Diferença entre DNA mitocondrial e DNA nuclear

Diferença entre DNA mitocondrial e DNA nuclear

O que é DNA?

O ácido desoxirribonucléico (DNA) carrega informações genéticas que são usadas como um conjunto de instruções para o crescimento e o desenvolvimento, bem como o funcionamento e a reprodução finais dos organismos vivos. É um ácido nucleico e é um dos quatro principais tipos de macromoléculas conhecidas por serem essenciais para todas as formas de vida1.



Cada molécula de DNA é composta por duas fitas de biopolímero enroladas uma em torno da outra para formar uma dupla hélice. Essas duas fitas de DNA são chamadas de polinucleotídeos, pois são feitas de unidades monoméricas mais simples chamadas de nucleotídeos2.



Cada nucleotídeo individual é composto por uma de quatro nucleobases contendo nitrogênio - Citosina (C), Guanina (G), Adenina (A) ou Timina (T) - junto com um açúcar chamado desoxirribose e um grupo fosfato.

Os nucleotídeos são unidos por ligações covalentes, entre o fosfato de um nucleotídeo e o açúcar do seguinte. Isso cria uma cadeia, resultando em uma estrutura alternada de açúcar-fosfato. As bases nitrogênicas das duas fitas polinucleotídicas são unidas por ligações de hidrogênio, para formar o DNA de fita dupla de acordo com pares de bases estritos (A a T e C a G)3.



Dentro das células eucarióticas, o DNA é organizado em estruturas chamadas cromossomos, com cada célula tendo 23 pares de cromossomos. Durante a divisão celular, os cromossomos são duplicados por meio de o processo de replicação do DNA , desde que cada célula tenha seu próprio conjunto completo de cromossomos. Organismos eucarióticos, como animais, plantas e fungos, armazenam a maior parte de seu DNA dentro do núcleo da célula e parte de seu DNA em organelas, como as mitocôndrias4.

Por estar localizado em diferentes regiões da célula eucariótica, há uma série de diferenças fundamentais entre o DNA mitocondrial (mtDNA) e o DNA nuclear (nDNA). Com base nas principais propriedades estruturais e funcionais, essas diferenças afetam a forma como operam nos organismos eucarióticos.

Organização e diferenças estruturais de DNA mitocondrial e DNA nuclear

Localização →Localizado exclusivamente na mitocôndria, o mtDNA contém 100-1.000 cópias por célula somática. O DNA nuclear está localizado dentro do núcleo de cada célula eucariótica (com algumas exceções, como nervos e glóbulos vermelhos) e geralmente tem apenas duas cópias por célula somática5.



Estrutura Ambos os tipos de DNA são de fita dupla. No entanto, o nDNA tem uma estrutura linear aberta que é envolvida por uma membrana nuclear. Isso difere do mtDNA, que geralmente tem uma estrutura circular fechada e não é envolvido por nenhuma membrana

Tamanhos do genoma →Tanto o mtDNA quanto o nDNA têm seus próprios genomas, mas são de tamanhos muito diferentes. Em humanos, o tamanho do genoma mitocondrial consiste em apenas 1 cromossomo que contém 16.569 pares de bases de DNA. O genoma nuclear é significativamente maior do que o mitocondrial, consistindo de 46 cromossomos que contêm 3,3 bilhões de nucleotídeos.

Codificação genética O cromossomo mtDNA singular é muito mais curto do que os cromossomos nucleares. Ele contém 36 genes que codificam para 37 proteínas, todas as quais são proteínas específicas usadas nos processos metabólicos que as mitocôndrias realizam (como o ciclo do ácido citrato, a síntese de ATP e o metabolismo dos ácidos graxos). O genoma nuclear é muito maior, com 20.000-25.000 genes codificando todas as proteínas necessárias para sua função, o que também inclui genes mitocondriais. Sendo organelas semi-autônomas, a mitocôndria não pode codificar todas as suas próprias proteínas. No entanto, eles podem codificar para 22 tRNAs e 2 rRNAs, que o nDNA não tem a capacidade de fazer.

Diferenças funcionais

Processo de tradução O processo de tradução entre nDNA e mtDNA pode variar. O nDNA segue o padrão universal de códons , entretanto, nem sempre é o caso do mtDNA. Algumas sequências codificantes mitocondriais (códons tripletos) não seguem o padrão universal de códons quando são traduzidas em proteínas. Por exemplo, o AUA codifica a metionina na mitocôndria (não a isoleucina). UGA também codifica para triptofano (não um códon de parada como no genoma de mamíferos)6.

Processo de transcrição →A transcrição do gene dentro do mtDNA é policistrônica, o que significa que um mRNA é formado com sequências que codificam muitas proteínas. Para a transcrição do gene nuclear, o processo é monocistrônico, onde o mRNA formado possui sequências que codificam apenas uma única proteína8.

Herança do genoma →O DNA nuclear é diplóide, o que significa que herda o DNA materno e paternalmente (23 cromossomos de cada um da mãe e do pai). No entanto, o DNA mitocondrial é haplóide, com o único cromossomo sendo herdado pelo lado materno e não sofre recombinação genética9.

Taxa de mutação Como o nDNA sofre recombinação genética, ele é uma mistura do DNA dos pais e, portanto, é alterado durante a herança dos pais para seus filhos. No entanto, como o mtDNA é herdado apenas da mãe, não há alteração durante a transmissão, o que significa que qualquer alteração no DNA vem de mutações. A taxa de mutação no mtDNA é muito maior do que no nDNA, que normalmente é inferior a 0,3%10.

Diferenças na aplicação de mtDNA e nDNA dentro da ciência

As diferentes propriedades estruturais e funcionais do mtDNA e do nDNA levaram a diferenças em suas aplicações na ciência. Com sua taxa de mutação significativamente maior, o mtDNA tem sido utilizado como uma ferramenta poderosa para rastrear ancestrais e linhagens por meio de mulheres (matrilinhagem). Métodos foram desenvolvidos que são usados ​​para rastrear a ancestralidade de muitas espécies através de centenas de gerações e se tornaram o esteio da filogenética e da biologia evolutiva.

Diferença entre DNA mitocondrial e DNA-1 nuclear

Devido à maior taxa de mutação, o mtDNA evolui muito mais rápido do que os marcadores genéticos nuclearesonze. Existem muitas variações entre os códigos usados ​​pelo mtDNA que surgem de mutações, muitas das quais não são prejudiciais aos seus organismos. Utilizando essa maior taxa de mutação e essas mutações não prejudiciais, os cientistas determinam as sequências de mtDNA e as comparam de diferentes indivíduos ou espécies.

Uma rede de relações entre essas sequências é então construída, o que fornece uma estimativa das relações entre os indivíduos ou espécies de onde o mtDNA foi obtido. Isso dá uma ideia de como cada um está intimamente e distantemente relacionado - quanto mais mutações do mtDNA são iguais em cada um de seus genomas mitocondriais, mais relacionadas elas estão.

Devido à menor taxa de mutação do nDNA, ele tem uma aplicação mais restrita no campo da filogenética. No entanto, dadas as instruções genéticas que detém para o desenvolvimento de todos os organismos vivos, os cientistas reconheceram seu uso na perícia.

Cada pessoa tem um projeto genético único, mesmo gêmeos idênticos12. Os departamentos forenses são capazes de usar técnicas de reação em cadeia da polimerase (PCR), usando nDNA, para comparar amostras em um caso. Isso envolve o uso de pequenas quantidades de nDNA para fazer cópias de regiões-alvo chamadas de repetições curtas em tandem (STRs) na molécula13. A partir desses STRs, um 'perfil' é obtido a partir de itens de evidência, que podem então ser comparados a amostras conhecidas retiradas dos indivíduos envolvidos no caso.

O mtDNA humano também pode ser usado para ajudar a identificar indivíduos por meio da perícia, no entanto, ao contrário do nDNA, não é específico para um indivíduo, mas pode ser usado em combinação com outras evidências (como evidências antropológicas e circunstanciais) para estabelecer a identificação. Como o mtDNA tem um número maior de cópias por célula do que o nDNA, ele tem a capacidade de identificar amostras biológicas muito menores, danificadas ou degradadas14. O maior número de cópias de mtDNA por célula do que o nDNA também torna possível obter uma correspondência de DNA com um parente vivo, mesmo que várias gerações maternas os separem dos restos mortais de um parente.

Comparação tabular das principais diferenças entre DNA mitocondrial e nuclear

DNA mitocondrial DNA nuclear
Localização Mitocôndria Núcleo celular
Cópias por célula somática 100-1.000 2
Estrutura Circular e fechado Linear e aberto
Invólucro de membrana Não envolvido por uma membrana Envolvido por uma membrana nuclear
Tamanho do genoma 1 cromossomo com 16.569 pares de bases 46 cromossomos com 3,3 bilhões de pares de bases
Número de genes 37 genes 20.000-25.000 genes
Método de herança Materno Materno e Paterno
Método de tradução Alguns códons não seguem o padrão universal de códons Segue o padrão de códon universal
Método de transcrição Policistrônico Monocistrônico

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