Perbedaan antara DNA mitokondria dan DNA nuklir

Apa itu DNA?

Asam deoksiribonukleat (DNA) membawa informasi genetik yang digunakan sebagai serangkaian instruksi untuk pertumbuhan dan perkembangan, serta fungsi dan reproduksi organisme hidup tertinggi. Ini adalah asam nukleat dan merupakan salah satu dari empat jenis utama makromolekul yang diketahui penting untuk semua bentuk kehidupan¹.

Setiap molekul DNA terdiri dari dua untaian biopolimer yang melingkar di sekitar satu sama lain untuk membentuk heliks ganda. Dua untaian DNA ini disebut polinukleotida, karena terbuat dari unit monomer yang lebih sederhana yang disebut nukleotida².

Setiap nukleotida individu terdiri dari salah satu dari empat nukleobase yang mengandung nitrogen - sitosin (C), guanin (g), adenin (A) atau timin (T) - bersama dengan gula yang disebut deoksiribosa dan gugus fosfat.

Nukleotida bergabung satu sama lain dengan ikatan kovalen, antara fosfat satu nukleotida dan gula yang berikutnya. Ini menciptakan rantai, menghasilkan tulang punggung gula-fosfat bergantian. Basis nitrogen dari dua untaian polinukleotida diikat bersama oleh ikatan hidrogen, untuk membuat DNA untai ganda menurut pasangan basa yang ketat (A ke T dan C ke G)³.

Dalam sel eukariotik, DNA diatur ke dalam struktur yang disebut kromosom, dengan masing -masing sel memiliki 23 pasang kromosom. Selama pembelahan sel, kromosom digandakan melalui proses replikasi DNA, selama setiap sel memiliki set kromosom lengkapnya sendiri. Organisme eukariotik seperti hewan, tumbuhan dan jamur, menyimpan sebagian besar DNA mereka di dalam inti sel dan beberapa DNA mereka dalam organel seperti mitokondria⁴.

Terletak di berbagai daerah sel eukariotik, ada sejumlah perbedaan mendasar antara DNA mitokondria (mtDNA) dan DNA nuklir (NDNA). Berdasarkan sifat struktural dan fungsional utama, perbedaan ini mempengaruhi cara mereka beroperasi dalam organisme eukariotik.

Perbedaan organisasi dan struktural DNA mitokondria dan DNA nuklir

Lokasi → Terletak secara eksklusif di mitokondria, mtDNA mengandung 100-1.000 salinan per sel somatik. DNA nuklir terletak di dalam nukleus setiap sel eukariotik (dengan beberapa pengecualian seperti saraf dan sel darah merah) dan biasanya hanya memiliki dua salinan per sel somatik⁵.

Struktur → Kedua jenis DNA terdampar ganda. Namun, NDNA memiliki struktur linier dan akhir terbuka yang tertutup oleh membran nuklir. Ini berbeda dari mtDNA, yang biasanya memiliki struktur melingkar tertutup dan tidak diselimuti oleh membran apa pun

Ukuran genom → Baik mtDNA dan nDNA memiliki genom sendiri tetapi ukurannya sangat berbeda. Pada manusia, ukuran genom mitokondria hanya terdiri dari 1 kromosom yang mengandung 16.569 pasangan basa DNA. Genom nuklir secara signifikan lebih besar dari mitokondria, yang terdiri dari 46 kromosom yang mengandung 3.3 miliar nukleotida.

Pengkodean gen → Kromosom mtDNA tunggal jauh lebih pendek daripada kromosom nuklir. Ini mengandung 36 gen yang mengkode 37 protein, yang semuanya merupakan protein spesifik yang digunakan dalam proses metabolisme yang dilakukan mitokondria (seperti siklus asam sitrat, sintesis ATP dan metabolisme asam lemak). Genom nuklir jauh lebih besar, dengan 20.000-25.000 gen pengkodean untuk semua protein yang diperlukan untuk fungsinya, yang juga mencakup gen mitokondria. Menjadi organel semi-otonom, mitokondria tidak dapat mengkode semua proteinnya sendiri. Namun, mereka dapat mengkode 22 tRNA dan 2 rRNA, yang nDNA tidak memiliki kemampuan untuk dilakukan.

Perbedaan fungsional

Proses terjemahan → Proses terjemahan antara nDNA dan mtDNA dapat bervariasi. NDNA mengikuti pola kodon universal, namun ini tidak selalu terjadi pada mtDNA. Beberapa urutan pengkodean mitokondria (kodon triplet) tidak mengikuti pola kodon universal ketika diterjemahkan ke dalam protein. Misalnya, kode AUA untuk metionin dalam mitokondria (bukan isoleusin). UGA juga kode untuk tryptophan (bukan kodon stop seperti pada genom mamalia)⁶.

Proses transkripsi → Transkripsi gen dalam mtDNA adalah polikistronik, yang berarti mRNA dibentuk dengan urutan yang kode untuk banyak protein. Untuk transkripsi gen nuklir, prosesnya adalah monocistronic, di mana mRNA yang dibentuk memiliki urutan pengkodean hanya untuk satu protein tunggal⁸.

Warisan genom → DNA nuklir adalah diploid, artinya mewarisi DNA baik secara maternal dan paternally (23 kromosom dari masing -masing ibu dan ayah). Namun, DNA mitokondria adalah haploid, dengan kromosom tunggal diwariskan di sisi ibu dan tidak menjalani rekombinasi genetik⁹.

Tingkat mutasi → Saat nDNA mengalami rekombinasi genetik, itu adalah pengocok DNA orang tua dan karenanya diubah selama warisan dari orang tua ke keturunan mereka. Namun, karena mtDNA hanya diwarisi dari ibu, tidak ada perubahan selama transmisi, yang berarti perubahan DNA berasal dari mutasi. Tingkat mutasi pada mtDNA jauh lebih tinggi daripada di nDNA, yang biasanya kurang dari 0.3%¹⁰.

Perbedaan dalam penerapan mtDNA dan nDNA dalam sains

Sifat struktural dan fungsional yang berbeda dari mtDNA dan nDNA, telah menyebabkan perbedaan dalam aplikasi mereka dalam sains. Dengan tingkat mutasi yang jauh lebih besar, mtDNA telah digunakan sebagai alat yang kuat untuk melacak keturunan dan garis keturunan melalui wanita (Matrilineage). Metode telah dikembangkan yang digunakan untuk melacak leluhur banyak spesies kembali melalui ratusan generasi dan telah menjadi andalan filogenetik dan biologi evolusioner.

Karena tingkat mutasi yang lebih tinggi, mtDNA berevolusi lebih cepat daripada penanda genetik nuklir¹¹. Ada banyak variasi di antara kode yang digunakan oleh mtDNA yang muncul dari mutasi, banyak di antaranya tidak berbahaya bagi organisme mereka. Memanfaatkan tingkat mutasi yang lebih besar ini dan mutasi yang tidak berbahaya ini, para ilmuwan menentukan urutan mtDNA dan membandingkannya dari individu atau spesies yang berbeda.

Jaringan hubungan antara urutan ini kemudian dibangun yang memberikan perkiraan hubungan antara individu atau spesies dari mana mtDNA diambil. Ini memberikan gambaran tentang seberapa dekat dan jauh terkait masing -masing - semakin banyak mutasi mtDNA yang sama di masing -masing genom mitokondria mereka, semakin terkait mereka.

Karena tingkat mutasi NDNA yang lebih rendah, ia memiliki aplikasi yang lebih terbatas di bidang filogenetika. Namun, mengingat instruksi genetik yang dipegangnya untuk pengembangan semua organisme hidup, para ilmuwan telah mengakui penggunaannya dalam forensik.

Setiap orang memiliki cetak biru genetik yang unik, bahkan kembar yang identik¹². Departemen forensik dapat menggunakan teknik reaksi rantai polimerase (PCR), menggunakan NDNA, untuk membandingkan sampel dalam suatu kasus. Ini melibatkan penggunaan sejumlah kecil nDNA untuk membuat salinan daerah yang ditargetkan yang disebut pengulangan tandem pendek (STR) pada molekul¹³. Dari STR ini, 'profil' diperoleh dari item bukti, yang kemudian dapat dibandingkan dengan sampel yang diketahui yang diambil dari individu yang terlibat dalam kasus ini.

MtDNA manusia juga dapat digunakan untuk membantu mengidentifikasi individu yang menggunakan forensik, namun tidak seperti NDNA, ini tidak spesifik untuk satu individu tetapi dapat digunakan dalam kombinasi dengan bukti lain (seperti bukti antropologis dan tidak langsung) untuk menetapkan identifikasi. Karena mtDNA memiliki lebih banyak salinan per sel daripada NDNA, ia memiliki kemampuan untuk mengidentifikasi sampel biologis yang jauh lebih kecil, rusak atau terdegradasi¹⁴. Semakin banyak salinan mtDNA per sel daripada nDNA, juga memungkinkan untuk mendapatkan kecocokan DNA dengan kerabat yang hidup, bahkan jika banyak generasi ibu memisahkan mereka dari sisa -sisa kerangka kerabat.

Perbandingan Tabel Perbedaan utama antara DNA mitokondria dan nuklir