Мітохондріальна ДНК або мтДНК — кільцева молекула ДНК, локалізована в мітохондріях, цитоплазматичних органелах більшості клітин еукаріотів, що мають вигляд ниткоподібних або гранулярних утворень. Локалізація мтДНК відрізняється від локалізації більшості ДНК еукаріотів, розташованої в ядрах клітин. Часто стверджується, що мітохондріальна ДНК успадковується тільки по материнській лінії, але 2018 року були знайдені 17 осіб із 3 сімей, які успадкували мтДНК від обох батьків.

стала першою значною частиною людського геному, що вдалося секвенувати. Це секвенування показало, що мтДНК людини включає 16569 пар основ і кодує 13 білків.

Еволюція мтДНК

На відміну від більшості генетичних продуктів, які закодовано у ядерній ДНК, частина генетичних продуктів мітохондрій кодується її власною ДНК, яка на ранніх стадіях еволюції життя на Землі еволюціонувала окремо. Мітохондріальна ДНК, як і ДНК пластид, була отримана клітинами стародавніх еукаріотів від бактерій (у випадку мтДНК — альфа-протеобактерій) в результаті ендосимбіозу.

Будова і різноманітність геному В усіх організмах існує шість основних видів мітохондріального геному, класифікованих за будовою, розміром, наявністю інтронів або плазмідоподібних структур, а також за тим, чи є генетичний матеріал окремою молекулою або ж сукупністю молекул.

У багатьох одноклітинних організмів (наприклад, війчаста і зелена водорість Chlamydomonas reinhardtii), а в окремих випадках і у багатоклітинних (як-то у деяких видів кнідарій), мтДНК є лінійною ДНК. Більшість з цих лінійних мтДНК мають незалежні від теломерази теломери (тобто кінці лінійної ДНК) з різними способами реплікації, що робить їх цікавими предметами досліджень, оскільки багато з цих одноклітинних організмів з лінійною мтДНК є відомими патогенами.

Тип геномуЦарствоІнтрониРозміриВиглядОпис1ТвариниНі11 000–28 000 п.о.КільцовийОдиночна молекула2Гриби, Рослини, ПротистиТак19 000–1 млн п.о.КільцовийОдиночна молекула3Гриби, Рослини, ПротистиНі20 000–1 млн п.о.КільцовийВеликомолекулярні та малі плазмідоподібні структури4ПротистиНі1000–200 000 п.о.КільцовийСукупність неоднорідних молекул5Гриби, Рослини, ПротистиНі1000–200 000 п.о.ЛінійнийСукупність однорідних молекул6ПротистиНі1000–200 000 п.о.ЛінійнийСукупність неоднорідних молекул

У тварин Більшість (двобічносиметричних) тварин мають кільцевий мітохондріальний геном. Однак у кладах медуз і вапнякових губок є види з лінійними мітохондріальними хромосомами. За деякими винятками, мітохондріальна ДНК тварин має 37 генів: 13 генів білків, 22 генів тРНК і 2 гени рРНК.

Мітохондріальні геноми тварин мають довжину в середньому близько 16 000 пар основ. Найдовший мітохондріальний геном серед усіх тварин має Isarachnanthus nocturnus — 80 923 пар основ. Найкоротший же відомий мітохондріальний геном серед тварин належить реброплаву Vallicula multiformis, який складається з 9961 пар основ. Polymorphism within the mitochondrial genome of the ctenophore, Pleurobrachia bachei and its ongoing rapid evolution - bioRxiv

У лютому 2020 року було виявлено паразитичний вид анаеробних кнідарій, Henneguya salminicola, у якого відсутній мітохондріальний геном, але зберігаються структури, які, ймовірно, є похідними від мітохондрій. Більш того, гени ядерної ДНК, що беруть участь в аеробному диханні, реплікації і транскрипції мітохондріальної ДНК, або є геть відсутніми, або ж присутні тільки у вигляді псевдогенів. Це перший відомий багатоклітинний організм, у якого відсутнє аеробне дихання і живе зовсім без залежності від кисню.

У рослин і грибів У рослин і грибів існує три різних типи мітохондріальних геномів.

У протистів Протисти містять найрізноманітніші мітохондріальні геноми, у цьому царстві знайдено п’ять різних типів.

Найкоротший мітохондріальний геном, секвенований на сьогоднішній день, — це мтДНК паразита Plasmodium falciparum розміром 5967 пар основ.

Ендосимбіотичне перенесення генів, процес, за допомогою якого гени, закодовані в мітохондріальному геномі, передаються в основний геном клітини, ймовірно, пояснює, чому складніші організми, такі як люди, мають коротші мітохондріальні геноми, ніж простіші організми, такі як протисти.

мтДНК евгленових Мітохондрії протистів типу евгленові мають низку особливостей, які відрізняють їх від органел інших ядерних організмів. Зокрема їхня мітохондріальна ДНК має нестандартну структуру.

У диплонеміди Diplonema papillatum розмір мітохондріального геному є дуже великим, порівняним із таким у багатоклітинних тварин, близько 500—600 тисяч пар основ. На відміну від більшості ядерних організмів, у яких наявна одна кільцева молекула мітохондріальної ДНК, у Diplonema papillatum наявно більше 80 невеликих кільцевих ДНК розміром 6 (так званого «класу А») або 7 («клас Б») тисяч пар нуклеотидів, причому мітохондріальні гени розділені на декілька (від 2 до 11) модулів, у 40-550 пар нуклеотидів кожен.

Кожна з цих кільцевих ДНК має характерну структуру: кодуючий фрагмент оточений з двох боків приблизно 50-нуклеотидною унікальною послідовністю, утворюючи «касету», а інша частина молекули складається з повторів, причому навколо цієї «касети» знаходиться ділянка близько 1-3 тисячі пар основ, яка є спільною для молекул одного класу, а на протилежній ділянці кільця є спільна для всіх молекул послідовність з 2,5 тисяч пар нуклеотидів. Зчитування кодуючих фрагментів призводить до появи багатьох коротких пре-мРНК, які надалі методом об'єднуються в зрілі мРНК, що відповідають 12 генам білків дихального ланцюга, ферментам окисного фосфорилювання, рибосомних білків та двох рибосомних РНК. Транспортні РНК у мітохондріальній ДНК не закодовані, імпортуються з цитоплазми. Виявлено також 6 додаткових відкритих рамок зчитування з невідомими функціями. Молекулярний механізм транс-сплайсингу в Diplonema papillatum невідомий.

Крім транс-сплайсингу, в мітохондріях Diplonema papillatum відбувається активне редагування РНК. Більшість транскриптів проходить через додавання урацилів, які додаються в кількості від 1 до 26, часто — в кінці фрагментів пре-мРНК. У 2016 році виявлено два інші процеси редагування РНК: заміни цитидина на уридин та, вперше для мітохондрій, заміни аденозина на інозин. Найбільше таких замін виявилося в РНК субодиниці 4 НАДН-дегідрогенази та рибосомній РНК малої субодиниці мітохондріальної рибосоми. Механізми редагування поки невідомі.

Реплікація Мітохондріальна ДНК реплікується гамма-комплексом ДНК-полімерази, який складається з каталітичної ДНК-полімерази масою 140 кілодальтонів (кДа), кодованої геном POLG, і двох додаткових субодиниць масою 55 кДа, кодованих геном POLG2. Реплісомний апарат утворений ДНК-полімеразою, білком і мітохондріальними . TWINKLE є геліказою, що розкручує короткі ділянки дволанцюжкової ДНК у напрямку від 5' до 3'. Усі ці поліпептиди закодовані в ядерному геномі.

Під час ембріогенезу реплікація мтДНК від заплідненої яйцеклітини до передімплантаційного ембріона сильно пригнічується. Отримуване зниження кількості копій мтДНК на одну клітину відіграє роль у вузькому місці мітохондрій, використовуючи для посилення стійкості до успадкування шкідливих мутацій. За словами Джастіна Сент-Джона і його колег: «На стадії бластоцисти початок реплікації мтДНК притаманне клітинам трофектодерми. Навпаки, клітини внутрішньої клітинної маси обмежують реплікацію мтДНК допоки вони не отримають сигнали для диференціювання у певні види клітин.»

Гени мтДНК людини та їхня транскрипція

Мітохондріальна ДНК людини може розглядатись як найменша хромосома організму, що складається з 5 — 10 ідентичних копій ДНК, які несуть 16 568 пар основ з 37 генами та відповідають за біосинтез 13 білків і 22 тРНК. Така коротка нуклеотидна послідовність мтДНК кодує лише незначну частину всіх білків і РНК, що містяться в мітохондріях.

Дві нитки мітохондріальної ДНК людини розрізняють на важку і легку. Тяжка нитка багата гуаніном і кодує 12 субодиниць системи окисного фосфорилювання, дві рибосомні РНК (12S і 16S) і 14 транспортних РНК (тРНК). Легка нитка кодує одну субодиницю та 8 тРНК. Отже, всього мтДНК кодує дві рРНК, 22 тРНК і 13 білкових субодиниць, кожна з котрих бере участь в окисному фосфорилюванні. Повна послідовність мітохондріальної ДНК людини в графічному вигляді

+ 37 генів мітохондріальної ДНК людини та їхнє розташування згідно з Кембриджською еталонною послідовністю Homo sapiens mitochondrion, complete genome. «Revised Cambridge Reference Sequence (rCRS): accession NC_012920» , National Center for Biotechnology Information. Перевірено 20 лютого 2017 року. Ген Тип Продукт Положення в мітогеномі Нитка MT-ATP8 кодування білка АТФ-синтаза, Fo субодиниця 8 (комплекс V) 08,366–08,572 (перекриваються з MT-ATP6) Важка MT-ATP6 кодування білка АТФ-синтаза, Fo субодиниця 6 (комплекс V) 08,527–09,207 (перекриваються з MT-ATP8) Важка MT-CO1 кодування білка Цитохром с-оксидаза, субодиниця 1 (комплекс IV) 05,904–07,445 Важка MT-CO2 кодування білка Цитохром с-оксидаза, субодиниця 2 (комплекс IV) 07,586–08,269 Важка MT-CO3 кодування білка Цитохром с-оксидаза, субодиниця 3 (комплекс IV) 09,207–09,990 Важка MT-CYB кодування білка Цитохром b (комплекс III) 14,747–15,887 Важка MT-ND1 кодування білка НАДН-дегідрогеназа, субодиниця 1 (комплекс I) 03,307–04,262 Важка MT-ND2 кодування білка НАДН-дегідрогеназа, субодиниця 2 (комплекс I) 04,470–05,511 Важка MT-ND3 кодування білка НАДН-дегідрогеназа, субодиниця 3 (комплекс I) 10,059–10,404 Важка MT-ND4L кодування білка НАДН-дегідрогеназа, субодиниця 4L (комплекс I) 10,470–10,766 (перекриваються з MT-ND4) Важка MT-ND4 кодування білка НАДН-дегідрогеназа, субодиниця 4 (комплекс I) 10,760–12,137 (перекриваються з MT-ND4L) Важка MT-ND5 кодування білка НАДН-дегідрогеназа, субодиниця 5 (комплекс I) 12,337–14,148 Важка MT-ND6 кодування білка НАДН-дегідрогеназа, субодиниця 6 (комплекс I) 14,149–14,673 Легка MT-RNR2 кодування білка Гуманін — — MT-TA транспортна РНК тРНК-аланін (Ala або A) 05,587–05,655 Легка MT-TR транспортна РНК тРНК-аргінін (Arg або R) 10,405–10,469 Важка MT-TN транспортна РНК тРНК-аспарагін (Asn або N) 05,657–05,729 Легка MT-TD транспортна РНК тРНК-аспарагінова кислота (Asp або D) 07,518–07,585 Важка MT-TC транспортна РНК тРНК-цистеїн (Cys або C) 05,761–05,826 Легка MT-TE транспортна РНК тРНК-глутамінова кислота (Glu або E) 14,674–14,742 Легка MT-TQ транспортна РНК тРНК-глутамін (Gln або Q) 04,329–04,400 Легка MT-TG транспортна РНК тРНК-гліцин (Gly або G) 09,991–10,058 Важка MT-TH транспортна РНК тРНК-гістидин (His або H) 12,138–12,206 Важка MT-TI транспортна РНК тРНК-ізолейцин (Ile або I) 04,263–04,331 Важка MT-TL1 транспортна РНК тРНК-лейцин (Leu-UUR або L) 03,230–03,304 Важка MT-TL2 транспортна РНК тРНК-лейцин (Leu-CUN або L) 12,266–12,336 Важка MT-TK транспортна РНК тРНК-лізин (Lys або K) 08,295–08,364 Важка MT-TM транспортна РНК тРНК-метіонін (Met або M) 04,402–04,469 Важка MT-TF транспортна РНК тРНК-фенілаланін (Phe або F) 00,577–00,647 Важка MT-TP транспортна РНК тРНК-пролін (Pro або P) 15,956–16,023 Легка MT-TS1 транспортна РНК тРНК-серин (Ser-UCN або S) 07,446–07,514 Легка MT-TS2 транспортна РНК тРНК-серин (Ser-AGY або S) 12,207–12,265 Важка MT-TT транспортна РНК тРНК-треонін (Thr або T) 15,888–15,953 Важка MT-TW транспортна РНК тРНК-триптофан (Trp або W) 05,512–05,579 Важка MT-TY транспортна РНК тРНК-тирозин (Tyr або Y) 05,826–05,891 Легка MT-TV транспортна РНК тРНК-валін (Val або V) 01,602–01,670 Важка MT-RNR1 рибосомальна РНК Мала субодиниця: SSU (12S) 00,648–01,601 Важка MT-RNR2 рибосомальна РНК Велика субодиниця: LSU (16S) 01,671–03,229 Важка Між більшістю (але не всіма) областями, що кодують білки, є присутньою тРНК (див. мапу мітохондріального геному людини). Під час транскрипції тРНК набуває властивої L-подоби, яка розпізнається і розщеплюється специфічними ферментами. Внаслідок процесингу мітохондріальної РНК окремі послідовності мРНК, рРНК і тРНК вивільняються з первинного транскрипту. Так, згорнуті тРНК діють як своєрідні розділові знаки (т.з. геномна пунктуація) вторинної структури.

Застосування в еволюційній біології і систематиці