Skillnad mellan mitokondriellt DNA och kärn DNA

Vad är DNA?

Deoxiribonukleinsyra (DNA) bär genetisk information som används som en uppsättning instruktioner för tillväxt och utveckling, samt den ultimata funktionen och reproduktionen av levande organismer. Det är en nukleinsyra och är en av de fyra huvudtyperna av makromolekyler som är kända för att vara nödvändiga för alla former av liv¹.

Varje DNA-molekyl består av två biopolymersträngar som rullar runt varandra för att bilda en dubbelhelikix. Dessa två DNA-strängar kallas polynukleotider, eftersom de är gjorda av enklare monomerenheter som kallas nukleotider².

Varje enskild nukleotid består av en av fyra kvävehaltiga nukleobaser - Cytosin (C), Guanin (G), Adenin (A) eller Thymin (T) - tillsammans med ett socker som heter deoxiribos och en fosfatgrupp.

Nukleotider förenas med varandra genom kovalenta bindningar, mellan fosfatet av en nukleotid och nästa socker. Detta skapar en kedja, vilket resulterar i ett alternativt sockerfosfatskelett. Kvävebaser av de två polynukleotidsträngarna är bundna ihop med vätebindningar för att göra dubbelsträngat DNA enligt strikta basparningar (A till T och C till G)³.

Inom eukaryota celler organiseras DNA i strukturer som kallas kromosomer, där varje cell har 23 par kromosomer. Under celldelning dupliceras kromosomer genom processen för DNA-replikation, så länge varje cell har sin egen kompletta uppsättning kromosomer. Eukaryotiska organismer som djur, växter och svampar, lagrar majoriteten av deras DNA inuti cellkärnan och några av deras DNA i organeller som mitokondrier⁴.

Att vara belägen i olika regioner av den eukaryota cellen finns ett antal grundläggande skillnader mellan mitokondriellt DNA (mtDNA) och nukleärt DNA (nDNA). Baserat på viktiga strukturella och funktionella egenskaper påverkar dessa skillnader hur de fungerar inom eukaryota organismer.

Organisation och strukturella skillnader i mitokondriellt DNA och kärn DNA

Plats → Beläget exklusivt i mitokondrier innehåller mtDNA 100-1000 exemplar per somatisk cell. Nukleärt DNA ligger i kärnan i varje eukaryot cell (med vissa undantag som nerv- och röda blodkroppar) och har vanligtvis bara två kopior per somatisk cell⁵.

Strukturera → Båda typerna av DNA är dubbelsträngade. NDNA har emellertid en linjär öppen struktur som är innesluten av ett kärnmembran. Detta skiljer sig från mtDNA, som vanligen har en sluten, cirkulär struktur och inte omsluter något membran

Genomstorlekar → Både mtDNA och nDNA har sina egna genomer men har mycket olika storlekar. Hos människa består storleken av mitokondriella genomet av endast 1 kromosom som innehåller 16 569 DNA-baspar. Kärngenometet är signifikant större än mitokondriet, som består av 46 kromosomer som innehåller 3,3 miljarder nukleotider.

Genkodning → Den singulära mtDNA-kromosomen är mycket kortare än de nukleära kromosomerna. Den innehåller 36 gener som kodar för 37 proteiner, vilka alla är specifika proteiner som används i metaboliska processer som mitokondrier åtar sig (såsom citratcykeln, ATP-syntes och fettsyrametabolism). Kärnegenomet är mycket större, med 20 000-25 000 gener som kodar för alla proteiner som krävs för dess funktion, vilket också innefattar mitokondriella gener. Att vara semi-autonoma organeller, mitokondrion kan inte koda för alla sina egna proteiner. De kan emellertid koda för 22 tRNA och 2 rRNA, vilket nDNA saknar förmågan att göra.

Funktionsskillnader

Översättningsprocess → Översättningsprocessen mellan nDNA och mtDNA kan variera. nDNA följer det universella kodonmönstret, men detta är inte alltid fallet för mtDNA. Vissa mitokondriella kodningssekvenser (triplettkodoner) följer inte det universella kodonmönstret när de översätts till proteiner. Till exempel koder AUA för metionin i mitokondrion (inte isoleucin). UGA kodar också för tryptofan (inte en stoppkodon som i däggdjursgenomet)⁶.

Transskriptionsprocessen → Gentranskription inom mtDNA är polykistronisk, vilket innebär att ett mRNA bildas med sekvenser som kodar för många proteiner. För kärngenstransskription är processen monokistronisk, där mRNA bildad har sekvenser som kodar för endast ett enda protein⁸.

Genomärvet → Nukleärt DNA är diploid, vilket betyder att det ärar DNA både maternellt och paternalt (23 kromosomer från var och en av moderen och pappan). Mitokondriellt DNA är emellertid haploid, varvid den enskilde kromosomen är ärvt ned i moderns sida och genomgår inte genetisk rekombination⁹.

Mutationshastighet → Eftersom nDNA genomgår genetisk rekombination, är det en blandning av förälderns DNA och förändras därför under arv från föräldrarna till deras avkomma. Men eftersom mtDNA endast ärftas från mamman är det ingen förändring under överföring, vilket innebär att DNA-förändringar kommer från mutationer. Mutationshastigheten i mtDNA är mycket högre än i nDNA, som normalt är mindre än 0,3%¹⁰.

Skillnader i tillämpningen av mtDNA och nDNA inom vetenskapen

De olika strukturella och funktionella egenskaperna hos mtDNA och nDNA har lett till skillnader i deras tillämpningar inom vetenskapen. Med sin signifikant större mutationshastighet har mtDNA använts som ett kraftfullt verktyg för att spåra anor och linjer genom kvinnor (matrilineage). Metoder har utvecklats som används för att spåra anföreningen hos många arter tillbaka genom hundratals generationer och har blivit grundstenen för fylogenetik och evolutionär biologi.

På grund av den högre mutationshastigheten utvecklas mtDNA mycket snabbare än kärngenetiska markörer¹¹. Det finns många variationer bland koderna som används av mtDNA som härrör från mutationer, varav många inte skadar deras organismer. Använda denna större mutationshastighet och dessa icke-skadliga mutationer bestämmer forskare mtDNA-sekvenser och jämför dem från olika individer eller arter.

Ett nätverk av relationer bland dessa sekvenser konstrueras sedan vilket ger en uppskattning av relationerna mellan antingen individerna eller arten från vilka mtDNAen togs. Detta ger en uppfattning om hur nära och avlägset relaterade varje är - ju mer mtDNA-mutationer som är desamma i var och en av deras mitokondriella genomer, desto mer besläktade är de.

På grund av den lägre mutationshastigheten hos nDNA har den en mer begränsad tillämpning inom området för fylogenetik. Men med tanke på de genetiska instruktionerna för utvecklingen av alla levande organismer har forskare erkänt sin användning i rättsmedicin.

Varje enskild person har en unik genetisk ritning, även identiska tvillingar¹². Rättsmedicinska avdelningar kan använda polymeras kedjereaktionstekniker (PCR), med hjälp av nDNA, för att jämföra prover i ett fall. Detta innebär att man använder små mängder nDNA för att göra kopior av riktade regioner kallade korta tandemrepetitioner (STRs) på molekylen¹³. Från dessa STRs erhålls en "profil" från bevismaterial som sedan kan jämföras med kända prover som tagits från de personer som är involverade i fallet.

Human mtDNA kan också användas för att identifiera individer som använder rättsmedicin, men i motsats till nDNA är det inte specifikt för en individ men kan användas i kombination med andra bevis (såsom antropologiska och omständigheter) för att fastställa identifiering. Eftersom mtDNA har ett större antal kopior per cell än nDNA, har den förmågan att identifiera mycket mindre, skadade eller nedbrytna biologiska prover¹⁴. Ju större antal mtDNA-kopior per cell än nDNA gör det också möjligt att erhålla en DNA-matchning med en levande släkting, även om många materiella generationer skiljer dem från skelettresterna av en släkting.

Tabelljämförelse av viktiga skillnader mellan mitokondriellt och kärn-DNA

	Mitokondriellt DNA	Nukleärt DNA
Plats	mitokondrier	Cell Nucleus
Kopior per somatisk cell	100-1000	2
Strukturera	Cirkulär och sluten	Linjär och öppen slut
Membranhölje	Inte omslagen av ett membran	Insläppt av ett kärnmembran
Genomstorlek	1 kromosom med 16 569 baspar	46 kromosomer med 3,3 miljarder baspar
Antal gener	37 gener	20.000-25.000 gener
Metod för arv	Moderlig	Maternal och Paternal
Metod för översättning	Vissa kodoner följer inte universellt kodonmönster	Följer universal codon mönster
Metod för transkription	polycistronisk	monocistronisk