Mitochondriale DNA

Synonyme: mitochondriale DNS, mtDNA
Englisch: mitochondrial DNA

1 Definition

Die mitochondriale DNA, kurz mtDNA, ist ein etwa 16,5 kbp umfassendes ringförmiges DNA-Molekül in den Mitochondrien. Die mtDNA kodiert für 13 mitochondriale Proteine, 22 tRNA und zwei rRNA. Ihre Gene bilden zusammen das mitochondriale Genom, das auch als Mitogenom oder als Chondriom bezeichnet wird.

2 Hintergrund

Die mtDNA ist innerhalb der mitochondrialen Matrix in Form sogenannter Nukleoide organisiert. Dort wird sie von histonähnlichen Proteine (HLPs) eingehüllt.

Die mtDNA kodiert:

• die rRNA für mitochondriale Ribosomen
• die tRNA-Moleküle für die mitochondriale Proteinbiosynthese
• Proteine, die Bestandteil mitochondrialer Enzymkomplexe für die oxidative Phosphorylierung sind.

Mitochondrien sind aufgrund ihres eigenständigen mitochondrialen Genoms sogenannte semiautonome Zellorganellen. Sie sind imstande, einen Teil der von ihnen benötigten Proteine selbst zu synthetisieren. Die meisten Proteine, aus denen ein Mitochondrium besteht, werden jedoch von der DNA im Zellkern kodiert. Sie werden nach ihrer Synthese über den TIM-/TOM-Komplex durch die beiden mitochondrialen Membranen ins Innere der Mitochondrien importiert.

Mitochondrien sind nicht in der Lage, sich unabhängig von der Zelle zu teilen. Aufgrund der Ähnlichkeit mitochondrialer Ribosomen und RNA-Polymerasen mit entsprechenden Strukturen von Prokaryonten wird die sogenannte Endosymbiontentheorie gestützt. Sie besagt, dass Mitochondrien ursprünglich autonome Organismen waren, die im Laufe der Evolution in die Vorläufer der heutigen Zellen inkorporiert wurden.

3 Genetischer Code

Der genetische Code der humanen mtDNA weicht geringfügig von Standardcode der DNA ab:

4 Mutationen

Das mitochondriale Genom ist etwa 10 mal anfälliger für Mutationen als das nukleäre Genom, was wie folgt zu erklären ist:

• Histone, die schützend wirken, sind in der mtDNA abwesend
• DNA- Reparaturmechanismen sind deutlich ineffizienter
• Hohe Konzentration reaktiver Sauerstoffspezies in den Mitochondrien
• mtDNA besitzt keine Introns, wodurch eine Mutation zwangsläufig ein Gen beeinträchtigt

5 Vererbung

Das mitochondriale Genom wird bei Teilung eines Mitochondrium an die Folgegeneration von Mitochondrien weitergegeben.

Bei der menschlichen Fortpflanzung wird das mitochondriale Genom fast nur maternal vererbt (Mitochondriale Vererbung), u.a. da die Mitochondrien des Spermiums bei der Befruchtung abgebaut werden. Der rein maternale Vererbungsmodus kann für vergleichende genetische Studien und Stammbaumanalysen des Menschen (Genealogie) herangezogen werden.

In Ausnahmefällen kann auch mtDNA des Vaters vererbt werden. Diese paternale mitochondriale Vererbung ist jedoch umstritten und Gegenstand der aktuellen Forschung.^[1][2][3][4]

6 Klinik

Als Folge einer Vererbung mutierter mitochondrialer Gene können sogenannte Mitochondriopathien entstehen (z.B. Kearns-Sayre-Syndrom oder MELAS-Syndrom).

7 Quellen

1. ↑ Giles RE Maternal inheritance of human mitochondrial DNA, Proc Natl Acad Sci U S A. 1980 Nov; 77(11): 6715–6719, abgerufen am 10.09.2020
2. ↑ Schwartz M et al. Paternal Inheritance of Mitochondrial DNA, N Engl J Med 2002; 347:576-580, abgerufen am 10.09.2020
3. ↑ Bandelt H et al. More evidence for non-maternal inheritance of mitochondrial DNA?, J Med Genet. 2005 Dec; 42(12): 957–960, abgerufen am 10.09.2020
4. ↑ Luo S et al. Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans, Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Dec 18; 115(51): 13039–13044, abgerufen am 10.09.2020