Mitochondrijų paveldimumas

mtDNR evoliucija

mtDNR evoliucionuoja tik nuoseklių mutacijų keliu. Taip yra dėl to, nes nėra rekombinacijos. Žmogaus mtDNR nukleotidų evoliucijos greitis daugiau kaip 10 kartų didesnis už branduolio genų evoliucijos greitį . mtDNR mutacijų yra apie 17 kartų daugiau nei branduolyje. Tai aiškinama daugeliu priežasčių:
a) apsauginių histonų nebuvimu;
b) dauguma laisvųjų deguonies radikalų ląstelėje susidaro, veikiant mitochondrijų kvėpavimo grandinei, todėl mtDNR pažeidimo tikimybė yra didelė.
c) tik neseniai nustatyta, kad mitochondrijų užpilde veikia branduolio DNR koduojami mtDNR reparacijos fermentai. Tačiau jų aktyvumas mažas.

Populiacinė mitochondrijų genetika

Branduolio DNR yra du genų rinkiniai. Tačiau viena mitochondrija turi vidutiniškai apie 5 mtDNR, o ląstelėje mitochondrijų skaičius kinta (nuo 100 iki 1000). Kiekvienoje ląstelėje mtDNR molekulių skaičius gali būti kitoks. Todėl mtDNR raiška fenotipe yra labai sudėtinga: 
a) normali mtDNR yra vienoda, t. y. Homoplazminė. 
Homoplazmija vadinamas reiškinys, kai ląstelėje yra vienos rūšies DNR. Tačiau mutavę individai turi labai įvairias atsitiktines normalios ir mutavusios mtDNR dalis. Mutacijos gali būti homoplazminės (100 proc.) arba heteroplazminės. 
Heteroplazmija vadinamas reiškinys, kai ląstelėje po mutacijos susidaro normalių ir pakitusių DNR molekulių mišinys. Mitochondrijos elgiasi tarsi mikroorganizmų populiacija ląstelės viduje. Įvykus motininės ląstelės mutacijai, dukterinės ląstelės paveldi pradinės ir pakitusios DNR atsitiktiniu santykiu. Heteroplazminę mtDNR turinčios motinos skirtingose kiaušialąstėse yra skirtingos pakitusių molekulių skaičius. Todėl jų vaikai paveldi nevienodą mutavusių DNR molekulių skaičių. Jų pasiskirstymas audiniuose, ligų simptomų ryškumas ar net simptomai yra skirtingi. Mutacijos pasireiškimas fenotipe priklauso nuo to, ar dukterinė ląstelė paveldės 20 proc., ar 90 proc. mutavusios DNR. Tam tikrų ląstelių net 70 proc. mutavusi mtDNR nesukelia fenotipo pokyčių. Homoplazminių mutacijų atveju tokio kintamumo tarp palikuonių nėra;
b) mitochondrijų dalijimasis ir mtDNR replikacija yra atsitiktiniai vyksmai, nesusiję su ląstelės ciklu. Dėl to vyksta mitozinė mtDNR segregacija.
mtDNR segregacija – heteroplazminio individo santykinis mutavusios ir nepakitusios mtDNR kiekis gali keistis erdvėje (skirtinguose audiniuose) ir bėgant laikui ( keistis visą gyvenimą, todėl ir simptomai gali ilgainiui keistis). Bėgant metams mtDNR mutacijos gali kauptis individo kūno audiniuose. Tai gali neigiamai veikti organų funkcijas ir sukelti senėjimą.
Replikacinė segregacija vadinamas reiškinys, kai per daugelį ląstelės dalijimosi ciklų normali mtDNR virsta 100 proc. mtDNR arba mutavusi mtDNR virsta visiškai normalia. Todėl tos pačios motinos palikuonių ar heteroplazminio individo audinių mutavusios mtDNR kiekis labai skirtingas (mozaikinė raiška); 
c) fenotipinė mutacinė raiška priklauso nuo organo energijos poreikių. Juo jie didesni, juo mažesnis mitochondrijų bioenergetikos sutrikimų slenkstis. Atsižvelgiant į mitochondrijų svarbą energijos poreikiams tenkinti, organus galima išdėstyti tokia eile: smegenys>širdis>griaučių raumenys>akys>inkstai>endokrininė sistema>kepenys>kraujas,oda. Ligų simptomai atsiranda, kai energijos gamyba neatitinka funkcinių audinio poreikių.