Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik
Autoren
J. Arnemann

Mitochondriale DNA

Mitochondriale DNA
Synonym(e)
mtDNA
Englischer Begriff
mitochondrial DNA
Definition
Mitochondriale DNA (mtDNA) ist eine zirkuläre, doppelsträngige DNA, die bei Eukaryoten ausschließlich in den Mitochondrien des Zytoplasmas vorkommt.
Beschreibung
Die zirkuläre mitochondriale DNA (mtDNA) besteht aus 16.569 Basenpaaren und kodiert für 37 Gene. Aufgrund der zytoplasmatischen Lokalisation der Mitochondrien werden diese Organellen und damit auch die mtDNA ausschließlich mütterlicherseits mit dem Zytoplasma der Eizelle vererbt, zumal die Spermien bei der Befruchtung nur mit dem Zellkern in die Eizelle eindringen. In einem Mitochondrium befinden sich 2–10 separate DNA-Moleküle, die keinerlei Rekombination miteinander unterliegen. In einer Zelle befinden sich ca. 100–10.000 Mitochondrien, in einer Eizelle geschätzt sogar über 100.000. Die mtDNA repliziert sich unter Ausbildung eines D-Loops („displacement loop“) im nicht kodierenden Abschnitt des mtDNA-Moleküls, das auch als Kontrollregion bezeichnet wird. Der D-Loop ist ein kurzes, vom H-Strang repliziertes DNA-Molekül, das über einen kurzen Abschnitt einen dritten Strang ausbildet, der hilft, das zirkuläre Molekül zu öffnen und als Startsegment für die Replikation dient.
Während die mtDNA überwiegend sehr konserviert ist, ist diese spezielle Kontrollregion in seiner Basenzusammensetzung sehr variabel und daher bevorzugtes Ausgangsmaterial für evolutionäre Abstammungsanalysen.
Die beiden Stränge der mtDNA werden als H- („heavy“) und L- („light“) Strang bezeichnet, wobei der H-Strang reich an Guanin-, der L-Strang reich an Cytosin-Molekülen ist. Beide Stränge werden transkribiert, wobei der H-Strang für 28 und der L-Strang für 9 der 37 Gene kodieren. Nur 13 Gene kodieren für ein Protein, während 22 Gene für tRNA (Transfer-RNA-Moleküle) und 2 Gene je für eine große (16S) und kleine (12S) Untereinheit der mitochondrialen ribosomalen RNA (rRNA) kodieren.
Die Replikation der mtDNA geht meist einher mit einer Zellteilung bzw. Replikation der Kern-DNA.
Ein Sonderfall stellen Mutationen in der mitochondrialen DNA dar. So zeigt eine einzelne Mutation in der mtDNA eines Mitochondriums keinen Effekt, jedoch, wenn es über zahlreiche Replikationszyklen zu einer ungleichförmigen Verteilung und Anreicherung dieser Mutationen (Heteroplasmie) kommt, wird oftmals eine Schwelle zur pathogenen Funktion dieser Zellen überschritten und eine sog. mitochondriale Erkrankung verursacht.
Literatur
Schon EA et al (2012) Human mitochondrial DNA: roles of inherited and somatic mutations. Nat Rev Genet 13:878–890CrossRefPubMedPubMedCentral
Wallace DC (1994) Mitochondrial DNA sequence variation in human evolution and disease. Proc Natl Acad Sci USA 91:8739–8746CrossRefPubMed