Кольцевая митохондриальная хромосома длиной 16,5 килобазы расположена в митохондриях и содержит 37 генов. Большинство клеток имеют по крайней мере 1000 молекул мтДНК, распределенных среди сотен отдельных митохондрий, со множеством копий мтДНК в каждой митохондрии. Кроме двух типов рРНК и 22 тРНК, мтДНК кодирует 13 белков, субъединиц окислительного фосфорилирования.
Мутации в мтДНК могут быть унаследованы (по материнскому типу) или приобретаться как соматические мутации. В то же время остальные 74 полипептида комплекса окислительного фосфорилирования кодируются ядерным геномом, кодирующим большинство из примерно 1500 белков митохондрий.
Таким образом, болезни окислительного фосфорилирования возникают не только вследствие мутаций в митохондриальном геноме, но также и мутаций в ядерных генах, кодирующих компоненты окислительного фосфорилирования. Кроме того, ядерный геном кодирует вплоть до 200 факторов, необходимых для использования и экспрессии мтДНК или для сборки белковых комплексов окислительного фосфорилирования.
Мутации во многих из этих ядерных генов могут также приводить к болезням с фенотипическими признаками болезней мтДНК, но, конечно, тип наследования будет обычный, наблюдаемый при мутациях ядерного генома.
Болезни, вызванные мутациями мтДНК, имеют отличающийся тип наследования из-за трех характеристик митохондриальных хромосом: репликативной сегрегации, гомо- и гетероплазмии и материнского наследования.
Репликативная сегрегация обозначает, что многочисленные копии мтДНК в каждой митохондрии в клетке копируются и произвольно сортируются среди вновь синтезированных митохондрий, случайно распределяющихся между дочерними клетками.
Гомоплазмия — ситуация, когда клетка содержит чистую популяцию нормальной или мутантной мтДНК, тогда как гетероплазмия описывает наличие смеси мутантных и нормальных молекул мтДНК в клетке. Таким образом, фенотип, связываемый с мутацией мтДНК, зависит от относительной пропорции нормальной и мутантной мтДНК в клетках конкретной ткани.
В результате митохондриальные заболевания обычно характеризуются низкой пенетрантностью, переменной экспрессией и плейотропией. Материнское наследование мтДНК отражает то, что митохондрии сперматозоидов обычно удаляются из эмбриона, поэтому мтДНК почти всегда полностью наследуется от матери; отцовское наследование болезни мтДНК подтверждено только в одном примере.
