Diferença entre DNA mitocondrial e DNA nuclear
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O que é DNA?
O ácido desoxirribonucléico (DNA) transporta informações genéticas que são usadas como um conjunto de instruções para o crescimento e 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 que são conhecidas por serem essenciais para todas as formas de vida1.
Cada molécula de DNA é composta por dois filamentos de biopolímeros enrolados um no outro para formar uma dupla hélice. Essas duas cadeias de DNA são chamadas polinucleotídeos, pois são constituídas por unidades de monômeros mais simples chamadas nucleotídeos2.
Cada nucleotídeo individual é composto por uma das quatro nucleobases contendo nitrogênio - citosina (C), guanina (G), adenina (A) ou timina (T) - juntamente com um açúcar chamado desoxirribose e um grupo fosfato.
Os nucleotídeos são unidos entre si por ligações covalentes, entre o fosfato de um nucleotídeo e o açúcar do próximo. Isso cria uma cadeia, resultando em uma espinha dorsal alternada de açúcar e fosfato. Bases nitrogênicas das duas cadeias polinucleotídicas são ligadas por ligações de hidrogênio, para formar DNA de cadeia 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 pelo 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 celular e parte de seu DNA em organelas como as mitocôndrias4.
Estando localizado em diferentes regiões da célula eucariótica, existem várias diferenças fundamentais entre o DNA mitocondrial (mtDNA) e o DNA nuclear (nDNA). Com base nas principais propriedades estruturais e funcionais, essas diferenças afetam o modo como operam dentro de organismos eucarióticos..
Organização e diferenças estruturais do DNA mitocondrial e DNA nuclear
Localização → Localizado exclusivamente nas mitocôndrias, o mtDNA contém 100-1.000 cópias por célula somática. O DNA nuclear está localizado dentro do núcleo de todas as células eucarióticas (com algumas exceções, como nervos e glóbulos vermelhos) e, geralmente, possui apenas duas cópias por célula somática5.
Estrutura → Ambos os tipos de DNA são de fita dupla. No entanto, o nDNA possui uma estrutura linear aberta que é delimitada por uma membrana nuclear. Isso difere do mtDNA, que geralmente possui uma estrutura circular fechada e não é envolvido por nenhuma membrana
Tamanhos de genoma → O mtDNA e o nDNA têm seus próprios genomas, mas são de tamanhos muito diferentes. Nos seres 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 que o mitocondrial, consistindo em 46 cromossomos que contêm 3,3 bilhões de nucleotídeos.
Codificação de genes → O cromossomo mtDNA singular é muito mais curto que os cromossomos nucleares. Ele contém 36 genes que codificam para 37 proteínas, todas proteínas específicas usadas nos processos metabólicos que as mitocôndrias realizam (como ciclo de ácido citrato, síntese de ATP e metabolismo de ácidos graxos). O genoma nuclear é muito maior, com 20.000 a 25.000 genes codificando todas as proteínas necessárias para sua função, que também inclui genes mitocondriais. Sendo organelas semi-autônomas, a mitocôndria não pode codificar para todas as suas próprias proteínas. No entanto, eles podem codificar para 22 tRNAs e 2 rRNAs, aos quais o nDNA carece da capacidade de executar.
Diferenças funcionais
Processo de tradução → O processo de conversão entre o nDNA e o mtDNA pode variar. O nDNA segue o padrão universal de códons, no entanto, esse nem sempre é o caso do mtDNA. Algumas sequências de codificação mitocondrial (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). O UGA também codifica para o triptofano (não um códon de parada como no genoma de mamíferos)6.
Processo de transcrição → A transcrição de genes no mtDNA é policistrônica, o que significa que um mRNA é formado com sequências que codificam muitas proteínas. Para a transcrição de genes nucleares, o processo é monocistrônico, onde o RNAm formado possui sequências que codificam apenas uma única proteína8.
Herança do genoma → O DNA nuclear é diplóide, o que significa que herda o DNA tanto maternal quanto paternalmente (23 cromossomos de cada mãe e pai). No entanto, o DNA mitocondrial é haplóide, com o cromossomo único sendo herdado no lado materno e não sofre recombinação genética9.
Taxa de mutação → Como o nDNA sofre recombinação genética, é um embaralhamento do DNA dos pais e, portanto, é alterado durante a herança dos pais para os 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 provém de mutações. A taxa de mutação no mtDNA é muito maior que no nDNA, que normalmente é menor que 0,3%10.
Diferenças na aplicação do mtDNA e nDNA na 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 ascendência e linhagem através de fêmeas (matrilinhagem). Foram desenvolvidos métodos que são usados para rastrear a ancestralidade de muitas espécies através de centenas de gerações e se tornou a base da filogenética e da biologia evolutiva.
Devido à maior taxa de mutação, o mtDNA evolui muito mais rápido que os marcadores genéticos nucleares11. 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 sequências de mtDNA e as comparam de diferentes indivíduos ou espécies.
Uma rede de relações entre essas seqüências é então construída, o que fornece uma estimativa das relações entre os indivíduos ou as espécies das quais o mtDNA foi retirado. Isso dá uma idéia de quão próxima e distante cada uma delas está relacionada - quanto mais mutações no mtDNA são iguais em cada um de seus genomas mitocondriais, mais relacionadas elas são.
Devido à menor taxa de mutação do nDNA, ele tem uma aplicação mais restrita no campo da filogenética. No entanto, dadas as instruções genéticas para o desenvolvimento de todos os organismos vivos, os cientistas reconheceram seu uso em análises forenses..
Cada pessoa tem um plano genético único, até 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 repetições curtas em tandem (STRs) na molécula13. A partir desses STRs, um 'perfil' é obtido a partir de itens de evidência, que podem ser comparados com amostras conhecidas coletadas dos indivíduos envolvidos no caso..
O mtDNA humano também pode ser usado para ajudar a identificar indivíduos usando forense, no entanto, diferentemente 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 possui um número maior de cópias por célula 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 permite obter uma correspondência de DNA com um parente vivo, mesmo que inúmeras gerações maternas as separem dos restos esqueléticos de um parente.
Comparação tabular das principais diferenças entre o DNA mitocondrial e o nuclear
| DNA mitocondrial | DNA nuclear | |
| Localização | Mitocôndria | Núcleo celular |
| Cópias por célula somática | 100-1.000 | 2 |
| Estrutura | Circular e fechado | Linear e extremidade aberta |
| Caixa de membrana | Não envolvido por uma membrana | Fechado 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 | Materna e Paterna |
| Método de tradução | Alguns códons não seguem o padrão universal de códons | Segue o padrão universal de códons |
| Método de transcrição | Policistrônico | Monocistronic |
