Razlika med Mitohondrijsko DNK in Jedrsko DNK

Kaj je DNK?

Deoksiribonukleinska kislina (DNK) vsebuje genetske informacije, ki se uporabljajo kot niz navodil za rast in razvoj, pa tudi za dokončno delovanje in razmnoževanje živih organizmov. Je nukleinska kislina in je ena od štirih glavnih vrst makromolekule, za katere je znano, da so nujno potrebne za vse oblike življenja¹.

Vsaka molekula DNA je sestavljena iz dveh pramenov biopolimera, ki se vijačita okoli drugega in tvorita dvojno vijačnico. Ti dve verigi DNK se imenujeta polinukleotidi, saj sta sestavljeni iz preprostejših monomernih enot, imenovanih nukleotidi².

Vsak posamezen nukleotid je sestavljen iz ene od štirih nukleobaz, ki vsebujejo dušik - citozin (C), gvanin (G), adenin (A) ali timin (T) - skupaj s sladkorjem, imenovanim deoksiriboza, in fosfatno skupino.

Nukleotidi se med seboj povezujejo s kovalentnimi vezmi, med fosfati enega nukleotida in sladkorjem naslednjega. Tako nastane veriga, ki ima za posledico izmenično hrbtenico sladkorja in fosfata. Dušikove baze obeh polinukleotidnih verig so vezane skupaj z vodikovimi vezmi, da nastanejo dvo verižni DNK v skladu s strogimi baznimi pari (A do T in C do G)³.

Znotraj evkariontskih celic je DNK organiziran v strukture, imenovane kromosomi, pri čemer ima vsaka celica 23 parov kromosomov. Med delitvijo celic se kromosomi podvajajo skozi proces podvajanja DNA, če ima vsaka celica svoj celoten sklop kromosomov. Evkariontski organizmi, kot so živali, rastline in glive, večino svoje DNK hranijo v celičnem jedru in del DNK v organelah, kot so mitohondriji⁴.

Ker se nahaja v različnih regijah evkariontske celice, obstajajo številne temeljne razlike med mitohondrijsko DNK (mtDNA) in jedrsko DNK (nDNA). Na podlagi ključnih strukturnih in funkcionalnih lastnosti te razlike vplivajo na njihovo delovanje znotraj evkariontskih organizmov.

Organizacijske in strukturne razlike mitohondrijske DNK in jedrske DNK

Lokacija → Nahaja se izključno v mitohondrijih, mtDNA vsebuje 100-1.000 kopij na somatsko celico. Jedrska DNK se nahaja v jedru vsake evkariontske celice (z nekaj izjemami, kot so živčne in rdeče krvne celice) in ima običajno le dve kopiji na somatsko celico⁵.

Struktura → Obe vrsti DNK sta dvoverižni. Vendar ima nDNA linearno, odprto strukturo, ki je obdana z jedrsko membrano. To se razlikuje od mtDNA, ki ima običajno zaprto, krožno strukturo in je ne zajema nobena membrana

Velikosti genoma → Tako mtDNA kot nDNA imata svoje genome, vendar so zelo različne velikosti. Pri ljudeh velikost mitohondrijskega genoma sestavlja samo 1 kromosom, ki vsebuje 16.569 baznih parov DNK. Jedrski genom je bistveno večji od mitohondrija, sestavljen iz 46 kromosomov, ki vsebujejo 3,3 milijarde nukleotidov.

Gensko kodiranje → Singularni mtDNA kromosom je veliko krajši od jedrskih kromosomov. Vsebuje 36 genov, ki kodirajo 37 beljakovin, vsi pa so specifični proteini, ki se uporabljajo v metaboličnih procesih, ki jih izvajajo mitohondriji (kot so cikel citratne kisline, sinteza ATP in presnova maščobnih kislin). Jedrski genom je veliko večji, z 20.000–25.000 genov kodira vse proteine, potrebne za njegovo delovanje, kar vključuje tudi mitohondrijske gene. Mitohondrij, ki je pol avtonomni organeli, ne more kodirati vseh svojih lastnih beljakovin. Vendar pa lahko kodirajo za 22 tRNA in 2 rRNA, kar nDNA nima sposobnosti..

Funkcijske razlike

Postopek prevajanja → Proces prevajanja med nDNA in mtDNA se lahko razlikuje. nDNA sledi univerzalnemu vzorcu kodona, vendar za mtDNA to ni vedno. Nekatere mitohondrijske kodirne sekvence (trojni kodoni) ne sledijo univerzalnemu kodonskemu vzorcu, ko se prevedejo v beljakovine. Na primer, AUA označi metionin v mitohondrionu (ne za izolevcin). UGA tudi kodira triptofan (ne stop kodon kot pri genomu sesalcev)⁶.

Postopek prepisovanja → Transkripcija genov znotraj mtDNA je polikistronska, kar pomeni, da se tvori mRNA z zaporedji, ki kodirajo številne proteine. Za transkripcijo jedrskih genov je postopek monokistronski, kjer tvorjena mRNA ima zaporedja, ki kodirajo samo en protein⁸.

Dedovanje genoma → Jedrska DNK je diploidna, kar pomeni, da DNK podeduje tako materinsko kot očetovsko (po 23 kromosomov vsake matere in očeta). Vendar je mitohondrijska DNK haploidna, pri čemer se posamezen kromosom podeduje po materini strani in ni podvržen genetski rekombinaciji⁹.

Stopnja mutacije → Ker se nDNA opravi z gensko rekombinacijo, je premeščanje DNK staršev in se zato med dedovanjem od staršev do potomcev spremeni. Ker pa mtDNA podeduje samo od matere, med prenosom ni sprememb, kar pomeni, da morebitne spremembe DNK prihajajo iz mutacij. Stopnja mutacije v mtDNA je veliko višja kot v nDNA, ki je običajno manjša od 0,3%¹⁰.

Razlike v uporabi mtDNA in nDNA znotraj znanosti

Različne strukturne in funkcionalne lastnosti mtDNA in nDNA so povzročile razlike v njihovi uporabi v znanosti. S svojo znatno večjo hitrostjo mutacije je bila mtDNA uporabljena kot močno orodje za sledenje prednikov in rodu prek samic (matrilineage). Razvite so bile metode, ki se uporabljajo za sledenje dedovanju številnih vrst skozi stotine generacij in so postale osnova filogenetike in evolucijske biologije.

Zaradi višje stopnje mutacije se mtDNA razvija veliko hitreje kot jedrski genetski markerji¹¹. Med kodami, ki jih uporablja mtDNA, obstaja veliko različic, ki izhajajo iz mutacij, od katerih mnoge niso škodljive za njihove organizme. Znanstveniki s pomočjo večje stopnje mutacije in teh neškodljivih mutacij določajo sekvence mtDNA in jih primerjajo pri različnih posameznikih ali vrstah.

Nato je zgrajena mreža odnosov med temi zaporedji, ki omogoča oceno razmerij med posamezniki ali vrstami, iz katerih je bila odvzeta mtDNA. To daje predstavo o tem, kako tesno in oddaljeno sta povezani - več ko je mutacij mtDNA, ki so enake v vsakem od njihovih mitohondrijskih genomov, bolj so povezane.

Zaradi nižje hitrosti mutacije nDNA ima bolj omejeno uporabo na področju filogenetike. Toda glede na genetska navodila, ki jih ima za razvoj vseh živih organizmov, so znanstveniki prepoznali njegovo uporabo v forenziki.

Vsak posameznik ima edinstven genetski načrt, celo identična dvojčka¹². Forenzični oddelki lahko uporabljajo tehnike verižne reakcije s polimerazo (PCR) z uporabo nDNA za primerjavo vzorcev v primeru. To vključuje uporabo majhne količine nDNA za izdelavo kopij ciljanih regij, imenovanih kratkih tandemskih ponovitev (STR) na molekuli¹³. Iz teh dokumentov STR je iz dokazil pridobljen „profil“, ki ga je mogoče nato primerjati z znanimi vzorci, odvzetimi od posameznikov, vpletenih v zadevo..

Človeška mtDNA se lahko uporablja tudi za pomoč pri identifikaciji posameznikov s pomočjo forenzike, vendar za razliko od nDNA ni specifična za enega posameznika, vendar se lahko uporablja v kombinaciji z drugimi dokazi (na primer antropološkimi in naključnimi dokazi) za določitev identifikacije. Ker ima mtDNA večje število kopij na celico kot nDNA, ima sposobnost identifikacije veliko manjših, poškodovanih ali razkrojenih bioloških vzorcev¹⁴. Večje število kopij mtDNA na celico kot nDNA omogoča tudi ujemanje DNK z živim sorodnikom, četudi jih številne maternalne generacije ločijo od okostnih ostankov sorodnika.

Tabela primerjave ključnih razlik med mitohondrijsko in jedrsko DNK

	Mitohondrijska DNA	Jedrska DNK
Lokacija	Mitohondrije	Celično jedro
Kopije na somatsko celico	100-1.000	2
Struktura	Krožna in zaprta	Linearno in odprto
Membranski zaprt prostor	Ni obdana z membrano	Zaprto z jedrsko membrano
Velikost genoma	1 kromosom s 16.569 baznimi pari	46 kromosomov s 3,3 milijarde baznih parov
Število genov	37 genov	20.000-25.000 genov
Način dedovanja	Materinski	Materinski in očetovski
Način prevajanja	Nekateri kodoni ne sledijo univerzalnemu vzorcu kodona	Sledi univerzalni vzorec kodona
Način prepisa	Polikistronski	Monocistronic