英: mitochondrial DNA、mtDNA

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the 4th letter of the Roman alphabet (同)d

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deuteriumの化学記号
deoxyribonucleic acidディオキシリボ核酸

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出典(authority):フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』「2016/04/12 14:03:17」(JST)

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ミトコンドリアDNA（みとこんどりあディーエヌエー、mtDNA,mDNA）とは、細胞小器官であるミトコンドリア内にあるDNAのこと。ミトコンドリアが細胞内共生由来であるとする立場から、ミトコンドリアゲノムと呼ぶ場合もある。

概要

ミトコンドリアDNA は、ミトコンドリアの持つたんぱく質などに関する情報が主に含まれており、ミトコンドリアが分裂する際に複製が行われる。ミトコンドリアに必要な情報の一部は核DNAに含まれており、ミトコンドリアは細胞の外で単体では存在できない。また逆に細胞が必要とするエネルギーを、酸素を利用して取り出せるのはミトコンドリアの働きによっており、細胞それ自体もミトコンドリアなしには生存できない。これらのことはミトコンドリアが細胞内共生由来であるという仮説の傍証となっている。

一般にミトコンドリア病と呼ばれるミトコンドリアの異常によって起こる疾病も、ミトコンドリアDNAの異常に起因するものと、核DNAの異常に起因するものとがある。ミトコンドリアDNAの遺伝子多型は、肥満しやすさの個体差に関係していると考えられている。さらに、近年ではミトコンドリアDNAにおける変異が、がんの転移能に影響を与えているという報告もある。(Hayashi et al, 2008)

特徴

ミトコンドリアDNAは一般的にGC含量が低く(20-40%)、基本単位が数十kb程度であり、電子伝達系に関わるタンパク質、リボソームRNAやtRNAなど数十種類の遺伝子を持っている。しかしDNA分子の大きさや形状、コードされている遺伝子の数や種類などは、生物によって大きく異なる。

遺伝子地図などではミトコンドリアDNAが環状に表現されることが多い。しかし物理的に環状のミトコンドリアDNAを持つ生物は、高等動物やキネトプラスト類などごく一部に限られる。多くの生物ではDNA分子が、環状の基本構造からトイレットペーパーを引き出すかのように連続的に複製され、その結果ミトコンドリアDNAの全ての部位が二重螺旋構造であり、大部分が基本単位が何度も繰り返す線状反復構造になっている。また少数派ではあるが、常に線状のミトコンドリアDNAを持つ生物も存在している。 ^[1]

高等動物

ヒトを含む高等動物のミトコンドリアDNAはいずれも比較的似通っており、大きさ16 kb前後の単一の環状DNAで構成されている。遺伝子は37あり、その内訳は、呼吸鎖複合体のサブユニットが13、tRNAが22、rRNAが2となっている。遺伝子の配置は多種多様であるが、脊椎動物では魚類から哺乳類まで基本的には同じ配置になっている。線形動物、二枚貝などは遺伝子の種類がわずかに異なり、刺胞動物はゲノムが線状であるなど例外的である。 ^[2]

シラミ類のミトコンドリアゲノムは全く異なる構成をしており、それぞれが1ないし3の遺伝子を持つ3-4kbという小さな環状DNAが18種も存在している。 ^[3]

陸上植物

陸上植物のミトコンドリアDNAは数多くの反復配列を含んでおり、相同組換えによって様々な構造のDNA分子が生じている。しかし制限酵素を用いた解析によって再構築した「マスターサークル」分子を元来のミトコンドリアDNAと考えることができる。マスターサークルの大きさは最小でも200 kb前後と大きく、最大のものでは2400 kbにもなっている。高等動物のミトコンドリアDNAに含まれている遺伝子以外に、リボソームのタンパク質サブユニットをコードする遺伝子が10以上含まれており、合計の遺伝子数は100弱にもなる。また遺伝子中にグループ2イントロンが多く見出されることが特徴的である。 ^[4]

特徴的な生物

レクリノモナス(Reclinomonas americana)は、原始的なミトコンドリアDNAを持っていることで有名になった原生生物である。およそ70kbの環状DNAにタンパク質とRNAを合わせて98遺伝子があり、そのうち18は他のミトコンドリアDNAには全く見付からない。特に細菌と同様のRNAポリメラーゼ遺伝子群が存在する点は特徴的である。

これまで知られている限り最も小さなミトコンドリアDNAを持つ生物は、マラリア原虫やピロプラズマを含むアピコンプレックス門の原虫である。大きさわずか6 kbの線状ゲノムであり、電子伝達系に関わる3つのタンパク質遺伝子と、断片化されたリボソームRNA遺伝子群のみが存在している。tRNAはミトコンドリアDNA上には全く存在しないため、すべてが細胞質から輸送されていると考えられている。

キネトプラスト類のミトコンドリアでは、20kb程度の環状DNA（マキシサークル）に20前後の遺伝子が存在している以外に、1kb程度の小さな環状DNA（ミニサークル）が1万以上ある。マキシサークル上の遺伝子情報はそのままでは翻訳することができず、無数のミニサークルから転写されるガイドRNAを使ってRNA編集を行う必要がある。

コドン表

ミトコンドリアはミトコンドリア核内で保管元となるDNAから遺伝情報をmRNAに転写した後、mRNAはミトコンドリアのリボソームに移動し、アミノ酸の付いたtRNAの3塩基がmRNAのヌクレオチドと相補的に結びつくことで、tRNAが運ぶアミノ酸の配列が決まり、目的のタンパク質を合成する。これら一連の翻訳過程は細胞の遺伝子翻訳とほとんど同じであるが、共に20個のアミノ酸を規定する64個の組み合わせの内、7ヶ所に対応するアミノ酸が異なっている。

この翻訳過程でのmRNA上にあるコドンとそれが指定するアミノ酸との対応関係を示した「コドン表」を以下に示す。

第1塩基	第2塩基				第3塩基
第1塩基	U	C	A	G	第3塩基
U	フェニルアラニン	セリン	チロシン	システイン	U
	フェニルアラニン		チロシン	システイン	C
	ロイシン		チロシン ~~終止コドン~~	トリプトファン ~~終止コドン~~	A
			終止コドン	トリプトファン	G
C		プロリン	ヒスチジン	アルギニン	U
			ヒスチジン		C
			グルタミン		A
			グルタミン		G
A	イソロイシン	トレオニン	アスパラギン	セリン	U
	イソロイシン		アスパラギン	セリン	C
	メチオニン ~~イソロイシン~~		アスパラギン ~~リジン~~	セリン ~~アルギニン~~	A
	メチオニン（開始コドン）		アスパラギン ~~リジン~~	グリシン ~~アルギニン~~	G
G	バリン	アラニン	アスパラギン酸	グリシン	U
			アスパラギン酸		C
			グルタミン酸		A
			グルタミン酸		G

^[5]

伝達様式

ミトコンドリアは卵子の細胞質に約25万存在する。精子鞭毛基部にもわずかに存在するが、一般的に精子由来の物は受精前後に何らかの形で排除される。そのためもともとの卵子の中にあったミトコンドリアのみが細胞分裂後も引き継がれることになり、ミトコンドリアDNAは常に母性遺伝すると考えられる。父親から受け継いだという例も1例報告されている^[6]が、その患者はミトコンドリア酵素複合体の不足と重い運動機能障害を抱えている。

哺乳類の精子に含まれるミトコンドリアは、一般に受精後卵細胞の中で死滅してしまうとされる。精子由来のミトコンドリア（ミトコンドリアDNAを含む）は、後で胚の中で破壊されるようにユビキチンによる印が付けられることが1999年に報告されている^[7]。時に、例えばハイブリッド種において、このプロセスは失敗に終わる。

ミトコンドリアDNAを利用した研究

ミトコンドリアDNAは、母親から子に受け継がれる特性を生かして、家系を追跡するための研究に利用される。

有名なものにはブライアン・サイクス著『イヴの七人の娘たち(原題The Seven Daughters of Eve)』がある。現代のヨーロッパ人はほぼ7つのクラスター（群）に分けることができ、理論的にそのクラスターの元となる配列をもたらしたのは、旧石器時代の7人の女性だと考えられる。更にアジアやアフリカ人の遺伝子も検証したところ、現代に生きる世界中の人々の母系先祖はアフリカの1人の女性であると推定することができるという、いわゆるミトコンドリア・イブの理論も同様の分析に基づくものである。

また、Svante Pääboらは、ヨーロッパのイヌの先祖を追いかけて母系の4系統へとさかのぼる研究を発表している^[8]。

但し、ミトコンドリアDNAは母系をたどることしかできないため、人類の系統や移住の足跡をたどるためには、学問的には不十分である。そのため人類の足跡をたどるためには、父系の系統のみをたどることができるY染色体の分析と併せ検証するか、或いは人類の核DNAそのものを分析する必要がある。

一例として、南アメリカのコロンビア人を調査したところ、ミトコンドリアDNAは、ほぼ全ての人がモンゴロイド系の特徴を持っていたが、Y染色体はほぼ全てがヨーロッパ系コーカソイド（特にスペイン人）に特徴的なタイプのみであった。逆に東ヨーロッパの諸民族のミトコンドリアDNAはほぼ全てコーカソイド系であったが、Y染色体及び核DNAにはモンゴロイド系の特徴を持っている人々が少なからず発見された^[9]。

ナショナルジオグラフィック協会のジェノグラフィック・プロジェクトのプロジェクト・ディレクターであるスペンサー・ウェルズ博士は、人類が最初に出アフリカを果たした時から、約5万年にも及ぶ人類の移動経路を明らかにするためにY染色体やミトコンドリアDNAなどの遺伝子データを用いて研究を行っている[1]。

また、犯罪の現場で毛髪が見つかったがDNA型鑑定が行なえないような場合に（自然に落ちた毛髪などは、毛根部分にDNA鑑定の対象にする組織が残っていない事がある）、ある人物を容疑者として捜査の対象に含めておくべきか、外してもよいかを決定する判断材料として、毛髪内のミトコンドリアDNA（毛髪内でもミトコンドリアDNAは残存している）が利用される。

ミトコンドリアによる系譜の研究がすすめられた時期は「遺伝的刷り込み」と呼ばれる現象が遺伝学的にまだ考慮されていなかったため、ミトコンドリア遺伝子が「母親由来のゲノムからのみ発現する遺伝子群（Maternally expressed genes、MEG）」であるとすれば、男性の身体では単に非発現状態で休眠しているだけであり、この論は齟齬を含んでいるのではないかという人があるが、父親と母親から一つずつ一対の遺伝子を受け継ぐことになっている核DNAで、一方の遺伝情報を発現させるために起こる遺伝的刷り込みが、環状のミトコンドリアDNAに対してどう関係するのかという疑問がある。

出典

^ Gray, M.W., Lang, B.F., and Burger, G. (2004). “Mitochondria of protists”. Ann. Rev. Genet. 38: 477-524. PMID 15568984.
^ Jeffrey L. Boore (1999). “Animal mitochondrial genomes”. Nucleic Acids Res. 27 (8): 1767-1780. PMID 10101183.
^ Shao R, Kirkness EF, Barker SC (2009). “The single mitochondrial chromosome typical of animals has evolved into 18 minichromosomes in the human body louse, Pediculus humanus”. Genome Res. 19 (5): 904-12. PMID 19336451.
^ Wolstenholme, D.R. and Fauron, C.M.R.. “Mitochondrial genome organization”. In Levings, C.S. and Vasil, I.K.. The molecular biology of plant mitochondria. Advances in cellular and molecular biology of plants. Kluwer Academic Publishers. ISBN 0792332245.
^ 黒岩常祥著　『ミトコンドリアはどこからきたか』　日本放送出版　2000年6月30日第1刷発行　ISBN 4140018879
^ Schwartz, Marianne, and John Vissing (2002). “Paternal inheritance of mitochondrial DNA”. New England Journal of Medicine 347 (8): 576-580. doi:10.1056/NEJMoa020350.
^ Sutovsky, Peter, et al. (1999). “Development: ubiquitin tag for sperm mitochondria”. Nature 402: 371-372. doi:10.1038/46466.
^ Thalmann, O., et al. (2013). “Complete mitochondrial genomes of ancient canids suggest a European origin of domestic dogs” (PDF). Science 342: 871-874 2015年12月17日閲覧。.
^ 『DNA』J・D・ワトソン/B・アンドリュー著・青木薫訳、講談社。

参考文献

Hayashi, J., et. al. "ROS-generating mitochondrial DNA mutations can regulate tumor cell metastasis." Science. 2008 May 2;320(5876):661-4.[2]

UpToDate Contents

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1. DNAによる親子鑑定 parentage testing using dna
2. ミトコンドリアの構造、機能、および遺伝学 mitochondrial structure function and genetics
3. HIVヌクレオシド系逆転写酵素阻害剤のミトコンドリア毒性 mitochondrial toxicity of hiv nucleoside reverse transcriptase inhibitors
4. DNA、Sm、およびRNPに対する抗体 antibodies to dna sm and rnp
5. 遺伝性疾患の基本原則 basic principles of genetic disease

Japanese Journal

劇症肝不全として発症したミトコンドリアDNA枯渇症候群の新生児例

菅沼広樹,鈴木光幸,吉川尚美,原聡,染谷朋之介,李翼,久田研,東海林宏道,村山圭,高柳正樹,大竹明,清水俊明
日本小児科学会雑誌 115(6), 1067-1072, 2011-06-01
NAID 10029385803

過排卵処理がマウス卵母細胞のミトコンドリアDNAコピー数, ATP含量に及ぼす影響

亀山祐一,下井岳,橋詰良一
Journal of mammalian ova research = 日本哺乳動物卵子学会誌 28(2), 40, 2011-04-01
NAID 10028124322

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関連記事	「ミトコンドリア」「D」「トコン」「DNA」

「108D045」

　　[★]

35歳の女性。脱力を主訴に来院した。 9か月前から徐々に歩行時の疲れやすさを自覚し、 2か月前に手すりにつかまらないと階段を昇れないことに気付いた。 1か月前から洗髪時に腕を挙げるのが難しくなり、洋式便器から立ち上がることができなくなった。身長 164 cm、体重 56 kg。胸腹部と脳神経とに異常を認めない。徒手筋力テストで頸部屈筋は 2、四肢筋力は左右対称に近位筋は 3、遠位筋は 4と低下している。筋痛、筋把握痛はない。血液生化学所見：総蛋白 7.5 g/dl、アルブミン3.7 g/dl、AST 52 IU/l、ALT 42 IU/l、CK 870 IU/l(基準 30～140)。脳脊髄液所見に異常を認めない。左上腕二頭筋生検の H-E染色標本 (別冊 No. 22)を別に示す。
この患者でみられるのはどれか。

a　末神経伝導速度低下
b　ミトコンドリアDNAの欠失
c　抗アセチルコリン受容体抗体陽性
d　針筋電図で刺入時ミオトニー放電
e　四肢 MRIの T 2強調像で筋内の高信号

[正答]

※国試ナビ4※　［108D044］←［国試_108］→［108D046］

「097H060」

　　[★]

正しいのはどれか。

(1)　ミトコンドリアDNA異常による糖尿病は常染色体優性遺伝を示す。
(2)　非ケトン性高浸透圧性昏睡の患者は1型糖尿病が多い。
(3)　清涼飲料水ケトーシスは2型糖尿病患者に多い。
(4)　血中Cペプチド測定はインスリン依存性の判定に有用である。
(5)　インスリン注射療法を行っている患者は1型糖尿病である。

a. (1)(2)
b. (1)(5)
c. (2)(3)
d. (3)(4)
e. (4)(5)

[正答]

※国試ナビ4※　［097H059］←［国試_097］→［097H061］

「102C003」

　　[★]

母親のみに由来するのはどれか。

[正答]

※国試ナビ4※　［102C002］←［国試_102］→［102C004］

「mtDNA」

　　[★] ミトコンドリアDNA, mitochondrial DNA

「mitochondrial DNA」

　　[★] ミトコンドリアDNA mtDNA

「ミトコンドリアDNA枯渇症候群」

　　[★]

英: mitochondrial DNA depletion syndrome MDS

「ミトコンドリアDNA変異」

　　[★]

英: mitochondrial DNA mutations

「ミトコンドリアDNA異常」

　　[★]

英: mitochondrial DNA mutations

「ミトコンドリアDNA突然変異」

　　[★]

英: mitochondrial DNA mutation

「ミトコンドリア」

　　[★]

英: (ns)mitochondrion, (np)mitochondria
同: 糸粒体、コンドリオソーム chondriosome
関: 細胞

組織学

0.5x10umの回転楕円体。

FB.333

外膜---

膜間部

内膜--- クリステという構造を作っている

マトリックス

ミトコンドリア内膜にはNADH輸送タンパク質がない！！(FB.333)
解糖系で得られたNADHは、リンゴ酸-アスパラギン酸シャトルにより還元力がミトコンドリア内に送られる。(FB.309 図15-27,333)

ミトコンドリアゲノム

ヒトのミトコンドリアゲノム 16.6kb
mtDNAは二本鎖環状
mtDNA(染色体DNAとは独立したDNA。ミトコンドリアゲノム)は体細胞の100-1000倍存在すると言われている。
DNA修復機構を持たない。
DNAを保護する構造(ヒストン)がない
バクテリア型の転写・翻訳系を有する　→　クロラムフェニコールに感受性があり、特に幼児に顕著。

ミトコンドリア内膜

ミトコンドリア内膜を透過する物質(FB.391)

　　CO2
　　O2
　　クエン酸　 トリカルボン酸輸送経路
　　ピルビン酸　輸送体により制御
　　ATP　輸送体により制御
　　ADP　輸送体により制御
　　Pi　輸送体により制御
　　Ca2+　輸送体により制御
　　リンゴ酸　輸送体により制御
　　アスパラギン酸　輸送体により制御

ミトコンドリア内膜を透過できない物質

　　アセチルCoA　(トリカルボン酸輸送経路に乗せるために、クエン酸に変換)
　　オキサロ酢酸　(リンゴ酸かアスパラギン酸に変換)

機能

酸化的リン酸化　　⇔　基質準位リン酸化
クエン酸サイクル
脂肪酸酸化
アミノ酸分解
ヌクレオチド合成
尿素回路
アポトーシスに関与

「D」

　　[★]

アスパラギン酸
ジヒドロウリジン
遠位の distal,
うつ病 depression
下行結腸 descending colon(大腸内視鏡検査の結果を記載するときに用いる)

「トコン」

　　[★]

英: ipecac, ipecacuanha root
ラ: ipecacuanhae radix
同: 吐根
商: トコンシロップ、ドーフル

「DNA」

　　[★]

英: deoxyribonucleic acid
同: デオキシリボ核酸
関: リボ核酸 RNA

[Gray2004-1] Gray, M.W., Lang, B.F., and Burger, G. (2004). “Mitochondria of protists”. Ann. Rev. Genet. 38: 477-524. PMID 15568984.

[2] Jeffrey L. Boore (1999). “Animal mitochondrial genomes”. Nucleic Acids Res. 27 (8): 1767-1780. PMID 10101183.

[3] Shao R, Kirkness EF, Barker SC (2009). “The single mitochondrial chromosome typical of animals has evolved into 18 minichromosomes in the human body louse, Pediculus humanus”. Genome Res. 19 (5): 904-12. PMID 19336451.

[4] Wolstenholme, D.R. and Fauron, C.M.R.. “Mitochondrial genome organization”. In Levings, C.S. and Vasil, I.K.. The molecular biology of plant mitochondria. Advances in cellular and molecular biology of plants. Kluwer Academic Publishers. ISBN 0792332245.

[5] 黒岩常祥著　『ミトコンドリアはどこからきたか』　日本放送出版　2000年6月30日第1刷発行　ISBN 4140018879

[6] Schwartz, Marianne, and John Vissing (2002). “Paternal inheritance of mitochondrial DNA”. New England Journal of Medicine 347 (8): 576-580. doi:10.1056/NEJMoa020350.

[7] Sutovsky, Peter, et al. (1999). “Development: ubiquitin tag for sperm mitochondria”. Nature 402: 371-372. doi:10.1038/46466.

[8] Thalmann, O., et al. (2013). “Complete mitochondrial genomes of ancient canids suggest a European origin of domestic dogs” (PDF). Science 342: 871-874 2015年12月17日閲覧。.

[9] 『DNA』J・D・ワトソン/B・アンドリュー著・青木薫訳、講談社。

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ミトコンドリアDNA

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概要

特徴

高等動物

陸上植物

特徴的な生物

コドン表

伝達様式

ミトコンドリアDNAを利用した研究

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「ミトコンドリアDNA突然変異」

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ミトコンドリア内膜

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