bélyegkép|upright=1.35|A mitokondriális DNS a mitokondriumokban lévő kis körkörös kromoszóma. E legtöbb eukariótában megtalálható sejtszervecskék adják a sejt energiájának nagy részét. A mitokondriumokat, így az mtDNS-t, csak az anya adja át utódjának a petesejten keresztül. bélyegkép|A mitokondriális DNS helye humán sejtekben bélyegkép|Az elektronmikroszkóp különböző helyeken is kimutatja az mtDNS-t (vonalak: 200 nm). A: citoplazmatikus szakasz immun-aranyjelöléssel megjelölve anti-DNS antitesttel; az mtDNS-t jelző aranyrészecskék a mitokondriális membrán mellett (fekete pontok jobbra fent) vannak. B: sejtplazma teljes nézete CSK pufferrel való kivonás és immun-aranyjelölés után anti-DNS-sel: az arannyal jelölt mtDNS nem vonható ki. A mitokondriális DNS (röviden mDNS vagy mtDNS) a mitokondriumok – az eukarióták kémiai energiát adenozin-trifoszfáttá alakító sejtszervecskéje – DNS-e. A mitokondriális DNS az eukariótákban lévő DNS kis részét alkotja: a legtöbb DNS a sejtmagban és fotoszintetikus élőlények és egyes Apicomplexa-fajok esetén a plasztiszokban (például kloroplasztisz, apikoplasztisz) található. Az mtDNS a sejt energiaátalakító oxidatív foszforilációs rendszerének 13 szükséges alegységét kódolja.
A humán mitokondriális DNS volt a humán genom első jelentős szekvenált része: ezt még 1981-ben szekvenálták. Ekkor mutatták ki, hogy hossza , és 13 fehérjét kódol. Más gerincesekhez hasonlóan az ember mitokondriális genetikai kódja is eltér kissé a magitól.
Mivel az állati mtDNS a magi genetikai markereknél gyorsabban fejlődik, a filogenetika és az evolúcióbiológia terén fontos. Ezenkívül lehetővé teszi populációk kapcsolatainak nyomon követését, így az antropológia és a biogeográfia területén is fontos.
Eredet A magi és a mitokondriális DNS feltehetően eltérő evolúciós eredetűek, ahol a baktériumok körkörös genomjaiból származó mtDNS-t a modern eukarióták ősei kebelezték be. Ez az elmélet az endoszimbionta elmélet. A ma élő fajokban a legtöbb mitokondriális fehérjét (például emlősökben mintegy 1500 különböző típust) a magi DNS kódolja, de ezek egy része feltehetően bakteriális eredetű, és az evolúció során a sejtmagba került át.
Nem ismert annak oka, miért tartottak meg a mitokondriumok egyes géneket. Egyes fajok genom nélküli mitokondriális eredetű sejtszervecskéi alapján a teljes génvesztés lehetséges, és a mitokondriális gének magba kerülése több előnnyel is jár. A távol termelt hidrofób fehérjék mitokondrium felé vitelének nehézsége az egyik hipotézis ennek okára, a redoxiregulációs kolokalizáció a másik, mely a helyi irányítás mitokondriális gépezet feletti előnyét feltételezi. Egy számos mtDNS-t elemző 2016-os kutatás szerint mindkét jellemző okozhatja a mitokondriális gének fennmaradását.
Genomszerkezet és -diverzitás Az eukariótákban 6 fő mitokondriálisgenom-típus ismert szerkezet (körkörös vagy lineáris), méret, intronok vagy plazmidszerű szerkezetek jelenléte és aszerint, hogy az örökítőanyag 1 molekula vagy homogén vagy heterogén molekulák gyűjteménye.
Sok egysejtűben (például a Tetrahymena csillósban és a Chlamydomonas reinhardtiiban) és néhány többsejtűben (például egyes csalánozókban) az mtDNS lineáris. A legtöbb lineáris mtDNS telomerázfüggetlen telomerekkel rendelkezik különböző replikációs módokkal, ami lényeges kutatási iránnyá tette, mert sok lineáris mtDNS-ű egysejtű patogén. Állatok A kétoldali szimmetriájú állatok többsége körkörös mtDNS-ű. A Medusozoa és a Calcarea azonban lineáris mtDNS-ű fajokat is tartalmaz. Néhány kivételtől eltekintve az állatok mtDNS-e 37 génből áll – 13 fehérjekódoló, 22 tRNS- és 2 rRNS-génből.
Az állati mtDNS-ek átlagos hossza mintegy . Az Isarachnanthus nocturnus mtDNS-e a leghosszabb az állatok közt, . A legkisebb ismert állati mtDNS a Vallicula multiformisé, .
2020 februárjában egy medúzákkal rokon parazitáról (Henneguya salminicola) kimutatták, hogy nincs mitokondriális genomja, de rendelkezik mitokondriális eredetű sejtszervecskének tűnő szerkezetekkel, és az aerob légzéshez és mtDNS-replikációhooz és -transzkripcióhoz köthető magi génjei vagy hiányoztak, vagy csak pszeudogénként voltak jelen. Ez az első állat, melyről igazolták, hogy nem rendelkezik aerob légzéssel, és teljesen független az oxigéntől. Növények és gombák 3 különböző mtDNS-típus van növényekben és gombákban. Az egyik az intronokkal rendelkező körkörös genom (2. típus), melynek hossza 19–1000 kbp, a másik szintén körkörös 20–1000 kbp körüli genom plazmidszerű 1 kbp-os szerkezettel (3. típus), a harmadik a homogén DNS-részekből álló lineáris genom (5. típus).
Az mtDNS géntartalma és mérete a gombák és a növények közt is jelentősen különbözik, de úgy tűnik, vannak alapvető gének, melyek minden mitokondriummal rendelkező eukariótában közösek. Gombák közt azonban nincs minden mitokondriális genomban közös gén. Egyes növények mtDNS-ei hatalmasak: például a Silene conica mtDNS-e mintegy hosszú. Azonban e nagy mtDNS-ek is ugyanannyi és ugyanolyan géneket tartalmaznak, mint a rokon növények sokkal kisebb mtDNS-e. Az uborka (Cucumis sativus) mtDNS-e 3 kerek kromoszómából áll, melyek hossza 1556, 84 és 45 kbp, melyek replikációjuk tekintetében nagyrészt autonómok. Más eukarióták Az állatokon, növényeken és gombákon kívüli mtDNS-ek a legsokszínűbbek: 5 különböző típus fordul bennük elő. A 2., 3. és 5. típus előfordulnak növényekben és gombákban is, ahogy 2 egyedi genomtípus is: a 4. és 6. típus (heterogén körkörös, illetve lineáris molekulák csoportja). A 4. és 6. genomtípusok mérete egyenként 1–200 kbp.
A legkisebb szekvenált mitokondriális genom a Plasmodium falciparum 5967 bázispáros mtDNS-e.
Az endoszimbionta géntranszfer, mely a korábban a mitokondriális genomban kódolt gének magi genomba való átkerülése, magyarázhatja, miért kisebb az összetettebb élőlények, például az emberek, mtDNS-e, mint az egyszerűbbeké, például az egysejtűeké. GenomtípusHagyományos országIntronMéretAlakLeírás1ÁllatokNincs11–28 kbpKörkörös1 molekula2Gombák, növények, protisztákVan19–1000 kbpKörkörös1 molekula3Gombák, növények, protisztákNincs20–1000 kbpKörkörösNagy molekula kis plazmidszerű szerkezetekkel4ProtisztákNincs1–200 kbpKörkörösHeterogén molekulák csoportja5Gombák, növények, protisztákNincs1–200 kbpLineárisHomogén molekulák csoportja6ProtisztákNincs1–200 kbpLineárisHeterogén molekulák csoportja
Replikáció A humán mtDNS két szálát megkülönböztetik, és nehéz és könnyű szálnak nevezik. A mitokondriális DNS-replikációt és -transzkripcióiniciációt 1 génközi nem kódoló régió (NCR) irányítja. Emberben az -os NCR 3 promotert: 2 L- (könnyű száli; LSP és LSP2) és 1 nehéz száli (HSP) promotert tartalmaz. A magi DNS-replikáció kétirányú és meghatározott origójú iniciációjával szemben az mtDNS 2 szálspecifikus egyirányú replikációs origóval rendelkezik a vezető nehéz szálon (OH) az NCR-ben és a köető könnyű szálon (OL) a tRNS-géncsoportban.
A mitokondriális DNS-t a DNS-polimeráz γ komplex másolja, mely 140 kDa-os katalitikus DNS-polimerázból áll, melyet a POLG kódol, és két 55 kDa-os kiegészítő egységből, melyeket a POLG2 kódol. A repliszómaszerkezetet a DNS-polimeráz, a TWINKLE és a mitokondriális SSB-fehérjék alkotják. A TWINKLE helikáz, mely rövid dsDNS-szakaszokat bont fel 5′–3′ irányban. E fehérjéket a magi genom kódolja.
Embriogenezis során az mtDNS-replikáció jelentősen csökken a megtermékenyített petesejttől a beágyazódás előtti embrióig. A sejtenkénti mtDNS-példányszám emiatti csökkenése szerepet játszik a mitokondriális palacknyakhatásban, kihasználva a sejtenkénti változékonyságot a káros mutációk öröklődésének csökkentéséhez. Justin St. John szerint „a blasztocisztaállapot során az mtDNS-replikáció csak a trofektoderma sejtjeiben történik. Ezzel szemben az embrioblaszt sejtjei korlátozzák az mtDNS-replikációt, amíg jelt kapnak arra, hogy meghatározott sejtekké differenciálódjanak”. DNS-javítás Bár több DNS-javító útról számoltak be a mitokondriumokban, a báziseltávolításos a legrészletesebben leírt út. Az mtDNS-karbantartó fehérjéket magi gének kódolják, és a mitokondriumba szállíttatnak. A humán mitokondriumok képesek a hibás DNS-bázispárok javítására a magi hibásbázispár-javítástól eltérő úton. E külön mitokondriális út része az Y-box-kötő 1-es fehérje (YB-1 vagy YBX1) aktivitása, mely feltehetően a hibás bázispárok kötésében és felismerésében vesz részt. A mitokondriumspecifikus DNS-javító mechanizmusok a mitokondriális DNS oxidatív foszforilációs rendszerhez, így az ATP-termeléskor keletkező DNS-károsító reaktív oxigénszármazékokhoz való közelségére utalhat.
bélyegkép|upright=1.35|A humán mitokondriális DNS 37 génjével a megfelelő H- és L-szálakon
Gének a humán mtDNS-en és transzkripciójuk
bélyegkép|Sematikus kariogram a humán genomról, 23 pár kromoszómával és a mitokondriális genommal (jobbra lent, MT rövidítéssel). Ez utóbbi a többihez képest kicsi, és sejtenkénti példányszáma 0 (eritrocita) és (petesejt) közt változik. A humán mtDNS két szála a nehéz és a könnyű szál. A nehéz szál guaninban gazdag, és az oxidatív foszforilációs rendszer 13 alegységéből 12-t, 2 riboszomális RNS-t (12S és 16S) és 14 transzfer-RNS-t (tRNS) kódol. A könnyű szál az oxidatív foszforilációs rendszer 1 alegységét kódolja, valamint 8 tRNS-t. Így együtt az mtDNS 2 rRNS-t, 22 tRNS-t és 13 fehérjét kódol, ez utóbbiak mindegyike az oxidatív foszforilációs folyamat része. +A humán mtDNS-hez tartozó Cambridge-referenciaszekvencia 37 génje és azok helyeGénTípusTermékKezdetVégSzál MT-ATP8fehérjekódolóATP-szintáz, Fo 8. alegység (V. komplex) (áfed az MT-ATP6-tal)H MT-ATP6fehérjekódolóATP-szintáz, Fo 6. aegység (V. komplex) (átfed az MT-ATP8-cal)H MT-CO1fehérjekódolóCitokróm c-oxidáz, 1. alegység (IV. komplex)H MT-CO2fehérjekódolóCitokróm c-oxidáz, 2. alegység (IV. komplex)H MT-CO3fehérjekódolóCitokróm c-oxidáz. 3. alegység (IV. komplex)H MT-CYBfehérjekódolóCitokróm b (III. komplex)H MT-ND1fehérjekódolóNADH-dehidrogenáz, 1. alegység (I. komplex)H MT-ND2fehérjekódolóNADH-dehidrogenáz, 2. alegység (I. komplex)H MT-ND3fehérjekódolóNADH-dehidrogenáz, 3. alegység (I. komplex)H MT-ND4LfehérjekódolóNADH-dehidrogenáz, 4L alegység (I. komplex) (átfed az MT-ND4-gyel)H MT-ND4fehérjekódolóNADH-dehidrogenáz, 4. alegység (I. komplex) (átfed az MT-ND4L-lel)H MT-ND5fehérjekódolóNADH-dehidrogenáz, 5. alegység (I. komplex)H MT-ND6fehérjekódolóNADH-dehidrogenáz, 6. alegység (I. komplex)L MT-RNR2fehérjekódolóHumanin––– MT-TAtranszfer-RNSalanil-tRNS (Ala, A)LMT-TRtranszfer-RNSarginil-tRNS (Arg, R)H MT-TNtranszfer-RNSaszparaginil-tRNS (Asn, N)L MT-TDtranszfer-RNSaszpartil-tRNS (Asp, D)H MT-TCtranszfer-RNSciszteinil-tRNS (Cys, C)L MT-TEtranszfer-RNSglutamil-tRNS (Glu, E)L MT-TQtranszfer-RNSglutaminil-tRNS (Gln, Q)L MT-TGtranszfer-RNSglicil-tRNS (Gly, G)HMT-THtranszfer-RNShisztidil-tRNS (His, H)H MT-TItranszfer-RNSizoleucil-tRNS (Ile, I)H MT-TL1transzfer-RNSUUR-leucil-tRNS (Leu, L)H MT-TL2transzfer-RNSCUN-leucil-tRNS (Leu, L)H MT-TKtranszfer-RNSlizil-tRNS (Lys, K)H MT-TMtranszfer-RNSmetionil-tRNS (Met, M)H MT-TFtranszfer-RNSfenilalanil-tRNS (Phe, F)H MT-TPtranszfer-RNSprolil-tRNS (Pro, P)L MT-TS1transzfer-RNSUCN-szeril-tRNS (Ser, S)L MT-TS2transzfer-RNSAGY-szeril-tRNS (Ser, S)H MT-TTtranszfer-RNStreonil-tRNS (Thr, T)H MT-TWtranszfer-RNStriptofil-tRNS (Trp, T)H MT-TYtranszfer-RNStirozil-tRNS (Tyr, Y)L MT-TVtranszfer-RNSvalil-tRNS (Val, V)H MT-RNR1riboszomális RNSSSU rRNS (12S)H MT-RNR2riboszomális RNSLSU rRNS (16S)H
A legtöbb (de nem mindegyik) fehérjekódoló régió közt találhatók tRNS-ek. Transzkripció során a tRNS-ek jellemző L alakjukat veszi fel, melyet meghatározott enzimek felismernek és leválasztanak. A mitokondriális RNS-feldolgozás során az egyes mRNS-, rRNS- és tRNS-szekvenciák leválnak a primer transzkriptumról. A hajtogatott tRNS-ek így szekunder szerkezeti pontosítás működnek.