Perbezaan antara DNA Mitokondria dan DNA Nuklear
Share
Apakah DNA?
Asid deoxyribonucleic (DNA) membawa maklumat genetik yang digunakan sebagai satu set arahan untuk pertumbuhan dan perkembangan, serta fungsi dan pembiakan organisma hidup yang muktamad. Ia adalah asid nukleik dan merupakan salah satu daripada empat jenis utama makromolekul yang diketahui penting untuk semua bentuk kehidupan1.
Setiap molekul DNA terdiri daripada dua helai biopolimer yang berkeliling antara satu sama lain untuk membentuk heliks ganda. Kedua-dua helai DNA ini dipanggil polynucleotides, kerana ia dibuat daripada unit monomer yang lebih mudah dipanggil nukleotida2.
Setiap individu nukleotida terdiri daripada satu daripada empat nukleobase yang mengandungi nitrogen - Cytosine (C), Guanine (G), Adenine (A) atau Thymine (T) - bersama dengan gula yang dipanggil deoxyribose dan kumpulan fosfat.
Nukleotida disatukan antara satu sama lain melalui ikatan kovalen, antara fosfat satu nukleotida dan gula seterusnya. Ini mewujudkan rantaian, menyebabkan tulang belakang gula-fosfat berselang-seli. Asas nitrogenus dari dua helai polynucleotide terikat bersama oleh ikatan hidrogen, untuk membuat DNA dua terkandas menurut pasangan asas yang ketat (A hingga T dan C ke G)3.
Di dalam sel eukariotik, DNA disusun menjadi struktur yang disebut kromosom, dengan setiap sel mempunyai 23 pasang kromosom. Semasa pembahagian sel, kromosom disalin melalui proses replikasi DNA, selagi setiap sel mempunyai set kromosom lengkapnya sendiri. Organisme eukariotik seperti haiwan, tumbuhan dan kulat, menyimpan sebahagian besar DNA mereka di dalam nukleus sel dan beberapa DNA mereka dalam organel seperti mitokondria4.
Terletak di kawasan yang berbeza dalam sel eukariotik, terdapat beberapa perbezaan asas antara DNA mitokondria (mtDNA) dan DNA nuklear (nDNA). Berdasarkan sifat-sifat struktur dan fungsi utama, perbezaan ini mempengaruhi bagaimana mereka beroperasi dalam organisma eukariotik.
Pertubuhan dan perbezaan struktur DNA mitokondria dan DNA nuklear
Lokasi → Terletak secara eksklusif di mitokondria, mtDNA mengandungi 100-1,000 salinan setiap sel somatik. DNA nuklear terletak dalam nukleus setiap sel eukariotik (dengan beberapa pengecualian seperti saraf dan sel darah merah) dan biasanya hanya mempunyai dua salinan sel somatik5.
Struktur → Kedua-dua jenis DNA adalah dua terkandas. Walau bagaimanapun, nDNA mempunyai struktur linear, terbuka yang tertutup oleh membran nuklear. Ini berbeza dengan mtDNA, yang biasanya mempunyai struktur pekeliling tertutup dan tidak terkeluar oleh sebarang membran
Saiz genom → Kedua-dua mtDNA dan nDNA mempunyai genom mereka sendiri tetapi saiznya sangat berbeza. Pada manusia, saiz genom mitokondria hanya terdiri daripada 1 kromosom yang mengandungi 16,569 pasangan asas DNA. Genom nuklear adalah jauh lebih besar daripada mitokondria, yang terdiri daripada 46 kromosom yang mengandungi 3.3 bilion nukleotida.
Pengekodan gen → Kromosom mtDNA tunggal lebih pendek daripada kromosom nuklear. Ia mengandungi 36 gen yang dikodkan untuk 37 protein, semuanya protein spesifik yang digunakan dalam proses metabolik mitokondria (seperti kitaran asid sitrat, sintesis ATP dan metabolisme asid lemak). Genom nuklear lebih besar, dengan 20,000-25,000 gen pengekodan untuk semua protein yang diperlukan untuk fungsinya, yang juga termasuk gen mitochondrial. Sebagai organel separa autonomi, mitokondria tidak boleh kod untuk semua proteinnya sendiri. Walau bagaimanapun, mereka boleh menyandarkan untuk 22 tRNA dan 2 rRNA, yang nDNA tidak mempunyai keupayaan untuk dilakukan.
Perbezaan fungsian
Proses penterjemahan → Proses terjemahan antara nDNA dan mtDNA boleh berbeza-beza. nDNA mengikuti pola kodon sejagat, namun ini tidak selalu berlaku untuk mtDNA. Sesetengah urutan pengekodan mitokondria (codon triplet) tidak mengikuti pola kodon sejagat apabila ia diterjemahkan ke dalam protein. Sebagai contoh, kod AUA untuk methionine dalam mitochondrion (bukan Isoleucine). UGA juga kod untuk tryptophan (bukan codon berhenti seperti dalam genom mamalia)6.
Proses transkripsi → Transkripsi gen dalam mtDNA adalah polycistronic, yang bermaksud mRNA dibentuk dengan urutan-urutan yang mengandungi banyak kod protein. Untuk transkripsi gen nuklear prosesnya adalah monokistronik, di mana mRNA terbentuk mempunyai pengekodan urutan untuk hanya protein tunggal8.
Pewarisan genom → DNA nuklear diploid, bermakna ia mewarisi DNA kedua-dua maternal dan paternal (23 kromosom dari setiap ibu dan bapa). Walau bagaimanapun, DNA mitokondria adalah haploid, dengan kromosom tunggal diwariskan di sebelah ibu dan tidak menjalani rekombinasi genetik9.
Kadar mutasi → Oleh kerana nDNA menjalani penggabungan semula genetik, ia adalah pengubahan DNA ibu bapa dan oleh itu diubah dari warisan dari ibu bapa kepada anak-anak mereka. Walau bagaimanapun, kerana mtDNA hanya diwarisi dari ibu, tidak ada perubahan semasa penghantaran, bermakna perubahan DNA berasal dari mutasi. Kadar mutasi dalam mtDNA jauh lebih tinggi daripada nDNA, yang biasanya kurang daripada 0.3%10.
Perbezaan dalam penggunaan mtDNA dan nDNA dalam sains
Ciri-ciri struktur dan fungsi mtDNA dan nDNA yang berbeza, telah membawa kepada perbezaan dalam aplikasi mereka dalam sains. Dengan kadar mutasi yang lebih besar, mtDNA telah digunakan sebagai alat yang berkuasa untuk mengesan keturunan dan keturunan melalui wanita (matrilineage). Kaedah telah dibangunkan yang digunakan untuk mengesan keturunan banyak spesies melalui ratusan generasi dan telah menjadi tulang belakang filogenetik dan biologi evolusi.
Oleh kerana kadar mutasi yang lebih tinggi, mtDNA berkembang lebih cepat daripada penanda genetik nuklear11. Terdapat banyak variasi di antara kod yang digunakan oleh mtDNA yang timbul daripada mutasi, yang kebanyakannya tidak memudaratkan organisma mereka. Dengan menggunakan kadar mutasi yang lebih besar ini dan mutasi yang tidak berbahaya, saintis menentukan urutan mtDNA dan membandingkannya dengan individu atau spesies yang berlainan.
Rangkaian hubungan di antara urutan ini kemudiannya dibina yang memberikan anggaran hubungan antara individu atau spesies yang mana mtDNA diambil. Ini memberi gambaran tentang bagaimana rapat dan berkaitan dengan jarak jauh masing-masing - mutasi mtDNA yang sama dalam setiap genom mitokondria mereka, lebih banyak berkaitan dengannya.
Oleh kerana kadar mutasi nDNA yang lebih rendah, ia mempunyai aplikasi yang lebih terhad dalam bidang filogenetik. Walau bagaimanapun, memandangkan arahan genetik yang dipegangnya untuk pembangunan semua organisma hidup, saintis telah mengiktiraf penggunaannya dalam forensik.
Setiap orang mempunyai pelan induk genetik yang unik, walaupun kembar identik12. Jabatan forensik dapat menggunakan teknik tindak balas rantai polimerase (PCR), menggunakan nDNA, untuk membandingkan sampel dalam kes. Ini melibatkan penggunaan sejumlah kecil nDNA untuk membuat salinan kawasan yang disasarkan yang dipanggil pendek berulang (STR) pada molekul13. Daripada STRs ini, 'profil' diperolehi daripada butiran bukti, yang kemudiannya boleh dibandingkan dengan sampel yang diketahui diambil dari individu yang terlibat dalam kes.
Manusia mtDNA juga boleh digunakan untuk membantu mengenal pasti individu yang menggunakan forensik, tetapi tidak seperti nDNA, ia tidak khusus untuk satu individu tetapi boleh digunakan bersama dengan bukti lain (seperti bukti antropologi dan keadaan) untuk menentukan identifikasi. Oleh kerana mtDNA mempunyai bilangan salinan lebih banyak daripada sel daripada nDNA, ia mempunyai keupayaan untuk mengenal pasti sampel biologi yang lebih kecil, rosak atau terdegradasi14. Jumlah salinan mtDNA yang lebih besar daripada sel daripada nDNA, juga membuat kemungkinan untuk mendapatkan perlawanan DNA dengan saudara hidup, walaupun banyak generasi ibu memisahkan mereka dari sisa rangka saudara.
Perbandingan jadual perbezaan utama antara DNA Mitokondria dan Nuklear
| DNA mitokondria | DNA nuklear | |
| Lokasi | Mitochondria | Nucleus sel |
| Salinan setiap sel somatik | 100-1,000 | 2 |
| Struktur | Pekeliling dan ditutup | Linear dan terbuka berakhir |
| Kandang membran | Tidak terkeluar oleh membran | Dilampirkan oleh membran nuklear |
| Saiz genom | 1 kromosom dengan 16,569 pasangan asas | 46 kromosom dengan 3.3 bilion pasangan asas |
| Bilangan gen | 37 gen | 20,000-25,000 gen |
| Kaedah warisan | Ibu | Ibu dan Bidadari |
| Kaedah terjemahan | Beberapa kodon tidak mengikuti pola kodon sejagat | Mengikuti pola kodon sejagat |
| Kaedah transkripsi | Polycistronic | Monocistronic |
