Genom mitochondrialny

Istnienie genomu mitochondrialnego odkryto w 1963 roku. Ludzki mitochondrialny DNA (mtDNA) ma postać małej, kolistej, dwuniciowej cząsteczki i wielkość około 16,5 tysiąca par zasad. Koduje on 37 genów, w tym 2 rybosomalne RNA (rRNA), 22 rodzaje cząsteczek transportującego RNA (tRNA) i 13 białek będących podjednostkami kompleksów łańcucha oddechowego.

Schemat mitochondrialnego DNAW mtDNA ze względu na różną zawartość zasad purynowych i pirymidynowych można wyróżnić nić lekką L (ang. light) oraz nić ciężką H (ang. heavy). Również geny kodowane przez mtDNA są asymetrycznie rozmieszczone na obu niciach. Nić H koduje większość informacji: 2 geny rRNA, 14 genów tRNA oraz mRNA dla 12 z 13 polipeptydów. Nić L zawiera geny dla pozostałych 8 rodzajów cząsteczek tRNA i tylko jeden mRNA odpowiadający podjednostce ND6. Pozostałe białka łańcucha oddechowego, jak również te uczestniczące w transkrypcji, translacji oraz replikacji kodowane są przez genom jądrowy, a następnie transportowane do mitochondriów.

Jedną z bardzo istotnych cech mtDNA jest jego zwarta budowa i brak intronów. Niektóre geny kodujące białka mogą nawet na siebie zachodzić, jak dzieje się
w przypadku genów ATPazy 6 i 8 (w ludzkim mtDNA to 46 nakładających się nukleotydów) oraz genów podjednostek ND4 i ND4L (7 wspólnych nukleotydów).

W niektórych przypadkach część sekwencji kodonu STOP nie jest zapisana w mtDNA, ale generowana przez postranskrypcyjną poliadenylację odpowiedniego mRNA. Inną interesującą cechą organizacji mtDNA jest regularne rozmieszczenie genów tRNA między innymi genami, co odgrywa istotną rolę
w obróbce RNA.

W komórkach aktywnych metabolicznie spora część cząsteczek mtDNA zawiera trzyniciową strukturę zwaną pętlą D (ang. D-loop). W tym miejscu fragment (500-700 nukleotydów) nowopowstającej nici H pozostaje połączony z macierzystą nicią L. Region pętli D ma długość około tysiąca par zasad
i uczestniczy
w regulacji transkrypcji i replikacji mtDNA. Ponad to jest to główny obszar niekodujący. Drugim, znacznie mniejszym (około 30 nukleotydów długości) obszarem niekodującym jest miejsce startu replikacji dla nici L (OL).

W genomie mitochondrialnym występują również sekwencje powtórzone, których rozmiary znacznie różnią się między sobą. Badania wykazały, że małe (<5 par zasad)
i średnie (5-9 par zasad) powtórzenia są rozmieszczone regularnie w obrębie mtDNA, natomiast w przypadku dużych (≥10 par zasad) można zaobserwować wyraźne zgrupowanie w rejonie 9-11 kb.

W każdej komórce ssaka znajdują się setki, a nawet tysiące kopii mitochondrialnego DNA, zorganizowanych w białkowo-nukleinowe kompleksy, które przez analogię do genomów bakteryjnych nazywane są nukleoidami. Nukleoidy prawdopodobnie zakotwiczone są w błonie mitochondrialnej, a do tej pory zidentyfikowano zaledwie kilka białek tworzących te struktury. Wiadomo, że w obrębie nukleoidów lokalizują się białka zaangażowane w transkrypcję
i replikację mtDNA, między innymi mitochondrialna polimeraza γ oraz helikaza Twinkle.

NukleoidNa ogół wszystkie kopie mtDNA danego osobnika są identyczne, a stan ten nazywamy homoplazmią. Czasami zachodzące mutacje mogą być utrzymane lub powielane i współwystępują z mtDNA typu dzikiego. Zjawisko to określane jest jako heteroplazmia.
W czasie podziału komórki mitochondria i ich genomy losowo segregują do komórek potomnych. Tłumaczy to fakt występowania różnego stopnia heteroplazmii,
a nawet homoplazmii, w różnych liniach komórkowych.

Konsekwencją tego zjawiska jest tzw. „efekt progowy” często obserwowany w przypadku chorób człowieka związanych z defektami mtDNA. Oznacza to, że zanim zmiany w genomie mitochondrialnym spowodują wystąpienie objawów chorobowych, stosunek zmutowanego i dzikiego mtDNA musi przekroczyć pewien określony poziom, specyficzny dla danej tkanki i mutacji. Najbardziej wrażliwe są tkanki o wysokim zapotrzebowaniu energetycznym jak tkanki mięśniowa oraz nerwowa.