Mitokondriaalse DNA ja tuuma-DNA erinevus

Mis on DNA?

Deoksüribonukleiinhape (DNA) sisaldab geeniteavet, mida kasutatakse juhiste kogumina kasvule ja arengule, aga ka elusorganismide lõplikule toimimisele ja paljunemisele. See on nukleiinhape ja on üks neljast peamisest makromolekulide tüübist, mis on teadaolevalt vajalikud kõigi eluvormide jaoks¹.

Iga DNA molekul koosneb kahest biopolümeeri ahelast, mis keerlevad üksteise ümber, moodustades kaksikheeliksi. Neid kahte DNA ahelat nimetatakse polünukleotiidideks, kuna need on valmistatud lihtsamatest monomeeriüksustest, mida nimetatakse nukleotiidideks².

Iga üksik nukleotiid koosneb ühest neljast lämmastikku sisaldavast nukleoalusest - tsütosiinist (C), guaniinist (G), adeniinist (A) või tümiinist (T) - koos suhkruga, mida nimetatakse desoksüriboseks, ja fosfaatrühmast.

Nukleotiidid on üksteisega ühendatud kovalentsete sidemetega, ühe nukleotiidi fosfaadi ja järgmise suhkru vahel. See loob ahela, mille tulemuseks on vahelduv suhkru-fosfaadi selgroog. Kahe polünukleotiidi ahela lämmastiku alused on seotud vesiniksidemetega, et saada kaheahelaline DNA vastavalt rangetele aluspaaridele (A kuni T ja C kuni G)³.

Eukarüootsetes rakkudes on DNA jaotatud struktuurideks, mida nimetatakse kromosoomideks, igas rakus on 23 kromosoomipaari. Rakkude jagunemise ajal dubleeritakse kromosoomid DNA replikatsiooni protsessi kaudu, kui igal rakul on oma täielik kromosoomide komplekt. Eukarüootsed organismid, nagu loomad, taimed ja seened, salvestavad suurema osa oma DNA-st rakutuumas ja osa DNA-st organellides nagu mitokondrid⁴.

Asudes eukarüootse raku erinevates piirkondades, on mitokondriaalse DNA (mtDNA) ja tuuma DNA (nDNA) vahel mitmeid põhimõttelisi erinevusi. Võttes aluseks peamised struktuursed ja funktsionaalsed omadused, mõjutavad need erinevused nende toimimist eukarüootsetes organismides.

Mitokondrite DNA ja tuuma-DNA struktuur ja struktuurilised erinevused

Asukoht → Ainult mitokondrites asuv mtDNA sisaldab 100-1000 eksemplari somaatilise raku kohta. Tuuma-DNA asub iga eukarüootse raku tuumas (välja arvatud mõned erandid, näiteks närvi- ja punalibled) ja sellel on tavaliselt ainult kaks koopiat somaatiliste rakkude kohta⁵.

Struktuur → Mõlemat tüüpi DNA on kaheahelaline. NDNA-l on aga lineaarne, avatud otsaga struktuur, mis on ümbritsetud tuumamembraaniga. See erineb mtDNA-st, millel on tavaliselt suletud ümmargune struktuur ja mis ei ole ümbritsetud ühegi membraaniga

Geenivaramu suurused → Nii mtDNA-l kui ka nDNA-l on oma genoom, kuid need on väga erineva suurusega. Inimestel koosneb mitokondriaalne genoom ainult ühest kromosoomist, mis sisaldab 16 569 DNA aluspaari. Tuumagenoom on märkimisväärselt suurem kui mitokondriaalne, koosneb 46 kromosoomist, mis sisaldavad 3,3 miljardit nukleotiidi.

Geenide kodeerimine → Ainsuse mtDNA kromosoom on palju lühem kui tuuma kromosoomid. See sisaldab 36 geeni, mis kodeerivad 37 valku, mis kõik on spetsiifilised valgud, mida metaboolsetes protsessides, mida mitokondrid läbi viivad (näiteks sidrunhappe tsükkel, ATP süntees ja rasvhapete metabolism), kasutatakse. Tuumagenoom on palju suurem - 20 000-25 000 geeni, mis kodeerivad kõiki selle funktsiooniks vajalikke valke, mis hõlmavad ka mitokondriaalseid geene. Olles poolautonoomsed organellid, ei saa mitokondrioon kodeerida kõiki oma valke. Kuid nad saavad kodeerida 22 tRNA ja 2 rRNA, mida nDNA-l pole selleks.

Funktsionaalsed erinevused

Tõlkeprotsess → Translatsiooniprotsess nDNA ja mtDNA vahel võib varieeruda. nDNA järgib universaalset koodonimustrit, kuid see ei kehti alati mtDNA korral. Mõned mitokondrite kodeerivad järjestused (tripletkoodonid) ei järgi valkudesse teisendamisel universaalset koodonimustrit. Näiteks AUA kodeerib metioniini mitokondrioonides (mitte isoleutsiinis). UGA kodeerib ka trüptofaani (mitte stoppkoodon nagu imetajate genoomis)⁶.

Transkriptsiooni protsess → Geeni transkriptsioon mtDNA-s on polütsistrooniline, see tähendab, et mRNA moodustatakse järjestustega, mis kodeerivad paljusid valke. Tuumageeni transkriptsioonis on protsess monoktronooniline, kus moodustunud mRNA-l on järjestused, mis kodeerivad ainult ühte valku⁸.

Geenivaramu pärimine → Tuuma DNA on diploidne, mis tähendab, et see pärib DNA nii emaselt kui ka isalt (23 kromosoomi emalt ja isalt). Mitokondriaalne DNA on siiski haploidne, üksik kromosoom päritakse emapoolsest küljest ega allu geneetilisele rekombinatsioonile⁹.

Mutatsioonimäär → Kuna nDNA läbib geneetilise rekombinatsiooni, on see vanema DNA segadus ja seetõttu muutub see vanematelt nende järglastele pärimise ajal. Kuna mtDNA päritakse ainult emalt, ei toimu edastamise ajal muutusi, mis tähendab, et kõik DNA muutused tulenevad mutatsioonidest. Mutatsiooni määr mtDNA-s on palju suurem kui nDNA-s, mis on tavaliselt alla 0,3%¹⁰.

Erinevused mtDNA ja nDNA rakendamisel teaduses

MtDNA ja nDNA erinevad struktuursed ja funktsionaalsed omadused on põhjustanud erinevusi nende rakendamisel teaduses. Tänu märkimisväärselt kõrgemale mutatsioonimäärale on mtDNA-d kasutatud võimsa vahendina emasloomadelt esivanemate ja sugupuude jälgimiseks (matrilineageerimine). Välja on töötatud meetodid, mida kasutatakse paljude liikide põlvnemise jälgimiseks läbi sadade põlvkondade ja mis on saanud fülogeneetika ja evolutsioonibioloogia alustalaks.

Suurema mutatsioonimäära tõttu areneb mtDNA palju kiiremini kui tuumageneetilised markerid¹¹. MtDNA kasutatavate koodide hulgas on palju variatsioone, mis tulenevad mutatsioonidest, millest paljud ei ole nende organismidele kahjulikud. Kasutades seda suuremat mutatsioonimäära ja neid kahjulikke mutatsioone, määravad teadlased mtDNA järjestused ja võrdlevad neid erinevatelt isikutelt või liikidelt.

Seejärel konstrueeritakse nende järjestuste vaheline seoste võrk, mis annab hinnangu suhete vahel isendite või liikide vahel, kellelt mtDNA võeti. See annab aimu, kui tihedalt ja kaugelt üksteisega seotud on - mida rohkem mtDNA mutatsioone on ühesugused igas nende mitokondriaalses genoomis, seda sarnasemad nad on.

NDNA madalama mutatsioonimäära tõttu on selle fülogeneetika valdkonnas piiratud rakendused. Arvestades kõigi elusorganismide arenguks vajalikke geneetilisi juhiseid, on teadlased siiski tunnistanud selle kasutamist kohtuekspertiisides.

Igal inimesel on ainulaadne geneetiline plaan, isegi identsed kaksikud¹². Kohtuekspertiisi osakonnad saavad proovide võrdlemiseks kasutada nDNA-d kasutades polümeraasi ahelreaktsiooni (PCR) tehnikaid. See hõlmab väikeste koguste nDNA kasutamist kopeerimiseks sihtpiirkondadest, mida nimetatakse lühikeseks tandemi korduseks (STR) molekulil¹³. Nendest tõendusmaterjalidest saadakse tõenditest „profiil”, mida saab seejärel võrrelda juhtumiga seotud isikutelt võetud teadaolevate proovidega.

Inimese mtDNA-d saab kasutada ka selleks, et aidata tuvastada kohtuekspertiisi kasutavaid isikuid, kuid erinevalt nDNA-st ei ole see ühe inimese jaoks spetsiifiline, kuid seda saab tuvastamise tuvastamiseks kasutada koos muude tõenditega (näiteks antropoloogilised ja kaudsed tõendid). Kuna mtDNA-l on raku kohta rohkem koopiaid kui nDNA-l, on sellel võime tuvastada palju väiksemad, kahjustatud või lagunenud bioloogilised proovid¹⁴. Suurem arv mtDNA koopiaid raku kohta kui nDNA võimaldab ka DNA kokkulangevust elava sugulasega, isegi kui arvukad emad põlvkonnad eraldavad neid sugulase skeletijäänustest.

Mitokondrite ja tuuma DNA peamiste erinevuste tabeliline võrdlus

	Mitokondriaalne DNA	Tuuma DNA
Asukoht	Mitokondrid	Rakutuum
Koopiad somaatiliste rakkude kohta	100-1000	2
Struktuur	Ümmargune ja suletud	Lineaarne ja lahtine
Membraanikamber	Pole ümbritsetud membraaniga	Suletud tuumamembraaniga
Geenivaramu suurus	1 kromosoom 16 569 aluspaariga	46 kromosoomi 3,3 miljardi aluspaariga
Geenide arv	37 geeni	20 000-25 000 geeni
Pärimisviis	Ema	Ema ja isane
Tõlkemeetod	Mõned koodonid ei järgi universaalset koodonimustrit	Järgib universaalset koodonimustrit
Transkriptsiooni meetod	Polütsistrooniline	Monokistrooniline