ミトコンドリアDNAは、真核細胞におけるこれらの細胞小器官の内部に位置する小さな円形のDNA分子です。この小さなゲノムは、ミトコンドリア内の非常に限られた数のタンパク質とアミノ酸をコードしています。多くの教科書や科学論文で「ミトコンドリアDNA」という名前は「mtDNA」または英語の「mtDNA」と略されることがよくあります。
ミトコンドリアは、糖の形で消費された食物からのエネルギーを、細胞が使用できるエネルギーの形（ATPなど）に変換する責任があるため、真核細胞にとって不可欠なオルガネラです。
ミトコンドリアDNA（出典：National Human Genome Research Institute、via Wikimedia Commons）
真核生物のすべての細胞は、内部に少なくとも1つのミトコンドリアを持っています。しかし、中には何百ものミトコンドリアを持つことができる心筋細胞や骨格筋細胞などの細胞があります。
ミトコンドリアには、細胞装置とは独立した独自のタンパク質合成装置があり、リボソーム、トランスファーRNA、およびオルガネラの内部からのアミノアシルRNAトランスフェラーゼ合成酵素を備えています。リボソームRNAはそれらを収容する細胞のものよりも小さいですが。
そのような装置は、細菌のタンパク質合成の装置と非常に類似している。さらに、原核生物と同様に、この装置は抗生物質に非常に敏感ですが、真核細胞でのタンパク質合成の装置とは非常に異なります。
「ミトコンドリア」という用語は12世紀の終わりにベンダによって導入され、「内共生」の理論はその起源について最も広く受け入れられています。これは1967年にTheory of Theoretical BiologyのLynn Margulisによって出版されました。
「内共生」の理論は、数百万年前のミトコンドリアの起源を示しています。真核細胞の細胞の祖先が「飲み込まれ」、細菌のような生物をその代謝に組み込んだことが理論化されており、それは後にミトコンドリアとして現在知られているものになった。
特徴
哺乳動物では、一般にミトコンドリアDNAを含むゲノム全体が、15,000から16,000ペアのヌクレオチド、または同じものである場合は15から16 Kb（キロベース）の環状染色体に編成されます。
ほとんどのミトコンドリア内では、ミトコンドリア染色体の複数のコピーを取得できます。ヒトの体細胞（非性細胞）では、ミトコンドリア染色体のコピーを少なくとも100個見つけることが一般的です。
高等植物（被子植物）では、ミトコンドリアDNAは通常はるかに大きく、たとえばトウモロコシ植物では、ミトコンドリアDNAの環状染色体は570 Kbまで測定できます。
ミトコンドリアDNAは、ほとんどの脊椎動物の体細胞の総DNAの約1％を占めています。それは、多様性のある植物で観察されるものとは対照的に、動物界で高度に保存されたDNAです。
哺乳類の胚珠（雌性細胞）などのいくつかの「巨大な」真核細胞、または多くのミトコンドリアを含む細胞では、ミトコンドリアDNAが全細胞DNAの最大3分の1を占めることがあります。
ミトコンドリアDNAには、核DNAとは異なるいくつかの特性があります。グアニン-シトシン（GC）とアデニン-チミン（AT）の塩基対の密度と比率が異なります。
ミトコンドリアDNAのGC塩基対密度は1.68 g / cm3で、含有量は21％です。核DNAの場合、この密度は1.68 g / cm3で、含有量は約40％です。
特徴
ミトコンドリアDNAは、ミトコンドリアの正常な機能に不可欠な少なくとも37の遺伝子を持っています。これらの37のうち、13は酸化的リン酸化に関与する酵素を生成するための情報を持っています。
これらの13の遺伝子は、電子伝達鎖に属し、ミトコンドリアの内膜にある酵素複合体の13のポリペプチド成分をコードします。
ミトコンドリアDNAが電子輸送鎖に寄与する13のポリペプチドにもかかわらず、それは100以上の異なるポリペプチドで構成されています。ただし、これらの13のコンポーネントは、酸化的リン酸化と電子輸送チェーンに不可欠です。
ミトコンドリアDNAの概略図（出典：Mikibc〜commonswiki、Wikimedia Commons経由）
ミトコンドリアDNAから合成される13のポリペプチドの中で、シトクロムCオキシダーゼ複合体のI、II、IIIサブユニットと、オルガネラの内膜に埋め込まれたATPaseポンプのVIサブユニットが際立っています。
ミトコンドリアを構成する残りの成分の合成に必要な情報は、核遺伝子によってコードされています。これらは、他の細胞タンパク質と同様に細胞質で合成され、特定のシグナルによりミトコンドリアに取り込まれます。
酸化的リン酸化では、酸素やグルコースなどの糖原子が、すべての細胞がエネルギー源として使用する化学種であるアデノシン三リン酸（ATP）の合成または形成に使用されます。
残りのミトコンドリア遺伝子には、トランスファーRNA（tRNA）、リボソームRNA、およびミトコンドリア内でのタンパク質合成に必要な酵素アミノアシルRNAトランスフェラーゼ合成酵素（tRNA）を合成するための指示があります。
遺産
比較的最近まで、ミトコンドリアDNAは、母性の遺伝、つまり母親からの直接の伝染によってのみ伝染すると考えられていました。
しかし、2019年1月に米国国立科学アカデミーのジャーナルProceedings of the United States of Sciences（PNAS）でShiyu Luoと同僚が発表した記事では、まれにミトコンドリアDNAが両方の親から継承されることがわかった母親のように父の。
この記事が発表される前は、科学者にとって、Y染色体とミトコンドリアDNAがそのまま父親と母から子孫に受け継がれていることは事実でした。
ミトコンドリア遺伝子のY染色体の遺伝子の「完全な」遺伝は、前記遺伝物質が組換えによって変化せず、長年にわたって自然突然変異によってのみ変化することを意味するため、その変化は非常に低い。
このため、たとえば、遺伝学者がミトコンドリアDNAを使用して家系図を構築するのは簡単なので、ほとんどの集団動員研究はこれらの遺伝子に基づいて行われます。
人類の歴史の多くは、ミトコンドリアDNAの遺伝的歴史を通じて再構築されてきました。多くのビジネスハウスは、これらの特性を研究する手法を通じて、各生存者とその祖先との家族の絆を明らかにすることを提案しています。
レプリケーション
ミトコンドリアDNA複製の最初のモデルは、1972年にVinogradと共同研究者によって提案されましたが、このモデルはまだ有効ですが、いくつか変更があります。概して、このモデルは、2つの異なる複製元で始まる一方向複製に基づいています。
科学者は、ミトコンドリアの染色体を2つの異なる鎖に分類します。英語の「重い」の重鎖HまたはOHと英語の「軽い」の軽鎖LまたはOLです。これらは識別され、ミトコンドリア染色体上の2つの割り当てられていないオープンリーディングフレーム（URF）に配置されます。
ミトコンドリアゲノムの複製は、重鎖（OH）で始まり、軽鎖（OL）の全長が生成されるまで一方向に続きます。続いて、「ミトコンドリア一本鎖DNA結合タンパク質」と呼ばれるタンパク質を付着させ、「親」または「テンプレート」として機能する鎖を保護します。
複製の分離に必要な酵素（レプリカコソーム）が光バンド（OL）に渡され、ミトコンドリア一本鎖DNA結合タンパク質の結合をブロックするループ構造が形成されます。
このループでミトコンドリアRNAポリメラーゼが結合し、新しいプライマーの合成が始まります。重鎖（OH）合成への移行は、25ヌクレオチド後に発生します。
重鎖（OH）への移行時に、ミトコンドリアRNAポリメラーゼは、複製が最初に開始された3 '末端でミトコンドリア複製DNAポリメラーゼに置き換えられます。
最後に、重鎖（OH）と軽鎖（OL）の両方の鎖の合成は、二本鎖（二本鎖）DNAの2つの完全な環状分子が形成されるまで継続的に行われます。
関連する病気
ミトコンドリアDNAの機能不全に関連する多くの病気があります。ほとんどは、ゲノムに含まれる配列または情報に損傷を与える突然変異によって引き起こされます。
加齢に伴う難聴
ミトコンドリアDNAゲノムの変化に直接関連している最もよく研究されている疾患の1つは、加齢による難聴です。
この状態は、遺伝的、環境的、およびライフスタイルの要因の産物です。人が加齢するにつれて、ミトコンドリアDNAは、欠失、転座、逆位などの有害な変異を蓄積します。
ミトコンドリアDNAの損傷は、主に活性酸素種の蓄積によって引き起こされます。これらはミトコンドリアでのエネルギー生成の副産物です。
ミトコンドリアDNAには修復システムがないため、特に損傷を受けやすくなっています。したがって、活性酸素種によって引き起こされる変化はミトコンドリアDNAを損傷し、細胞小器官を機能不全にさせ、細胞死を引き起こします。
内耳の細胞はエネルギーに対する需要が高いです。この要求により、ミトコンドリアDNA損傷に特に敏感になります。これらの損傷は、内耳の機能を不可逆的に変化させ、聴力を完全に失う可能性があります。
がん
ミトコンドリアDNAは、体細胞変異、つまり両親から受け継がれない変異に特に敏感です。これらのタイプの突然変異は、人の生涯を通じて一部の細胞のDNAで発生します。
体細胞変異に起因するミトコンドリアDNAの変化を特定の種類の癌、乳腺、結腸、胃、肝臓、腎臓の腫瘍と関連付ける証拠があります。
ミトコンドリアDNAの変異は、白血病などの血液がんやリンパ腫（免疫系の細胞のがん）とも関連しています。
スペシャリストは、ミトコンドリアDNAの体細胞変異を、ミトコンドリアDNA損傷を増加させ、細胞増殖の制御の欠如を引き起こす要因である活性酸素種の産生の増加と関連付けています。
これらの突然変異が細胞の制御されない細胞分裂をどのように増加させるか、そしてそれらがどのようにして癌性腫瘍として発生するかについてはほとんど知られていない。
周期性嘔吐症候群
小児期に典型的な循環性嘔吐のいくつかの症例は、ミトコンドリアDNAの変異に関連していると考えられています。これらの変異は、悪心、嘔吐、疲労感や嗜眠を繰り返し引き起こします。
科学者はこれらの嘔吐エピソードを、ミトコンドリアDNAが損傷したミトコンドリアが自律神経系の特定の細胞に影響を与え、心拍数、血圧、消化などの機能に影響を与える可能性があるという事実と関連付けています。
これらの関連にもかかわらず、ミトコンドリアDNAの変化が循環性嘔吐症候群の再発エピソードをどのように引き起こすかはまだ明らかではありません。
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