Atšķirība starp mitohondriju DNS un kodola DNS

Kas ir DNS?

Dezoksiribonukleīnskābe (DNS) satur ģenētisko informāciju, kas tiek izmantota kā instrukciju kopums augšanai un attīstībai, kā arī dzīvo organismu pilnīgai funkcionēšanai un pavairošanai. Tā ir nukleīnskābe un ir viens no četriem galvenajiem makromolekulu veidiem, kas, kā zināms, ir nepieciešami visu veidu dzīvībai.¹.

Katru DNS molekulu veido divas biopolimēra šķiedras, kas saista ap otru, veidojot dubultu spirāli. Šīs divas DNS virknes sauc par polinukleotīdiem, jo ​​tās ir izgatavotas no vienkāršākām monomēru vienībām, ko sauc par nukleotīdiem².

Katru atsevišķu nukleotīdu veido viena no četrām slāpekli saturošām nukleobāzēm - citozīns (C), guanīns (G), adenīns (A) vai timīns (T) - kopā ar cukuru, ko sauc par dezoksiribozi, un fosfātu grupu.

Nukleotīdi ir savienoti viens ar otru ar kovalentām saitēm starp viena nukleotīda fosfātu un nākamā cukuru. Tādējādi tiek izveidota ķēde, kā rezultātā mainās cukura-fosfāta mugurkauls. Abu polinukleotīdu virkņu slāpekļa bāzes ir savstarpēji saistītas ar ūdeņraža saitēm, lai izveidotu divpavedienu DNS saskaņā ar stingriem bāzu pāriem (no A līdz T un no C līdz G)³.

Eikariotu šūnās DNS tiek sakārtota struktūrās, ko sauc par hromosomām, un katrā šūnā ir 23 hromosomu pāri. Šūnu dalīšanas laikā hromosomas tiek replicētas, izmantojot DNS replikācijas procesu, ja vien katrai šūnai ir savs pilns hromosomu komplekts. Eikariotu organismi, piemēram, dzīvnieki, augi un sēnītes, lielāko daļu savu DNS glabā šūnas kodolā, bet daļu DNS - organellos, piemēram, mitohondrijos.⁴.

Atrodoties dažādos eikariotu šūnas reģionos, pastāv vairākas fundamentālas atšķirības starp mitohondriju DNS (mtDNA) un kodola DNS (nDNA). Balstoties uz galvenajām strukturālajām un funkcionālajām īpašībām, šīs atšķirības ietekmē to darbību to eikariotu organismos.

Mitohondriju DNS un kodolu DNS organizācija un struktūras atšķirības

Atrašanās vieta → Atrodas tikai mitohondrijos, mtDNA satur 100-1000 eksemplāru uz vienu somatisko šūnu. Kodolu DNS atrodas katras eikariotu šūnas kodolā (ar dažiem izņēmumiem, piemēram, nervu un sarkano asins šūnu), un parasti somatiskajā šūnā ir tikai divi eksemplāri.⁵.

Uzbūve → Abi DNS veidi ir divkārši. Tomēr nDNA ir lineāra, vaļēja struktūra, kuru ieskauj kodolenerģija. Tas atšķiras no mtDNA, kam parasti ir slēgta, apaļa struktūra un kuru neaptver neviena membrāna

Genoma izmēri → Gan mtDNA, gan nDNA ir savi genomi, taču tie ir ļoti atšķirīgi. Cilvēkiem mitohondriju genoma lielums sastāv tikai no 1 hromosomas, kas satur 16 569 DNS bāzes pārus. Kodolgenoms ir ievērojami lielāks nekā mitohondrijs, kas sastāv no 46 hromosomām, kas satur 3,3 miljardus nukleotīdu.

Gēnu kodēšana → Vienskaitļa mtDNS hromosoma ir daudz īsāka nekā kodolhromosomas. Tas satur 36 gēnus, kas kodē 37 proteīnus, un tie visi ir specifiski proteīni, ko izmanto vielmaiņas procesos, ko veic mitohondriji (piemēram, citrātskābes cikls, ATP sintēze un taukskābju metabolisms). Kodolgenoms ir daudz lielāks, ar 20 000–25 000 gēnu, kas kodē visus tā funkcijai nepieciešamos proteīnus, kas ietver arī mitohondriju gēnus. Būdami daļēji autonomi organoīdi, mitohondrijs nespēj kodēt visus savus proteīnus. Tomēr tie var kodēt 22 tRNS un 2 rRNS, ko nDNS trūkst..

Funkcionālās atšķirības

Tulkošanas process → Tulkošanas process starp nDNA un mtDNA var atšķirties. nDNA seko universālajam kodonu modelim, tomēr tas ne vienmēr notiek mtDNA gadījumā. Dažas mitohondriju kodēšanas sekvences (tripletu kodoni), pārveidojot olbaltumvielās, neievēro universālo kodonu modeli. Piemēram, AUA kodē metionīnu mitohondrijā (nevis izoleicīnu). UGA kodē arī triptofānu (nevis stopkodonu kā zīdītāju genomā)⁶.

Transkripcijas process → Gēna transkripcija mtDNS iekšienē ir policistroniska, tas nozīmē, ka mRNS veidojas ar sekvencēm, kas kodē daudzus proteīnus. Kodolgēna transkripcijai process ir monocistronisks, kad izveidotajai mRNS ir secības, kas kodē tikai vienu olbaltumvielu⁸.

Genoma mantojums → Kodola DNS ir diploīds, kas nozīmē, ka tā manto DNS gan no mātes, gan paternāli (23 hromosomas no katras no mātes un tēva). Tomēr mitohondriju DNS ir haploīds, un viena hromosoma tiek mantota mātes pusē un netiek pakļauta ģenētiskai rekombinācijai⁹.

Mutācijas pakāpe → Tā kā nDNS tiek pakļauta ģenētiskai rekombinācijai, tā ir vecāku DNS sajaukšana un tāpēc tiek mainīta mantojuma laikā no vecākiem viņu pēcnācējiem. Tomēr, tā kā mtDNA tiek mantota tikai no mātes, transmisijas laikā izmaiņas nemainās, tas nozīmē, ka visas DNS izmaiņas rodas no mutācijām. MtDNS mutācijas ātrums ir daudz lielāks nekā nDNS, kas parasti ir mazāks par 0,3%¹⁰.

MtDNA un nDNA pielietojuma atšķirības zinātnē

MtDNA un nDNA atšķirīgās strukturālās un funkcionālās īpašības ir radījušas atšķirības to lietojumos zinātnē. Ar ievērojami lielāku mutāciju ātrumu mtDNA ir izmantota kā spēcīgs līdzeklis, lai izsekotu senču un ciltstēvu caur mātītēm (matrilineāža). Ir izstrādātas metodes, kuras izmanto daudzu sugu senču izsekošanai simtiem paaudžu laikā, un tās ir kļuvušas par filoģenētikas un evolūcijas bioloģijas pamatu..

Sakarā ar augstāku mutācijas ātrumu, mtDNA attīstās daudz ātrāk nekā kodolģenētiskie marķieri¹¹. Starp kodiem, ko izmanto mtDNA, ir daudz variāciju, kas rodas mutāciju rezultātā, no kurām daudzas nav kaitīgas viņu organismiem. Izmantojot šo lielāku mutāciju ātrumu un šīs nekaitīgās mutācijas, zinātnieki nosaka mtDNS secības un salīdzina tās no dažādiem indivīdiem vai sugām.

Pēc tam tiek izveidots attiecību tīkls starp šīm sekvencēm, kas nodrošina attiecību novērtējumu starp indivīdiem vai sugām, no kurām tika ņemta mtDNA. Tas dod priekšstatu par to, cik cieši un tālu ir savstarpēji saistīti - jo vairāk mtDNS mutāciju ir vienādas katrā to mitohondriju genomā, jo vairāk savstarpēji saistītas.

Sakarā ar zemāku nDNS mutāciju ātrumu tai ir ierobežotāka piemērošana filoģenētikas jomā. Tomēr, ņemot vērā ģenētiskos norādījumus, kas ir visu dzīvo organismu attīstībai, zinātnieki ir atzinuši tā izmantošanu kriminālistikā.

Katram cilvēkam ir unikāls ģenētiskais plāns, pat identiski dvīņi¹². Kriminālistikas nodaļas var izmantot polimerāzes ķēdes reakcijas (PCR) paņēmienus, izmantojot nDNS, lai salīdzinātu paraugus katrā gadījumā. Tas ietver nelielu nDNA daudzumu izmantošanu, lai izgatavotu mērķa reģionu kopijas, ko sauc par īsiem tandēma atkārtojumiem (STR) molekulā.¹³. No šiem STR tiek iegūts “profils” no pierādījumiem, ko pēc tam var salīdzināt ar zināmiem paraugiem, kas ņemti no lietā iesaistītajām personām..

Cilvēka mtDNA var izmantot arī, lai palīdzētu identificēt personas, kas izmanto kriminālistiku, tomēr atšķirībā no nDNA tā nav specifiska vienam indivīdam, bet to var izmantot kopā ar citiem pierādījumiem (piemēram, antropoloģiskiem un netiešiem pierādījumiem), lai noteiktu identifikāciju. Tā kā mtDNA ir lielāks eksemplāru skaits vienā šūnā nekā nDNA, tā spēj identificēt daudz mazākus, bojātus vai sadalītus bioloģiskos paraugus¹⁴. Lielāks mtDNA eksemplāru skaits vienā šūnā nekā nDNS ļauj arī iegūt DNS sakritību ar dzīvo radinieku, pat ja daudzas mātes paaudzes tos atšķir no radinieka skeleta paliekām.

Mitohondriju un kodola DNS galveno atšķirību tabulas salīdzinājums

	Mitohondriju DNS	Kodolu DNS
Atrašanās vieta	Mitohondriji	Šūnu kodols
Kopijas vienā somatiskajā šūnā	100–1 000	2
Uzbūve	Apļveida un slēgts	Lineārs un beztermiņa
Membrānas korpuss	Nav apvalka ar membrānu	Norobežota ar kodola membrānu
Genoma lielums	1 hromosoma ar 16 569 bāzes pāriem	46 hromosomas ar 3,3 miljardiem bāzes pāru
Gēnu skaits	37 gēni	20 000-25 000 gēnu
Mantojuma metode	Mātes	Mātes un tēva
Tulkošanas metode	Daži kodoni neievēro universālo kodonu modeli	Seko universālajam kodonu modelim
Transkripcijas metode	Poliklistronisks	Monocistronic