Perbedaan antara DNA Mitokondria dan DNA Nuklir

Apa itu DNA??

Asam deoksiribonukleat (DNA) membawa informasi genetik yang digunakan sebagai seperangkat instruksi untuk pertumbuhan dan perkembangan, serta fungsi akhir dan reproduksi organisme hidup. 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 melilit satu sama lain untuk membentuk heliks ganda. Kedua untai DNA ini disebut polinukleotida, karena mereka terbuat dari unit monomer sederhana yang disebut nukleotida².

Setiap nukleotida individu terdiri dari 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 berikutnya. Ini menciptakan rantai, menghasilkan tulang punggung gula-fosfat bergantian. Basa nitrogen dari dua untaian polinukleotida terikat bersama oleh ikatan hidrogen, untuk membuat DNA beruntai ganda sesuai dengan pasangan basa yang ketat (A ke T dan C ke G)³.

Di dalam sel eukariotik, DNA diatur dalam struktur yang disebut kromosom, dengan setiap sel memiliki 23 pasang kromosom. Selama pembelahan sel, kromosom digandakan melalui proses replikasi DNA, selama masing-masing sel memiliki set kromosom lengkap 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.

Karena 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 bagaimana mereka beroperasi dalam organisme eukariotik.

Organisasi dan perbedaan struktural dari DNA Mitokondria dan DNA Nuklir

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

Struktur → Kedua jenis DNA tersebut adalah untai ganda. Namun, nDNA memiliki struktur linear, ujung terbuka yang tertutup oleh membran nuklir. Ini berbeda dari mtDNA, yang biasanya memiliki struktur melingkar yang tertutup dan tidak diselimuti oleh membran apa pun

Ukuran genom → Baik mtDNA dan nDNA memiliki genomnya 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 daripada mitokondria, yang terdiri dari 46 kromosom yang mengandung 3,3 miliar nukleotida.

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

Perbedaan fungsional

Proses penerjemahan → Proses penerjemahan antara nDNA dan mtDNA dapat bervariasi. nDNA mengikuti pola kodon universal, namun ini tidak selalu berlaku untuk 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 mengkode tryptophan (bukan kodon stop seperti pada genom mamalia)⁶.

Proses transkripsi → Transkripsi gen dalam mtDNA bersifat polikistronik, artinya suatu mRNA dibentuk dengan urutan yang mengkode banyak protein. Untuk transkripsi gen nuklir prosesnya adalah monocistronic, di mana mRNA yang terbentuk memiliki urutan pengkodean untuk hanya satu protein⁸.

Warisan genom → DNA nuklir adalah diploid, artinya ia mewarisi DNA baik secara maternal maupun paternal (23 kromosom dari masing-masing ibu dan ayah). Namun, DNA mitokondria bersifat haploid, dengan kromosom tunggal diturunkan dari sisi ibu dan tidak mengalami rekombinasi genetik.⁹.

Tingkat mutasi → Ketika nDNA mengalami rekombinasi genetik, itu adalah pengocokan DNA orangtua dan karenanya diubah selama pewarisan dari orangtua kepada keturunan mereka. Namun, karena mtDNA hanya diwariskan dari ibu, tidak ada perubahan selama transmisi, yang berarti setiap 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 nenek moyang banyak spesies kembali melalui ratusan generasi dan telah menjadi andalan filogenetik dan biologi evolusi.

Karena tingkat mutasi yang lebih tinggi, mtDNA berkembang jauh 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 di antara sekuens-sekuens ini kemudian dibangun yang menyediakan perkiraan hubungan antara individu atau spesies dari mana mtDNA diambil. Ini memberikan gambaran tentang seberapa dekat dan jauh masing-masing terkait - 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 filogenetik. Namun, mengingat instruksi genetik yang dimilikinya untuk pengembangan semua organisme hidup, para ilmuwan telah mengakui penggunaannya dalam forensik.

Setiap orang memiliki cetak biru genetik yang unik, bahkan kembar 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 diambil dari individu yang terlibat dalam kasus ini..

MtDNA manusia juga dapat digunakan untuk membantu mengidentifikasi individu menggunakan forensik, namun tidak seperti nDNA, mtDNA manusia dapat digunakan dalam kombinasi dengan bukti lain (seperti bukti antropologis dan bukti langsung) untuk menetapkan identifikasi. Karena mtDNA memiliki jumlah salinan per sel yang lebih besar daripada nDNA, mtDNA memiliki kemampuan untuk mengidentifikasi sampel biologis yang jauh lebih kecil, rusak atau terdegradasi.¹⁴. Jumlah salinan mtDNA yang lebih besar per sel dari 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 kunci antara DNA Mitokondria dan Nuklir

	DNA mitokondria	DNA nuklir
Lokasi	Mitokondria	Inti sel
Salinan per sel somatik	100-1.000	2
Struktur	Bulat dan tertutup	Linier dan terbuka berakhir
Penutup membran	Tidak diselimuti oleh selaput	Tertutup oleh membran nuklir
Ukuran genom	1 kromosom dengan 16.569 pasangan basa	46 kromosom dengan 3,3 miliar pasangan basa
Jumlah gen	37 gen	20.000-25.000 gen
Metode pewarisan	Keibuan	Ibu dan Ayah
Metode penerjemahan	Beberapa kodon tidak mengikuti pola kodon universal	Mengikuti pola kodon universal
Metode transkripsi	Polikistronik	Monocistronic