Mitokondriyal DNA ile Nükleer DNA arasındaki fark

DNA nedir?

Deoksiribonükleik asit (DNA), büyüme ve gelişme için bir dizi talimat olarak kullanılan genetik bilgileri ve canlı organizmaların nihai işleyişini ve çoğalmasını taşır. Bir nükleik asittir ve tüm yaşam formları için gerekli olduğu bilinen dört ana makromolekül tipinden biridir.¹.

Her DNA molekülü, çift sarmal oluşturmak üzere birbirlerini saran iki biyopolimer şeritten oluşur. Bu iki DNA dizisine, nükleotitler adı verilen daha basit monomer birimlerinden yapıldığı için polinükleotitler denir².

Her bir ayrı nükleotid, deoksiriboz ve bir fosfat grubu adı verilen bir şekerle birlikte, azot içeren dört nükleobazdan (Sitosin (C), Guanin (G), Adenin (A) veya Timin (T)) oluşur..

Nükleotidler, bir nükleotidin fosfatı ile bir sonrakinin şekeri arasındaki kovalent bağlarla birbirine bağlanır. Bu, bir şeker fosfat omurgası ile sonuçlanan bir zincir oluşturur. İki polinükleotid şeridinin azotlu bazları, katı baz çiftlerine (A'dan T'ye ve C'den G'ye) çift zincirli DNA yapmak için hidrojen bağları ile birbirine bağlanır.³.

Ökaryotik hücreler içinde DNA, kromozom adı verilen yapılarda düzenlenir ve her hücre 23 çift kromozom içerir. Hücre bölünmesi sırasında, her hücre kendi tam kromozom setine sahip olduğu sürece kromozomlar DNA replikasyonu işlemi ile çoğaltılır. Hayvanlar, bitkiler ve mantarlar gibi ökaryotik organizmalar DNA'larının çoğunu hücre çekirdeğinde ve bazı DNA'larını mitokondri gibi organellerde depolarlar.⁴.

Ökaryotik hücrenin farklı bölgelerinde bulunan mitokondriyal DNA (mtDNA) ve nükleer DNA (nDNA) arasında bir dizi temel farklılık vardır. Anahtar yapısal ve fonksiyonel özelliklere dayanarak, bu farklılıklar ökaryotik organizmalar içinde nasıl çalıştıklarını etkiler.

Mitokondriyal DNA ve Nükleer DNA'nın organizasyonu ve yapısal farklılıkları

Konum → Yalnızca mitokondride bulunan mtDNA, somatik hücre başına 100-1.000 kopya içerir. Nükleer DNA, her ökaryotik hücrenin çekirdeğinde bulunur (sinir ve kırmızı kan hücreleri gibi bazı istisnalar hariç) ve genellikle somatik hücre başına sadece iki kopyası vardır⁵.

yapı → Her iki DNA türü de çift sarmallıdır. Bununla birlikte, nDNA bir nükleer zar tarafından çevrelenen doğrusal, açık uçlu bir yapıya sahiptir. Bu, genellikle kapalı, dairesel bir yapıya sahip olan ve herhangi bir zar ile sarılmamış mtDNA'dan farklıdır.

Genom boyutları → Hem mtDNA hem de nDNA'nın kendi genomları vardır, ancak çok farklı boyutlardadır. İnsanlarda, mitokondriyal genomun büyüklüğü, 16.569 DNA baz çifti içeren sadece 1 kromozomdan oluşur. Nükleer genom, 3,3 milyar nükleotid içeren 46 kromozomdan oluşan mitokondriyalden önemli ölçüde daha büyüktür..

Gen kodlaması → Tekil mtDNA kromozomu, nükleer kromozomlardan çok daha kısadır. Hepsi mitokondrinin üstlendiği metabolik süreçlerde kullanılan spesifik proteinler (sitrat asit döngüsü, ATP sentezi ve yağ asidi metabolizması gibi) olan 37 proteini kodlayan 36 gen içerir. Nükleer genom çok daha büyüktür, işlevi için gerekli olan tüm proteinleri kodlayan 20.000-25.000 gen, ayrıca mitokondriyal genleri içerir. Yarı özerk organeller olan mitokondri kendi proteinlerinin tümünü kodlayamaz. Bununla birlikte, 22 tRNA ve 2 rRNA kodlayabilirler, bu da nDNA'nın yapabilme yeteneğinden yoksundur.

İşlevsel farklılıklar

Çeviri süreci → NDNA ve mtDNA arasındaki çeviri işlemi değişebilir. nDNA evrensel kodon modelini takip eder, ancak mtDNA için bu her zaman geçerli değildir. Bazı mitokondriyal kodlama dizileri (üçlü kodonlar), proteinlere çevrildiklerinde evrensel kodon modelini takip etmezler. Örneğin, AUA, mitokondri içindeki metiyonini kodlar (İzoleösin değil). UGA ayrıca triptofan kodlar (memeli genomunda olduğu gibi bir durdurma kodonu değil)⁶.

Transkripsiyon işlemi → MtDNA içindeki gen transkripsiyonu polisistroniktir, yani birçok proteini kodlayan dizilerle bir mRNA oluşur. Nükleer gen transkripsiyonu için işlem monosistroniktir, burada oluşan mRNA sadece tek bir proteini kodlayan dizilere sahiptir⁸.

Genom kalıtım → Nükleer DNA diploiddir, yani DNA'yı anne ve babadan miras alır (anne ve babanın her birinden 23 kromozom). Bununla birlikte, mitokondriyal DNA haploiddir, tek kromozom maternal taraftan miras alınır ve genetik rekombinasyona girmez⁹.

Mutasyon oranı → NDNA genetik rekombinasyona girdiğinde, ebeveynin DNA'sının bir karışımıdır ve bu nedenle ebeveynlerden yavrularına kalıtım sırasında değiştirilir. Bununla birlikte, mtDNA sadece anneden miras alındığı için, iletim sırasında herhangi bir değişiklik yoktur, yani DNA değişikliklerinde mutasyonlar meydana gelir. MtDNA'daki mutasyon oranı, normalde% 0.3'ten daha az olan nDNA'dan çok daha yüksektir.¹⁰.

Bilimde mtDNA ve nDNA uygulamasındaki farklılıklar

MtDNA ve nDNA'nın farklı yapısal ve fonksiyonel özellikleri, bilim içindeki uygulamalarında farklılıklara yol açmıştır. Önemli ölçüde daha yüksek mutasyon oranı ile mtDNA, kadınlar aracılığıyla soy ve soyları izlemek için güçlü bir araç olarak kullanılmıştır (matrilineage). Birçok türün soyunu yüzlerce nesil boyunca izlemek için kullanılan ve filogenetik ve evrimsel biyolojinin temelini oluşturan yöntemler geliştirilmiştir..

Yüksek mutasyon oranı nedeniyle, mtDNA nükleer genetik belirteçlerden çok daha hızlı gelişir¹¹. MtDNA tarafından kullanılan ve mutasyonlardan kaynaklanan ve birçoğu organizmalarına zararlı olmayan kodlar arasında birçok varyasyon vardır. Bu daha yüksek mutasyon oranını ve bu zararlı olmayan mutasyonları kullanarak, bilim adamları mtDNA dizilerini belirler ve bunları farklı bireylerden veya türlerden karşılaştırır.

Bu sekanslar arasında, mtDNA'nın alındığı bireyler veya türler arasındaki ilişkilerin bir tahminini sağlayan bir ilişki ağı oluşturulur. Bu, her birinin ne kadar yakından ve uzaktan ilişkili olduğu hakkında bir fikir verir - mitokondriyal genomlarının her birinde aynı olan daha fazla mtDNA mutasyonu, daha fazla ilişkili.

Düşük nDNA mutasyon hızı nedeniyle, filogenetik alanında daha kısıtlı bir uygulamaya sahiptir. Bununla birlikte, tüm canlı organizmaların gelişimi için sahip olduğu genetik talimatlar göz önüne alındığında, bilim adamları adli tıpta kullanımını kabul ettiler.

Her insanın benzersiz bir genetik planı vardır, hatta tek yumurta ikizleri bile¹². Adli bölümler, bir vakadaki örnekleri karşılaştırmak için nDNA kullanarak polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) tekniklerini kullanabilir. Bu, molekül üzerinde kısa tandem tekrarlar (STR) adı verilen hedef bölgelerin kopyalarını yapmak için küçük miktarlarda nDNA'nın kullanılmasını içerir.¹³. Bu STR'lerden, kanıt maddelerinden bir 'profil' elde edilir ve bu da davaya katılan bireylerden alınan bilinen örneklerle karşılaştırılabilir..

İnsan mtDNA, adli tıp kullanan bireyleri tanımlamak için de kullanılabilir, ancak nDNA'dan farklı olarak, bir bireye özgü değildir, ancak tanımlama oluşturmak için diğer kanıtlarla (antropolojik ve koşullu kanıtlar gibi) birlikte kullanılabilir. MtDNA, hücre başına nDNA'dan daha fazla sayıda kopyaya sahip olduğundan, çok daha küçük, hasarlı veya bozulmuş biyolojik numuneleri tanımlama yeteneğine sahiptir¹⁴. Hücre başına daha fazla mtDNA kopyası nDNA'dan daha fazla sayıda, aynı zamanda canlı bir akraba ile bir DNA eşleşmesi elde etmeyi mümkün kılar;.

Mitokondriyal ve Nükleer DNA arasındaki temel farklılıkların tablo şeklinde karşılaştırılması

	Mitokondriyal DNA	Nükleer DNA
yer	Mitokondri	Hücre çekirdeği
Somatik hücre başına kopya sayısı	100-1,000	2
yapı	Dairesel ve kapalı	Doğrusal ve açık uçlu
Membran muhafazası	Bir zar ile sarılmamış	Nükleer bir zar ile çevrelenmiştir
Genom boyutu	16.569 baz çiftli 1 kromozom	3.3 milyar baz çiftli 46 kromozom
Gen sayısı	37 gen	20.000-25.000 gen
Kalıtım yöntemi	Anne	Anne ve Baba
Çeviri yöntemi	Bazı kodonlar evrensel kodon desenini takip etmez	Evrensel kodon desenini takip eder
Transkripsiyon yöntemi	polycistronic	monosistronik