Il DNA mitocondriale (mtDNA) è un tipo di DNA situato all’esterno del nucleo nella porzione liquida della cellula (citoplasma) e all’interno degli organelli cellulari chiamati mitocondri. I mitocondri si trovano in tutte le cellule complesse o eucariotiche, tra cui piante, animali, funghi e protisti unicellulari, che contengono il proprio genoma mtDNA., Negli animali con una spina dorsale, o vertebrati, mtDNA è una molecola a doppio filamento che forma un genoma circolare, che varia in dimensioni da sedici a diciotto coppie di kilo-base, a seconda della specie. Ogni mitocondrio in una cellula può avere più copie del genoma mtDNA. Negli esseri umani, la cellula uovo matura, o ovocita, contiene il più alto numero di mitocondri tra le cellule umane, che vanno da 100.000 a 600.000 mitocondri per cellula, ma ogni mitocondrio contiene solo una copia di mtDNA., Nello sviluppo embrionale umano, il numero di mitocondri, il contenuto di mtDNA in ciascun mitocondrio e la successiva attività mtDNA influenzano la produzione degli ovociti, la fecondazione degli ovociti e la crescita e lo sviluppo embrionali precoci.
I mitocondri erano una volta batteri liberi che si stabilivano all’interno di una cellula eucariotica primitiva nel processo chiamato endosimbiosi. Gran parte delle prove per l’affermazione è nel genoma mtDNA e il genoma nucleare., I genomi co-evoluti, e il controllo dei mitocondri comporta lo scambio di informazioni tra il nucleo e le molte copie del mtDNA. Nell’embrione in via di sviluppo, il novantanove percento dei mitocondri, e quindi il mtDNA, provengono dalla madre. Mutazioni puntiformi e delezioni nel mtDNA possono portare a gravi malattie mitocondriali dello sviluppo.
Nel 1890, Richard Altmann, che studiò le malattie in Germania, osservò l’insorgenza di mitocondri in molti diversi tipi di cellule animali e notò che erano simili ai batteri., Altmann propose che i mitocondri fossero le particelle fondamentali della vita, o la parte vivente della cellula, e nel 1896 li chiamò bioblasti. Nel 1901, Carl Benda, un medico tedesco, chiamò gli organelli mitocondri dal greco mitos, che significa filo, e chondros, che significa grani.
Nel 1963 Margit MK Nass e Sylvan Nass pubblicarono “Intramitochondrial Fibers with DNA Characteristics: I. Fixation and Elewtron Staining Reactions”, descrivendo il DNA nei mitocondri da embrioni di pulcino., Nass e Nass, che hanno lavorato presso l’Istituto Wenner-Gren per la biologia sperimentale presso l’Università di Stoccolma, in Svezia, hanno utilizzato un microscopio elettronico per rilevare il DNA negli embrioni di pulcino. Il documento ha fornito le prime prove che i mitocondri contenevano DNA (mtDNA), sostenendo l’ipotesi che i mitocondri fossero discendenti diretti di batteri., Nel suo articolo del 1967 “On the Origin of Mitosing Cells”, Lynn (Sagan) Margulis propose la teoria dell’endosimbiosi, che sosteneva che gli organelli, inclusi i mitocondri, erano una volta batteri viventi liberi che venivano a risiedere all’interno di cellule complesse circa due miliardi di anni fa.
Negli anni ’60 e’ 70, i ricercatori hanno studiato l’mtDNA usando i mitocondri del lievito. Nel 1975, Peter L. Molloy, Anthony W. Limmane e H. B., Lukins ha pubblicato un lievito (Saccharomyces cerevisiae) mtDNA genome sequence map in “Biogenesi dei mitocondri: Analisi della delezione dei marcatori di resistenza agli antibiotici mitocondriali in piccoli mutanti di Saccharomyces cerevisiae.”La sequenza era una bozza approssimativa dell’intero genoma del lievito mtDNA. Dal 1974 al 1976, diversi laboratori hanno iniziato a utilizzare enzimi per rompere il DNA in luoghi specifici, un metodo chiamato analisi degli enzimi di restrizione. L’uso dell’analisi enzimatica di restrizione ha portato a mappe mtDNA di lievito e diverse altre specie tra cui gli esseri umani (Homo sapiens)., Nel 1981, il gruppo di Fredrick Sanger a Cambridge, in Inghilterra, ha riportato una sequenza completa del genoma umano mtDNA.
Sanger ha scoperto che l’mtDNA circolare nei vertebrati è costituito da un filo leggero e da un filo pesante. Entrambi i trefoli sono sequenze codificanti e il processo di replicazione del DNA procede in entrambi i trefoli simultaneamente in direzioni opposte. Il team di Sanger ha anche scoperto che l’mtDNA dei vertebrati è estremamente compatto e conservato attraverso l’evoluzione, poiché la maggior parte degli animali ha gli insiemi simili di geni mitocondriali., Nei vertebrati, i codici mtDNA per trentasette prodotti genetici e tredici dei geni mtDNA codificano per le proteine. Ventidue geni mtDNA codificano per molecole che trasportano gli elementi costitutivi delle proteine (amminoacidi), chiamati RNA di trasferimento (tRNA), e due geni codificano per le strutture in cui le cellule assemblano proteine, chiamate RNA ribosomiali (rRNA).
Nel DNA animale, alcune delle proteine e dei geni rRNA si trovano accanto a un gene tRNA. Justin C. St., John alla Monash University di Melbourne, Australia, ha riferito nel 2010 che alcune regioni di codifica si sovrappongono, il che significa che una sequenza di codici mtDNA per più di un prodotto. L’unica regione che non codifica per una proteina è il ciclo di spostamento (D-loop), che è organizzato come una struttura a triplo filamento che contiene la principale regione regolatrice coinvolta nella replicazione del mtDNA. Al contrario, il lievito mtDNA ha sequenze non codificanti tra proteine e sequenze di codifica del gene mtRNA.,
Le tredici proteine codificate in mtDNA sono tutte coinvolte nella produzione di ciò che la cellula utilizza come energia, una molecola chiamata adenosina-5′-trifosfato (ATP). I mitocondri generano ATP in un processo chiamato fosforilazione ossidativa (OXPHOS). I grandi complessi proteici OXPHOS richiedono centinaia di proteine, tredici delle quali sono codificate in mtDNA. Il DNA del nucleo della cellula (nDNA) codifica le proteine rimanenti. Sistemi specifici trasportano le proteine nei mitocondri dal citoplasma. La trascrizione di mtDNA è sotto il controllo di entrambi i genomi nucleari e mitocondriali., Il genoma mtDNA e il genoma nucleare lavorano insieme per regolare la produzione di energia, altrimenti possono verificarsi diversi problemi nella cellula che possono influenzare l’intero organismo e possono portare a malattie.
I ricercatori hanno segnalato per la prima volta un paziente affetto da una malattia mitocondriale nel 1959, pochi anni prima di scoprire l’mtDNA. La paziente era una donna svedese che aveva il più alto tasso metabolico umano poi registrato. I ricercatori hanno dichiarato che il problema che aveva legato a un difetto nei mitocondri., I suoi mitocondri producevano energia sotto forma di ATP e calore; anche quando la donna era a riposo, sudava. Il difetto mitocondriale, chiamato malattia di Luft dopo l’endocrinologo Rolf Luft, che per primo lo descrisse nel 1962, è uno dei più rari di tutti i disturbi mitocondriali.
Nel 1988, gli scienziati hanno iniziato a descrivere mutazioni patogene nel mtDNA. I ricercatori avevano studiato mtDNA dal 1963, ma gli scienziati clinici hanno prestato poca attenzione ad esso., Nel 1988, il gruppo di Ian Holt presso l’Institute of Neurology di Londra, Regno Unito, ha identificato eliminazioni su larga scala di coppie di basi di mtDNA in pazienti con malattia muscolare mitocondriale (miopatie). Nello stesso anno il gruppo di Douglas Wallace alla Emory University School of Medicine di Atlanta, Georgia, descrisse mutazioni nel mtDNA in una famiglia umana i cui membri avevano una neuropatia ottica ereditaria Leber (LHON). LHON provoca degenerazione del nervo ottico e cecità. Le mutazioni all’interno del mtDNA si collegano a una serie di disturbi neurologici primari., Con una prevalenza di dieci su centomila persone, i disturbi sono uno dei disturbi neurologici ereditari più comuni. Le malattie mitocondriali derivano da sostituzioni di una singola base mtDNA, delezioni di una o più basi, riarrangiamento delle sequenze geniche e duplicazione dei geni. Ci sono centinaia di malattie mitocondriali.
Gli esseri umani ereditano i mitocondri dalle loro madri e mtDNA attraverso l’ovocita. In un embrione femminile umano, i primi ovociti primari si sviluppano dalle cellule germinali primordiali da due a tre settimane nel processo di sviluppo dell’embrione., Come riportato da vari scienziati, il numero di mitocondri nell’ovocita primario varia da meno di dieci a duecento. Robert P.S. Jansen nel suo articolo del 2000 “Germline Passage of Mitochondria: Quantitative Considerations and Possible Embryological Sequelae” riporta meno di dieci mitocondri per cellula germinale primordiale umana. Tuttavia, al momento della nascita del neonato, ogni ovocita primario ha circa 10.000 mitocondri per cellula. C’è un altro aumento di dieci volte nel numero mitocondriale durante la crescita e lo sviluppo degli adulti., Per la maggior parte dei mammiferi femminili, l’ovocita maturo ha da 100.000 a 600.000 mitocondri. La quantità di mtDNA in ciascun mitocondrio nella linea germinale femminile è leggermente più mtDNA rispetto al numero di mitocondri. L ‘insufficienza ovarica è associata a deplezione maggiore di mtDNA nell’ ovocita.
Alla fine degli anni 1990, Jacques Cohen al Saint Barnabas Medical Center di Livingston, New Jersey, ei suoi colleghi hanno studiato il fenomeno dell’insufficienza ovarica., Hanno trasferito una piccola quantità di citoplasma da una cellula di un donatore fertile negli ovociti di una donna che aveva subito diversi cicli di fecondazione in vitro senza successo. La procedura utilizzata da Cohen e dai suoi colleghi divenne chiamata trasferimento ooplasmatico o trasferimento citoplasmatico. Nel corso di quattro anni, almeno trenta bambini sono nati usando questa tecnica. Un problema con il trasferimento ooplasmatico, che i ricercatori hanno notato, era che la prole può trattenere l’mtDNA dalla madre e dal donatore. La miscela di mtDNA, chiamata eteroplasmia, può portare a malattie mitocondriali., Ad esempio, gli scienziati hanno mostrato come i topi sperimentano problemi se il loro mtDNA normale si mescola con mtDNA dissimili. Nel 2012, Mark S. Sharpley presso l’Università della Pennsylvania a Philadelphia, Pennsylvania, e il suo gruppo ha pubblicato uno studio sui topi in cui hanno generato topi con miscele di diversi ceppi di mtDNA. I topi con miscele avevano un comportamento e una cognizione anormali.
Gli scienziati hanno correlato le mutazioni del mtDNA con un numero crescente di malattie e nei primi decenni del ventesimo secolo ci sono stati pochi trattamenti per alleviare i sintomi., Il trasferimento nucleare è una tecnica alternativa per prevenire la malattia mitocondriale. Esistono diverse tecniche di trasferimento nucleare. Queste tecniche utilizzano un ovocita donatore con mtDNA sano che ha il suo nucleo rimosso. Nel 2010, il gruppo di Helen Tuppen nel Regno Unito all’Università di Newcastle ha trasferito ovociti fecondati a un ovocita donatore che ha rimosso il suo nucleo., Un gruppo guidato da Shoukhrat Mitalipov presso l’Oregon Health and Science University di Beaverton, Oregon, ha utilizzato un ovocita non fecondato, rimosso il nucleo, trasferito in un ovocita non fecondato di un donatore sano e poi fecondato l’ovocita con lo sperma.
Negli Stati Uniti, la Food and Drug Administration (FDA) statunitense con sede a Silver Spring, Maryland, regola le tecnologie riproduttive e la FDA deve approvare tali tecniche prima di un ulteriore utilizzo. Mitalipov del gruppo Oregon ha presentato una domanda nel gennaio del 2012 per utilizzare le procedure di trasferimento nucleare., La Human Fertilisation and Embryology Authority, con sede a Londra, nel Regno Unito, ha considerato di autorizzare la terapia sostitutiva dei mitocondri e ha chiesto l’opinione pubblica all’inizio del 2013.
