유전의 관점에서의 미토콘드리아

"모든 생물의 조상, 진핵세포, 루카"에서 이야기했듯이 미토콘드리아는 다른 세포이지만 진핵세포에 들어가서 생존하였다. 그래서 진핵 세포의 DNA와는 다른 별도의 DNA를 가지고 있고 이 DNA에는 약 16,569개의 염기쌍으로 구성되어 있다.

 

진핵세포의 분열 과정에서 미토콘드리아는 세포질 분열과 별도로 독립적으로 분열한다. 미토콘드리아는 이분법으로 분열하며, 세포주기 동안 복제된 후 두 딸세포로 적절히 분배된다. 구체적으로 미토콘드리아는 G1기와 S기에서 크기와 수가 증가하며, 세포분열(M기) 시에 세포질이 분리될 때 각각의 딸세포로 나누어진다.

이 과정은 세포 자체의 복제와는 별개로 일어나며, 미토콘드리아는 자체 DNA(미토콘드리아 DNA)를 가지고 있기 때문에 스스로 복제할 수 있다.

미토콘드리아의 돌연변이

미토콘드리아의 분열 시 돌연변이가 발생할 수 있다. 미토콘드리아는 자체적으로 DNA(미토콘드리아 DNA, mtDNA)를 가지고 있으며, 이 DNA는 세포핵에 있는 DNA보다 돌연변이에 더 취약한 편이다. 그 이유는 다음과 같다.

1. 미토콘드리아의 복제 메커니즘: 미토콘드리아 DNA는 독립적으로 복제되는데, 핵 DNA보다 복제 오류에 대한 교정 능력이 부족하다.
2. 산화 스트레스: 미토콘드리아는 세포 호흡을 통해 에너지를 생성하는데, 이 과정에서 자유 라디칼과 같은 산화적 스트레스 요인이 발생한다. 이러한 산화적 손상은 mtDNA에 돌연변이를 유발할 수 있다.
3. 높은 복제 빈도: 미토콘드리아는 세포 내에서 자주 분열하고 복제되기 때문에, 돌연변이가 발생할 가능성이 증가한다.

이러한 돌연변이는 세포의 에너지 대사에 영향을 미치며, 특정 질병이나 노화 과정과 연관되기도 한다. 미토콘드리아는 세포핵의 DNA과 같이 유전과정에서 돌연변이가 나타나는 것은 아니지만 복제과정에서 돌연변이가 가능하고 유전적 다양성을 만들 수 있다.

미토콘드리아의 유전

유성생식 과정에서 미토콘드리아는 모계 유전을 통해 자손에게 전달된다. 미토콘드리아 DNA(mtDNA)는 일반적으로 어머니로부터만 유전되며, 이는 정자의 미토콘드리아는 수정 과정에서 거의 자손에게 전달되지 않기 때문이다.

• 난자에는 수많은 미토콘드리아가 포함되어 있지만, 정자는 미토콘드리아를 주로 꼬리 부분에 가지고 있어 운동 에너지를 공급한다.
• 수정 후 정자의 미토콘드리아는 난자에 들어오지 않거나 들어오더라도 세포에 의해 제거된다.
• 따라서 자손의 미토콘드리아 DNA는 거의 전적으로 어머니로부터 유전된다.

이 과정으로 인해 미토콘드리아 돌연변이나 유전 질환도 어머니로부터 자손에게 전달될 수 있습니다.

미토콘드리아의 이형성

하나의 진핵세포 내에 있는 미토콘드리아들의 DNA가 서로 다를 수 있습니다. 이를 이형성(hétéroplasmie, heteroplasmy)이라고 부른다. 이형성은 동일한 세포 내에 돌연변이가 있는 미토콘드리아 DNA와 정상적인 미토콘드리아 DNA가 공존하는 상태를 의미한다.

이형성은 다음과 같은 이유로 발생할 수 있다.

1. 돌연변이: 미토콘드리아는 자체적으로 DNA를 복제하는데, 이 과정에서 돌연변이가 발생할 수 있다. 시간이 지나면서 세포 내 일부 미토콘드리아에 돌연변이가 축적되면, 서로 다른 미토콘드리아 DNA가 존재할 수 있다.
2. 분열 과정에서의 분배: 미토콘드리아는 세포 분열 시 딸세포에 무작위로 분배되기 때문에, 어떤 세포에서는 돌연변이 미토콘드리아가 더 많아지거나 적어질 수 있다.
3. 선택적 증식: 특정 조건에서 돌연변이 미토콘드리아가 정상 미토콘드리아보다 빠르게 증식할 수도 있다. 이는 세포 기능에 영향을 미칠 수 있다.

이형성은 미토콘드리아 관련 유전 질환에서 중요한 역할을 하며, 돌연변이 미토콘드리아의 비율이 높아지면 질병이 발현될 가능성이 커진다.

미토콘드리아의 후생유전(메틸화)

미토콘드리아 DNA(mtDNA)에서도 메틸화가 발생할 수 있다. 미토콘드리아 DNA 메틸화는 핵 DNA에서와 마찬가지로 에피제네틱 조절 메커니즘 중 하나로 작용할 수 있다. 그러나 미토콘드리아 DNA의 메틸화는 핵 DNA의 메틸화와는 몇 가지 중요한 차이가 있다.

1. 미토콘드리아 DNA 메틸화의 존재

mtDNA에서도 메틸화가 발생하는 것이 확인되었으며, 주로 Cytosine(C)의 CpG 부위에서 메틸화가 이루어진다. 이 과정은 미토콘드리아 내의 여러 기능적 유전자들의 발현을 조절하는 데 관여할 수 있다.

2. 메틸화 패턴의 차이

미토콘드리아 DNA 메틸화는 핵 DNA에 비해 덜 활발하게 일어나며, 그 패턴이 다르다. 미토콘드리아 DNA는 크기가 작고, 상대적으로 적은 수의 CpG 부위를 포함하고 있어 메틸화가 집중적으로 발생하지 않는 경우가 많다. 그럼에도 불구하고 특정 환경적 요인이나 질병 상태에서 mtDNA 메틸화가 변화할 수 있다.

3. 미토콘드리아 메틸화 효소

미토콘드리아에는 핵 DNA 메틸화를 담당하는 DNMT(DNA methyltransferase)와 유사한 효소들이 존재하여 mtDNA에도 메틸기를 첨가할 수 있다. 그러나 mtDNA 메틸화의 정확한 메커니즘은 핵 DNA에 비해 덜 연구되어 있으며, 미토콘드리아 메틸화가 에너지 대사 및 세포 기능에 미치는 영향은 아직 활발히 연구되고 있다.

4. 질병과의 연관성

mtDNA 메틸화의 변화는 여러 질병, 특히 신경퇴행성 질환, 대사 질환, 그리고 일부 암과 연관이 있다는 연구 결과들이 보고되고 있다. 예를 들어, 특정 미토콘드리아 유전자의 과도한 메틸화는 미토콘드리아 기능 저하를 유발할 수 있고, 이는 다양한 세포질환으로 이어질 수 있다.

 

진핵세포의 DNA과 마찬가지로 미토콘드리아의 DNA 역시 인간의 신체에 깊이 관여하고 있다. 최근에는 미토콘드리아의 DNA 이상이 정신질환과 관련이 있다는 연구도 많이 진행되고 있다.