主な違い – ミトコンドリアDNAと核DNAの違い
ミトコンドリアDNAと核DNAは、細胞の遺伝的構成に寄与しています。
ミトコンドリアDNA（mtDNA）は、ミトコンドリア内に存在する二本鎖の円形DNAです。
ミトコンドリアが必要とするタンパク質や機能性RNAをコードしている。
しかし、核DNAがコードするタンパク質の中には、細胞質から取り込まれるものもあります。
核DNA（nDNA）は数本の線状染色体からなり、細胞が必要とするほとんどすべてのタンパク質をコードしている。
ミトコンドリアDNAは核DNAに比べ短い。
ミトコンドリアDNAと核DNAの主な違いは、ミトコンドリアDNAはミトコンドリアが必要とする遺伝情報がコード化されているのに対し、核DNAは細胞全体が必要とする遺伝情報がコード化されている点である。
今回はその解説をします。
- ミトコンドリアDNAとは
– 定義、構造・構成、機能 - 核酸DNAとは
– 定義、構造・構成、機能 - ミトコンドリア DNA と核酸 DNA の違いとは？
ミトコンドリアDNAとは
ミトコンドリアは、酸化的リン酸化による細胞内エネルギー生産に関与している。
ミトコンドリアの内部には、ミトコンドリア自身のゲノムが存在し、これをミトコンドリアDNA（mtDNA）と呼んでいる。
mtDNAは2本鎖の円形DNA分子で構成され、これが1本の染色体に配列されている。
1つのミトコンドリアは、数十個のmtDNAのコピーから構成されている。
ミトコンドリアは複数のmtDNA分子で構成されている。
1つの細胞には、100個以上のミトコンドリアが存在する。
したがって、1つの細胞には1,000以上のmtDNAのコピーが存在することになる。
細胞あたりのmtDNAコピー数は、ミトコンドリアあたりのmtDNAコピー数、および細胞あたりのミトコンドリアの大きさや数によって異なる。
細胞の遺伝子の約0.25%で構成されている。
ミトコンドリア内のDNAを図1に示す。
図1：ミトコンドリア内のDNA
mtDNAには37個の遺伝子がコード化されていることが分かっている。
これらの遺伝子は、ミトコンドリア内の機能に必要なタンパク質や、ミトコンドリアが特にタンパク質合成に必要とするtRNAやrRNAをコードしている。
ミトコンドリアDNAとRNAポリメラーゼはミトコンドリア内に局在していることが分かっている。
ミトコンドリア内で合成されたポリペプチドはサブユニットとなり、ATP合成や電子輸送に用いられる多量体複合体を形成している。
mtDNAは、細胞のエネルギー要求に応じて、核DNAとは独立して複製される。
酵母では、ミトコンドリアの遺伝は両系統です。
ヒトではmtDNAは母系遺伝で構成されている。
哺乳類では精子から接合体に細胞質はほとんど寄与されない。
したがって、胚では、ほとんどすべてのミトコンドリアが卵子に由来する。
植物においても、mtDNAの遺伝は哺乳類と同じです。
したがって、mtDNAに関連する病気は母性遺伝で獲得される。
mtDNAは核DNAと比較すると、変異を受けやすい。
mtDNAのミスセンス変異は、レーバー遺伝性視神経症の原因となる。
mtDNAの大きな欠失はKearns-Sayre症候群や慢性進行性外眼筋麻痺の原因となる。
図2に円形のmtDNAを示す。
核DNAとは
細胞のゲノムを構成するDNAは、核DNA（nDNA）と呼ばれています。
nDNAは真核細胞の核の中にある。
細胞の全遺伝子の99.75%を構成している。
nDNAまたは真核細胞のゲノムは、核の中にぎっしりと詰まった複数の線状染色体に組織化されています。
ヒトの体は46本の染色体から構成されている。
nDNAは複数のコピーで存在することもあります。
ゲノム中のnDNAのコピー数は、倍数体という用語で表現される。
ヒトの体細胞は2倍体であり、相同染色体と呼ばれるnDNAのコピーを2本含んでいる。
ヒトの配偶子は2倍体です。
ヒトゲノムの大きさは33億塩基対です。
ヒトのnDNAは、mtDNAに含まれる遺伝子を含め、2万から2万5千の遺伝子で構成されている。
これらの遺伝子は、生物が示すほとんどすべての性格をコード化している。
これらの遺伝子は、生物の成長、発達、生殖のための情報を担っている。
遺伝子は、転写と翻訳を経て、普遍的な遺伝暗号に従ってタンパク質に発現される。
nDNAは、細胞周期のS期においてのみ複製される。
nDNAの構成を図3に示す。
図3: 核内DNAの組織化
nDNAの遺伝は両系統です。
ヒトゲノムの2つのコピーは、それぞれ母親か父親のどちらかの親から受け継がれる。
nDNAは、特定の遺伝子ごとに様々な対立遺伝子が存在するため、それらが示す形質の大きなバリエーションを含んでいる。
したがって、nDNAは、ヒトの場合、どの娘がどの親に属するかを調べるための親子鑑定に利用されている。
一方、病気の遺伝も親に特徴があります。
nDNAは突然変異を起こしにくい。
ヒトゲノムの遺伝性疾患の例としては、嚢胞性線維症、鎌状赤血球貧血、ヘモクロマトーシス、ハンチントン病などが挙げられる。
nDNAとmtDNAの遺伝は図4に示す通りです。
図4: nDNAとmtDNAの遺伝性
ミトコンドリアDNAと核DNAの違い
内容
ミトコンドリアDNA：mtDNAは、ミトコンドリアゲノムからなる。
核DNA：nDNAは、ミトコンドリアDNAを含む細胞のゲノムからなる。
DNAの構造
ミトコンドリアDNA：mtDNAは2本鎖で環状。
核DNA：nDNAは2本鎖の直鎖状です。
染色体数
ミトコンドリアDNA: mtDNAは1本の染色体にまとまっている。
核DNA：nDNAは、複数の染色体に分かれて配置されている。
例えば、ヒトのnDNAは46本の染色体から構成される。
組成
ミトコンドリアDNA：mtDNAは、動物細胞では細胞の遺伝子の0.25%で構成されている。
核DNA: nDNAは、動物細胞では細胞の遺伝子の99.75%で構成されている。
エンクロージャー
ミトコンドリアDNA：mtDNAは核膜に包まれていない。
核DNA： nDNAは核に包まれている。
所在地
ミトコンドリアDNA：mtDNAはミトコンドリアマトリックスに自由に浮遊している。
核DNA：nDNAは核マトリックスに存在し、核膜に固定されている。
ゲノムサイズ
ミトコンドリアDNA。
mtDNAのサイズは16,569塩基対。
核DNA。
nDNAのサイズは33億塩基対。
ヒストン・タンパク質
ミトコンドリアDNA： mtDNAはヒストン蛋白質が詰まっていない。
核DNA： nDNAには、ヒストン蛋白質が密に詰まっている。
コピー枚数
ミトコンドリアDNA。
細胞あたり1,000個以上のミトコンドリアDNAが存在する。
核DNA。
体細胞1個あたりのnDNAのコピー数は種によって異なる。
ヒトの体細胞には2つのnDNAが存在する。
遺伝子数
ミトコンドリアDNA：mtDNAは37の遺伝子からなり、13のタンパク質、22のtRNA、および2のrRNAをコードしている。
核DNA： nDNAは、3つのmt遺伝子を含む20,000-25,000の遺伝子から構成されている。
tRNAとrRNA
ミトコンドリアDNA：mtDNAは、ミトコンドリアが必要とする全てのtRNAとrRNAをコードしている。
核DNA：細胞質で必要なtRNAやrRNAをコードするDNA。
自律性
ミトコンドリアDNA：mtDNAは、ミトコンドリアが必要とするタンパク質のほとんどをコードしている。
しかし、ミトコンドリアが必要とするいくつかのタンパク質は、nDNAによってコードされている。
そのため、ミトコンドリアは半独立小器官です。
核DNA: nDNAは、細胞が必要とするすべてのタンパク質をコードしている。
非コード化領域
ミトコンドリアDNA：mtDNAにはイントロンのような非コード化領域が存在しない。
核DNA：nDNAには、イントロンや非翻訳領域のような非コード領域が存在する。
遺伝子のコード
ミトコンドリアDNA。
ミトコンドリアDNAのコドンのほとんどは、普遍的な遺伝暗号に従わない。
核DNA。
nDNAのコドンは、普遍的な遺伝暗号に従っている。
レプリケーション
ミトコンドリアDNA：mtDNAはnDNAとは独立して複製される。
核DNA：nDNAは細胞周期のS期にのみ複製される。
転写
ミトコンドリアDNA。
ミトコンドリアDNAにコードされる遺伝子は、ポリシストロンです。
核DNA。
nDNAにコードされる遺伝子は、モノシストロンです。
継承
ミトコンドリアDNA：mtDNAは母方から遺伝する。
核DNA： nDNAは両親から等しく遺伝する。
組換え
ミトコンドリアDNA：mtDNAは、母親から子孫にそのまま受け継がれる。
核DNA：nDNAは組換えにより配列されながら子孫に受け継がれる。
個人の体力への貢献度
ミトコンドリアDNA：mtDNAは集団の中で個体の適応度に対する寄与が小さい。
核DNA: nDNAは集団の中で個体の適応度に対する貢献度が高い。
突然変異の割合
ミトコンドリアDNA。
ミトコンドリアDNAの変異率は比較的高い。
核DNA。
nDNAの変異率は低い。
個人を特定するもの
ミトコンドリアDNA。
ミトコンドリアDNAも個体識別に利用されることがあります。
核DNA。
nDNAは親子鑑定に使用される。
遺伝性疾患
ミトコンドリアDNAのこと。
レーバー遺伝性視神経症、カーンズ・セイヤー症候群、慢性進行性外眼筋麻痺など、mtDNAの変異によって引き起こされる遺伝性疾患。
核DNAのこと。
嚢胞性線維症、鎌状赤血球貧血、ヘモクロマトーシス、ハンチントン病などがnDNAの変異による遺伝性疾患として知られている。
結論
動物細胞の遺伝子の構成には、核DNAとミトコンドリアDNAが寄与している。
植物細胞は葉緑体DNAも細胞内に持っています。
nDNAは細胞のゲノムからなり、mtDNAはミトコンドリアゲノムからなる。
nDNAには、生物が示すすべての形質をコード化する遺伝子が含まれている。
mtDNAもnDNAに含まれる。
nDNAは2万を超える遺伝子から構成されている。
これらの遺伝子によってコードされるタンパク質が、生物の表現形質を担っている。
mtDNAは、ミトコンドリアの機能に必要なtRNAとrRNAとともに37の遺伝子がコードされている。
従って、ミトコンドリアDNAと核DNAの主な違いはその内容です。
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米国国立医学図書館、1970年1月1日。
Web. 28 Mar. 2017.
2. Cooper, Geoffrey M. “Mitochondria.”. The Cell: A Molecular Approach. 第2版. 米国国立医学図書館、1970年1月1日。
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3. Brown, Terence A. “The Human Genome”. ゲノム. 第2版. 米国国立医学図書館、1970年1月1日。
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4. Alberts, Bruce. “DNAの構造と機能”. 細胞の分子生物学. 第4版. 米国国立医学図書館、1970年1月1日。
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5. Stöppler, MD Melissa Conrad. “遺伝性疾患のリスト。
2. “ミトコンドリアDNA en” 二次創作によるもの。
Shanel (talk)Mitochondrial DNA de.svg: translation by Knopfkind; layout by jhc – Mitochondrial DNA de.svg, CC BY-SA 3.0）viaコモンズWikimedia
3. “Eukaryote DNA-ja” By Eukaryote_DNA.svg: *୧⃛(๑⃙⃘◡̈︎๑⃙⃘) *୧⃛(๑⃙⃘◡̈︎๑⃙⃘) Sponk (talk)染色体.svg.Sponk (talk)染色体.svg: *derivative work: Tryphon (talk)Chromosome-upright.png。
原版。
Magnus Manske, このバージョンは染色体を直立させたものです。
User:Dietzel65Animal_cell_structure_ja.svg: LadyofHats (Mariana Ruiz)派生作品。
Radio89derivative work: Radio89 – このファイルはEukaryote DNA.svg: (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimediaから派生しました。
