Mitochondrial DNA

Il DNA mitocondriale (mtDNA) è il materiale genetico presente all'interno dei mitocondri, gli organelli delle cellule eucariotiche che convertono l'energia chimica dei composti organici in ATP. Mentre la maggior parte del DNA di una cellula risiede nel nucleo (e, nelle piante e nelle alghe, anche nei plastidi come i cloroplasti), il mtDNA costituisce solo una piccola frazione. Esso codifica per 13 subunità essenziali del sistema di fosforilazione ossidativa, coinvolto nella conversione dell'energia cellulare.

Il mtDNA umano è stata la prima porzione importante del genoma umano ad essere sequenziata, rivelando 16.569 paia di basi che codificano per 13 proteine. Come in altri vertebrati, il codice genetico mitocondriale umano differisce leggermente da quello del DNA nucleare. Poiché il mtDNA animale si evolve più rapidamente dei marcatori genetici nucleari, è uno strumento chiave in filogenetica e biologia evolutiva. Aiuta anche a tracciare le relazioni tra popolazioni, rendendolo prezioso in antropologia e biogeografia.

Si ritiene che il DNA nucleare e quello mitocondriale abbiano origini evolutive separate. La teoria endosimbiotica propone che il mtDNA derivi dai genomi circolari di batteri inglobati dagli antenati delle moderne cellule eucariotiche. Oggi, la stragrande maggioranza delle proteine mitocondriali (circa 1.500 tipi nei mammiferi) è codificata dal DNA nucleare, sebbene molti di questi geni si ritengano di origine batterica e siano stati trasferiti al nucleo nel corso dell'evoluzione.

Il motivo per cui i mitocondri trattengono alcuni geni è dibattuto. Alcune specie possiedono organelli derivati dai mitocondri privi di genoma, suggerendo che la perdita completa di geni sia possibile e che il trasferimento dei geni al nucleo offra vantaggi. Un'ipotesi è che i prodotti proteici idrofobici siano difficili da indirizzare a distanza al mitocondrio; un'altra è che la colocalizzazione permetta una regolazione redox localizzata. Recenti analisi di molti genomi di mtDNA suggeriscono che entrambi i fattori possano determinare quali geni vengono trattenuti.

In tutti gli organismi, esistono sei tipi principali di genoma mitocondriale, classificati in base alla struttura (circolare o lineare), alle dimensioni, alla presenza di introni o strutture simili a plasmidi e al fatto che il materiale genetico sia una singola molecola o un insieme di molecole omogenee o eterogenee. In molti organismi unicellulari (ad esempio, il ciliato Tetrahymena e l'alga verde Chlamydomonas reinhardtii), e raramente in quelli pluricellulari (ad esempio, alcuni Cnidari), il mtDNA è lineare.

La maggior parte dei mtDNA lineari possiede telomeri indipendenti dalla telomerasi con diverse modalità di replicazione, rendendoli soggetti di ricerca interessanti poiché molti di questi organismi unicellulari sono patogeni. La maggior parte degli animali bilateri ha un genoma mitocondriale circolare, sebbene i cladi Medusozoa e Calcarea includano specie con cromosomi lineari. Con poche eccezioni, gli animali hanno 37 geni nel loro mtDNA: 13 per le proteine, 22 per i tRNA e 2 per gli rRNA.

I genomi mitocondriali animali hanno in media circa 16.000 paia di basi. L'anemone Isarachnanthus nocturnus possiede il mtDNA animale più grande conosciuto, con 80.923 pb, mentre la ctenofora Vallicula multiformis ha il più piccolo, con 9.961 pb. Nel febbraio 2020, è stato scoperto che un parassita affine alle meduse, Henneguya salminicola, è privo di genoma mitocondriale ma conserva organelli correlati ai mitocondri. I geni nucleari per la respirazione aerobica e la replicazione e trascrizione del mtDNA erano assenti o pseudogeni, rendendolo il primo organismo multicellulare conosciuto a vivere completamente senza dipendenza dall'ossigeno.

Il crostaceo Armadillidium vulgare possiede un mtDNA insolitamente grande, circa 30 kb in più rispetto alla media dei crostacei, rendendolo un organismo modello nella ricerca sul mtDNA. Piante e funghi hanno tre tipi di genoma mitocondriale. Il primo è un genoma circolare con introni (tipo 2), che va da 19 a 1.000 kbp. Il secondo è un genoma circolare (20–1.000 kbp) con una struttura simile a un plasmide (1 kb) (tipo 3).

Il terzo è un genoma lineare di molecole di DNA omogenee (tipo 5). Il contenuto genico e le dimensioni variano notevolmente tra funghi e piante, sebbene un sottoinsieme centrale di geni sia presente in tutti gli eucarioti (eccetto quelli privi di mitocondri). Nei funghi, nessun singolo gene è condiviso tra tutti i mitogenomi. Alcune piante hanno genomi mitocondriali enormi; il mtDNA di Silene conica contiene fino a 11.300.000 paia di basi, ma ha lo stesso numero e tipo di geni di piante affini con mtDNA molto più piccolo.

Il cetriolo (Cucumis sativus) ha tre cromosomi mitocondriali circolari (1.556, 84 e 45 kilobasi), ciascuno in gran parte autonomo nella replicazione. I protisti hanno i genomi mitocondriali più diversificati, con cinque diversi tipi. I tipi 2, 3 e 5 (presenti in piante e funghi) si trovano anche in alcuni protisti, insieme a due tipi unici: una collezione eterogenea di molecole di DNA circolare (tipo 4) e una collezione eterogenea di molecole lineari (tipo 6).