6.13: Tierische Mitochondriale Genetik

Unter allen Organellen einer tierischen Zelle haben nur die Mitochondrien ihre eigenen unabhängigen Genome. Die mitochondriale DNA bei Tieren ist ein doppelsträngiges, geschlossenes zirkuläres Molekül mit etwa 20.000 Basenpaaren. Einzigartig an der mitochondrialen DNA ist, dass einer ihrer beiden Stränge, der schwere oder H-Strang, guaninreich ist, während der komplementäre Strang cytosinreich ist und als leichter oder L-Strang bezeichnet wird. Im Vergleich zur nukleären DNA hat die mitochondriale DNA einen sehr geringen Anteil an nicht-codierenden Regionen und zeichnet sich durch das vollständige Fehlen von Introns aus. Zudem sind ihre Gene sehr eng angeordnet und einige von ihnen haben sogar überlappende Regionen. Die D-Schleife ist die wichtigste regulatorische nicht-codierende Region der mitochondrialen DNA, die auch den Ursprung der Replikation für den H-Strang enthält. Der mitochondriale genetische Code unterscheidet sich vom nuklearen DNA-Code in Bezug auf einige Codons. Zum Beispiel codieren die Codons UGA, AUA und AGA/AGG im nuklearen DNA für das Stop-Codon, Isoleucin und Arginin, während dieselben Codons in der tierischen mitochondrialen DNA für Tryptophan, Methionin und das Stop-Codon codieren.

Die Replikation der nukleären DNA ist mit dem Zellzyklus koordiniert und muss vor der Zellteilung abgeschlossen sein. Ein weiteres charakteristisches Merkmal des mitochondrialen Genoms ist seine gelockerte DNA-Replikation, bei der im Gegensatz zur nukleären DNA die Replikation unabhängig vom Zellzyklus ist und auch in Tochterzellen nach der Zellteilung fortgesetzt werden kann.

Maternale Vererbung

Bei Säugetieren wird die mitochondriale DNA nur vom mütterlichen Oozyten vererbt, da die in den Spermien vorhandenen Mitochondrien im Zygoten selektiv durch einen ubiquitinvermittelten Weg abgebaut werden. Mutationen in mitochondrialen Genen können zu Krankheiten wie der Leberschen hereditären Optikusneuropathie oder dem Leigh-Syndrom führen; daher können, wenn die Mutter solche Mutationen trägt, ihre Nachkommen diese Krankheiten erben. Kürzlich wurden neue Therapien wie der mitochondriale Ersatz entwickelt, die die Geburt eines nicht betroffenen Kindes einer betroffenen Mutter ermöglichen. Der Kern des mütterlichen Oozyten wird vor der Befruchtung in einen enukleierten Oozyten einer gesunden Spenderin mit normalen Mitochondrien übertragen. Diese Technik führte zur Geburt des sogenannten "Drei-Eltern-Babys", das die mitochondriale Krankheit der Mutter nicht geerbt hat.

Mitochondrien produzieren energiereiche ATP-Moleküle und sind die einzigen Organellen in der tierischen Zelle, die über ein eigenes genetisches System verfügen.

Es wird angenommen, dass sich das heutige Mitochondrium aus einem aeroben Bakterium entwickelt hat, das eine für beide Seiten vorteilhafte oder symbiotische Verbindung mit seinem Räuber einging.

Im Laufe der Zeit wurden viele Gene dieses Bakteriums auf die Kern-DNA der Wirtszelle übertragen und andere Gene gingen verloren, so dass eine kleine, aber unabhängige mitochondriale DNA zurückblieb

Einige Zellen, wie Muskelzellen, können Hunderte von Mitochondrien enthalten, während andere, wie rote Blutkörperchen, keine enthalten. Jedes Mitochondrium kann bis zu 10 Kopien der mitochondrialen DNA enthalten.

Mitochondriale DNA ist ein geschlossenes, zirkuläres Molekül, das in tierischen Zellen zwischen 14.000 und 20.000 bps lang ist, verglichen mit Millionen von Basenpaaren, die in der Kern-DNA vorhanden sind.

Diese mitochondriale DNA kodiert nur für eine kleine Anzahl von Biomolekülen: die 16S- und 12S-rRNAs, bis zu 25 tRNAs und 13 Proteine der Atmungskette. Die Kern-DNA kodiert für die verbleibenden Proteine, die für die Funktion der Mitochondrien benötigt werden.

Etwa 93 % der mitochondrialen DNA kodieren für Proteine, im Gegensatz zur Kern-DNA, wo nur etwa 1 Prozent kodierende Regionen sind. Dies liegt zum Teil daran, dass Introns, die ein regelmäßiges Merkmal der eukaryotischen DNA sind, in der mitochondrialen DNA fehlen.

Mehrere Sequenzen des genetischen Codes werden je nach Art der DNA unterschiedlich übersetzt. Zum Beispiel kodiert das Codon UGA für Tryptophan in der mitochondrialen DNA, während es in der Kern-DNA ein Stoppcodon ist.

Die mitochondriale DNA hat eine schnellere Evolutionsrate als die der Kern-DNA, da die Mutationsrate in der mitochondrialen DNA mehr als 10-mal höher ist.

Dies liegt daran, dass die mitochondriale DNA nicht wie die der Kern-DNA durch Histone geschützt ist und reaktiven Sauerstoffspezies ausgesetzt ist, die bei mitochondrialen Reaktionen entstehen. Darüber hinaus verfügt es auch über weniger effiziente DNA-Reparaturmaschinen.

Der Transfer der mitochondrialen DNA erfolgt immer von der Mutter auf die Nachkommen. Dies wird als mütterliche Erbschaft bezeichnet.

mütterliche Vererbung tritt auf, weil nach der Befruchtung die wenigen Mitochondrien, die in den Spermien vorhanden sind, abgebaut werden, während die vielen Mitochondrien in der Eizelle im Embryo vorhanden bleiben und an alle Zellen der Nachkommen weitergegeben werden.