Unterschied zwischen mitochondrialer DNA und nuklearer DNA

Was ist DNA?

Desoxyribonukleinsäure (DNA) trägt genetische Informationen, die als Reihe von Anweisungen für Wachstum und Entwicklung sowie die endgültige Funktion und Reproduktion von lebenden Organismen verwendet werden. Es ist eine Nukleinsäure und eine der vier Haupttypen von Makromolekülen, von denen bekannt ist¹.

Jedes DNA -Molekül besteht aus zwei Biopolymersträngen. Diese beiden DNA -Stränge werden als Polynukleotide bezeichnet, da sie aus einfacheren Monomereinheiten bestehen².

Jedes einzelne Nukleotid besteht aus einem von vier stickstoffhaltigen Nucleobasen - Cytosin (C), Guanin (G), Adenin (A) oder Thymin (T) - zusammen mit einem Zucker namens Desoxyribose und einer Phosphatgruppe.

Nukleotide werden durch kovalente Bindungen zwischen dem Phosphat eines Nukleotids und dem Zucker des nächsten miteinander verbunden. Dies schafft eine Kette, die zu einem abwechselnden Zucker-Phosphat-Rückgrat führt. Stickrogene Grundlagen der beiden Polynukleotidstränge sind durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengebunden, um doppelt gestrandete DNA gemäß strengen Basenpaarungen (a bis t und c bis g) zusammenzustellen³.

Innerhalb eukaryotischer Zellen wird DNA in Strukturen organisiert, die als Chromosomen bezeichnet werden, wobei jede Zelle 23 Paare von Chromosomen aufweist. Während der Zellteilung werden Chromosomen durch den Prozess der DNA -Replikation dupliziert, solange jede Zelle ihren eigenen vollständigen Satz von Chromosomen hat. Eukaryotische Organismen wie Tiere, Pflanzen und Pilze, speichern die Mehrheit ihrer DNA im Zellkern und einige ihrer DNA in Organellen wie Mitochondrien⁴.

In verschiedenen Regionen der eukaryotischen Zelle gibt es eine Reihe grundlegender Unterschiede zwischen der mitochondrialen DNA (mtDNA) und der Kern -DNA (nDNA). Basierend auf wichtigen strukturellen und funktionellen Eigenschaften wirken sich diese Unterschiede auf die Art und Weise aus, wie sie in eukaryotischen Organismen arbeiten.

Organisation und strukturelle Unterschiede von mitochondrialer DNA und nuklearer DNA

Ort → MtDNA liegt ausschließlich in der Mitochondrien und enthält 100-1.000 Kopien pro somatischer Zelle. Die Kern -DNA befindet sich im Kern jeder eukaryotischen Zelle (mit einigen Ausnahmen wie Nerven- und roten Blutkörperchen) und hat normalerweise nur zwei Kopien pro somatischer Zelle⁵.

Struktur → Beide DNA -Arten sind doppelt gestrandet. NDNA hat jedoch eine lineare, offene Struktur, die von einer Kernmembran eingeschlossen ist. Dies unterscheidet sich von mtDNA, die normalerweise eine geschlossene, kreisförmige Struktur aufweist und von keiner Membran umhüllt wird

Genomgrößen → Sowohl mtDNA als auch nDNA haben ihre eigenen Genome, sind aber sehr unterschiedliche Größen. Beim Menschen besteht die Größe des mitochondrialen Genoms aus nur 1 Chromosom, das 16.569 DNA -Basenpaare enthält. Das Kerngenom ist signifikant größer als das Mitochondrien, das aus 46 Chromosomen besteht, die 3 enthalten.3 Milliarden Nukleotide.

Gencodierung → Das singuläre mtDNA -Chromosom ist viel kürzer als die Kernchromosomen. Es enthält 36 Gene, die für 37 Proteine ​​kodieren, die alle spezifische Proteine ​​sind, die in den Mitochondrien -Mitochondrien verwendet werden (z. B. Citrat -Säure -Zyklus, ATP -Synthese und Fettsäurestoffwechsel). Das Kerngenom ist viel größer und 20.000 bis 25.000 Gene, die für alle für seine Funktion erforderlichen Proteine ​​kodieren, einschließlich mitochondrialer Gene. Mitochondrion ist semi-autonome Organellen und kann nicht für all seine eigenen Proteine ​​kodieren. Sie können jedoch für 22 TRNAs und 2 RRNAs codieren, die nDNA die Fähigkeit nicht tun kann.

Funktionale Unterschiede

Übersetzungsprozess → Der Translationsprozess zwischen nDNA und mtDNA kann variieren. NDNA folgt dem Universal -Codon -Muster, dies ist jedoch bei mtDNA nicht immer der Fall. Einige mitochondriale Codierungssequenzen (Triplet -Codons) folgen dem Universal -Codon -Muster nicht, wenn sie in Proteine ​​übersetzt werden. Zum Beispiel Codes für Methionin im Mitochondrium (nicht Isoleucin). UGA kodiert auch für Tryptophan (kein Stop -Codon wie im Säugetiergenom)⁶.

Transkriptionsprozess → Die Gen -Transkription innerhalb mtDNA ist polyzistronisch, was bedeutet, dass eine mRNA mit Sequenzen gebildet wird, die für viele Proteine ​​codieren. Für die transkription des nuklearen Gens ist der Prozess monokistronisch, wobei die gebildete mRNA Sequenzen aufweist, die nur für ein einzelnes Protein kodieren⁸.

Genomvererbung → Nuklear -DNA ist diploid, was bedeutet, dass sie DNA sowohl mütterlich als maternal als auch vaternal erbt (23 Chromosomen von einzelnen Mutter und Vater). Die mitochondriale DNA ist jedoch haploid, wobei das einzelne Chromosom auf der mütterlichen Seite geerbt wird und keine genetische Rekombination unterzogen wird⁹.

Mutationsrate → Da NDNA genetische Rekombination unterzogen wird, ist es ein Misch. Da mtDNA jedoch nur von der Mutter geerbt wird, gibt es während der Übertragung keine Veränderung, was bedeutet. Die Mutationsrate in mtDNA ist viel höher als in nDNA, was normalerweise weniger als 0 ist.3%¹⁰.

Unterschiede in der Anwendung von mtDNA und nDNA innerhalb der Wissenschaft

Die verschiedenen strukturellen und funktionellen Eigenschaften von mtDNA und nDNA haben zu Unterschieden in ihren Anwendungen innerhalb der Wissenschaft geführt. Mit seiner signifikant größeren Mutationsrate wurde mtDNA als leistungsstarkes Werkzeug zur Verfolgung von Vorfahren und Abstammungslinien durch Frauen verwendet (Matrilineage). Es wurden Methoden entwickelt, mit denen die Abstammung vieler Arten bis Hunderte von Generationen zurückverfolgt wird, und ist zum Hauptstütze der Phylogenetik und der Evolutionsbiologie geworden.

Aufgrund der höheren Mutationsrate entwickelt mtDNA viel schneller als nukleare genetische Marker¹¹. Es gibt viele Variationen zwischen den von mtDNA verwendeten Codes, die sich aus Mutationen ergeben, von denen viele für ihre Organismen nicht schädlich sind. Unter Verwendung dieser größeren Mutationsrate und diesen nicht schädlichen Mutationen bestimmen Wissenschaftler mtDNA-Sequenzen und vergleichen sie mit verschiedenen Individuen oder Spezies.

Anschließend wird ein Beziehungsnetz von Beziehungen zwischen diesen Sequenzen konstruiert, das eine Schätzung der Beziehungen zwischen Individuen oder Arten liefert, aus denen die mtDNA entnommen wurde. Dies ergibt eine Vorstellung davon.

Aufgrund der niedrigeren Mutationsrate von nDNA hat es eine eingeschränktere Anwendung im Bereich der Phylogenetik. Angesichts der genetischen Anweisungen, die es für die Entwicklung aller lebenden Organismen hat, haben Wissenschaftler ihre Verwendung in der Forensik erkannt.

Jede einzelne Person hat eine einzigartige genetische Blaupause, sogar identische Zwillinge¹². Forensische Abteilungen sind in der Lage, Polymerase -Kettenreaktionstechniken (PCR) mit nDNA zu verwenden, um Proben in einem Fall zu vergleichen. Dies beinhaltet die Verwendung kleiner Mengen von nDNA, um Kopien von gezielten Regionen zu erstellen, die als Short Tandem -Wiederholungen (STRS) auf dem Molekül bezeichnet werden¹³. Aus diesen STRs wird ein "Profil" aus Beweisgegenständen erhalten, die dann mit bekannten Stichproben verglichen werden können, die von den in den Fall beteiligten Personen entnommen wurden.

Human mtDNA kann auch verwendet werden, um Personen mithilfe von Forensik zu identifizieren. Im Gegensatz zu nDNA ist es jedoch nicht spezifisch für ein Individuum, sondern kann in Kombination mit anderen Beweisen (wie anthropologischen und umständlichen Beweisen) zur Festlegung der Identifizierung verwendet werden. Da mtDNA eine größere Anzahl von Kopien pro Zelle als nDNA hat, kann es viel kleinere, beschädigte oder abgebaute biologische Proben identifizieren¹⁴. Die größere Anzahl mtDNA -Kopien pro Zelle als nDNA ermöglicht es auch, eine DNA -Übereinstimmung mit einem lebendigen Verwandten zu erhalten, selbst wenn zahlreiche mütterliche Generationen sie von den Skelettresten eines Verwandten trennen.

Tabellarischer Vergleich der Schlüsselunterschiede zwischen mitochondrialer und nuklearer DNA