DNA mitokondrial

DNA mitokondriala (DNAmt edo mDNA) mitokondrioetan dagoen DNA da. Mitokondrioa zelula eukariotoetan aurkitzen den organulu bat da, zeinak elikagaietatik abiatuz energia kimikoa sortzen duen (ATP moduan, adibidez).  DNA mitokondriala zelula eukariotoen DNAren zati txiki bat baino ez da; izan ere, DNAren zatirik handiena zelularen nukleoan dago (DNAn). Landare eta algetan ordea, DNA plastidoetan ere aurkitzen da, hala nola, kloroplastoetan.

Sekuentziatu zen giza genomaren lehen zati garrantzitsuena DNA mitokondriala izan zen. Sekuentziazio honen arabera, DNAmt-ak 16.569 base-pare ditu eta 13 proteina kodetzen ditu.

Animalien DNAmt-ak markatzaile genetiko nuklearrek baino azkarrago eboluzionatzen duenez,  filogenetikaren eta biologia ebolutiboaren funtsezko oinarri da. Populazioen arteko harremana ere azter daiteke; hori dela eta, antropologian eta biogeografian garrantzi handia du.

Jatorria 
DNA mitokondrialaren jatorri ebolutiboa berezia da; uste denez, DNAmt-a zelula eukarioto arbasoek irentsitako bakterioen genoma zirkularretik eratorria da. Teoria honi teoria endosinbiotiko deritzo.  DNA mitokondrialak (DNAmt) eta DNA nuklearrak (DNAn) kodetzen dituzte mitokondrioko proteinak. Hala ere, mitokondrioko proteinak kodetzen dituen DNAn-ren gene askok jatorria bakterioetan dutela uste da; eboluzioan zehar gene hauek nukleoko genoman txertatzen joan dira.

Genomaren egitura eta dibertsitatea 
Organismo guztiak kontuan hartuta, genoma-mitrokondrialaren 6 genoma-mota bereizten dira, sailkapen hori egiteko ezaugarri hauek hartzen dira kontuan: egitura (zirkularra edo lineala), tamaina,  plasmidoen antzeko egiturak edo introiak, eta material genetikoa molekula berezi bat edo molekula talde homogeneo edo heterogeno izatea.

Animaliak 
Animalia gehienek, bereziki bilateroek, mitokondrio-genoma zirkularra dute. Hala ere, medusozoa eta calkarea kladoen mitokondrioak kromosoma linealak dituzte. 

Base-pareei dagokienez, Isarachnanthus nocnus anemonak du animalia ororen genoma mitokondrialik handiena, 80,923 pb-ra heltzen da. 

2020ko otsailean, marmokekin zerikusia duen parasito bat aurkitu zen, Henneguya salminicola alegia. Parasito honek ez du ez mitokondriorik ezta genoma mitokondrialik ere, baina baditu mitokondrioarekin zerikusia duten organulutzat jotzen diren egiturak. Gainera, ez ditu arnasketa aerobikoan eta DNAren erreplikazioan eta transkripzioan parte hartzen duten DNA nuklearrarren generik; eta agertzen badira, gene hauek pseudogene moduan agertzen dira. Orokorrean, organismo zelulanitz guztiek arnasketa aerobikoa egiten dute, parasito hau ordea salbuesoen bat da. Izan ere, arnasketa aerobikorik ez duen organismo zelulanitz bakarra da eta oxigenoarekiko mendekotasunik gabe bizi da erabat.

Landare eta Onddoak 
Hiru genoma mitokondrial mota partekatzen dituzte landare eta onddoek. Lehenengo mota genoma zirkular bat da, intronak ditu (goiko taulan azaldutako 2. genoma mota), eta 19 eta 1000 kbp arteko luzera izan dezake. Bigarren genoma mota zirkularra da (20-1000 kbp inguru), eta plasmidoaren antzeko egitura du (1 kbp) (3. genoma mota). Landare eta onddoetan aurkitu daitekeen azken genoma DNA molekula homogeneoz (5. genoma mota) osatutako genoma lineala da.

DNAmt-ko geneen edukian eta tamainan aldaketa handiak daude onddo eta landareen artean. Hala ere, badirudi eukarioto guztietan agertzen den geneen oinarrizko azpimultzo bat dutela landare eta onddoek (mitokondriorik ez dutenek izan ezik).  Zenbait landare-espeziek mitokondrio-genoma izugarriak dituzte, eta Silene conica espeziearen DNAmt-ak 11,300.000 base-pare ditu.

Harrigarria bada ere, DNAmt ikaragarri horiek dituzten espezieak eta DNAmt askoz txikiagoak dituzten espezieak gene-kopuru eta -mota berberak dituzte. 

Pepinoaren (Cucumis sativus)  mitokondrioko genomak hiru kromosoma zirkular ditu (1556, 84 eta 45 kbp luzerak), eta guztiz edo erabat autonomoak dira erreplikazioari dagokionez.

Protistoak 
Protistoen artean askotarito genoma mitokondrialak aurkitzen dira, zehazki, 5 mota ezberdin deskribatu dira. Landareekin partekatzen dituzten 3 genoma motez gain (2, 3 eta 5. motak), badituzte beste 2 mota bereizgarri. Azken horietako bat DNA molekula zirkularren (4. mota) bilduma heterogeneoa da; bestea, berriz, molekula linealen bilduma heterogeneoa (6. mota). 4. zein 6. genoma motak 1 eta 200 kbp bitartekoak dira.

Orain arte sekuentziatutako genoma mitokondrial txikiena Plasmodium falciparum parasitoarena izan da, 5.967 p-koa. 

Geneen transferentzia endosinbiotikoaren bidez, mitokondrio-genoman kodetutako geneak zelularen genoma nagusira transferitzen dira. Honek azaldu dezake zergatik dituzten mitokondrio-genoma txikiagoak gizakiek (organismo konplexuak izanik) protistek baino (hauek organismo sinpleagoak dira). Azkenean, konplexutasunak gora egin ahala, gene horiek mitokondrioa utzi eta nukleora igarotzen baitira.

Herentzia mitokondriala 
Zelula anitzeko organismo gehienetan, DNAmt-a amarengandik heredatzen da. 

2018an argitaratutako ikerketa batek aditzera eman du gizakiek DNAmt-a bai gurasoengandik bai amengandik jasotzen dutela eta honek DNAmt-ren heteroplasmia eragiten duela. Heteroplasmia da organuluen genoma bat baino gehiago izatea.  Hala ere, komunitate zientifikoak baztertu egiten du hori.

Herentzia amatiarra 
Ugalketa sexualean, mitokondrioak amarengandik soilik heredatzen dira; Gehienetan ugaztunen obuluek espermatozoideen mitokondrioak suntsitzen ditu ernalketaren ostean. Gainera, mitokondrioak soilik espermaren isatsean kokatzen dira, elementu hau zelularen mugimendurako erabiltzen da, eta batzuetan ernalketan zehar galtzen da. 1999an jakinarazi zen aitaren espermako mitokondrioak (DNAmt-ak dituztenak) ubikitinaz markatuta daudela, enbrioiaren barruan suntsitzeko. In vitro ernalketa-teknika batzuek, obozito batean esperma injektatzeak bereziki, prozesu hauei eragin diezaiekete.

Mitokondrioko DNA nagusiki herentzia amatiarrekoa izateak aukera ematen die ikertzaile genealogikoei ama-leinua denboran oso atzera arakatzeko. Y DNA kromosomikoa, paternalki jasoa, antzera erabiltzen da historia patrilineala zehazteko. Hori gizakiaren DNA mitokondrialean egiten da, kontrol-eskualde hiperaldakorrak (HVR1 edo HVR2) sekuentziatuz; batzuetan, DNA mitokondrialaren molekula osoa erabiltzen da, DNA genealogikoaren froga gisa. HVR1 eskualdeak, adibidez, 440 base-pare ditu. 440 base-pare horiek beste indibiduo batzuen eskualde analogoekin alderatzen dira (pertsona espezifikoak edo datu-base bateko subjektuak), leinu amatiarra zehazteko. Askotan, alderaketa “Cambridge Reference Sequence”-en bidez egiten da. Ikerlari batzuek otsoen eta etxeko zakurren arteko erlazio matrilinealaren inguruko azterketak argitaratu dituzte. Eva Mitokondrialaren kontzeptua analisi-mota berean oinarritzen da, gizateriaren jatorria ezagutzeko denboran zehar leinua arakatuz.

DNA mitokodrialaren botila-lepoa 
Guraso bakarreko herentziari lotuta dauden eta birkonbinazio gutxi edo batere ez duten entitateak Mullerren trinketeari lotzen zaizkio, hots, mutazio kaltegarriak era itzulezinean metatzeari, funtzionaltasuna galdu arte. Animalia-erreinuko mitokondrio populazioak, trinketea ekiditzeko, DNAmt-en botila-lepoa izeneko garapen-prozesuaz baliatzen dira. Botila-lepoak zelulako zorizko prozesuak areagotzen ditu zelulen arteko mutazio kargan aldakortasuna emendatzeko, organismo bat garatu ahala: DNAmt mutantearen proportzio bat duen obozito bakar batek enbrioi bat sortzen du, enbrioiko zelula desberdinek karga mutante desberdinak izango dituztelarik. Zelula-mailan ematen den hautaketak ahalbidetzen du DNAmt-mutante gehien duten zelulak ezabatzea, eta, horren ondorioz, belaunaldien arteko mutazio karga egonkortu edo murriztu egiten da. Berriki egindako meta-azterketa matematiko eta esperimental bat dela eta, botila-lepoaren mekanismoa eztabaidapean dago .

Herentzia aitatiarra 
Plymouth Rock-eko oiloetan aurkitu da DNA mitokondrialaren herentzia aitatiarra. Ugaztun batzuetan ere herentzia mitokondrial aitatiarreko kasu bakanak babesten ditu ebidentziak. Zehazki, arratoietarako gertaerak daude dokumentatuta, eta horietan herentziazko mitokondria maskulinoak baztertu egin ziren geroago. Ardi eta behi klonatuetan ere aurkitu da . Giza mitokondrio herentzia kasu arraroak dokumentatu dira. Kasu horietako asko enbrioi klonatuak edo aita-mitokondria baztertzearen ondorioak dira; hala ere, beste batzuek in vivo herentzia eta iraunkortasuna dokumentatzen dituzte, baina hau soilik laborategian ikusi da.

Donazio mitokondriala 
Donazio mitokondrial edo mitokondrio-ordezkapeneko terapia izenez ezagutzen den In vitro ernalketa teknikaren kasuan, enbrioiak eme emailearen DNAmt eta aita-amen DNA nuklearra jasotzen du. Transferentzia bidez aktibatutako obozitoen teknikan, obulu baten nukleoa eme emaile baten obulu baten zitoplasman sartzen da. Emailearen obuluak bere nukleoa galdu du, baina oraindik eme emailearen DNAmt dauka. Obulu hau arraren espermarekin elkartzen da. Prozedura hau genetikoki akastunak diren mitokondrioak dituzten emakumeen kasuan erabiltzen da, era honetara seme-alabek mitokondrio osasuntsuak jasoko dituzte.

Mutazio eta gaixotasunak 
DNAmt-ak arnas kateak sortutako oxigeno-espezie erreaktiboekiko (ROS) izan dezaken sentikortasuna eztabaidan dago, bi egituren gertutasunaren ondorioz. DNAmt-ak ez du DNA nuklearrak baino kalte oxidatiborik metatzen. Are gehiago, DNA-n oxidazio kalte batzuk modu eraginkorragoan konpontzen dira mitokondrioetan nukleoan baino. DNAmt-a kromatina nuklearreko proteinak bezain babesleak diruditen proteinekin paketatuta dago. Gainera, mitokondrioek DNAmt osasuntsua mantentzeko mekanismo berezi bat garatu dute;  hondatuegiak dauden genomak degradatu eta konponduta edo osorik dauden genomak soilik erreplikatzen dituzte. Mekanismo hori ez da nukleoan aurkitzen. DNAmt-aren mutazioek zenbait proteinen kodean aldaketa izan dezake, eta horrek eragina izan dezake organismoaren metabolismo edota egoera fisikoan.

Neuroendekapenezko gaixotasunak 
DNAmt-ri eragindako kaltea handitzea zenbait gaixotasun neurodegeneratiboren ezaugarria da.

Alzheimer gaixotasuna duten pertsonen garunek DNAri kalte oxidatibo handia egiten diote, bai DNAn bai DNAmt-an. Proposatu da mitokondrio zahartuak faktore kritikoa direla Alzheimer gaixotasunaren neurodegenerazioaren jatorrian.

Huntingtonen gaixotasunean proteina mutante huntingtinak disfuntzio mitokondriala eragiten du, eta horrek eragiten du elektroi mitokondrialen garraioaren inhibizioa, oxigeno-espezie erreaktiboen maila handiagoa eta oxidazio-estresa areagotzea. Huntingtina proteina mutanteak kalte oxidatiboa eragiten dio DNAmt-ri, bai eta DNA nuklearrari ere, eta azken horrek Huntington-en gaixotasunaren patologian laguntzen du.

DNAren oxidazio-produktua 8-oxoguanina (8-oxoG) da eta DNAren oxidazio-kaltearen markatzaile nabarmena da. Alboko esklerosi amiotrofikoa (ELA) duten pertsonengan 8-oxoG DNAren kalteak, neurona motore espinalen DNAmt-koak, konpondu ohi dituzten entzimak kaltetuta daude. Hala, neurona motorren DNAmt-ri egindako oxidazio-kaltea faktore esanguratsua izan daiteke ELAren etiologian.

DNAmt-en oinarriaren konposizioaren eta animalia-bizitzaren arteko korrelazioa 

Azken hamarkadan Vadim Fraifeld irakasleak zuzendutako Israelgo ikerketa-talde batek frogatu du korrelazio sendo eta esanguratsuak daudela DNAmt-en oinarriaren konposizioaren eta animalia-espezie bakoitzaren bizitza maximo espezifikoaren artean. Bere lanean frogatu zen moduan, DNAmt guanina + zitosina (% GC) gehiago animalia-espezieen artean bizi-itxaropen maximo handiagoarekin lotzen da.

Erabilera biologia ebolutiboan eta biologia sistematikoan 
DNAmt-a organismo eukariotikoetan aurkitzen da, eta mitokondrioetan arnasketa zelularraren zeregin kritikoa egiten du. Hala ere, eraginkortasun gutxiagoko DNAren konponketa baten ondorioz (DNA nuklearrarekin konparatuta), mutazio-tasa nahiko handia du DNAmt-a (baina motela beste DNA eskualde batzuekin alderatuta, hala nola mikrosateliteekin), eta hori baliagarria da organismoen eboluzio-erlazioak aztertzeko - filogenia -. Biologoek espezie desberdinen arteko DNAm-en sekuentziak zehaztu eta gero konpara ditzakete, eta konparazioak erabil ditzakete aztertutako espezieentzat zuhaitz ebolutibo bat eraikitzeko.

Adibidez, gene nuklear gehienak ia berdinak dira gizakien eta txinpantzeen artean, baina mitokondrio-genomak % 9,8 ezberdintasuna daukate. Bestalde, giza mitokondrio-genomak eta gorilarenak % 11,8ean desberdinak dira. Honen bitartez ondorioztatzen da antz handiagoa daukagula txinpantzeekin gorilekin baino.

Historia 
DNA mitokondriala 1960ko hamarkadan aurkitu zuten Margit M. K. Nass eta Sylvan Nass-ek, mikroskopia elektronikoaren bidez, eta Ellen Haslbrunnerrek, Hans Tuppyk eta Gottfried Schatzek, saiakuntza biokimikoak eginez oso purifikatutako frakzio mitokondrialen gainean.

Mitokondrio-sekuentzien datu-baseak 
Genoma mitokondrialaren sekuentziak eta bestelako informazioak biltzeko datu-base espezializatu batzuk sortu dira. Gehienak sekuentzia-datuetan oinarritzen diren arren, batzuek informazio filogenetikoa edo funtzionala dute.

 AmtDB: gizakien arbasoen mitokondrio-genoma datu-basea.
 InterMitoBase: giza mitokondrioentzako proteina-proteina elkarrekintzak aztertzeko plataforma.
 MitoBreak: mitokondrioko DNAren ebakitze-puntuen datu-basea.
 MitoFish eta MitoAnnotator: arrainen genoma mitokondrialaren datu-basea.
 MitoRes: nukleoan kodetutako gene mitokondrialen baliabide bat eta haren produktuak metazooetan.

DNAmt-aren fenotipoen elkarketaren datu-baseak 
Genoma osoan egiten diren elkartze-azterketek DNAmt-eko gene-elkarteak eta horien mutazioak fenotipoekin erakuts ditzakete, bizi-itxaropena eta gaixotasun-arriskuak barne. 2021ean mitokondrioko DNAren elkartze-azterlan handiena, Erresuma Batuko Biobankuan oinarritua, genoma osoan, 260 elkarte berri sortu ziren fenotipoekin, bizi-itxaropena eta gaixotasun-arriskuak barne, adibidez 2. motako diabetesa.

Mitokondrio-mutazioen datu-baseak 
Zenbait datu-base espezializatuk polimorfismoak eta mutazioak dituzte giza mitokondrioko DNAn eta, horrekin batera, patogenotasunaren ebaluazioa egiten dute.

 MitImpact: Aurrez kalkulatutako patogenotasunaren iragarpenen bilduma bat da. Kalkulu horietarako aldaketa nukleotiko batzuk erabiltzen dira eta aldaketa nukleotiko horiek guztiek giza proteina mitokondrialen gene kodetzaileen sinonimoak ez diren ordezkapenak eragiten dituzten.

 MITOMAP: Polimorfismo eta mutazioen bilduma giza mitokondrioko DNAn.

Erreferentziak

Kanpo estekak 

Azido nukleikoak
Genetika
Seneszentzia