Struktur und Organisation der mitochondrialen DNA

Die menschliche mitochondriale DNA ist ein kleines, doppelsträngiges, zirkuläres Molekül von etwa 16.569 Basenpaaren, das einen kompakten Satz von Genen kodiert, die für die oxidative Phosphorylierung essenziell sind. Ihre dichte, nahezu intronfreie Organisation, ihre zwei kompositionell unterschiedlichen Stränge und eine kurze nicht-kodierende Kontrollregion heben sie vom wesentlich größeren Zellkern-Genom ab.

Definition

Mitochondriale DNA (mtDNA) ist das zirkuläre, doppelsträngige, in mehreren Kopien vorliegende Genom, das in Mitochondrien vorkommt; beim Menschen ist sie etwa 16,6 Kilobasen lang und kodiert 13 Polypeptide der Atmungskette, 22 Transfer-RNAs und 2 ribosomale RNAs, mit einer einzigen großen nicht-kodierenden Kontrollregion.

Scope

Dieses Thema beschreibt die physikalische Form, den Geninhalt und die Organisationsmerkmale des mitochondrialen Genoms von Säugetieren, basierend auf der 1981 vollständig entschlüsselten menschlichen Sequenz. Es behandelt die schweren und leichten Stränge, die 37 Gene (13 Protein-kodierende, 22 tRNA, 2 rRNA), die Kontrollregion (D-Loop) und die ökonomische, überlappende Anordnung des Genoms. Replikationsmechanismen oder Vererbung werden nicht behandelt, da diese in verwandten Themen behandelt werden.

Core questions

• Wie groß ist das menschliche mitochondriale Genom und welche physikalische Form hat es?
• Welche Gene kodiert die mtDNA und welche mitochondrialen Proteine werden stattdessen aus Kern-Genen hergestellt?
• Was unterscheidet den schweren Strang vom leichten Strang?
• Was ist die Kontrollregion (D-Loop) und was enthält sie?
• Wie unterscheidet sich die genetische Ökonomie der mtDNA vom Zellkern-Genom?

Key concepts

• Zirkuläres doppelsträngiges Genom (~16,6 kb)
• Schwere (H) und leichte (L) Stränge
• 37 Gene: 13 Protein-kodierend, 22 tRNA, 2 rRNA
• Nicht-kodierende Kontrollregion / Displacement Loop (D-Loop)
• Kompakte, nahezu intronlose Organisation mit überlappenden Genen
• Variabler mitochondrialer genetischer Code
• Revidierte Cambridge-Referenzsequenz (rCRS)

Mechanisms

Die beiden Stränge der mtDNA unterscheiden sich in ihrer Basenzusammensetzung: der Guanin-reiche schwere Strang und der Cytosin-reiche leichte Strang, eine Eigenschaft, die historisch zur Trennung genutzt wurde und sich in ihren unterschiedlichen Genkomplementen widerspiegelt. Die vollständige menschliche Sequenz von 1981 (Anderson und Kollegen) zeigte, dass fast das gesamte Genom kodierend ist, wobei Gene aneinandergrenzen oder sich leicht überlappen, wenige oder keine Introns vorhanden sind und einige Leserahmen Nukleotide teilen; das einzige wesentliche nicht-kodierende Segment ist die Kontrollregion, die Ursprünge und Promotoren beherbergt, die Replikation und Transkription steuern. Das Genom kodiert 13 Untereinheiten der oxidativen Phosphorylierungskomplexe sowie die 22 tRNAs und 2 rRNAs, die für deren Translation innerhalb des Organells benötigt werden, während die restlichen etwa 1.500 mitochondrialen Proteine im Zellkern kodiert und importiert werden. Die parallele Maussequenz (Bibb und Kollegen, 1981) bestätigte diese ökonomische Organisation als ein allgemeines Merkmal von Säugetieren.

Clinical relevance

Die kompakte Organisation der mtDNA bedeutet, dass selbst kleine Sequenzänderungen Gene stören können, die für den Energiestoffwechsel entscheidend sind, und die Lokalisation einer Variante innerhalb von kodierenden, tRNA- oder Kontrollregionen hilft, die biochemischen Konsequenzen zu erklären, die in der klinischen Genetik beschrieben werden. Dieser Eintrag beschreibt die Genomstruktur zur Bildungszwecken und ist keine Grundlage für individuelle genetische Interpretation oder Versorgung.

History

Die Struktur der mtDNA wurde definiert, als Anderson und Kollegen 1981 die vollständige Sequenz des menschlichen mitochondrialen Genoms veröffentlichten, eines der ersten überhaupt sequenzierten Gesamtgenome; diese Arbeit etablierte den Genkatalog, die Strangasymmetrie und den varianten genetischen Code. Die zeitgenössische Maussequenz bestätigte die Organisation bei Säugetieren. Die Referenzsequenz wurde später korrigiert und wird heute als revidierte Cambridge-Referenzsequenz verwendet, anhand derer menschliche Varianten gemeldet werden.

Key figures

• Frederick Sanger
• Sjef Anderson
• David A. Clayton
• Bart G. Barrell

Seminal works

• anderson-1981
• bibb-1981

Frequently asked questions

Wie groß ist das menschliche mitochondriale Genom und wie viele Gene trägt es?

Es ist ein zirkuläres Molekül von etwa 16.569 Basenpaaren, das 37 Gene kodiert: 13, die Proteine der Atmungskette spezifizieren, 22 Transfer-RNAs und 2 ribosomale RNAs.

Werden alle mitochondrialen Proteine von der mtDNA kodiert?

Nein. Nur 13 Polypeptide werden von der mtDNA kodiert; die große Mehrheit der mitochondrialen Proteine wird von Kern-Genen kodiert, im Zytoplasma hergestellt und in das Organell importiert.