Mitochondriale DNA-Replikation und -Umsatz

Mitochondriale DNA wird kontinuierlich und unabhängig vom nukleären Zellzyklus durch einen dedizierten Satz mitochondrialer Enzyme kopiert und abgebaut. Diese entspannte, fortlaufende Replikation und der Umsatz erhalten die mtDNA-Kopienzahl der Zelle und erklären, warum sich mutierte und Wildtyp-Genome im Laufe der Zeit in ihrem Verhältnis ändern können, selbst in Zellen, die sich nicht teilen.

Definition

Die mitochondriale DNA-Replikation und der Umsatz ist das kontinuierliche, zellzyklusunabhängige Kopieren und der Abbau von mtDNA, durchgeführt durch mitochondriale Replikations- und Wartungsproteine, das die Anzahl der mtDNA-Moleküle pro Zelle aufrechterhält und reguliert.

Scope

Dieses Thema behandelt, wie das mitochondriale Genom repliziert und aufrechterhalten wird: die Kontrollregion als Ort der Replikationsursprünge und Promotoren, die Kernreplikationsmaschinerie (die mtDNA-Polymerase, Helikase und Einzelstrang-Bindungsproteine), das Konzept der entspannten Replikation, die vom Zellzyklus entkoppelt ist, und den kontinuierlichen Umsatz, der die Kopienzahl reguliert. Es behandelt nicht den Geninhalt des Genoms (ein verwandtes Strukturthema) oder die Folgen von Replikationsfehlern als Krankheit (ein Mutationsthema), außer am Rande.

Core questions

• Wie wird mitochondriale DNA repliziert, und wo beginnen Replikation und Transkription?
• Welche Proteine bilden die mitochondriale Replikationsmaschinerie?
• Was bedeutet „entspannte“ Replikation und wie unterscheidet sie sich von der nukleären DNA-Replikation?
• Wie wird die mtDNA-Kopienzahl durch fortlaufenden Umsatz aufrechterhalten?
• Warum ermöglicht die zellzyklusunabhängige Replikation eine Verschiebung der Heteroplasmie im Laufe der Zeit?

Key concepts

• Ursprünge und Promotoren der Kontrollregion (D-Loop)
• Entspannte Replikation, entkoppelt vom Zellzyklus
• Mitochondriale DNA-Polymerase Gamma (POLG)
• TWINKLE-Helikase und mitochondriales Einzelstrang-Bindungsprotein
• Kontinuierliche Synthese und Abbau (Umsatz)
• Regulation der mtDNA-Kopienzahl
• Replikative Segregation von Genomen

Mechanisms

Die Replikation der tierischen mtDNA beginnt in der nicht-kodierenden Kontrollregion und wird durch eine kleine dedizierte Maschinerie anstelle des nukleären Replikationsapparats angetrieben: Die mitochondriale DNA-Polymerase Gamma synthetisiert neue Stränge, eine Helikase (TWINKLE) entwindet die Matrize, und ein Einzelstrang-Bindungsprotein stabilisiert den exponierten Strang, wobei die Transkription Primer liefert (Clayton, 1982; Gustafsson und Kollegen, 2016). Die vollständige menschliche Sequenz (Anderson und Kollegen, 1981) lokalisierte die Kontrollregion und ihre regulatorischen Elemente. Entscheidend ist, dass die mtDNA-Replikation „entspannt“ ist; sie läuft während des gesamten Zellzyklus ab und setzt sich sogar in nicht-teilenden, postmitotischen Zellen fort, im Gegensatz zur nukleären DNA, die einmal pro S-Phase kopiert wird. Moleküle werden kontinuierlich synthetisiert und abgebaut, und dieser Umsatz hält die Kopienzahl in einem regulierten Bereich. Da einzelne Moleküle ohne die strenge Buchführung des Zellzyklus repliziert und aufgeteilt werden, können die relativen Anteile von Varianten- und Wildtyp-Genomen driften, wodurch sich die Heteroplasmie im Laufe der Zeit ändern kann.

Clinical relevance

Die Proteine, die mtDNA replizieren und aufrechterhalten, werden selbst im Zellkern kodiert, und Defekte in dieser Maschinerie können die Integrität oder Quantität des mitochondrialen Genoms beeinträchtigen, wodurch die nukleäre Genetik mit der mitochondrialen Funktion verknüpft wird. Das Verständnis der entspannten Replikation und des Umsatzes erklärt auch, wie sich die Anteile mutierter Genome in Geweben über die Lebenszeit ändern können. Dieser Eintrag dient als Bildungshintergrund zur Genomerhaltung und bietet keine klinische oder therapeutische Anleitung.

History

Der Mechanismus der tierischen mtDNA-Replikation wurde maßgeblich durch die Arbeit von David Clayton und Kollegen ab den 1970er Jahren charakterisiert, die die Ursprünge der Kontrollregion kartierten und die Replikation beschrieb, die am Displacement Loop beginnt, zusammengefasst in seiner Übersicht von 1982. Die vollständige menschliche Sequenz von 1981 platzierte diese regulatorischen Elemente auf der Karte. Spätere molekulare Arbeiten identifizierten die Kernwartungsproteine, die Polymerase Gamma, die TWINKLE-Helikase und das mitochondriale Einzelstrang-Bindungsprotein und verfeinerten, wie die Kopienzahl und der Umsatz reguliert werden, wie in modernen Übersichten zusammengefasst.

Key figures

• David A. Clayton
• Nils-Göran Larsson
• Maria Falkenberg
• Claes M. Gustafsson

Seminal works

• clayton-1982
• anderson-1981

Frequently asked questions

Wird mitochondriale DNA nur kopiert, wenn sich eine Zelle teilt?

Nein. Im Gegensatz zur nukleären DNA wird mtDNA kontinuierlich und unabhängig vom Zellzyklus repliziert, sodass sie auch in nicht-teilenden Zellen wie Neuronen und Muskelfasern kopiert und abgebaut wird.

Welches Enzym kopiert mitochondriale DNA?

Die dedizierte mitochondriale DNA-Polymerase Gamma synthetisiert neue mtDNA-Stränge, in Zusammenarbeit mit einer Helikase, die die Matrize entwindet, und einem Einzelstrang-Bindungsprotein, die alle von nukleären Genen kodiert und in die Mitochondrien importiert werden.