Deoksyribonukleinsyre (DNA) bærer genetisk informasjon som brukes som et sett med instruksjoner for vekst og utvikling, samt den ultimate funksjon og reproduksjon av levende organismer. Det er en nukleinsyre og er en av de fire hovedtyper makromolekyler som er kjent for å være essensielle for alle livsformer.1.
Hvert DNA-molekyl består av to biopolymerstrenger som vikles rundt hverandre for å danne en dobbel helix. Disse to DNA-strengene kalles polynukleotider, ettersom de er laget av enklere monomerenheter kalt nukleotider2.
Hvert enkelt nukleotid er sammensatt av en av fire nitrogenholdige nukleobaser - Cytosin (C), Guanin (G), Adenin (A) eller Tymin (T) - sammen med et sukker som kalles deoksyribose og en fosfatgruppe.
Nukleotider er bundet til hverandre ved kovalente bindinger, mellom fosfatet i det ene nukleotidet og sukkeret i det neste. Dette skaper en kjede, noe som resulterer i et vekslende ryggrad i sukker-fosfat. Nitrogenbaser av de to polynukleotidstrengene er bundet sammen av hydrogenbindinger for å lage dobbeltstrenget DNA i henhold til strenge baseparringer (A til T og C til G)3.
Innenfor eukaryote celler er DNA organisert i strukturer som kalles kromosomer, hvor hver celle har 23 par kromosomer. Under celledeling dupliseres kromosomer gjennom prosessen med DNA-replikasjon , så lenge hver celle har sitt eget komplette sett med kromosomer. Eukaryote organismer som dyr, planter og sopp, lagrer mesteparten av deres DNA inne i cellekjernen og noe av deres DNA i organeller som mitokondrier4.
Å være lokalisert i forskjellige regioner i den eukaryote cellen, er det en rekke grunnleggende forskjeller mellom mitokondrie-DNA (mtDNA) og nukleært DNA (nDNA). Basert på viktige strukturelle og funksjonelle egenskaper, påvirker disse forskjellene hvordan de fungerer i eukaryote organismer.
Plassering → Ligger utelukkende i mitokondriene, inneholder mtDNA 100-1000 eksemplarer per somatisk celle. Nukleært DNA er lokalisert i kjernen til hver eukaryote celle (med noen unntak som nerve- og røde blodlegemer) og har vanligvis bare to kopier per somatisk celle5.
Struktur → Begge typer DNA er dobbeltstrengede. Imidlertid har nDNA en lineær struktur med åpen ende som er omsluttet av en kjernemembran. Dette skiller seg fra mtDNA, som vanligvis har en lukket, sirkulær struktur og ikke er innhyllet av noen membran
Genomstørrelser → Både mtDNA og nDNA har sine egne genomer, men har veldig forskjellige størrelser. Hos mennesker består størrelsen på mitokondriegenomet av bare 1 kromosom som inneholder 16 569 DNA-basepar. Atomgenomet er betydelig større enn mitokondrie, bestående av 46 kromosomer som inneholder 3,3 milliarder nukleotider.
Genkoding → Singular mtDNA-kromosom er mye kortere enn kjernekromosomene. Den inneholder 36 gener som koder for 37 proteiner, som alle er spesifikke proteiner som brukes i de metabolske prosessene mitokondrier gjennomfører (for eksempel sitratsyresyklus, ATP-syntese og fettsyremetabolisme). Atomgenomet er mye større, med 20.000-25.000 gener som koder for alle proteiner som kreves for funksjonen, som også inkluderer mitokondriegener. Å være semi-autonome organeller, kan mitokondrion ikke kode for alle sine egne proteiner. Imidlertid kan de kode for 22 tRNA og 2 rRNA, som nDNA mangler evnen til å gjøre.
Oversettelsesprosess → Oversettelsesprosessen mellom nDNA og mtDNA kan variere. nDNA følger det universelle kodonmønsteret Dette er imidlertid ikke alltid tilfelle for mtDNA. Noen mitokondrielle kodningssekvenser (triplettkodoner) følger ikke det universelle kodonmønsteret når de blir oversatt til proteiner. For eksempel koder AUA for metionin i mitokondrion (ikke isoleucin). UGA koder også for tryptofan (ikke et stoppkodon som i pattedyrgenom)6.
Transkripsjonsprosess → Gentranskripsjon i mtDNA er polycistronic, noe som betyr at et mRNA dannes med sekvenser som koder for mange proteiner. For nukleær gentranskripsjon er prosessen monocistronic, hvor mRNA som dannes har sekvenser som koder for bare et enkelt protein8.
Genom arv → Nukleært DNA er diploid, noe som betyr at det arver DNA både maternalt og paternalt (23 kromosomer fra hver av moren og faren). Imidlertid er mitokondrie-DNA haploid, med det eneste kromosomet som arves ned på morsiden og ikke gjennomgår genetisk rekombinasjon9.
Mutasjonsrate → Ettersom nDNA gjennomgår genetisk rekombinasjon, er det en blanding av foreldrenes DNA og endres derfor under arv fra foreldrene til deres avkom. Imidlertid, ettersom mtDNA bare arves fra moren, er det ingen endring under overføring, noe som betyr at eventuelle DNA-endringer kommer fra mutasjoner. Mutasjonshastigheten i mtDNA er mye høyere enn i nDNA, som normalt er mindre enn 0,3%10.
De forskjellige strukturelle og funksjonelle egenskapene til mtDNA og nDNA har ført til forskjeller i deres anvendelser innen vitenskap. Med sin betydelig større mutasjonsrate har mtDNA blitt brukt som et kraftig verktøy for å spore forfedre og avstamning gjennom kvinner (matrilineage). Metoder er utviklet som brukes til å spore forfedrene til mange arter gjennom hundrevis av generasjoner, og har blitt bærebjelken i fylogenetikk og evolusjonsbiologi.
På grunn av den høyere mutasjonshastigheten utvikler mtDNA seg mye raskere enn kjernegenetiske markørerelleve. Det er mange variasjoner blant kodene som brukes av mtDNA som stammer fra mutasjoner, hvorav mange ikke er skadelige for deres organismer. Ved å bruke denne større mutasjonshastigheten og disse ikke-skadelige mutasjonene, bestemmer forskere mtDNA-sekvenser og sammenligner dem fra forskjellige individer eller arter.
Et konstruksjonsnettverk mellom disse sekvensene blir deretter konstruert som gir et estimat av forholdet mellom individene eller artene som mtDNA ble hentet fra. Dette gir en ide om hvor nært og fjernt hver enkelt er - jo flere mtDNA-mutasjoner som er like i hvert av mitokondriegenomene, jo mer beslektede er de.
På grunn av den lavere mutasjonshastigheten til nDNA, har den en mer begrenset anvendelse innen fylogenetikk. Men gitt de genetiske instruksjonene den inneholder for utvikling av alle levende organismer, har forskere anerkjent bruken i rettsmedisin.
Hver enkelt person har en unik genetisk tegning, til og med identiske tvillinger12. Rettsmedisinske avdelinger er i stand til å bruke teknikker med polymerasekjedereaksjon (PCR) ved hjelp av nDNA for å sammenligne prøver i et tilfelle. Dette innebærer å bruke små mengder nDNA for å lage kopier av målrettede regioner som kalles korte tandem-gjentakelser (STRs) på molekylet1. 3. Fra disse STRs oppnås en 'profil' fra bevismateriale, som deretter kan sammenlignes med kjente prøver tatt fra individene som er involvert i saken.
Menneskelig mtDNA kan også brukes til å identifisere individer som bruker rettsmedisin, men i motsetning til nDNA er det ikke spesifikt for ett individ, men kan brukes i kombinasjon med andre bevis (som antropologisk og omstendig bevis) for å etablere identifikasjon. Fordi mtDNA har et større antall kopier per celle enn nDNA, har den muligheten til å identifisere mye mindre, ødelagte eller nedbrutte biologiske prøver14. Det større antallet mtDNA-kopier per celle enn nDNA, gjør det også mulig å oppnå en DNA-match med en levende slektning, selv om mange morsgenerasjoner skiller dem fra skjelettrester av en slektning.
Tabell sammenligning av nøkkelforskjeller mellom mitokondrie og atom DNA
| Mitokondrie DNA | Nukleært DNA | |
| plassering | Mitokondrier | Celle Nucleus |
| Kopier per somatisk celle | 100-1.000 | 2 |
| Struktur | Sirkulær og lukket | Lineær og åpen |
| Membrankabinett | Ikke innhyllet av en membran | Omsluttet av en kjernefysisk membran |
| Genomstørrelse | 1 kromosom med 16 569 basepar | 46 kromosomer med 3,3 milliarder basepar |
| Antall gener | 37 gener | 20.000-25.000 gener |
| Arvemetode | Moderlig | Maternal og Paternal |
| Metode for oversettelse | Noen kodoner følger ikke det universelle kodonmønsteret | Følger det universelle kodonmønsteret |
| Transkripsjonsmetode | Polycistronic | Monocistronic |
