6.13: Genetica mitocondriale animale

Tra tutti gli organelli di una cellula animale, solo i mitocondri hanno un proprio genoma indipendente. Il DNA mitocondriale animale è una molecola a doppio filamento, circolare chiusa con circa 20.000 paia di basi. Il DNA mitocondriale è unico in quanto uno dei suoi due filamenti, il filamento pesante, o H, è ricco di guanina, mentre il filamento complementare è ricco di citosina e chiamato filamento leggero, o L. Rispetto al DNA nucleare, il DNA mitocondriale presenta una percentuale molto bassa di regioni non codificanti ed è caratterizzato dalla completa assenza di introni. Inoltre, i loro geni sono molto ravvicinati e alcuni di essi hanno addirittura regioni sovrapposte. Il D-loop è la regione regolatrice non codificante più importante del DNA mitocondriale, che contiene anche l'origine della replicazione del filamento H. Il codice genetico mitocondriale differisce dal codice del DNA nucleare rispetto ad alcuni codoni. Ad esempio, i codoni UGA, AUA e AGA/AGG codificano rispettivamente per il codone STOP, isoleucina e arginina nel DNA nucleare, mentre gli stessi codoni codificano rispettivamente per triptofano, metionina e codone STOP nel DNA mitocondriale animale.

La replicazione del DNA nucleare è coordinata con il ciclo cellulare e deve essere completata prima che avvenga la divisione cellulare. Un'altra caratteristica del genoma mitocondriale è la sua replicazione rilassata del DNA, dove a differenza del DNA nucleare, la replicazione è indipendente dal ciclo cellulare e può continuare nelle cellule figlie anche dopo la divisione cellulare.

Eredità materna

Nei mammiferi, il DNA mitocondriale viene ereditato solo dall'ovocita della madre poiché i mitocondri presenti nello sperma vengono selettivamente degradati da una via mediata dall'ubiquitina nello zigote. Le mutazioni nei geni mitocondriali possono provocare malattie come la neuropatia ottica ereditaria di Leber o la sindrome di Leigh; pertanto, se la madre è portatrice di tali mutazioni, i suoi figli possono ereditare queste malattie.  Recentemente, nuove terapie come la sostituzione mitocondriale possono consentire la nascita di un bambino non affetto da una madre malata. Il nucleo dell’ovocita materno viene trasferito in un ovocita enucleato di una donatrice sana con mitocondri normali prima della fecondazione. Questa tecnica ha portato alla nascita del cosiddetto "bambino con tre genitori", che non ha ereditato la malattia mitocondriale della madre.

I mitocondri producono molecole di ATP ricche di energia e sono gli unici organelli della cellula animale ad avere il proprio sistema genetico. Il mitocondrio attuale si pensa che si sia evoluto da un batterio aerobio, che ha formato un'associazione reciprocamente benefica, o simbiotica con il suo predatore. Nel corso del tempo, molti geni di questo batterio, sono stati trasferiti al DNA nucleare della cellula ospite, e altri geni sono stati persi, lasciando indietro un piccolo ma indipendente DNA mitocondriale.

Alcune cellule, come le cellule muscolari, possono contenere centinaia di mitocondri. Mentre altri, come i globuli rossi, non ne contengono. Ogni mitocondrio, può contenere fino a 10 copie del DNA mitocondriale.

Il DNA mitocondriale è una molecola circolare chiusa che varia in lunghezza da 14, 000 a 20, 000 coppie di basi in cellule animali rispetto ai milioni di coppie di basi presenti nel DNA nucleare. Questo DNA mitocondriale codifica solo un numero relativamente piccolo di biomolecole RNAs ribosomali 16S e 12S, fino a 25 RNAs transfer e 13 proteine della catena respiratoria. Il DNA nucleare codifica per le restanti proteine richieste per la funzione mitocondriale.

Circa il 93%del DNA mitocondriale codifica per le proteine, a differenza del DNA nucleare, dove solo l'1%circa corrisponde a regioni codificanti. Ciò è parzialmente dovuto al fatto che gli introni, che rappresentano una caratteristica regolare del DNA eucariotico, sono assenti nel DNA mitocondriale. Diverse sequenze del codice genetico vengono tradotte in modo diverso, a seconda del tipo di DNA.

Per esempio, il codone UGA codifica per triptofano nel DNA mitocondriale mentre è un codone di arresto nel DNA nucleare. Il DNA mitocondriale ha un tasso di evoluzione più rapido di quello del DNA nucleare, a causa del tasso di mutazione del DNA mitocondriale che è dieci volte superiore;questo perché il DNA mitocondriale non è protetto da istoni come quello del DNA nucleare ed è esposto a specie di ossigeno reattivo generate durante le reazioni mitocondriali. Inoltre, dispone anche di macchinari per la riparazione del DNA meno efficienti.

Il trasferimento del DNA mitocondriale avviene sempre dalla madre alla prole. Questo è noto come eredità materna. L'eredità materna si verifica perché, dopo la fecondazione, i pochi mitocondri presenti nello sperma sono degradati.

Mentre i molti mitocondri nell'ovulo, rimangono presenti nell'embrione e vengono trasmessi a tutte le cellule della prole.