ミトコンドリアDNAの構造と構成

ヒトミトコンドリアDNAは、約16,569塩基対の小さな二本鎖環状分子であり、酸化的リン酸化に不可欠な遺伝子群をコンパクトにコードしています。その高密度でほとんどイントロンを含まない構成、組成的に異なる2本の鎖、および短い非コード制御領域は、はるかに大きな核ゲノムとは一線を画しています。

Definition

ミトコンドリアDNA（mtDNA）は、ミトコンドリア内に存在する環状の二本鎖多コピーゲノムであり、ヒトでは約16.6キロベース長で、13個の呼吸鎖ポリペプチド、22個の転移RNA、および2個のリボソームRNAをコードし、単一の主要な非コード制御領域を持っています。

Scope

このトピックでは、1981年に決定された完全なヒト配列に基づいて、哺乳類のミトコンドリアゲノムの物理的形態、遺伝子内容、および構成的特徴について記述します。重鎖と軽鎖、37個の遺伝子（13個のタンパク質コード遺伝子、22個のtRNA、2個のrRNA）、制御領域（Dループ）、およびゲノムの経済的で重複した配置について扱います。複製メカニズムや遺伝については、関連トピックで扱われるため、ここでは扱いません。

Core questions

• ヒトミトコンドリアゲノムのサイズと物理的形態は何ですか？
• mtDNAはどの遺伝子をコードし、どのミトコンドリアタンパク質は代わりに核遺伝子から作られますか？
• 重鎖と軽鎖を区別するものは何ですか？
• 制御領域（Dループ）とは何ですか、また何を含んでいますか？
• mtDNAの遺伝的経済性は核ゲノムとどのように異なりますか？

Key concepts

• 環状二本鎖ゲノム（約16.6 kb）
• 重鎖（H）と軽鎖（L）
• 37個の遺伝子：13個のタンパク質コード遺伝子、22個のtRNA、2個のrRNA
• 非コード制御領域／置換ループ（Dループ）
• コンパクトで、ほとんどイントロンを含まない、遺伝子が重複した構成
• 変異したミトコンドリア遺伝暗号
• 改訂ケンブリッジ参照配列（rCRS）

Mechanisms

mtDNAの2本の鎖は塩基組成が異なります。グアニンに富む重鎖とシトシンに富む軽鎖であり、この特性は歴史的に両者を分離するために利用され、それぞれの異なる遺伝子相補体に反映されています。1981年に発表された完全なヒト配列（Andersonら）は、ゲノムのほぼ全体がコード領域であり、遺伝子が隣接またはわずかに重複し、イントロンがほとんどまたは全くなく、一部のリーディングフレームがヌクレオチドを共有していることを示しました。唯一実質的な非コードセグメントは制御領域であり、複製と転写を制御する起点とプロモーターを宿しています。ゲノムは、酸化的リン酸化複合体の13個のサブユニットに加えて、オルガネラ内での翻訳に必要な22個のtRNAと2個のrRNAをコードしており、残りの約1,500個のミトコンドリアタンパク質は核でコードされ、輸入されます。同時期のマウス配列（Bibbら、1981年）は、この経済的な構成が哺乳類に共通する特徴であることを確認しました。

Clinical relevance

mtDNAのコンパクトな構成は、わずかな配列変化であってもエネルギー代謝に不可欠な遺伝子を破壊する可能性があることを意味し、コード領域、tRNA領域、または制御領域内のバリアントの位置は、臨床遺伝学で記述される生化学的結果を説明するのに役立ちます。この項目は、教育的な方向付けのためにゲノム構造を記述するものであり、個々の遺伝子解釈やケアの根拠となるものではありません。

History

mtDNAの構造は、Andersonらが1981年にヒトミトコンドリアゲノムの完全な配列を発表したときに定義されました。これは、これまでに配列決定された最初の全ゲノムの1つであり、この研究によって遺伝子カタログ、鎖の非対称性、および変異した遺伝暗号が確立されました。同時期のマウス配列は、哺乳類全体にわたる構成を確認しました。参照配列は後に修正され、現在ではヒトのバリアントが報告される際の改訂ケンブリッジ参照配列として使用されています。

Key figures

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

Seminal works

• anderson-1981
• bibb-1981

Frequently asked questions

ヒトミトコンドリアゲノムの大きさはどれくらいで、いくつの遺伝子を持っていますか？

約16,569塩基対の環状分子で、37個の遺伝子をコードしています。そのうち13個は呼吸鎖タンパク質を、22個は転移RNAを、2個はリボソームRNAを規定しています。

すべてのミトコンドリアタンパク質はmtDNAによってコードされていますか？

いいえ。mtDNAによってコードされるポリペプチドは13個のみです。ミトコンドリアタンパク質の大部分は核遺伝子によってコードされ、細胞質で合成されてオルガネラに輸入されます。