什么是脱氧核糖核酸？
脱氧核糖核酸(DNA)携带遗传信息，这些信息被用作生长和发育的一组指令，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至关重要的四种主要大分子之一。
每个DNA分子由两条生物聚合物链组成，它们相互缠绕以形成双螺旋。这两种DNA链称为多核苷酸，因为它们由称为核苷酸的更简单的单体单元组成。
每个单独的核苷酸由四种含氮核碱基之一组成 - 胞嘧啶(C)，鸟嘌呤(G)，腺嘌呤(A)或胸腺嘧啶(T) - 以及称为脱氧核糖的糖和磷酸基团。
核苷酸通过共价键相互连接，在一个核苷酸的磷酸盐和下一个核苷酸的糖之间。这会产生一条链，导致交替的糖-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，根据严格的碱基配对(A至T和C至G)3制成双链DNA。
在真核细胞内，DNA被组织成称为染色体的结构，每个细胞有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集，染色体就会通过DNA复制过程复制。真核生物，如动物、植物和真菌，将其大部分DNA储存在细胞核内，并将一些DNA储存在线粒体等细胞器中4。
由于位于真核细胞的不同区域，线粒体DNA(mtDNA)和核DNA(nDNA)之间存在许多根本差异。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体内的运作方式。
线粒体DNA和核DNA的组织与结构差异
位置 - mtDNA仅位于线粒体中，每个体细胞包含100-1，000个拷贝。核DNA位于每个真核细胞的细胞核内(除了一些例外，如神经和红细胞)，通常每个体细胞只有两个拷贝。
结构 - 两种类型的DNA都是双链的。nDNA具有由核膜包围的线性开放式结构。这与mtDNA不同，mtDNA通常具有封闭的圆形结构，并且不会被任何膜包裹。
mtDNA和nDNA都有自己的基因组，但大小却大不相同。→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。核基因组明显大于线粒体，由46条染色体组成，含有33亿个核苷酸。
基因编码→ 单一的mtDNA染色体比核染色体短得多。它包含36个基因，编码37种蛋白质，所有这些都是线粒体代谢过程(如柠檬酸循环，ATP合成和脂肪酸代谢)中使用的特定蛋白质。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。作为半自主的细胞器，线粒体不能编码其自身的所有蛋白质。它们可以编码22个tRNA和2个rRNA，而nDNA缺乏能力。
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(三重密码子)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)。
转录过程→mtDNA中的基因转录是多顺反子的，这意味着mRNA是由编码许多蛋白质的序列形成的。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的序列8。
基因组遗传→核DNA是二倍体的，这意味着它在母系和父系(来自母亲和父亲各有23条染色体)上继承DNA。然而，线粒体DNA是单倍体的，单条染色体沿母体侧遗传，不进行基因重组9。
突变率 → 当nDNA经历基因重组时，它是父母DNA的洗牌，因此在从父母遗传到后代的过程中会发生变化。然而，由于mtDNA仅遗传自母亲，因此在传播过程中没有改变，这意味着任何DNA变化都来自突变。mtDNA的突变率远高于nDNA中的突变率，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它们在科学中的应用存在差异。凭借其显着更高的突变率，mtDNA已被用作追踪女性祖先和血统(母系)的有力工具。已经开发出用于追踪数百代许多物种祖先的方法，并已成为系统发育学和进化生物学的支柱。
由于更高的突变率，mtDNA的进化速度比核遗传标记快得多11。mtDNA使用的代码之间存在许多变异，这些变异是由突变引起的，其中许多对它们的生物体无害。利用这种更高的突变率和这些无害的突变，科学家确定了mtDNA序列，并比较了来自不同个体或物种的mtDNA序列。
然后构建这些序列之间的关系网络，该网络提供了从中获取mtDNA的个体或物种之间关系的估计。这给出了每个线粒体基因组中密切相关和遥远的关系的概念 - 每个线粒体基因组中相同的mtDNA突变越多，它们的相关性就越高。
由于nDNA的突变率较低，它在系统发育领域的应用受到较多的限制。然而，鉴于它对所有生物体发育的遗传指令，科学家们已经认识到它在法医学中的用途。
每个人都有独特的遗传蓝图，即使是同卵双胞胎12。法医部门能够使用聚合酶链反应(PCR)技术，使用nDNA，来比较案件中的样本。这涉及使用少量的nDNA来复制分子上称为短串联重复序列(STR)的靶区13。从这些可疑交易报告中，从证据中获取“概况”，然后可以将其与从涉案个人身上采集的已知样本进行比较。
人类mtDNA也可用于使用法医帮助识别个体，但与nDNA不同，它不是特定于一个人的，而是可以与其他证据(如人类学和间接证据)结合使用以建立身份识别。由于mtDNA每个细胞的拷贝数比nDNA多，因此它能够识别更小，受损或降解的生物样本14。每个细胞的mtDNA拷贝数比nDNA多，也使得有可能获得与活着的亲属的DNA匹配，即使许多母系世代将它们与亲戚的骨骼遗骸分开。
线粒体和核DNA之间关键差异的表格比较
| 比较项 | 线粒体脱氧核糖 | 核DNA |
|---|---|---|
| 位置 | 线粒体 | 细胞核 |
| 每个体细胞拷贝数 | 100-1000 | 2 |
| 结构 | 圆形和封闭式 | 线性和开放式 |
| 膜外壳 | 未被膜包裹 | 被核膜封闭 |
| 基因组大小 | 1条染色体，16，569个碱基对 | 46条染色体，33亿个碱基对 |
| 基因数量 | 37 基因 | 20000-25000 基因 |
| 继承方法 | 母系 | 父系 |
| 翻译方法 | 某些密码子不遵循通用密码子模式 | 遵循通用密码子模式 |
| 转录方法 | 多顺反子 | 单顺反子 |
线粒体DNA和核DNA的区别
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