Differenza tra DNA mitocondriale e DNA nucleare

Cos'è il DNA?

L'acido desossiribonucleico (DNA) contiene informazioni genetiche che vengono utilizzate come un insieme di istruzioni per la crescita e lo sviluppo, nonché il funzionamento e la riproduzione ultimi degli organismi viventi. È un acido nucleico ed è uno dei quattro principali tipi di macromolecole che sono noti per essere essenziali per tutte le forme di vita¹.

Ogni molecola di DNA è composta da due fili di biopolimero che si avvolgono l'uno sull'altro per formare una doppia elica. Questi due filamenti di DNA sono chiamati polinucleotidi, poiché sono costituiti da unità monomeriche più semplici chiamate nucleotidi².

Ogni singolo nucleotide è composto da una delle quattro nucleobasi contenenti azoto - Citosina (C), Guanina (G), Adenina (A) o Timina (T) - insieme a uno zucchero chiamato deossiribosio e un gruppo fosfato.

I nucleotidi sono uniti l'un l'altro da legami covalenti, tra il fosfato di un nucleotide e lo zucchero del successivo. Questo crea una catena, risultante in un'alternanza di spina dorsale di fosfato di zucchero. Le basi azotate dei due fili polinucleotidici sono legate tra loro da legami a idrogeno, per formare DNA a doppio filamento secondo rigorosi accoppiamenti di basi (da A a T e da C a G)³.

All'interno delle cellule eucariotiche, il DNA è organizzato in strutture chiamate cromosomi, con ogni cellula che ha 23 paia di cromosomi. Durante la divisione cellulare, i cromosomi sono duplicati attraverso il processo di replicazione del DNA, purché ogni cellula abbia il proprio set completo di cromosomi. Organismi eucarioti come animali, piante e funghi, immagazzinano la maggior parte del loro DNA all'interno del nucleo cellulare e parte del loro DNA in organelli come i mitocondri⁴.

Essendo situato in diverse regioni della cellula eucariotica, ci sono una serie di differenze fondamentali tra DNA mitocondriale (mtDNA) e DNA nucleare (nDNA). Sulla base delle proprietà strutturali e funzionali chiave, queste differenze influenzano il modo in cui operano all'interno degli organismi eucarioti.

Organizzazione e differenze strutturali del DNA mitocondriale e del DNA nucleare

Posizione → Situato esclusivamente nei mitocondri, il mtDNA contiene 100-1000 copie per cellula somatica. Il DNA nucleare si trova all'interno del nucleo di ogni cellula eucariotica (con alcune eccezioni come i nervi e i globuli rossi) e di solito ha solo due copie per cellula somatica⁵.

Struttura → Entrambi i tipi di DNA sono a doppio filamento. Tuttavia, l'nDNA ha una struttura lineare aperta che è racchiusa da una membrana nucleare. Questo differisce dal mtDNA, che di solito ha una struttura circolare chiusa e non è avvolto da alcuna membrana

Dimensioni del genoma → Sia il mtDNA che l'nDNA hanno i loro genomi ma sono di dimensioni molto diverse. Nell'uomo, la dimensione del genoma mitocondriale consiste di solo 1 cromosoma che contiene 16.569 coppie di basi del DNA. Il genoma nucleare è significativamente più grande del mitocondrio, costituito da 46 cromosomi che contengono 3,3 miliardi di nucleotidi.

Codifica del gene → Il cromosoma del mtDNA singolare è molto più corto dei cromosomi nucleari. Contiene 36 geni che codificano per 37 proteine, tutte proteine ​​specifiche utilizzate nei processi metabolici che i mitocondri intraprendono (come il ciclo degli acidi citrato, la sintesi di ATP e il metabolismo degli acidi grassi). Il genoma nucleare è molto più grande, con 20.000-25.000 geni che codificano per tutte le proteine ​​necessarie per la sua funzione, che comprende anche i geni mitocondriali. Essendo organuli semi-autonomi, il mitocondrio non può codificare per tutte le sue proteine. Tuttavia, possono codificare per 22 tRNA e 2 rRNA, che l'nDNA non ha la capacità di fare.

Differenze funzionali

Processo di traduzione → Il processo di traduzione tra nDNA e mtDNA può variare. nDNA segue lo schema del codone universale, tuttavia questo non è sempre il caso del mtDNA. Alcune sequenze di codifica mitocondriale (codoni triplette) non seguono il modello di codone universale quando vengono tradotte in proteine. Ad esempio, i codici AUA per la metionina nel mitocondrio (non Isoleucina). UGA codifica anche per il triptofano (non un codone di stop come nel genoma dei mammiferi)⁶.

Processo di trascrizione → La trascrizione genica all'interno del mtDNA è policistronica, il che significa che un mRNA è formato con sequenze che codificano per molte proteine. Per la trascrizione del gene nucleare il processo è monocistronico, in cui l'mRNA formato ha sequenze che codificano solo per una singola proteina⁸.

Ereditarietà del genoma → Il DNA nucleare è diploide, il che significa che eredita il DNA sia materno che paterno (23 cromosomi di ciascuna madre e padre). Tuttavia, il DNA mitocondriale è aploide, con il singolo cromosoma ereditato dal lato materno e non sottoposto a ricombinazione genetica⁹.

Tasso di mutazione → Poiché l'nDNA viene sottoposto a ricombinazione genetica, si tratta di uno shuffle del DNA del genitore ed è quindi alterato durante l'ereditarietà dai genitori alla prole. Tuttavia, poiché il mtDNA è ereditato solo dalla madre, non vi è alcuna alterazione durante la trasmissione, il che significa che eventuali cambiamenti del DNA derivano da mutazioni. Il tasso di mutazione nel mtDNA è molto più alto che nel nDNA, che è normalmente inferiore allo 0,3%¹⁰.

Differenze nell'applicazione di mtDNA e nDNA nella scienza

Le diverse proprietà strutturali e funzionali di mtDNA e nDNA, hanno portato a differenze nelle loro applicazioni all'interno della scienza. Con il suo tasso di mutazione significativamente maggiore, il mtDNA è stato utilizzato come un potente strumento per tracciare l'ascendenza e il lignaggio attraverso le femmine (matrilineare). Sono stati sviluppati metodi che sono utilizzati per tracciare l'ascendenza di molte specie attraverso centinaia di generazioni ed è diventato il pilastro della filogenetica e della biologia evolutiva.

A causa del più elevato tasso di mutazione, il mtDNA si evolve molto più rapidamente dei marcatori genetici nucleari¹¹. Ci sono molte varianti tra i codici usati dal mtDNA che derivano da mutazioni, molte delle quali non sono dannose per i loro organismi. Utilizzando questo maggiore tasso di mutazione e queste mutazioni non dannose, gli scienziati determinano le sequenze del mtDNA e le confrontano da diversi individui o specie.

Viene quindi costruita una rete di relazioni tra queste sequenze che fornisce una stima delle relazioni tra gli individui o le specie da cui è stato preso il mtDNA. Questo dà un'idea di quanto siano strettamente e distanti tra loro ciascuna - più le mutazioni del mtDNA sono le stesse in ciascuno dei loro genomi mitocondriali, più sono correlate.

A causa del più basso tasso di mutazione del nDNA, ha un'applicazione più limitata nel campo della filogenetica. Tuttavia, date le istruzioni genetiche che tiene per lo sviluppo di tutti gli organismi viventi, gli scienziati hanno riconosciuto il suo uso in medicina legale.

Ogni singola persona ha un progetto genetico unico, anche gemelli identici¹². I reparti di medicina legale sono in grado di utilizzare le tecniche di reazione a catena della polimerasi (PCR), utilizzando nDNA, per confrontare campioni in un caso. Ciò comporta l'uso di piccole quantità di nDNA per creare copie delle regioni target denominate brevi ripetizioni in tandem (STR) sulla molecola¹³. Da queste STR, un "profilo" è ottenuto da elementi di prova, che possono quindi essere confrontati con campioni noti presi dagli individui coinvolti nel caso.

Il DNA mitocondriale umano può anche essere usato per identificare le persone che usano la medicina legale, ma a differenza dell'NDNA, non è specifico per un individuo ma può essere usato in combinazione con altre prove (come le prove antropologiche e circostanziali) per stabilire l'identificazione. Poiché il mtDNA ha un numero maggiore di copie per cellula rispetto al nDNA, ha la capacità di identificare campioni biologici molto più piccoli, danneggiati o degradati¹⁴. Il maggior numero di copie di mtDNA per cellula rispetto al nDNA, rende anche possibile ottenere una corrispondenza del DNA con un parente vivente, anche se numerose generazioni materne li separano dai resti scheletrici di un parente.

Confronto tabellare delle principali differenze tra DNA mitocondriale e nucleare

	DNA mitocondriale	DNA nucleare
Posizione	Mitocondri	Nucleo cellulare
Copie per cella somatica	100-1.000	2
Struttura	Circolare e chiuso	Lineare e aperta
Custodia a membrana	Non avvolto da una membrana	Racchiuso da una membrana nucleare
Dimensione del genoma	1 cromosoma con 16.569 paia di basi	46 cromosomi con 3,3 miliardi di paia di basi
Numero di geni	37 geni	20.000-25.000 geni
Metodo di ereditarietà	Materno	Materno e Paterno
Metodo di traduzione	Alcuni codoni non seguono il modello di codone universale	Segue il modello di codone universale
Metodo di trascrizione	policistronica	Monocistronic