线粒体DNA和核DNA之间的差异

线粒体DNA和核DNA之间的差异
什么是DNA？
脱氧核糖核酸（DNA）携带遗传信息，用作生长和发育的一套指令，以及生物体的最终功能和繁殖。它是一种核酸，是已知对所有生命形式都必不可少的四种主要类型的大分子之一1。

每个DNA分子由两个彼此缠绕的生物聚合物链组成，形成双螺旋。这两条DNA链被称为多核苷酸，因为它们由称为核苷酸2的更简单的单体单元组成。

每个单独的核苷酸由四个含氮核碱基中的一个组成 - 胞嘧啶（C），鸟嘌呤（G），腺嘌呤（A）或胸腺嘧啶（T） - 以及称为脱氧核糖和磷酸基团的糖。

核苷酸通过共价键在一个核苷酸的磷酸和下一个核的糖之间彼此连接。这产生链，产生交替的糖 - 磷酸骨架。两条多核苷酸链的含氮碱基通过氢键结合在一起，以根据严格的碱基配对（A至T和C至G）3制备双链DNA 。

在真核细胞中，DNA被组织成称为染色体的结构，每个细胞具有23对染色体。在细胞分裂过程中，只要每个细胞都有自己完整的染色体组，就可以通过DNA复制过程复制染色体。真核生物，如动物，植物和真菌，将大部分DNA存储在细胞核内，并将一些DNA存放在细胞器中，如线粒体4。

位于真核细胞的不同区域，线粒体DNA（mtDNA）和核DNA（nDNA）之间存在许多基本差异。基于关键的结构和功能特性，这些差异会影响它们在真核生物中的运作方式。

线粒体DNA和核DNA的组织和结构差异
位置→仅位于线粒体中，mtDNA每个体细胞含有100-1,000个拷贝。核DNA位于每个真核细胞的细胞核内（有一些例外，如神经和红细胞），通常每个体细胞只有两个拷贝5。

结构 →两种类型的DNA都是双链的。然而，nDNA具有由核膜包围的线性开放式结构。这与mtDNA不同，后者通常具有封闭的圆形结构，并且不被任何膜包裹

基因组大小→ mtDNA和nDNA都有自己的基因组，但大小差异很大。在人类中，线粒体基因组的大小仅由1条染色体组成，其中包含16,569个DNA碱基对。核基因组显着大于线粒体，由46个含有33亿个核苷酸的染色体组成。

基因编码 →单个mtDNA染色体比核染色体短得多。它包含36个编码37种蛋白质的基因，所有这些蛋白质都是用于线粒体代谢过程的特定蛋白质（如柠檬酸循环，ATP合成和脂肪酸代谢）。核基因组要大得多，有20,000-25,000个基因编码其功能所需的所有蛋白质，其中还包括线粒体基因。作为半自主细胞器，线粒体不能编码所有自己的蛋白质。然而，它们可以编码22种tRNA和2种rRNA，而nDNA缺乏这种能力。

功能差异
翻译过程 → nDNA和mtDNA之间的翻译过程可能会有所不同。nDNA遵循通用密码子模式，但mtDNA并非总是如此。一些线粒体编码序列（三联体密码子）在翻译成蛋白质时不遵循通用密码子模式。例如，AUA编码线粒体中的蛋氨酸（不是异亮氨酸）。UGA还编码色氨酸（不是哺乳动物基因组中的终止密码子）6。

转录过程→ mtDNA中的基因转录是多顺反子的，意味着mRNA与编码许多蛋白质的序列形成。对于核基因转录，该过程是单顺反子的，其中形成的mRNA具有仅编码单个蛋白质8的序列。

基因组遗传→核DNA是二倍体，意味着它在母系和父系中遗传DNA（母亲和父亲各有23条染色体）。然而，线粒体DNA是单倍体，单个染色体在母体侧遗传并且不经历遗传重组9。

突变率 →当nDNA经历遗传重组时，它是父母DNA的改组，因此在从父母到其后代的遗传期间被改变。然而，由于mtDNA仅从母体遗传，因此在传播过程中没有变化，这意味着任何DNA变化都来自突变。mtDNA中的突变率远高于nDNA，通常小于0.3％10。

mtDNA和nDNA在科学中的应用差异
mtDNA和nDNA的不同结构和功能特性导致其在科学中的应用存在差异。凭借其显着更高的突变率，mtDNA已被用作追踪雌性（matrilineage）的血统和血统的有力工具。已经开发出用于追踪数百代的许多物种的祖先的方法，并且已经成为系统发育和进化生物学的支柱。

线粒体DNA与核DNA-1的区别

由于突变率较高，mtDNA的进化速度远远快于核遗传标记11。由突变引起的mtDNA使用的代码存在许多变化，其中许多代码对其生物无害。利用这种更高的突变率和这些无害的突变，科学家们确定了mtDNA序列，并将它们与不同的个体或物种进行比较。

然后构建这些序列之间的关系网络，其提供从中获取mtDNA的个体或物种之间的关系的估计。这样可以了解每个线粒体基因组中mtDNA突变的相关性和距离越多，它们的相关性就越高。

由于nDNA的突变率较低，因此在系统发育领域的应用受到更多限制。然而，鉴于它对所有生物体的发育具有遗传说明，科学家已经认识到它在法医学中的应用。

每个人都有一个独特的基因蓝图，甚至是同卵双胞胎12。法医部门能够使用聚合酶链反应（PCR）技术，使用nDNA，比较病例中的样本。这涉及使用少量的nDNA来制备分子13上称为短串联重复序列（STR）的靶区域的拷贝。从这些STR中，从证据项中获得“概况”，然后可以将其与从案件中涉及的个人中获取的已知样本进行比较。

人类线粒体DNA也可用于帮助鉴定使用法医学的个体，但与nDNA不同，它不是特定于一个个体，而是可以与其他证据（如人类学和间接证据）结合使用以建立鉴定。由于mtDNA每个细胞的拷贝数比nDNA多，因此它具有识别更小，受损或降解的生物样本14的能力。每个细胞的mtDNA拷贝数比nDNA更多，也使得有可能获得与活亲属的DNA匹配，即使许多母代将它们与亲属的骨骼遗骸分开。

表格比较线粒体和核DNA之间的关键差异