Skirtumas tarp mitochondrijų DNR ir branduolinės DNR

Kas yra DNR?

Dezoksiribonukleorūgštis (DNR) neša genetinę informaciją, kuri naudojama kaip instrukcijų rinkinys augimui ir vystymuisi, taip pat galutiniam gyvų organizmų funkcionavimui ir dauginimuisi. Tai yra nukleino rūgštis ir yra viena iš keturių pagrindinių makromolekulių rūšių, kurios, kaip žinoma, yra būtinos visoms gyvybės formoms¹.

Kiekvieną DNR molekulę sudaro dvi biopolimerų gijos, besisukančios aplink viena kitą, kad sudarytų dvigubą spiralę. Šios dvi DNR grandinės yra vadinamos polinukleotidais, nes yra pagamintos iš paprastesnių monomerų vienetų, vadinamų nukleotidais².

Kiekvieną atskirą nukleotidą sudaro viena iš keturių azoto turinčių nukleobazių - citozinas (C), guaninas (G), adeninas (A) arba timinas (T) - kartu su cukru, vadinamu dezoksiriboze, ir fosfato grupė.

Nukleotidai yra sujungti vienas su kitu kovalentiniais ryšiais tarp vieno nukleotido fosfato ir kito cukraus. Taip sukuriama grandinė, gaunant kintamą cukraus-fosfato stuburą. Dviejų polinukleotidų grandžių azotinės bazės yra sujungtos vandenilio ryšiais, kad būtų sudaryta dviguba grandinė DNR pagal griežtas bazių poras (A – T ir C – G).³.

Eukariotų ląstelėse DNR yra suskirstyta į struktūras, vadinamas chromosomomis, kiekvienoje ląstelėje yra 23 chromosomų poros. Ląstelių dalijimosi metu chromosomos dubliuojasi DNR replikacijos proceso metu, jei kiekviena ląstelė turi savo pilną chromosomų rinkinį. Eukariotiniai organizmai, tokie kaip gyvūnai, augalai ir grybeliai, didžiąją dalį savo DNR laiko ląstelės branduolyje, o dalį DNR - organelėse, tokiose kaip mitochondrijos.⁴.

Būdami skirtinguose eukariotinės ląstelės regionuose, egzistuoja daugybė esminių skirtumų tarp mitochondrijų DNR (mtDNR) ir branduolinės DNR (nDNR). Remiantis pagrindinėmis struktūrinėmis ir funkcinėmis savybėmis, šie skirtumai turi įtakos jų veikimui eukariotų organizmuose.

Mitochondrijų DNR ir branduolinės DNR struktūra ir struktūriniai skirtumai

Vieta → Įsikūręs išskirtinai mitochondrijose, mtDNR yra 100–1000 egzempliorių somatinėje ląstelėje. Branduolinė DNR yra kiekvienos eukariotinės ląstelės branduolyje (su kai kuriomis išimtimis, pavyzdžiui, nervų ir raudonųjų kraujo kūnelių) ir paprastai turi tik dvi kopijas kiekvienoje somatinėje ląstelėje.⁵.

Struktūra → Abiejų tipų DNR yra dvigubos grandinės. Tačiau nDNR turi linijinę, atviro tipo struktūrą, kurią uždaro branduolinė membrana. Tai skiriasi nuo mtDNR, kuris paprastai turi uždarą, apskritą struktūrą ir nėra apgaubtas jokia membrana

Genomo dydžiai → Tiek mtDNR, tiek nDNR turi savo genomus, tačiau yra labai skirtingo dydžio. Žmonėse mitochondrijų genomą sudaro tik 1 chromosoma, kurioje yra 16 569 DNR bazių porų. Branduolinis genomas yra žymiai didesnis nei mitochondrijų, susidedantis iš 46 chromosomų, turinčių 3,3 milijardo nukleotidų.

Genų kodavimas → Pavienė mtDNR chromosoma yra daug trumpesnė nei branduolinės chromosomos. Jame yra 36 genai, koduojantys 37 baltymus, kurie visi yra specifiniai baltymai, naudojami metabolizmo procesuose, kuriuos vykdo mitochondrijos (pavyzdžiui, citrato rūgšties ciklas, ATP sintezė ir riebalų rūgščių metabolizmas). Branduolinis genomas yra daug didesnis - 20 000–25 000 genų, koduojančių visus baltymus, reikalingus jo funkcijai, įskaitant ir mitochondrijų genus. Būdamas pusiau autonominiais organeliais, mitochondrijas negali koduoti visų savo baltymų. Tačiau jie gali užkoduoti 22 tRNR ir 2 rRNR, o tai nDNR neturi galimybių.

Funkciniai skirtumai

Vertimo procesas → Vertimo procesas tarp nDNR ir mtDNR gali skirtis. nDNR seka universalų kodono modelį, tačiau tai ne visada taikoma mtDNR atveju. Kai kurios mitochondrijų kodavimo sekos (tripletiniai kodonai), kai jos virsta baltymais, neatitinka universalaus kodono modelio. Pavyzdžiui, AUA koduoja metioniną mitochondrijuose (ne izoleuciną). UGA taip pat koduoja triptofaną (ne sustabdomąjį kodoną, kaip žinduolių genome)⁶.

Transkripcijos procesas → Genų transkripcija mtDNR yra policistristrinė, tai reiškia, kad mRNR yra suformuota sekomis, kurios koduoja daugelį baltymų. Branduolinio geno transkripcijai procesas yra monocistroniškas, kai susidariusioje mRNR yra sekos, koduojančios tik vieną baltymą⁸.

Genomo palikimas → Branduolinė DNR yra diploidinė, ty ji paveldi DNR tiek iš motinos, tiek iš motinos (po 23 chromosomas iš kiekvienos iš motinos ir tėvo). Tačiau mitochondrijų DNR yra haploidinė, kai viena chromosoma yra paveldima iš motinos pusės ir neatlieka genetinės rekombinacijos⁹.

Mutacijos dažnis → Kadangi nDNR patiria genetinę rekombinaciją, tai yra tėvų DNR pamaina ir todėl paveldėjimo metu iš tėvų keičiasi jų palikuonims. Tačiau, kadangi mtDNR paveldima tik iš motinos, perdavimo metu pokyčių nėra, tai reiškia, kad bet kokie DNR pokyčiai atsiranda dėl mutacijų. MtDNR mutacijos dažnis yra daug didesnis nei nDNR, paprastai mažesnis nei 0,3%¹⁰.

MtDNR ir nDNR taikymo mokslo skirtumai

Skirtingos mtDNR ir nDNR struktūrinės ir funkcinės savybės lėmė jų taikymo mokslo srityje skirtumus. Dėl žymiai didesnio mutacijų greičio, mtDNA buvo panaudota kaip galingas įrankis sekti protėvius ir giminystės ryšius iš moterų (matrilineage). Buvo sukurti metodai, naudojami daugelio rūšių protėviams sekti per šimtus kartų ir tapo pagrindine filogenetikos ir evoliucijos biologijos pradžia..

Dėl didesnio mutacijos greičio mtDNR vystosi daug greičiau nei branduoliniai genetiniai žymenys¹¹. Tarp mtDNA naudojamų kodų yra daugybė variantų, atsirandančių dėl mutacijų, daugelis jų nėra kenksmingos jų organizmams. Pasitelkdami šį didesnį mutacijų greitį ir šias nepavojingas mutacijas, mokslininkai nustato mtDNR sekas ir lygina jas iš skirtingų individų ar rūšių.

Tada sudaromas šių sekų ryšių tinklas, kuris pateikia santykį tarp asmenų arba rūšių, iš kurių buvo paimta mtDNR. Tai suteikia supratimą apie tai, kiek artimai ir nutolę vienas nuo kito yra ryšiai - kuo daugiau mtDNR mutacijų, kurios yra vienodos kiekviename jų mitochondrijų genome, tuo labiau jos susijusios.

Dėl mažesnio mutacijos greičio nDNR ji yra labiau apribota filogenetikos srityje. Tačiau, atsižvelgdami į genetinius nurodymus, susijusius su visų gyvų organizmų vystymuisi, mokslininkai pripažino jo naudojimą kriminalistikoje.

Kiekvienas žmogus turi unikalų genetinį planą, net identiškus dvynius¹². Teismo medicinos skyriai gali naudoti polimerazės grandininės reakcijos (PGR) metodus, naudodami nDNR, kad būtų galima palyginti mėginius byloje. Tai reiškia, kad naudojant nedidelius nDNR kiekius, reikia padaryti tikslinių regionų, vadinamų trumpais tandemo kartojimais (STR), kopijas molekulėje.¹³. Iš šių STR gaunamas įrodymų elementų „profilis“, kurį vėliau galima palyginti su žinomais mėginiais, paimtais iš byloje dalyvaujančių asmenų..

Žmogaus mtDNR taip pat gali būti naudojama siekiant padėti identifikuoti asmenis, naudojančius teismo ekspertizę, tačiau skirtingai nei nDNR, jis nėra būdingas tik vienam asmeniui, tačiau jį galima naudoti kartu su kitais įrodymais (tokiais kaip antropologiniai ir netiesioginiai įrodymai) identifikavimui nustatyti. Kadangi mtDNR turi daugiau kopijų vienoje ląstelėje nei nDNR, ji turi galimybę identifikuoti daug mažesnius, pažeistus ar sugadintus biologinius mėginius.¹⁴. Didesnis mtDNR kopijų skaičius vienoje ląstelėje nei nDNR taip pat leidžia gauti DNR atitiktį su gyvu giminaičiu, net jei daugybė motinos kartų juos atskiria nuo giminaičio skeleto liekanų..

Pagrindinių mitochondrijų ir branduolinės DNR skirtumų palyginimas lentelėse

	Mitochondrijų DNR	Branduolinė DNR
Vieta	Mitochondrijos	Ląstelių branduolys
Kopijos vienoje somatinėje ląstelėje	100–1 000	2
Struktūra	Apskrito ir uždara	Linijinis ir atviras
Membranos gaubtas	Neuždengtas membrana	Uždengta branduoline membrana
Genomo dydis	1 chromosoma su 16 569 bazinėmis poromis	46 chromosomos su 3,3 milijardo bazinių porų
Genų skaičius	37 genai	20 000–25 000 genų
Paveldėjimo būdas	Motinos	Motinos ir tėvystės
Vertimo metodas	Kai kurie kodonai neatitinka visuotinio kodono modelio	Laikosi visuotinio kodono modelio
Transkripcijos metodas	Polycistronic	Monocistronic