредни за техните организми. Използвайки тази по-голяма степен на мутация и тези невредни мутации, учените определят mtDNA последователности и ги сравняват от различни индивиди или видове.

След това се изгражда мрежа от връзки между тези последователности, която осигурява оценка на връзките между индивидите или видовете, от които е взета mtDNA. Това дава представа за това колко тясно и отдалечено е една от тях - колкото повече mtDNA мутации са еднакви във всеки от техните митохондриални геноми, толкова по-свързани са те.

Поради по-ниската степен на мутация на nDNA, тя има по-ограничено приложение в областта на филогенетиката. Въпреки това, предвид генетичните инструкции, които има за развитието на всички живи организми, учените са признали използването му в криминалистиката.

Всеки един човек има уникален генетичен план, дори еднакви близнаци¹². Криминалистичните отдели са в състояние да използват техники за полимеразна верижна реакция (PCR), използвайки nDNA, за да сравняват проби в случай. Това включва използване на малки количества nDNA, за да се направят копия на насочени региони, наречени кратки тандемни повторения (STRs) на молекулата¹³. От тези СТР се получава „профил“ от доказателства, които след това могат да бъдат сравнени с известни проби, взети от лица, участващи в делото.

Човешката mtDNA също може да се използва за идентифициране на хора, използващи криминалистика, но за разлика от nDNA, тя не е специфична за един индивид, но може да се използва в комбинация с други доказателства (като антропологични и косвени доказателства) за установяване на идентификация. Тъй като mtDNA има по-голям брой копия на клетка от nDNA, тя има способността да идентифицира много по-малки, повредени или деградирали биологични проби¹⁴. По-големият брой копия на mtDNA на клетка от nDNA също прави възможно получаването на ДНК съвпадение с жив роднина, дори ако многобройни поколения майки ги отделят от скелетните останки на роднина.

Таблично сравнение на ключовите разлики между митохондриалната и ядрената ДНК

	Митохондриална ДНК	Ядрена ДНК
местоположение	Митохондриите	Клетъчен нуклеус
Копия на соматична клетка	100-1000	2
структура	Кръгла и затворена	Линеен и отворен край
Мембранен корпус	Не е обвита от мембрана	Затворена от ядрена мембрана
Размер на генома	1 хромозома с 16 599 базови двойки	46 хромозоми с 3.3 милиарда базови двойки
Брой гени	37 гена	20 000-25 000 гени
Метод на наследяване	Майчина	Майчина и бащинска
Метод на превод	Някои кодони не следват универсален модел на кодон	Следва универсален модел на кодон
Метод на транскрипция	полицистронен	моноцистронна