Verschil tussen mitochondriaal DNA en nucleair DNA

Wat is DNA?

Deoxyribonucleïnezuur (DNA) draagt ​​genetische informatie die wordt gebruikt als een reeks instructies voor groei en ontwikkeling, evenals de uiteindelijke werking en reproductie van levende organismen. Het is een nucleïnezuur en is een van de vier hoofdtypen macromoleculen waarvan bekend is dat ze essentieel zijn voor alle vormen van leven.¹.

Elk DNA-molecuul bestaat uit twee biopolymeerstrengen die om elkaar heen rollen om een ​​dubbele helix te vormen. Deze twee DNA-strengen worden polynucleotiden genoemd, omdat ze zijn gemaakt van eenvoudiger monomeereenheden die nucleotiden worden genoemd².

Elk afzonderlijk nucleotide is samengesteld uit een van de vier stikstofbevattende nucleobasen - Cytosine (C), Guanine (G), Adenine (A) of Thymine (T) - samen met een suiker genaamd deoxyribose en een fosfaatgroep.

Nucleotiden worden met elkaar verbonden door covalente bindingen, tussen het fosfaat van één nucleotide en de suiker van de volgende. Hierdoor ontstaat een ketting, resulterend in een afwisselende suiker-fosfaat backbone. Stikstofhoudende basen van de twee polynucleotide-strengen worden samengebonden door waterstofbruggen, om dubbelstrengig DNA te maken volgens strikte basenparen (A tot T en C tot G)³.

Binnen eukaryote cellen is DNA georganiseerd in structuren die chromosomen worden genoemd, waarbij elke cel 23 paren chromosomen heeft. Tijdens celdeling worden chromosomen gedupliceerd door het proces van DNA-replicatie, zolang elke cel zijn eigen complete set chromosomen heeft. Eukaryote organismen, zoals dieren, planten en schimmels, slaan het grootste deel van hun DNA op in de celkern en een deel van hun DNA in organellen zoals mitochondria⁴.

Omdat ze zich in verschillende regio's van de eukaryote cel bevinden, zijn er een aantal fundamentele verschillen tussen mitochondriaal DNA (mtDNA) en nucleair DNA (nDNA). Op basis van de belangrijkste structurele en functionele eigenschappen, beïnvloeden deze verschillen hoe ze werken binnen eukaryote organismen.

Organisatie en structurele verschillen van mitochondriaal DNA en nucleair DNA

Locatie → Uitsluitend gelegen in de mitochondria, bevat mtDNA 100-1.000 kopieën per somatische cel. Nucleair DNA bevindt zich in de kern van elke eukaryotische cel (met enkele uitzonderingen zoals zenuw- en rode bloedcellen) en heeft gewoonlijk slechts twee kopieën per somatische cel⁵.

Structuur → Beide typen DNA zijn dubbelstrengs. NDNA heeft echter een lineaire structuur met een open einde die wordt omsloten door een kernmembraan. Dit verschilt van mtDNA, dat gewoonlijk een gesloten, cirkelvormige structuur heeft en niet omhuld is door een membraan

Genoomgroottes → Zowel mtDNA als nDNA hebben hun eigen genomen maar zijn zeer verschillende grootten. Bij mensen bestaat de grootte van het mitochondriale genoom uit slechts 1 chromosoom dat 16.569 DNA-basenparen bevat. Het nucleaire genoom is significant groter dan het mitochondriaal, bestaande uit 46 chromosomen die 3,3 miljard nucleotiden bevatten.

Gen codering → Het enkelvoudig mtDNA-chromosoom is veel korter dan de nucleaire chromosomen. Het bevat 36 genen die coderen voor 37 eiwitten, allemaal specifieke eiwitten die worden gebruikt in de metabole processen die mitochondria ondernemen (zoals citraatzuurcyclus, ATP-synthese en vetzuurmetabolisme). Het nucleaire genoom is veel groter, met 20.000-25.000 genen die coderen voor alle eiwitten die nodig zijn voor de functie ervan, die ook mitochondriale genen omvat. Omdat het semi-autonome organellen is, kan het mitochondrion niet voor al zijn eigen eiwitten coderen. Ze kunnen echter coderen voor 22 tRNA's en 2 rRNA's, waarvoor nDNA niet in staat is om te doen.

Functionele verschillen

Vertaalproces → Het vertaalproces tussen nDNA en mtDNA kan variëren. nDNA volgt het universele codonpatroon, maar dit is niet altijd het geval voor mtDNA. Sommige mitochondriale coderende sequenties (tripletcodons) volgen het universele codonpatroon niet wanneer ze in eiwitten worden getranslateerd. AUA codeert bijvoorbeeld voor methionine in mitochondrion (niet isoleucine). UGA codeert ook voor tryptofaan (geen stopcodon zoals in zoogdiergenoom)⁶.

Transcriptieproces → Gentranscriptie in mtDNA is polycistronisch, wat betekent dat een mRNA wordt gevormd met sequenties die voor veel eiwitten coderen. Voor nucleaire gentranscriptie is het proces monocistronisch, waarbij het gevormde mRNA sequenties heeft die coderen voor slechts een enkel eiwit⁸.

Genenovername → Nucleair DNA is diploïde, wat betekent dat het DNA zowel maternaal als paternaal overerft (23 chromosomen van elk van de moeder en vader). Het mitochondriale DNA is echter haploïd, waarbij het enkele chromosoom wordt overgeërfd langs de kant van de moeder en geen genetische recombinatie ondergaat⁹.

Mutatie snelheid → Aangezien nDNA genetische recombinatie ondergaat, is het een shuffle van het DNA van de ouder en wordt daarom tijdens de overerving van de ouders naar hun nakomelingen veranderd. Aangezien mtDNA echter alleen van de moeder wordt geërfd, is er geen wijziging tijdens de transmissie, wat betekent dat DNA-veranderingen afkomstig zijn van mutaties. De mutatiesnelheid in mtDNA is veel hoger dan in nDNA, wat normaal minder is dan 0,3%¹⁰.

Verschillen in de toepassing van mtDNA en nDNA in de wetenschap

De verschillende structurele en functionele eigenschappen van mtDNA en nDNA hebben geleid tot verschillen in hun toepassingen binnen de wetenschap. Met zijn aanzienlijk grotere mutatiesnelheid is mtDNA gebruikt als een krachtig hulpmiddel voor het volgen van voorouders en afkomst door vrouwen (matrilineage). Er zijn methoden ontwikkeld die de afstamming van vele soorten gedurende honderden generaties volgen en die de steunpilaar zijn geworden van fylogenetische en evolutionaire biologie.

Vanwege de hogere mutatiesnelheid evolueert mtDNA veel sneller dan nucleaire genetische markers¹¹. Er zijn veel variaties tussen de codes die worden gebruikt door mtDNA die voortkomen uit mutaties, waarvan er vele niet schadelijk zijn voor hun organismen. Gebruik makend van deze grotere mutatiesnelheid en deze niet-schadelijke mutaties, bepalen wetenschappers mtDNA-sequenties en vergelijken ze van verschillende individuen of soorten.

Vervolgens wordt een netwerk van relaties tussen deze sequenties geconstrueerd dat een schatting geeft van de relaties tussen de individuen of soorten waaruit het mtDNA werd genomen. Dit geeft een idee van hoe nauw en in de verte verwant elk is - hoe meer mtDNA-mutaties hetzelfde zijn in elk van hun mitochondriale genomen, hoe meer gerelateerd ze zijn.

Vanwege de lagere mutatiesnelheid van nDNA, heeft het een meer beperkte toepassing op het gebied van fylogenetica. Echter, gezien de genetische instructies die gelden voor de ontwikkeling van alle levende organismen, hebben wetenschappers het gebruik ervan in de forensische geneeskunde erkend.

Elke persoon heeft een unieke genetische blauwdruk, zelfs een identieke tweeling¹². Forensische afdelingen kunnen polymerasekettingreactie (PCR) -technieken gebruiken, met behulp van nDNA, om monsters in een geval te vergelijken. Dit omvat het gebruik van kleine hoeveelheden nDNA om kopieën te maken van getargete gebieden die korte tandemherhalingen (STRs) op het molecuul worden genoemd¹³. Uit deze STR's wordt een 'profiel' verkregen uit bewijsmateriaal, dat vervolgens kan worden vergeleken met bekende monsters die zijn genomen van de personen die bij de zaak betrokken zijn.

Menselijk mtDNA kan ook worden gebruikt om mensen te helpen identificeren met behulp van forensisch onderzoek, maar in tegenstelling tot nDNA is het niet specifiek voor één persoon, maar kan het worden gebruikt in combinatie met ander bewijsmateriaal (zoals anthropologisch en indirect bewijs) om identificatie vast te stellen. Omdat mtDNA een groter aantal kopieën per cel heeft dan nDNA, heeft het de mogelijkheid om veel kleinere, beschadigde of afgebroken biologische monsters te identificeren¹⁴. Het grotere aantal mtDNA-kopieën per cel dan nDNA maakt het ook mogelijk om een ​​DNA-overeenkomst te verkrijgen met een levend familielid, zelfs als talrijke maternale generaties ze scheiden van de skeletresten van een familielid..

Tabelvergelijking van de belangrijkste verschillen tussen mitochondriaal en nucleair DNA

	Mitochondriaal DNA	Nucleair DNA
Plaats	mitochondriën	Celkern
Kopieën per somatische cel	100-1000	2
Structuur	Circulair en gesloten	Lineair en open einde
Membraambehuizing	Niet omhuld door een membraan	Omsloten door een kernmembraan
Genoomgrootte	1 chromosoom met 16.569 basenparen	46 chromosomen met 3,3 miljard basenparen
Aantal genen	37 genen	20.000-25.000 genen
Methode van overerving	Maternal	Moeder en vader
Wijze van vertaling	Sommige codons volgen geen universeel codonpatroon	Volgt het universele codonpatroon
Methode van transcriptie	polycystronische	monocistonische