Segregation of Mitochondrial DNA
개요
mtDNA의 유전은 핵 유전자의 Mendelian 유전과 달리 non-Mendelian (cytoplasmic) inheritance 양식을 따른다. 이는 mitotic segregation 현상과 maternal inheritance(모계 유전)로 특징지어진다.
모계 유전 (Maternal Inheritance)
동물과 식물에서
- 난세포(oocyte): 약 100,000개의 maternal mtDNA 복사본 포함
- 정자: mtDNA 수가 매우 적음 (난세포의 극히 일부)
- 수정 후 두 가지 능동 과정으로 부계 미토콘드리아 제거:
- 정자 성숙 과정에서 미토콘드리아 DNA 분해
- 수정란에서 정자 미토콘드리아를 **autophagy(ubiquitylation → lysosome 분해)**로 특이적 제거
→ 결과: 미토콘드리아(와 mtDNA)는 어머니로부터만 유전 = maternal inheritance
유전 패턴의 특징
- 영향받은 어머니 → 아들과 딸 모두에게 전달
- 아들은 전달하지 않음 (딸만 다음 세대로 전달)
- 가족 내 증상의 심각도·발현 시기·이환 조직이 매우 다양
효모에서의 유전 (Biparental)
- 효모는 haploid 두 세포가 동등하게 접합 → 양쪽 부모의 mtDNA 모두 zygote에 기여 (biparental)
- 이후 무성 생식(vegetative growth) 동안 미토콘드리아가 무작위로 딸세포에 분배
- 몇 세대 후 어느 한 부모의 mtDNA만 남게 됨 (mitotic segregation)
Mitotic Segregation
세포 분열 시 미토콘드리아가 딸세포로 무작위 분배되면서 발생:
- Heteroplasmic 세포에서 딸세포들이 상이한 돌연변이 비율을 상속 받음
- 여러 세대에 걸쳐 일부 세포 계통은 homoplasmic 정상, 일부는 homoplasmic 돌연변이로 수렴
식물에서의 응용
- 식물에서 정상·결함 엽록체가 zygote에 혼재 → mitotic segregation → 잎의 variegation (얼룩무늬) 형성
- 녹색 반점: 정상 엽록체 보유 세포
- 흰색 반점: 결함 엽록체 보유 세포
임상적 의의
Figure 14-63: Heteroplasmy 어머니로부터 자녀로의 mtDNA 전달. Oocyte가 받는 돌연변이 비율이 높을수록 자녀에서 질환 발현 가능성 증가.
- 동일 가족 내에서도 각 자녀가 받는 mutant mtDNA 비율이 다름 → 표현형 다양성
- 돌연변이 비율이 높은 oocyte → 자녀에서 중증 질환
- 낮은 비율 → 무증상 또는 경미
→ mtDNA heteroplasmy 참조