Різниця між мітохондріальною ДНК та ядерною ДНК

Що таке ДНК?

Деоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) несе генетичну інформацію, яка використовується як набір інструкцій щодо росту та розвитку, а також для остаточного функціонування та розмноження живих організмів. Це нуклеїнова кислота і є одним з чотирьох основних типів макромолекул, які, як відомо, важливі для всіх форм життя¹.

Кожна молекула ДНК складається з двох біополімерних ниток, що обмотуються навколо один одного, утворюючи подвійну спіраль. Ці два ланцюги ДНК називаються полінуклеотидами, оскільки вони складаються з більш простих мономерних ланок, званих нуклеотидами.².

Кожен окремий нуклеотид складається з однієї з чотирьох азотовмісних нуклеобаз - цитозин (C), гуанін (G), аденін (A) або тимін (T) - разом з цукром, який називається дезоксирибоза, і фосфатною групою.

Нуклеотиди приєднуються один до одного ковалентними зв’язками між фосфатом одного нуклеотиду і цукром наступного. Це створює ланцюг, в результаті чого відбувається чергування кістково-фосфатної основи. Азотисті основи двох полінуклеотидних ланцюгів пов'язані водневими зв’язками, щоб зробити дволанцюжкову ДНК відповідно до суворих пар підстав (від A до T і від C до G)³.

Усередині еукаріотичних клітин ДНК організована в структури, які називаються хромосомами, причому кожна клітина має 23 пари хромосом. Під час поділу клітин хромосоми дублюються через процес реплікації ДНК до тих пір, поки кожна клітина має власний повний набір хромосом. Еукаріотичні організми, такі як тварини, рослини та гриби, зберігають більшість своєї ДНК всередині ядра клітини та частину їх ДНК в органелах, таких як мітохондрії⁴.

Розміщуючись у різних регіонах еукаріотичної клітини, існує ряд принципових відмінностей між мітохондріальною ДНК (mtDNA) та ядерною ДНК (nDNA). Виходячи з ключових структурних та функціональних властивостей, ці відмінності впливають на їх дію всередині еукаріотичних організмів.

Організаційні та структурні відмінності мітохондріальної ДНК та ядерної ДНК

Місцезнаходження → Розташована виключно в мітохондріях, мтДНК містить 100-1000 копій на соматичну клітину. Ядерна ДНК розташована в ядрі кожної еукаріотичної клітини (за деякими винятками, такими як нервові та еритроцити) і, як правило, має лише дві копії на соматичну клітину⁵.

Будова → Обидва типи ДНК є дволанцюжковими. Однак, nDNA має лінійну відкриту структуру, закриту ядерною мембраною. Це відрізняється від мтДНК, яка, як правило, має замкнуту, кругову структуру і не огинає жодної мембрани

Розміри геному → І mtDNA, і nDNA мають свої геноми, але мають дуже різні розміри. У людини розмір генома мітохондрій складається лише з 1 хромосоми, яка містить 16 569 пар основ ДНК. Ядерний геном значно більший, ніж мітохондрій, складається з 46 хромосом, які містять 3,3 млрд нуклеотидів.

Генне кодування → Сингулярна мтДНК-хромосома значно коротша, ніж ядерна хромосома. Він містить 36 генів, які кодують 37 білків, всі вони є специфічними білками, які використовуються в обмінних процесах, які проводять мітохондрії (такі як цитратний кислотний цикл, синтез АТФ і метаболізм жирної кислоти). Ядерний геном набагато більший, з 20 000-25 000 генів, що кодують всі білки, необхідні для його функціонування, що включає також мітохондріальні гени. Будучи напівавтономними органелами, мітохондріон не може кодувати всі власні білки. Однак вони можуть кодувати для 22 тРНК та 2 рРНК, що у дДНК не вистачає можливостей робити.

Функціональні відмінності

Процес перекладу → Процес трансляції між nDNA та mtDNA може відрізнятися. nDNA відповідає універсальній схемі кодону, однак це не завжди стосується мтДНК. Деякі послідовності кодування мітохондрій (триплетні кодони) не дотримуються універсальної схеми кодону, коли вони переводяться на білки. Наприклад, AUA кодує метіонін в мітохондріоні (не ізолейцин). UGA також кодує триптофан (не стоп-кодон, як у геному ссавців)⁶.

Процес транскрипції → Транскрипція генів всередині мтДНК є полікістронною, тобто мРНК формується з послідовностями, кодуючими для багатьох білків. Для транскрипції ядерних генів процес є моноцистронним, де утворена мРНК має послідовності, що кодують лише один білок⁸.

Успадкування геному → Ядерна ДНК є диплоїдною, тобто вона успадковує ДНК як материнської, так і батьківської (23 хромосоми від кожної матері та батька). Однак мітохондріальна ДНК є гаплоїдною, при цьому одна хромосома успадковується по материнській стороні і не піддається генетичній рекомбінації⁹.

Частота мутації → Оскільки nDNA проходить генетичну рекомбінацію, вона є змішуванням батьківської ДНК і, отже, змінюється під час успадкування від батьків до свого потомства. Однак, оскільки мтДНК успадковується тільки від матері, зміни в процесі передачі не відбувається, тобто будь-які зміни ДНК відбуваються внаслідок мутацій. Швидкість мутації в мтДНК значно вище, ніж у нДНК, яка, як правило, менше 0,3%¹⁰.

Відмінності в застосуванні мтДНК та нДНК в науці

Різні структурні та функціональні властивості мтДНК та нДНК призвели до відмінностей у їх застосуванні в науці. Із значно більшим коефіцієнтом мутації мтДНК використовувались як потужний інструмент для відстеження походження та родинного походження через жінок (матрилінея). Розроблені методи, які використовуються для відстеження походження багатьох видів через сотні поколінь і стали основою філогенетики та еволюційної біології.

Завдяки більшій швидкості мутації мтДНК розвивається набагато швидше, ніж ядерно-генетичні маркери¹¹. Серед кодів, що використовуються мтДНК, існує багато варіацій, які виникають при мутаціях, багато з яких не шкідливі для їх організмів. Використовуючи цю більшу швидкість мутації та ці нешкідливі мутації, вчені визначають послідовності мтДНК та порівнюють їх у різних особин чи видів.

Потім будується мережа зв’язків між цими послідовностями, яка забезпечує оцінку взаємозв'язків між особинами або видами, з яких була взята мтДНК. Це дає уявлення про те, наскільки тісно і віддалено пов’язана кожна - чим більше мутацій мтДНК однакових у кожному з мітохондріальних геномів, тим більше вони пов'язані між собою..

Завдяки меншій швидкості мутації нДНК, вона має більш обмежене застосування у галузі філогенетики. Однак, враховуючи генетичні вказівки, які він має для розвитку всіх живих організмів, вчені визнали його використання в криміналістиці.

Кожна людина має унікальний генетичний план, навіть однакові близнюки¹². Судові департаменти можуть використовувати методи полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР), використовуючи nDNA, для порівняння зразків у випадку. Це передбачає використання невеликої кількості nDNA для виготовлення копій цільових регіонів, що називаються короткими тандемними повторами (STRs) на молекулі¹³. З цих СТР отриманий "профіль" із доказів, які потім можна порівняти з відомими зразками, взятими у осіб, які беруть участь у справі.

МТДНК людини може також використовуватися для ідентифікації осіб, які використовують криміналістику, однак на відміну від nDNA, вона не є специфічною для однієї людини, але може бути використана в поєднанні з іншими доказами (такими як антропологічні та непрямі докази) для встановлення ідентифікації. Оскільки мтДНК має більшу кількість копій на клітку, ніж нДНК, вона має можливість ідентифікувати набагато менші, пошкоджені або деградовані біологічні зразки¹⁴. Більша кількість копій мтДНК на клітку, ніж нДНК, також дозволяє отримати збіг ДНК з живим родичем, навіть якщо численні покоління матері відокремлюють їх від скелетних решток родича.

Табличне порівняння ключових відмінностей між мітохондріальною та ядерною ДНК

	Мітохондріальна ДНК	Ядерна ДНК
Місцезнаходження	Мітохондрії	Клітинне ядро
Копії на соматичну клітинку	100-1000	2
Будова	Круглий і закритий	Лінійний і відкритий
Корпус мембрани	Не обволікається мембраною	Укладений ядерною мембраною
Розмір геному	1 хромосома з 16 599 парами основ	46 хромосом з 3,3 млрд пар основ
Кількість генів	37 генів	20 000-25 000 генів
Метод успадкування	Материнська	Материнська та батьківська
Метод перекладу	Деякі кодони не відповідають універсальній схемі кодона	Дотримується універсальної моделі кодона
Спосіб транскрипції	Поліцистронний	Моноцистронний