Unterschied zwischen Mitochondrien-DNA und Kern-DNA

Was ist DNA??

Desoxyribonukleinsäure (DNA) enthält genetische Informationen, die als Anleitung für Wachstum und Entwicklung sowie für die endgültige Funktionsweise und Reproduktion lebender Organismen dienen. Es ist eine Nukleinsäure und eine der vier Haupttypen von Makromolekülen, von denen bekannt ist, dass sie für alle Lebensformen essentiell sind¹.

Jedes DNA-Molekül besteht aus zwei Biopolymersträngen, die sich zu einer Doppelhelix zusammenrollen. Diese beiden DNA-Stränge werden Polynukleotide genannt, da sie aus einfacheren Monomereinheiten bestehen, die als Nukleotide bezeichnet werden².

Jedes einzelne Nukleotid besteht aus einer von vier stickstoffhaltigen Nukleobasen - Cytosin (C), Guanin (G), Adenin (A) oder Thymin (T) - zusammen mit einem als Desoxyribose bezeichneten Zucker und einer Phosphatgruppe.

Nukleotide sind durch kovalente Bindungen zwischen dem Phosphat eines Nukleotids und dem Zucker des nächsten miteinander verbunden. Dadurch entsteht eine Kette, die zu einem alternierenden Zucker-Phosphat-Rückgrat führt. Stickstoffhaltige Basen der beiden Polynukleotid-Stränge sind durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden, um doppelsträngige DNA gemäß strengen Basenpaaren (A bis T und C bis G) herzustellen.³.

In eukaryotischen Zellen ist DNA in als Chromosomen bezeichneten Strukturen organisiert, wobei jede Zelle 23 Chromosomenpaare aufweist. Während der Zellteilung werden Chromosomen durch den Prozess der DNA-Replikation dupliziert, sofern jede Zelle ihren eigenen vollständigen Chromosomensatz hat. Eukaryontische Organismen wie Tiere, Pflanzen und Pilze lagern den Großteil ihrer DNA im Zellkern und einen Teil ihrer DNA in Organellen wie Mitochondrien ein⁴.

Da sie sich in verschiedenen Regionen der eukaryotischen Zelle befinden, gibt es eine Reihe grundlegender Unterschiede zwischen der mitochondrialen DNA (mtDNA) und der nuklearen DNA (nDNA). Basierend auf den wichtigsten strukturellen und funktionellen Eigenschaften wirken sich diese Unterschiede auf die Funktionsweise von eukaryotischen Organismen aus.

Organisation und strukturelle Unterschiede von Mitochondrien-DNA und Kern-DNA

Standort → MtDNA befindet sich ausschließlich in den Mitochondrien und enthält 100-1.000 Kopien pro Körperzelle. Kern-DNA befindet sich im Kern jeder eukaryotischen Zelle (mit einigen Ausnahmen wie Nerven und roten Blutkörperchen) und hat normalerweise nur zwei Kopien pro Körperzelle⁵.

Struktur → Beide Arten von DNA sind doppelsträngig. NDNA hat jedoch eine lineare, offene Struktur, die von einer Kernmembran umschlossen ist. Dies unterscheidet sich von mtDNA, die normalerweise eine geschlossene, kreisförmige Struktur hat und von keiner Membran umhüllt ist

Genomgrößen → Sowohl mtDNA als auch nDNA haben ihre eigenen Genome, sind aber sehr unterschiedlich groß. Beim Menschen besteht die Größe des mitochondrialen Genoms aus nur einem Chromosom, das 16.569 DNA-Basenpaare enthält. Das Kerngenom ist deutlich größer als das Mitochondrium und besteht aus 46 Chromosomen mit 3,3 Milliarden Nukleotiden.

Gene kodieren → Das singuläre mtDNA-Chromosom ist viel kürzer als die Kernchromosomen. Es enthält 36 Gene, die für 37 Proteine ​​kodieren, wobei es sich um spezifische Proteine ​​handelt, die in den mitochondrischen Stoffwechselprozessen (z. B. Citrat-Säure-Zyklus, ATP-Synthese und Fettsäuremetabolismus) eingesetzt werden. Das Kerngenom ist mit 20.000 bis 25.000 Genen, die für alle für seine Funktion erforderlichen Proteine ​​kodieren, viel größer, was auch die Mitochondriengene umfasst. Mitochondrien können als halbautonome Organellen nicht für alle ihre eigenen Proteine ​​kodieren. Sie können jedoch für 22 tRNAs und 2 rRNAs kodieren, was bei nDNA nicht möglich ist.

Funktionsunterschiede

Übersetzungsprozess → Der Übersetzungsprozess zwischen nDNA und mtDNA kann variieren. nDNA folgt dem universellen Codonmuster, dies ist jedoch bei mtDNA nicht immer der Fall. Einige mitochondriale Kodierungssequenzen (Triplett-Codons) folgen nicht dem universellen Kodon-Muster, wenn sie in Proteine ​​übersetzt werden. Beispielsweise kodiert AUA für Methionin in Mitochondrien (nicht Isoleucin). UGA kodiert auch für Tryptophan (kein Stop-Codon wie im Säugetiergenom)⁶.

Transkriptionsprozess → Die Gentranskription in der mtDNA ist polyzistronisch, was bedeutet, dass eine mRNA mit Sequenzen gebildet wird, die für viele Proteine ​​kodieren. Für die Transkription von Kerngenen ist das Verfahren monocistronisch, wobei die gebildete mRNA Sequenzen aufweist, die nur für ein einzelnes Protein kodieren⁸.

Genomvererbung → Nukleare DNA ist diploid, was bedeutet, dass sie DNA sowohl mütterlich als auch paternal erbt (23 Chromosomen von Mutter und Vater). Mitochondriale DNA ist jedoch haploide, wobei das einzelne Chromosom auf der mütterlichen Seite vererbt wird und keine genetische Rekombination eingeht⁹.

Mutationsrate → Da nDNA eine genetische Rekombination durchläuft, ist es ein Shuffle der DNA der Eltern und wird daher während der Vererbung von den Eltern an ihre Nachkommen verändert. Da mtDNA jedoch nur von der Mutter geerbt wird, gibt es keine Veränderung während der Übertragung, was bedeutet, dass DNA-Änderungen durch Mutationen hervorgerufen werden. Die Mutationsrate in mtDNA ist viel höher als in nDNA, was normalerweise weniger als 0,3% beträgt.¹⁰.

Unterschiede in der Anwendung von mtDNA und nDNA in der Wissenschaft

Die unterschiedlichen strukturellen und funktionellen Eigenschaften von mtDNA und nDNA haben zu unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten in der Wissenschaft geführt. MtDNA wurde aufgrund ihrer deutlich höheren Mutationsrate als leistungsfähiges Werkzeug für die Verfolgung von Abstammung und Abstammung durch Frauen (Matrilineage) eingesetzt. Es wurden Methoden entwickelt, mit denen die Abstammung vieler Arten über Hunderte von Generationen zurückverfolgt werden kann und sich zu einer der Hauptstützen der Phylogenetik und Evolutionsbiologie entwickelt hat.

Aufgrund der höheren Mutationsrate entwickelt sich mtDNA schneller als nukleare genetische Marker¹¹. Es gibt viele Variationen unter den von mtDNA verwendeten Codes, die durch Mutationen entstehen, von denen viele ihren Organismen nicht schaden. Mithilfe dieser größeren Mutationsrate und dieser nicht schädlichen Mutationen bestimmen Wissenschaftler mtDNA-Sequenzen und vergleichen sie von verschiedenen Individuen oder Arten.

Ein Netzwerk von Beziehungen zwischen diesen Sequenzen wird dann aufgebaut, das eine Abschätzung der Beziehungen zwischen den Individuen oder Arten bereitstellt, von denen die mtDNA entnommen wurde. Dies gibt eine Vorstellung davon, wie eng und weit voneinander entfernt verwandt ist - je mehr mtDNA-Mutationen in jedem ihrer Mitochondrien-Genome gleich sind, desto verwandter sind sie.

Aufgrund der geringeren Mutationsrate von nDNA ist die Anwendung auf dem Gebiet der Phylogenetik eingeschränkter. Angesichts der genetischen Anweisungen, die für die Entwicklung aller lebenden Organismen gelten, haben Wissenschaftler ihre Verwendung in der Forensik jedoch erkannt.

Jeder einzelne Mensch hat einen einzigartigen genetischen Bauplan, sogar eineiige Zwillinge¹². Forensische Abteilungen sind in der Lage, Polymerase-Kettenreaktionstechniken (PCR) unter Verwendung von nDNA zu verwenden, um Proben in einem Fall zu vergleichen. Dazu werden kleine Mengen an nDNA verwendet, um Kopien von Zielregionen (Short Tandem Repeats, STRs) auf dem Molekül zu erstellen¹³. Aus diesen STRs wird anhand von Beweismitteln ein „Profil“ gewonnen, das dann mit bekannten Proben von den an dem Fall beteiligten Personen verglichen werden kann.

Menschliche mtDNA kann auch verwendet werden, um Personen mithilfe von Forensik zu identifizieren. Im Gegensatz zu nDNA ist sie jedoch nicht spezifisch für eine Person, sondern kann in Kombination mit anderen Beweisen (z. B. anthropologischen Beweisen und Indizien) zur Identifizierung verwendet werden. Da mtDNA eine größere Anzahl von Kopien pro Zelle hat als nDNA, kann sie viel kleinere, beschädigte oder degradierte biologische Proben identifizieren¹⁴. Die größere Anzahl von mtDNA-Kopien pro Zelle als nDNA macht es auch möglich, eine DNA-Übereinstimmung mit einem lebenden Verwandten zu erhalten, selbst wenn zahlreiche mütterliche Generationen sie von den Skelett-Überresten eines Verwandten trennen.

Tabellarischer Vergleich der wichtigsten Unterschiede zwischen mitochondrialer und nuklearer DNA

	Mitochondriale DNA	Nukleare DNA
Ort	Mitochondrien	Zellkern
Kopien pro Körperzelle	100-1.000	2
Struktur	Rundschreiben und geschlossen	Linear und offen
Membrangehäuse	Nicht von einer Membran umhüllt	Umschlossen von einer Kernmembran
Genomgröße	1 Chromosom mit 16.569 Basenpaaren	46 Chromosomen mit 3,3 Milliarden Basenpaaren
Anzahl der Gene	37 Gene	20.000-25.000 Gene
Methode der Vererbung	Mütterlicherseits	Mütterlicherseits und väterlicherseits
Methode der Übersetzung	Einige Codons folgen keinem universellen Codonmuster	Folgt dem universellen Codonmuster
Transkriptionsmethode	Polycistronic	Monocistronic