Forskjellen mellom mitokondrialt DNA og nukleært DNA

Hva er DNA?

Deoksyribonukleinsyre (DNA) bærer genetisk informasjon som brukes som et sett med instruksjoner for vekst og utvikling, samt den endelige funksjon og reproduksjon av levende organismer. Det er en nukleinsyre og er en av de fire hovedtyper av makromolekyler som er kjent for å være avgjørende for alle livsformer.¹.

Hvert DNA-molekyl består av to biopolymerstrenger som spoler rundt hverandre for å danne en dobbelt helix. Disse to DNA-strengene kalles polynukleotider, da de er laget av enklere monomerenheter kalt nukleotider².

Hvert enkelt nukleotid består av en av fire nitrogenholdige nukleobaser - Cytosin (C), Guanin (G), Adenin (A) eller Thymin (T) - sammen med et sukker som heter deoksyribose og en fosfatgruppe.

Nukleotider er forbundet med hverandre ved kovalente bindinger, mellom fosfat av ett nukleotid og sukkeret av det neste. Dette skaper en kjede, noe som resulterer i et alternativt sukkerfosfat-ryggrad. Kvävebaser av de to polynukleotidstrenger bindes sammen av hydrogenbindinger for å lage dobbeltstrenget DNA i henhold til strenge baseparasjoner (A til T og C til G)³.

I eukaryotiske celler er DNA organisert i strukturer kalt kromosomer, hvor hver celle har 23 par kromosomer. Under celledeling blir chromosomer duplisert gjennom prosessen med DNA-replikasjon, så lenge hver celle har sitt eget komplette sett med kromosomer. Eukaryote organismer som dyr, planter og sopp, lagre majoriteten av deres DNA inne i cellekjernen og noen av deres DNA i organeller som mitokondrier⁴.

Å være lokalisert i forskjellige regioner av eukaryotcellen, er det en rekke fundamentale forskjeller mellom mitokondrialt DNA (mtDNA) og nukleært DNA (nDNA). Basert på viktige strukturelle og funksjonelle egenskaper påvirker disse forskjellene hvordan de virker innen eukaryotiske organismer.

Organisasjon og strukturelle forskjeller i mitokondrialt DNA og kjernefysisk DNA

Plassering → Ligger utelukkende i mitokondriene, inneholder mtDNA 100-1000 eksemplarer per somatisk celle. Nukleært DNA ligger innenfor kjernen til hver eukaryotisk celle (med noen unntak som nerve og røde blodlegemer) og har vanligvis kun to kopier per somatisk celle⁵.

Struktur → Begge typer DNA er dobbeltstrenget. Imidlertid har nDNA en lineær, åpen endestruktur som er innelukket av en nukleær membran. Dette er forskjellig fra mtDNA, som vanligvis har en lukket, sirkulær struktur og ikke er innhyllet av noen membran

Genomstørrelser → Både mtDNA og nDNA har sine egne genomer, men har svært forskjellige størrelser. Hos mennesker består størrelsen på mitokondriegenomet av bare 1 kromosom som inneholder 16 569 DNA basepar. Nukleært genom er betydelig større enn mitokondriet, som består av 46 kromosomer som inneholder 3,3 milliarder nukleotider.

Gene koding → Det singulære mtDNA kromosomet er mye kortere enn atomkromosomene. Den inneholder 36 gener som koder for 37 proteiner, som alle er spesifikke proteiner som brukes i metabolske prosesser som mitokondrier påtar seg (som citratsyklus, ATP-syntese og fettsyre metabolisme). Nukleært genom er mye større, med 20.000-25.000 gener som koder for alle proteinene som kreves for dets funksjon, som også inkluderer mitokondrie-gener. Å være semi-autonome organeller, mitokondrion, kan ikke kode for alle sine egne proteiner. Imidlertid kan de kode for 22 tRNA og 2 rRNA, hvilket nDNA mangler evnen til å gjøre.

Funksjonsforskjeller

Oversettelsesprosess → Oversetterprosessen mellom nDNA og mtDNA kan variere. nDNA følger det universelle kodonmønsteret, men dette er ikke alltid tilfelle for mtDNA. Noen mitokondriale kodende sekvenser (triplettkodoner) følger ikke det universelle kodonmønsteret når de blir oversatt til proteiner. For eksempel koder AUA for metionin i mitokondrion (ikke isoleucin). UGA koder også for tryptofan (ikke en stoppkodon som i pattedyrgenomet)⁶.

Transskripsjonsprosess → Gentranskripsjon innen mtDNA er polykistronisk, noe som betyr at en mRNA dannes med sekvenser som koder for mange proteiner. For nukleærgen-transkripsjon er prosessen monokistronisk, hvor den dannede mRNA har sekvenser som koder for bare et enkelt protein⁸.

Genom arv → Nukleært DNA er diploid, noe som betyr at det arver DNA både maternalt og paternalt (23 kromosomer fra hver av mor og far). Imidlertid er mitokondrielt DNA haploid, med det enkelte kromosom som arves ned i mors side og ikke gjennomgår genetisk rekombination⁹.

Mutasjonsrate → Ettersom nDNA gjennomgår genetisk rekombinasjon, er det en blanding av foreldrenes DNA og blir derfor endret under arv fra foreldrene til deres avkom. Men da mtDNA bare er arvet fra moren, er det ingen endring under overføring, noe som betyr at eventuelle DNA-endringer kommer fra mutasjoner. Mutasjonsraten i mtDNA er mye høyere enn i nDNA, som vanligvis er mindre enn 0,3%¹⁰.

Forskjeller i anvendelsen av mtDNA og nDNA innen vitenskap

De forskjellige strukturelle og funksjonelle egenskapene til mtDNA og nDNA har ført til forskjeller i deres applikasjoner innen vitenskap. Med sin signifikant større mutasjonsrate har mtDNA blitt brukt som et kraftig verktøy for å spore forfedre og slanking gjennom kvinner (matrilineage). Metoder er utviklet som brukes til å spore forfedre av mange arter tilbake gjennom hundrevis av generasjoner og har blitt hovedrollen i fylogenetikk og evolusjonær biologi.

På grunn av den høyere mutasjonsfrekvensen utvikler mtDNA mye raskere enn nukleære genetiske markører¹¹. Det er mange variasjoner blant koder som brukes av mtDNA som oppstår fra mutasjoner, hvorav mange ikke er skadelige for deres organismer. Ved hjelp av denne større mutasjonsfrekvensen og disse ikke-skadelige mutasjonene, bestemmer forskere mtDNA-sekvenser og sammenligner dem fra forskjellige individer eller arter.

Et nettverk av relasjoner mellom disse sekvensene blir da konstruert som gir et estimat av forholdene mellom enten enkeltpersoner eller arter hvorfra mtDNA ble tatt. Dette gir en ide om hvor nært og fjernt beslektet hvert er - jo flere mtDNA-mutasjoner som er de samme i hver av deres mitokondrielle genomer, jo mer relaterte er de.

På grunn av den lavere mutasjonshastigheten til nDNA, har den en mer begrenset anvendelse innen fylogenetikk. Men gitt de genetiske instruksjonene det gjelder for utviklingen av alle levende organismer, har forskere anerkjent bruken i rettsmedisin.

Hver eneste person har en unik genetisk blåkopi, til og med identiske tvillinger¹². Forensiske avdelinger er i stand til å bruke polymerasekjedereaksjons (PCR) teknikker, ved hjelp av nDNA, for å sammenligne prøver i et tilfelle. Dette innebærer bruk av små mengder nDNA for å lage kopier av målrettede regioner kalt korte tandem gjentakelser (STRs) på molekylet^{1. 3}. Fra disse STR er en "profil" hentet fra bevismaterialer, som deretter kan sammenlignes med kjente prøver tatt fra de involverte personene i saken.

Human mtDNA kan også brukes til å identifisere personer som bruker rettsmedisin, men i motsetning til nDNA, er det ikke spesifikt for ett individ, men kan brukes i kombinasjon med andre bevis (som antropologisk og tilfeldig bevis) for å etablere identifikasjon. Fordi mtDNA har et større antall kopier per celle enn nDNA, har den muligheten til å identifisere mye mindre, skadede eller nedbrytte biologiske prøver¹⁴. Jo større antall mtDNA-kopier per celle enn nDNA, gjør det også mulig å skaffe seg en DNA-kamp med en levende slektning, selv om mange materlige generasjoner skiller dem fra skjelettrester av en slektning.

Tabell sammenligning av sentrale forskjeller mellom mitokondrielt og kjernefysisk DNA

	Mitokondrisk DNA	Nukleært DNA
plassering	mitokondrier	Cell Nucleus
Kopier per somatisk celle	100-1.000	2
Struktur	Sirkulær og lukket	Lineær og åpen slutt
Membrankapsling	Ikke innhyllet av en membran	Vedlagt av en nukleær membran
Genomstørrelse	1 kromosom med 16 569 basepar	46 kromosomer med 3,3 milliarder basepar
Antall gener	37 gener	20.000-25.000 gener
Arvsmetode	maternal	Maternal og Paternal
Metode for oversettelse	Noen kodoner følger ikke universell kodonmønster	Følger universelt kodonmønster
Metode for transkripsjon	polycistronic	monocistronisk