Разница между митохондриальной ДНК и ядерной ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) несет генетическую информацию, которая используется в качестве набора инструкций для роста и развития, а также конечного функционирования и размножения живых организмов. Это нуклеиновая кислота и один из четырех основных типов макромолекул, которые, как известно, необходимы для всех форм жизни 1 .

Каждая молекула ДНК состоит из двух нитей биополимера, закрученных вокруг друг друга, образующих двойную спираль. Эти две нити ДНК называются полинуклеотидами, так как они состоят из более простых мономерных единиц, называемых нуклеотидами 2 .

Каждый отдельный нуклеотид состоит из одного из четырех азотсодержащих азотистых оснований — цитозина (C), гуанина (G), аденина (A) или тимина (T), а также сахара, называемого дезоксирибозой, и фосфатной группы.

Нуклеотиды соединены друг с другом ковалентными связями между фосфатом одного нуклеотида и сахаром следующего. Это создает цепь, в результате чего образуется чередующийся сахарно-фосфатный остов. Азотистые основания двух полинуклеотидных цепей связаны друг с другом водородными связями, образуя двухцепочечную ДНК в соответствии со строгими парами оснований (от А до Т и от С до G) 3 .

В эукариотических клетках ДНК организована в виде структур, называемых хромосомами, причем каждая клетка имеет 23 пары хромосом. Во время клеточного деления хромосомы дублируются в процессе репликации ДНК, если каждая клетка имеет свой собственный полный набор хромосом. Эукариотические организмы, такие как животные, растения и грибы, хранят большую часть своей ДНК внутри клеточного ядра и часть своей ДНК в органеллах, таких как митохондрии 4 .

Находясь в разных регионах эукариотической клетки, между митохондриальной ДНК (мтДНК) и ядерной ДНК (яДНК) существует ряд принципиальных отличий. Основываясь на ключевых структурных и функциональных свойствах, эти различия влияют на то, как они действуют в эукариотических организмах.

Организация и структурные различия митохондриальной ДНК и ядерной ДНК

Расположение → Расположенная исключительно в митохондриях, мтДНК содержит 100-1000 копий на соматическую клетку. Ядерная ДНК расположена в ядре каждой эукариотической клетки (за некоторыми исключениями, такими как нервные клетки и эритроциты) и обычно имеет только две копии на соматическую клетку 5 .

Структура → Оба типа ДНК являются двухцепочечными.Однако яДНК имеет линейную структуру с открытыми концами, окруженную ядерной мембраной. Это отличается от мтДНК, которая обычно имеет замкнутую кольцевую структуру и не окружена какой-либо мембраной.

Размеры генома → И мтДНК, и яДНК имеют свои собственные геномы, но очень разные по размеру. У человека размер митохондриального генома состоит только из 1 хромосомы, содержащей 16 569 пар оснований ДНК. Ядерный геном значительно больше митохондриального, состоит из 46 хромосом, содержащих 3,3 миллиарда нуклеотидов.

Генное кодирование → Единичная хромосома мтДНК намного короче ядерных хромосом. Он содержит 36 генов, которые кодируют 37 белков, все из которых являются специфическими белками, используемыми в метаболических процессах, осуществляемых митохондриями (таких как цикл цитратной кислоты, синтез АТФ и метаболизм жирных кислот). Ядерный геном намного больше: 20 000–25 000 генов кодируют все белки, необходимые для его функционирования, включая митохондриальные гены. Будучи полуавтономными органеллами, митохондрии не могут кодировать все свои собственные белки. Однако они могут кодировать 22 тРНК и 2 рРНК, чего у яДНК нет.

Функциональные отличия

Процесс перевода → Процесс трансляции между яДНК и мтДНК может различаться. нДНК следует универсальному шаблону кодонов, однако это не всегда так для мтДНК. Некоторые митохондриальные кодирующие последовательности (триплетные кодоны) не следуют универсальному шаблону кодонов, когда они транслируются в белки. Например, AUA кодирует метионин в митохондриях (не изолейцин). UGA также кодирует триптофан (не стоп-кодон, как в геноме млекопитающих) 6 .

Процесс транскрипции → Транскрипция генов в мтДНК является полицистронной, что означает, что мРНК образована последовательностями, кодирующими многие белки. Для транскрипции ядерных генов процесс является моноцистронным, когда образующаяся мРНК имеет последовательности, кодирующие только один белок 8 .

Наследование генома → Ядерная ДНК диплоидна, то есть она наследует ДНК как по материнской, так и по отцовской линии (по 23 хромосомы от матери и отца). Однако митохондриальная ДНК является гаплоидной, при этом единственная хромосома наследуется по материнской линии и не подвергается генетической рекомбинации 9 .

Скорость мутации → Поскольку яДНК подвергается генетической рекомбинации, она представляет собой перетасовку ДНК родителей и, следовательно, изменяется во время наследования от родителей их потомству. Однако, поскольку мтДНК наследуется только от матери, во время передачи не происходит никаких изменений, то есть любые изменения ДНК происходят в результате мутаций. Частота мутаций в мтДНК намного выше, чем в яДНК, которая обычно составляет менее 0,3% 10 .

Различия в применении мтДНК и яДНК в науке

Различные структурные и функциональные свойства мтДНК и яДНК привели к различиям в их применении в науке. Благодаря значительно большей частоте мутаций мтДНК использовалась в качестве мощного инструмента для отслеживания родословной и родословной по самкам (матрилиния). Были разработаны методы, которые используются для отслеживания происхождения многих видов на протяжении сотен поколений, и они стали основой филогенетики и эволюционной биологии.

Из-за более высокой скорости мутаций мтДНК эволюционирует намного быстрее, чем ядерные генетические маркеры 11 . Среди кодов, используемых мтДНК, есть много вариаций, возникающих в результате мутаций, многие из которых не вредны для их организмов. Используя эту более высокую частоту мутаций и эти безвредные мутации, ученые определяют последовательности мтДНК и сравнивают их у разных людей или видов.

Затем строится сеть отношений между этими последовательностями, которая обеспечивает оценку отношений между особями или видами, из которых была взята мтДНК.Это дает представление о том, насколько тесно и отдаленно они связаны друг с другом: чем больше одинаковых мутаций мтДНК в каждом из их митохондриальных геномов, тем больше они связаны между собой.

Из-за более низкой скорости мутаций яДНК она имеет более ограниченное применение в области филогенетики. Однако, учитывая генетические инструкции, которые он содержит для развития всех живых организмов, ученые признали его использование в криминалистике.

У каждого человека есть уникальный генетический код, даже у однояйцевых близнецов 12 . Криминалистические отделы могут использовать методы полимеразной цепной реакции (ПЦР) с использованием яДНК для сравнения образцов в деле. Это включает использование небольших количеств яДНК для создания копий областей-мишеней, называемых короткими тандемными повторами (STRs) на молекуле 13 . Из этих СПО получается «профиль» из доказательств, которые затем можно сравнить с известными образцами, взятыми у лиц, причастных к делу.

МтДНК человека также может использоваться для идентификации людей с помощью судебной экспертизы, однако, в отличие от яДНК, она не специфична для одного человека, а может использоваться в сочетании с другими доказательствами (такими как антропологические и косвенные доказательства) для установления личности. Поскольку мтДНК имеет большее количество копий на клетку, чем яДНК, она способна идентифицировать гораздо меньшие, поврежденные или деградировавшие биологические образцы 14 . Большее количество копий мтДНК на клетку, чем яДНК, также позволяет получить совпадение ДНК с живым родственником, даже если многочисленные материнские поколения отделяют их от скелетных останков родственника.

Табличное сравнение ключевых различий между митохондриальной и ядерной ДНК