Különbség a mitokondriális DNS és a nukleáris DNS között
Mi a DNS?
A dezoxiribonukleinsav (DNS) olyan genetikai információt hordoz, amelyet a növekedés és fejlődés utasításainak, valamint az élő szervezetek végső működésének és reprodukciójának felhasználásával használnak. Ez egy nukleinsav, és egyike annak a négy fő makromolekulaknak, amelyekről tudni kell, hogy elengedhetetlenek az élet minden formájához 1 .
Mindegyik DNS-molekula két biopolimer szálból áll, amelyek egymás köré tekertek, hogy kettős hélixet képezzenek. Ezt a két DNS-szálat polinukleotidnak nevezzük, mivel egyszerűbb monomeregységekből állnak, amelyek nukleotidok2 . Minden egyes nukleotid a négy nitrogéntartalmú nukleobázis közül egy - a citozin (C), a guanine (G), az adenin (A) vagy a timin (T) - egy deoxigibóz nevű cukor és egy foszfátcsoport együtteséből áll.
A nukleotidok kovalens kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz az egyik nukleotid foszfátja és a következő cukor között. Ez létrehoz egy láncot, ami váltakozó cukor-foszfát gerincet eredményez. A két polinukleotid-szál nitrogén bázisát hidrogénkötések kötik össze, hogy a kétszálú DNS szigorú bázispárosítások (A-tól T-ig és C-tól G-ig)
3legyenek. Az eukarióta sejteken belül a DNS szerves része a kromoszómáknak nevezett struktúrák, minden egyes sejt esetében 23 pár kromoszómával. A sejtosztódás során a DNS-replikáció folyamán a kromoszómákat duplikálják, mindaddig, amíg minden sejtnek saját teljes kromoszómészlete van. Az eukarióta organizmusok, mint például az állatok, növények és gombák, tárolják DNS-eik többségét a sejtmag belsejében és DNS-jük egy részét a szerves sejtekben, például a 4
mitokondriumban.
Helyzet →
A kizárólag a mitokondriumokban található, az mtDNS 100-1 000 példányt tartalmaz szomatikus sejtenként. A nukleáris DNS minden eukarióta sejt magjában helyezkedik el (néhány kivételtől eltekintve, mint az ideg és a vörösvérsejtek), és általában csak két példányban
5 szomatikus sejten át. Struktúra →
Mindkét DNS-típus kétszálas. Az nDNS azonban lineáris, nyitott végű szerkezettel rendelkezik, amelyet egy nukleáris membrán zár. Ez különbözik az mtDNS-től, amely általában zárt, kör alakú, és nem tartalmaz semmilyen membránt. Genomi méretek → Mind az mtDNS, mind az nDNA saját genomja van, de nagyon különböző méretűek.Emberekben a mitokondriális genom mérete csak 1 kromoszómából áll, amely 16, 569 DNS bázispárt tartalmaz. A nukleáris genom lényegesen nagyobb, mint a mitokondriális, amely 46 kromoszómából áll, amelyek 3, 3 milliárd nukleotidot tartalmaznak.
Gene kódolás →
Az egyedülálló mtDNS kromoszóma sokkal rövidebb, mint a nukleáris kromoszómák. 36 gént tartalmaz, amelyek 37 fehérjét kódolnak, amelyek mindegyike olyan specifikus fehérje, amelyet a mitokondriumok metabolikus folyamatokban alkalmaznak (pl. Citrát sav ciklus, ATP szintézis és zsírsav metabolizmus). A nukleáris genom sokkal nagyobb, 20 000 és 25 000 gén kódolja a működéséhez szükséges összes fehérjét, amely szintén mitokondriális géneket tartalmaz. Mivel a félig autonóm organellák, a mitokondrion nem képes kódolni az összes saját fehérjét. Azonban 22 tRNS-re és 2 rRNS-re képesek kódolni, amelyhez az nDNS-nek nincs szüksége. Funkcionális különbségek Fordítási folyamat
→
Az nDNS és az mtDNA közötti fordítási folyamat változhat. Az nDNA követi az univerzális kodon mintát, azonban ez nem mindig igaz az mtDNS-re. Egyes mitokondriális kódoló szekvenciák (triplet kodonok) nem követik az univerzális kodon mintát, amikor azokat fehérjékké alakítják. Például az AUA kódolja a metionint a mitokondriumban (nem az izoleucin). Az UGA a triptofán kódjait is kódolja (nem egy stop kodon, mint az emlős genomjában) 6 . Transzkripciós folyamat → Az mtDNS-ben lévő gén transzkripció poliszti-kronikus, ami azt jelenti, hogy mRNS képződik olyan szekvenciákkal, amelyek sok fehérjét kódolnak. A nukleáris gének transzkripciójához a folyamat monocisztrikus, ahol a képződő mRNS szekvenciái csak egy fehérjét kódolnak
8 . A genom öröklése → A nukleáris DNS diploid, vagyis mindkettő és anyai paternitás örökölte a DNS-t (23 kromoszómát mindegyik anyától és apától). Mindazonáltal a mitokondriális DNS haploid, az egyetlen kromoszómát öröklik az anyai oldalra, és nem végeznek genetikai rekombinációt
9 . Mutációs arány →
Mivel az nDNA genetikai rekombinációban megy keresztül, ez a szülő DNS-e keveredése, és ezért a szülők öröklése során megváltozik az utódaikhoz. Azonban, mivel az mtDNS csak az anyától örökölt, az átvitel során nincs változás, vagyis bármilyen DNS-változás mutációból származik. Az mtDNS mutáció mértéke sokkal magasabb, mint az nDNS-ben, ami rendszerint kevesebb, mint 0,3% 10 . Az mtDNS és az nDNS alkalmazásának különbsége a tudományon belül Az mtDNS és az nDNA különböző szerkezeti és funkcionális tulajdonságai a tudományon belüli alkalmazások közötti különbségeket eredményezték. Jelentősen nagyobb mutációs sebességgel, az mtDNS-t hatékony eszközként használják az anyaállatok és a nőstények származásainak nyomon követésére (matrilineáció). Olyan módszereket fejlesztettek ki, amelyek sok fajta származását nyomon követik több száz generáción keresztül, és amely a filogenetika és az evolúciós biológia alapjává vált.
A magasabb mutáció miatt az mtDNA sokkal gyorsabban fejlődik, mint a nukleáris genetikai markerek
11
. Számos különbség van az mtDNS által kódolt kódok között, amelyek mutációkból származnak, amelyek közül sok nem ártalmas a szervezetükre. Ezt a nagyobb mutációs sebességet és ezeket a nem káros mutációkat alkalmazva a tudósok meghatározzák az mtDNS szekvenciákat, és összehasonlítják őket különböző egyedekről vagy fajokról. Ezután létrehozunk egy kapcsolati hálózatot ezeknek a szekvenciáknak, amely becslést ad azokról az egyénekről vagy fajokról, amelyekből az mtDNS került. Ez azt az elgondolást adja, hogy mennyire szorosan és távolról egymáshoz kapcsolódnak egymáshoz - annál több mtDNS mutációt, amelyek ugyanazok a mitokondriális genomukban, annál inkább kapcsolódnak. Az nDNS alacsonyabb mutációs aránya miatt a filogenetika területén korlátozottabban alkalmazható. Azonban, figyelembe véve az összes élő szervezet kifejlesztéséhez szükséges genetikai utasításokat, a tudósok felismerték annak használatát a kriminalisztika területén.
Minden egyénnek egyedi genetikai terve van, még az azonos ikrek is
12
. A bűnüldözési szervek képesek polimeráz láncreakciós (PCR) technikákat használni az nDNS használatával, hogy összehasonlítsák a mintákat egy adott esetben. Ez azt jelenti, hogy kis mennyiségű nDNS-t használunk a 13 molekulán belüli rövidtávú ismétlések (STR) nevű célzott területek másolatainak készítéséhez. Ezekből az STR-ekből egy "profil" származik bizonyítékokból, amelyeket ezután összehasonlíthatunk az ügyben részt vevő egyénekből vett ismert mintákkal. Emberi mtDNS-t is fel lehet használni azon személyek azonosítására, akik a forenzikusokat használják, bár az nDNS-től eltérően nem egyedi az egyénre, hanem más bizonyítékokkal (például antropológiai és körülményes bizonyítékokkal) együtt használható az azonosítás megállapításához. Mivel az mtDNS nagyobb számú másolatot tartalmaz cellánként, mint az nDNS, képes azonosítani a sokkal kisebb, sérült vagy degradált biológiai mintákat 14
. Az nDNS-enként mtDNS-kopolimerek nagyobb száma, ugyanúgy lehetővé teszi DNS-mérkőzés kialakítását egy élő rokonokkal, még akkor is, ha számos anyai generáció elválasztja őket egy relatív csontváz maradványaitól. Mitokondriális DNS Nukleáris DNS
Hely
