מידע גנטי מצוי בגרעין התא האאוקאריוטי ובמיטוכונדריה. בראשית המאה ה-20 הוצע על ידי קונסטנטין מרז'קובסקי (Mereschkowski) ברוסיה ובאופן בלתי תלוי על ידי איוון ואלין (Wallin) בארצות הברית, ובמיוחד על ידי הביולוגית לין מרגוליס בשנות ה-60 של המאה ה-20, כי מקורו של המיטוכונדריון הוא בחיידק מסוג אלפא-פרוטאובקטריה (α–proteobacterium), אשר אוחה לפני למעלה מ-2.5 ביליון שנים לתא קדום, שהיווה מקור לתא האאוקריוטי, כנראה ארכאה. תאוריה זו קרויה התיאוריה האנדוסימביוטית, ועל פיה במיטוכונדריון נותרו מספר מרכיבים המרמזים על המקור החיידקי שלו: ממברנה כפולה, ריבוזום ייעודי ומבנה מעגלי של הגנום המיטוכונדרי. במהלך האבולוציה, צומצם הגנום המיטוכונדרי כתוצאה מאובדן של חומר גנטי - הן כתוצאה מברירה טבעית והן כתוצאה מהעברת גנים לגנום הגרעיני. על כן, מרבית החלבונים הדרושים לפעילותו של המיטוכונדריון מקודדים בגרעין התא (~1500 חלבונים שונים ביונקים) והם מתועתקים על ידי הגנום הגרעיני ומועברים למיטוכונדריון לצורך פעילותו. האנדוסימביוזה הובילה לתלות הדדית של המיטוכונדריון והתא, המתבטאת בחוסר אפשרות לגדל את המיטוכונדריה מחוץ לתא, או תאים אאוקריוטיים ללא מיטוכונדריה.
שכפול.
הדנ"א המיטוכונדרי משוכפל על ידי דנ"א פולימרז ייחודי מסוג גמא, קומפלקס חלבוני המורכב משתי תתי יחידות: תת-יחידה קטליטית המקודדת על ידי הגן POLG , ותת-יחידה מבנית המקודדת על ידי הגן POLG2 . בנוסף, בתהליך השכפול משתתפים גם החלבון המיטוכונדרי Twinkle המשמש כהליקאז (חלבון פורם סליל כפול, הפועל בכיווניות של '5 ל-'3), וחלבונים המעודדים את תחילת פעילותו של ההליקאז (SSBs – Single-stranded binding protein). החלבונים המשתתפים בתהליך מתועתקים בגרעין ומובלים למיטוכונדריה כחלבונים לצורך התחלת תהליך השכפול.
תיעתוק.
תהליך התיעתוק של הדנ"א מיטוכונדרי הוא בעל מאפיינים פרוקריוטים: זהו תיעתוק פוליציסטרוני (רב גני) אשר מתחיל משלושה פרומוטורים; שניים אשר מבקרים את תיעתוק "הגדיל הכבד" (HSP1 ו-Heavy strand promoters - HSP2), ואחד אשר מבקר את תיעתוק "הגדיל הקל" (light strand promoter, LSP). מקטעים המתועתקים מ-HSP1 הם יחסית קצרים וכוללים את שני הרנ"א הריבוזומלים (12s ו-16S) ושני רנ"א מוביל (tRNAPhe ו-tRNAVal), ואילו מקטעים המתועתקים מה-LSP ו-HSP2 כוללים את מרבית הדנ"א המיטוכונדרי. כל הפרומוטורים ממוקמים על ה-displacement loop או ה-D-loop שהוא האזור הבקרתי העיקרי של הדנ"א המיטוכונדרי. עיבוד מקטעי ה-mtDNA שתועתקו למולקולות mRNA, tRNA ו-rRNA בודדות (לרב) מתרחש במקביל או מיד לאחר התיעתוק הפוליציסטרוני.
תהליך התיעתוק של הדנ"א המיטוכונדרי תלוי בקבוצה של חלבונים אשר מתועתקים ומתורגמים בגרעין התא ולאחר מכן מועברים למיטוכונדריה: הרנ"א פולימרז המיטוכונדרי (POLRMT), הדומה ברצף ובמבנה לרנ"א פולימרז של T7 בקטריופג', פקטור התעתוק המיטוכונדרי B2 (TFB2M), פקטור תיעתוק מיטוכונדרי A (TFAM), פקטור הארכה מיטוכונדרי (TEFM) ופקטור סיום תיעתוק מיטוכונדרי (MTERF). הפקטורים A, B2 וה-POLRMT (מלבד MTERF) נקשרים לפרומוטורים באזור ה-D-loop ומוליכים לתחילת התיעתוק הפוליציסטרוני לאחר גיוס של TEFM.
בשנים האחרונות, מצטברות עדויות שונות לפיהן קיימים גורמים נוספים במסגרת תהליך התיעתוק של הדנ"א המיטוכונדרי, המתועתקים בגרעין ומובלים למיטוכונדריה.
הורשה מיטוכונדרית.
ביצורים רב תאיים הגנום המיטוכונדרי עובר בתורשה אך ורק מן האם לצאצאים (הורשה אימהית) ואיננו עובר תהליכי שחלוף. המיטוכונדריה בתא משתכפלות באופן עצמאי הנפרד מן הגרעין, ויוצרות אוכלוסייה תוך תאית, אשר מתפצלת בין תאי הבת כאשר התא מתחלק. בעת ההפריה, הזיגוטה הראשונית הנוצרת מכילה בעיקר מיטוכונדריה מתא הביצית; מספר עותקי הדנ"א המיטוכונדרי בתא זרע נמוך מאוד לעומת הביצית (ביצית מכילה מספר ממוצע של 200,000 עותקים של דנ"א מיטוכונדרי בעוד זרע מכיל בממוצע 100 עותקים ביונקים). לאחר ההפריה נהרס הדנ"א המיטוכונדרי אשר מקורו בזרע באופן מכוון. על כן, המיטוכונדריה של הצאצאים מקורן באם בלבד, ורצף הדנ"א המיטוכונדרי ידמה לזה של האם מלבד מוטציות שיכולות להיווצר ולהצטבר בחלק מאוכלוסיית המיטוכונדריה במהלך החיים. אופן ההורשה של הדנ"א המיטוכונדרי מאפשר התחקות אחר השושלת האימהית של הפרט ומשמש במחקרים גנטיים לקביעת קרבה בין יצורים או שיוכם לקבוצות גנטיות שונות במסגרת האוכלוסייה.
הטרופלזמיה.
הטרופלזמיה היא מצב בו אוכלוסיית הדנ"א המיטוכונדרי אינה אחידה מבחינת רצף הנוקלאוטידים בתוך התא, בין תאים באותה רקמה ובין רקמות ביצור השלם. מקורן של מוטציות הטרופלזמיות יכול להיות מהצטברות שינויים הקשורה לגיל הפרט או משונות מורשת (שהייתה כבר בביצית טרם ההפריה). הבדל בתבנית ההטרופלזמיה (רמת מוטציה מסוימת, או הבדל במגוון המוטציות) בין תאים, בין מיטוכונדריה באותו תא ובין רקמות יכול לנבוע מחלוקת התאים והתפצלות אקראית של המיטוכונדריה בין תאי הבת. כתוצאה מכך, מוטציות יכולות להופיע בכל העותקים של הדנ"א המיטוכונדרי (הומופלזמיה) או רק בחלק מהם (הטרופלזמיה).
מוטציות המתרחשות באזורים הבלתי-מקודדים בדנ"א המיטוכונדרי (כ-7%) אינן מנופות במהירות בברירה טבעית, כיוון שרובן אינו מזיק באופן משמעותי לאורגניזם, ומשום כך יש להן סיכוי טוב יותר להיות מורשות ולהשתלט על אוכלוסיית המיטוכונדריה בתהליך של סחף גנטי.
בשלב מוקדם של ההתפתחות של העובר הנקבי נוצר צוואר בקבוק גנטי המשפיע על רמת ההטרופלזמיה בתאים שיתפתחו להיות תאי הנבט הנקביים (pre-migratory germ cells). צוואר בקבוק זה מבטיח מחד, כי מוטציות מסוימות יורשו לעיתים רחוקות יותר לצאצאים, אבל באותה מידה המוטציות המועברות לדורות הבאים, יתבססו באוכלוסייה תוך דורות מספר, בתנאי שהן לא מזיקות באופן שיפגע ביכולת הצאצאים לשרוד.
tRNA במיטוכונדריה וקוד גנטי ייחודי.
בנוסף לקוד הגנטי האוניברסלי, במיטוכונדריה קיימים מספר הבדלים בהשוואה לגרעין התא המתבטאים בכמות קטנה יותר של רנ"א מוביל והבדלים בקוד הגנטי. במרבית היצורים רצפיהם של קודוני סיום תרגום חלבון הם 'UAA', 'UAG' ו- 'UGA' אולם בדנ"א המיטוכונדרי של חולייתנים, הרצף 'UGA' מקודד לחומצה האמינית טריפטופן. בנוסף, הרצף 'AUA' מקודד לחומצה האמינית איזולאוצין ברוב האורגניזמים ואילו במיטוכונדריה קודון זה מקודד לחומצה האמינית מתיונין
הקוד הגנטי המיטוכונדרי:
מבנה הגנום המיטוכונדרי ביצורים שונים.
ניתן לסווג את הגנום המיטוכונדרי ל־6 קבוצות שונות המאופיינות על ידי הבדלים במבנה מעגלי או ליניארי, גודל, נוכחות אינטרונים והאם החומר הגנטי ארוז במולקולה יחידה או אוסף של מולקולות הומוגניות או הטרוגניות – אוסף מולקולות שכל אחת מהן יכיל מספר גנים קטן. במרבית היצורים ה-DNA המיטוכונדרי מהווה מולקולה אחידה ויחידה, אבל במספר יצורים תוארו מספר פלסמידים המחלקים ביניהם את התוכן הגנטי של ה-DNA המיטוכונדרי; דוגמה לכך – אוסף מולקולות חד/דו גניות בכיני הראש הכוללות יחד את תוכן הדנ"א המיטוכונדרי המצוי ברב החרקים.
ארגון הגנום המיטוכונדרי ביצורים רבי תאים (מטזואה):
מוטציות ומחלות באדם.
מחלות מיטוכונדריות נגרמות בשל מוטציות (מורשות או נרכשות) בדנ"א המיטוכונדרי או בדנ"א הגרעיני המקודד לגנים המשמשים לפעילותן של המיטוכונדריה. קיומה של מוטציה ברצף הדנ"א המיטוכונדרי יכול לגרום למחלות שונות בהתאם למידת הפגיעה בפעילות המיטוכונדריה וברקמות בהן מצויה המיטוכונדריה הפגומה, ובהתאם לרמת ההטרופלזמיה. מחלה מיטוכונדרית הנובעת ממוטציה הטרופלזמית תתפרץ כאשר מספר המיטוכונדריה הפגומות מגיע לסף שממנו והלאה תיפגע הפעילות המיטוכונדרי בתא, ברקמה וביצור. ככלל, מוטציות נקודתיות בדנ"א המיטוכונדרי ייגרמו לפנוטיפ מחלתי אם רמת ההטרופלזמיה שלהן עובר את ה-85%, והסף הפנוטיפי של חסרי מקטעים בדנ"א המיטוכונדרי הוא כ-60%. תדירות המחלות המיטוכונדריות באדם הוערכה בכ-1/5000 לידות עם צאצא חי .
מחלת ה-LHON (Leber hereditary optic neuropathy) היא המחלה הראשונה שדווחה כנובעת ממוטציות בדנ"א המיטוכונדרי המורשת מהאם לצאצאיה. בשנת 1988 זוהו שלוש מוטציות נקודתיות שונות הפוגעות בתתי יחידות של קומפלקס I בשרשרת הזרחון החמצוני המקודדים בדנ"א המיטוכונדרי ; כתוצאה ממוטאציות אלה תואר ניוון של תאי גנגליון ברשתית ואובדן ראייה חלקי או מלא בחולים. המחלה נחשבת לאחת המחלות השכיחות ביותר שנגרמות ממוטציה מסוג missense (שינוי חומצה אמינית) ברצף גנים בדנ"א המיטוכונדרי.
שימוש במעבדה לזיהוי פלילי ומחקר היסטורי.
הדנ"א המיטוכונדרי יכול לשמש ככלי במסגרת זיהוי פלילי של פרטים. במעבדות לזיהוי פלילי נעשה שימוש בדנ"א המיטוכונדרי לצורך זיהוי שרידים אנושיים, חקירות נעדרים, אסונות המונים ובחקירות משפטיות אחרות בהן מעורבים דגימות עם חומר ביולוגי מוגבל.
מאחר שמרבית התאים האאוקריוטים מכילים מאות עותקים של דנ"א מיטוכונדרי (לעומת שני עותקים של דנ"א כרומוזומלי בגרעין) קיים סיכוי גדול יותר לקבלת דגימה המתאימה לצורכי זיהוי. כמו כן, בשל אופן הורשתו של הדנ"א המיטוכונדרי דרך קו הנבט האימהי, ניתן לערוך השוואה בין דגימות שונות תוך התבססות על שושלת אימהית גם אם מספר רב של דורות מפרידים בין הנבדקים.