ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรีย ( mDNAหรือmtDNA ) คือดีเอ็นเอที่อยู่ใน ออร์แก เนลล์ไมโทคอนเดรียใน เซลล์ยูคา ริโอติกซึ่งทำหน้าที่แปลงพลังงานเคมีจากสารประกอบอินทรีย์ให้เป็น อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียเป็นเพียงส่วนเล็กน้อยของดีเอ็นเอที่มีอยู่ในเซลล์ยูคาริโอติก ดีเอ็นเอส่วนใหญ่จะอยู่ในนิวเคลียสของเซลล์และในพืชและสาหร่าย ดีเอ็นเอยังพบได้ในพลาสติดเช่นคลอโรพลาสต์ [ ^{3 ] ดีเอ็นเอ}ไมโทคอนเดรียมีหน้าที่ในการเข้ารหัสหน่วยย่อยที่จำเป็น 13 หน่วยของ ระบบ ฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชัน (OXPHOS) ที่ซับซ้อน ซึ่งมีบทบาทในการแปลงพลังงานในเซลล์^{[ 4 ]}

ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียของมนุษย์เป็นส่วนสำคัญแรกของจีโนมมนุษย์ที่ได้รับการจัดลำดับ^{[ 5 ]} การจัดลำดับนี้เผยให้เห็นว่า mtDNA ของมนุษย์มี เบสคู่ 16,569 คู่ และเข้ารหัสโปรตีน 13 ชนิด เช่นเดียวกับในสัตว์มีกระดูกสันหลังอื่นๆรหัสพันธุกรรมไมโท คอนเดรียของมนุษย์ แตกต่างจากดีเอ็นเอในนิวเคลียสเล็กน้อย^{[ 6 ]}

เนื่องจาก mtDNA ของสัตว์วิวัฒนาการเร็วกว่าเครื่องหมายทางพันธุกรรมนิวเคลียร์^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}จึงถือเป็นหลักสำคัญของฟิโลเจเนติกส์และชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการนอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถติดตามความสัมพันธ์ของประชากรได้ จึงมีความสำคัญในมานุษยวิทยาและชีวภูมิศาสตร์

เชื่อกันว่าดีเอ็นเอในนิวเคลียสและไมโทคอนเดรียมี ต้นกำเนิด ทางวิวัฒนาการ ที่แยกจากกัน โดย mtDNA มาจากจีโนมวงกลมของแบคทีเรียที่ถูกกลืนกินโดยบรรพบุรุษของเซลล์ยูคาริโอตในปัจจุบัน ทฤษฎีนี้เรียกว่าทฤษฎีเอนโดซิมไบโอติกในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตในปัจจุบัน โปรตีนส่วนใหญ่ในไมโทคอนเดรีย (ซึ่งมีจำนวนประมาณ 1500 ชนิดที่แตกต่างกันในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ) ถูกเข้ารหัสโดยดีเอ็นเอในนิวเคลียส แต่ยีนสำหรับบางส่วน หากไม่ใช่ส่วนใหญ่ เชื่อกันว่ามีต้นกำเนิดมาจากแบคทีเรีย โดยถูกถ่ายโอนไป ยังนิวเคลียสของยูคาริโอตในระหว่างวิวัฒนาการ^{[ 10 ]}

เหตุผลที่ไมโทคอนเดรียยังคงรักษายีนบางส่วนไว้ยังคงเป็นที่ถกเถียงกัน การมีอยู่ของออร์แกเนลล์ที่ได้มาจากไมโทคอนเดรียซึ่งไม่มีจีโนมในบางสายพันธุ์^{[ 11 ]}บ่งชี้ว่าการสูญเสียยีนทั้งหมดเป็นไปได้ และการถ่ายโอนยีนไมโทคอนเดรียไปยังนิวเคลียสมีข้อดีหลายประการ^{[ 12 ]}ความยากลำบากในการกำหนดเป้าหมายผลิตภัณฑ์โปรตีนไฮโดรโฟบิกที่ผลิตจากระยะไกลไปยังไมโทคอนเดรียเป็นสมมติฐานหนึ่งว่าทำไมยีนบางส่วนจึงยังคงอยู่ใน mtDNA ^{[ 13 ]}การอยู่ร่วมกันเพื่อควบคุมรีดอกซ์เป็นอีกสมมติฐานหนึ่ง โดยอ้างถึงความต้องการการควบคุมเฉพาะที่เหนือกลไกของไมโทคอนเดรีย^{[ 14 ]}การวิเคราะห์จีโนม mtDNA ที่หลากหลายเมื่อเร็ว ๆ นี้ชี้ให้เห็นว่าคุณลักษณะทั้งสองนี้อาจกำหนดการรักษายีนไมโทคอนเดรียไว้^{[ 10 ]}

ในสิ่งมีชีวิตทั้งหมด มีจีโนมไมโทคอนเดรียหลัก 6 ประเภท ซึ่งจำแนกตามโครงสร้าง (เช่น วงกลมเทียบกับเส้นตรง) ขนาด การมีอยู่ของอินทรอนหรือโครงสร้างคล้ายพลาสมิดและไม่ว่าสารพันธุกรรมจะเป็นโมเลกุลเดี่ยวหรือเป็นกลุ่มของโมเลกุลที่เป็นเนื้อเดียวกันหรือต่างเนื้อกัน^{[ 15 ]}

ในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวหลายชนิด (เช่นซิลิเอตTetrahymenaและสาหร่ายสีเขียวChlamydomonas reinhardtii ) และในบางกรณีที่หายากในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (เช่น ในบางสปีชีส์ของCnidaria ) mtDNA เป็นDNA แบบเส้นตรง mtDNA แบบเส้นตรงเหล่านี้ส่วนใหญ่มีเทโลเมียร์ที่ไม่ขึ้น กับเทโลเมอ เรส (กล่าวคือ ปลายของ DNA แบบเส้นตรง) ที่มีโหมดการจำลองแบบที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้พวกมันเป็นวัตถุที่น่าสนใจในการวิจัย เนื่องจากสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวหลายชนิดที่มี mtDNA แบบเส้นตรงเหล่านี้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นเชื้อก่อโรค^{[ 16 ]}

สัตว์ ส่วนใหญ่ ( ไบลาเทเรียน ) มีจีโนมไมโทคอนเดรียเป็นวงกลมอย่างไรก็ตามกลุ่มเมดูโซอาและแคลคาเรีย มีสปีชีส์ที่มีโครโมโซมไมโทคอนเดรียเป็นเส้นตรง ^{[ 17 ]}ยกเว้นบางกรณี สัตว์ส่วนใหญ่มี 37 ยีนในดีเอ็นเอไมโทคอนเดรีย ได้แก่ 13 ยีนสำหรับโปรตีน 22 ยีนสำหรับtRNAและ 2 ยีน^{สำหรับ} rRNA ^{[ 18} ]

จีโนมไมโทคอนเดรียของสัตว์โดยเฉลี่ยมีความยาวประมาณ 16,000 คู่เบส^{[ 18 ]}ดอกไม้ทะเลIsarachnanthus nocturnusมีจีโนมไมโทคอนเดรียที่ใหญ่ที่สุดในบรรดาสัตว์ทุกชนิดที่ 80,923 คู่เบส^{[ 19 ]}จีโนมไมโทคอนเดรียที่เล็กที่สุดที่รู้จักในสัตว์เป็นของแมงกะพรุนหวีVallicula multiformisซึ่งประกอบด้วย 9,961 คู่เบส^{[ 20 ]}

ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2563 มีการค้นพบปรสิตที่เกี่ยวข้องกับแมงกะพรุน – Henneguya salminicola – ซึ่งไม่มีจีโนมไมโทคอนเดรีย แต่ยังคงมีโครงสร้างที่ถือว่าเป็นออร์แกเนลล์ที่เกี่ยวข้องกับไมโทคอนเดรีย นอกจากนี้ ยีน DNA ในนิวเคลียสที่เกี่ยวข้องกับการหายใจแบบใช้ออกซิเจนและการจำลองและการถอดรหัส DNA ไมโทคอนเดรียก็ไม่มีอยู่หรือมีอยู่เพียงในรูปของยีนเทียม เท่านั้น นี่เป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ชนิดแรกที่ทราบว่าไม่มีการหายใจแบบใช้ออกซิเจนและดำรงชีวิตโดยปราศจากการพึ่งพาออกซิเจนโดยสิ้นเชิง^{[ 21 ] [ 22 ]}

Armadillidium vulgareมีจีโนมขนาดใหญ่เป็นพิเศษเมื่อเทียบกับสัตว์จำพวกครัสเตเชียนชนิดอื่นโดยเฉลี่ยประมาณ 30 kB มากกว่า ทำให้สามารถใช้เป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบในการวิจัย mtDNA ได้ ^{[ 23 ]}

ในพืชและเชื้อรามีจีโนมไมโทคอนเดรียที่แตกต่างกัน 3 ประเภท ประเภทแรกคือจีโนมวงกลมที่มีอินทรอน (ประเภทที่ 2) และอาจมีความยาวตั้งแต่ 19 ถึง 1000 กิโลเบสคู่ (kbp) ประเภทที่สองคือจีโนมวงกลม (ประมาณ 20–1000 กิโลเบสคู่) ที่มีโครงสร้างคล้ายพลาสมิด (1 กิโลเบสคู่) (ประเภทที่ 3) ประเภทจีโนมสุดท้ายที่พบในพืชและเชื้อราคือจีโนมเชิงเส้นที่ประกอบด้วยโมเลกุล DNA ที่เป็นเนื้อเดียวกัน (ประเภทที่ 5) ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

มีความแตกต่างอย่างมากในเนื้อหาและขนาดของยีน mtDNA ระหว่างเชื้อราและพืช แม้ว่าจะดูเหมือนมีชุดยีนหลักอยู่ในยูคาริโอตทั้งหมด (ยกเว้นบางชนิดที่ไม่มีไมโทคอนเดรียเลย) ^{[ 10 ]}อย่างไรก็ตาม ในเชื้อรา ไม่มียีนใดที่ใช้ร่วมกันในไมโทจีโนมทั้งหมด^{[ 27 ]} พืชบางชนิดมีจีโนมไมโทคอนเดรียขนาดใหญ่มาก โดย mtDNA ของ Silene conicaมีเบสคู่มากถึง 11,300,000 คู่^{[ 28 ]}อย่างไรก็ตาม แม้แต่ mtDNA ขนาดใหญ่เหล่านั้นก็ยังมีจำนวนและชนิดของยีนเหมือนกับพืชที่เกี่ยวข้องที่มี mtDNA ขนาดเล็กกว่ามาก^{[ 29 ]} จีโนมของไมโตคอนเดรียของแตงกวา ( Cucumis sativus ) ประกอบด้วยโครโมโซมวงกลมสามอัน (ความยาว 1556, 84 และ 45 กิโลเบส) ซึ่งเป็นอิสระโดยสมบูรณ์หรือส่วนใหญ่เกี่ยวกับการจำลองแบบ ของพวก มัน^{[ 30 ]}

โปรติสต์มีจีโนมไมโทคอนเดรียที่หลากหลายที่สุด โดยพบถึงห้าประเภทที่แตกต่างกันในอาณาจักรนี้ จีโนมประเภทที่ 2 ประเภทที่ 3 และประเภทที่ 5 ของพืชและเชื้อราก็พบได้ในโปรติสต์บางชนิดเช่นกัน รวมถึงจีโนมประเภทเฉพาะอีกสองประเภท หนึ่งในประเภทเฉพาะเหล่านี้เป็นกลุ่มโมเลกุล DNA วงกลมที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (ประเภทที่ 4) ในขณะที่อีกประเภทหนึ่งเป็นกลุ่มโมเลกุลเชิงเส้นที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (ประเภทที่ 6) จีโนมประเภทที่ 4 และ 6 แต่ละประเภทมีขนาดตั้งแต่ 1–200 กิโลเบสคู่ (kbp)

จีโนมไมโทคอนเดรียที่เล็กที่สุดที่ได้รับการจัดลำดับจนถึงปัจจุบันคือ mtDNA ขนาด 5,967 bp ของปรสิตPlasmodium falciparum ^{[ 31 ] [ 32 ]}

การถ่ายทอดยีน แบบเอนโดซิมไบโอติกซึ่งเป็นกระบวนการที่ยีนที่ถูกเข้ารหัสอยู่ในจีโนมของไมโทคอนเดรียถูกถ่ายโอนไปยังจีโนมหลักของเซลล์ น่าจะเป็นคำอธิบายว่าทำไมสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนกว่า เช่น มนุษย์ จึงมีจีโนมของไมโทคอนเดรียที่เล็กกว่าสิ่งมีชีวิตที่เรียบง่ายกว่า เช่น โปรติสต์

ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียของมนุษย์มี 2 สาย ได้แก่ สายหนักและสายเบา^{[ 33 ]}การควบคุมการจำลองแบบดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียและการเริ่มต้นการถอดรหัสจะอยู่ในบริเวณที่ไม่เข้ารหัสระหว่างยีน (NCR) เพียงแห่งเดียว^{[ 33 ]}ในมนุษย์ บริเวณ NCR ขนาด 1,100 คู่เบสประกอบด้วยโปรโมเตอร์ 3 ตัว ได้แก่ โปรโมเตอร์สาย L สองตัว (LSP และ LSP2) และโปรโมเตอร์สาย H หนึ่งตัว (HSP) ^{[ 34 ]}แตกต่างจากการเริ่มต้นการจำลองแบบดีเอ็นเอในนิวเคลียสแบบสองทิศทางและเฉพาะเจาะจง ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียมีจุดเริ่มต้นการจำลองแบบทิศทางเดียวเฉพาะสาย 2 จุด ได้แก่ สาย H นำ (O _H ) ซึ่งอยู่ใน NCR และสาย L ตาม (O _L ) ซึ่งอยู่ในกลุ่มยีน tRNA ^{[ 35 ]}

ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียถูกจำลองโดย คอมเพล็กซ์ ดีเอ็นเอพอลิเมอเรสแกมมา ซึ่งประกอบด้วยดีเอ็นเอพอลิเมอเรสเร่งปฏิกิริยาขนาด 140 kDa ที่เข้ารหัสโดย ยีน POLGและซับยูนิตเสริมขนาด 55 kDa สองหน่วยที่เข้ารหัสโดยยีนPOLG2 ^{[ 36 ]}กลไกการจำลองแบบดีเอ็นเอถูกสร้างขึ้นโดยดีเอ็นเอพอลิเมอเรส, TWINKLEและโปรตีน SSB ของไมโทคอนเดรีย TWINKLE เป็นเฮลิเคสซึ่งคลายเกลียวดีเอ็นเอสายคู่สั้นๆ ในทิศทาง 5' ถึง 3' ^{[ 37 ]}โปรตีนจับดีเอ็นเอสายเดี่ยวของไมโทคอนเดรีย (SSB) ประสานกิจกรรมกับ POLG ในระหว่างการจำลองแบบดีเอ็นเอ^{[ 38 ]}โพลีเปปไทด์ทั้งหมดเหล่านี้ถูกเข้ารหัสในจีโนมนิวเคลียร์

ในระหว่างการเกิดตัวอ่อนการจำลองแบบของ mtDNA จะถูกควบคุมอย่างเข้มงวดตั้งแต่เซลล์ไข่ที่ได้รับการปฏิสนธิไปจนถึงตัวอ่อนก่อนการฝังตัว^{[ 39 ]}การลดลงของจำนวนสำเนา mtDNA ต่อเซลล์ที่เกิดขึ้นนี้มีบทบาทในคอขวดของไมโทคอนเดรีย โดยใช้ประโยชน์จากความแปรปรวนระหว่างเซลล์เพื่อบรรเทาการถ่ายทอดการกลายพันธุ์ที่ก่อให้เกิดความเสียหาย^{[ 40 ]}ตามที่ Justin St. John และเพื่อนร่วมงานกล่าวไว้ว่า "ใน ระยะ บลาสโตซิสต์การเริ่มต้นของการจำลองแบบ mtDNA นั้นจำเพาะต่อเซลล์ของโทรเฟคโตเดอร์ม [ ^{39 ] ใน}ทางตรงกันข้าม เซลล์ของมวลเซลล์ชั้นในจะจำกัดการจำลองแบบ mtDNA จนกว่าจะได้รับสัญญาณให้แยกตัวเป็นเซลล์ประเภทเฉพาะ" ^{[ 39 ]}

แม้ว่าจะมีรายงานว่ามีกลไกการซ่อมแซม DNA หลายเส้นทางเกิดขึ้นในไมโทคอนเดรีย แต่ปัจจุบันเส้นทางการซ่อมแซมแบบตัดฐาน (base excision repair) เป็นเส้นทางที่มีการอธิบายอย่างละเอียดที่สุด^{[ 41 ]}โปรตีนที่ใช้ในการบำรุงรักษา DNA ของไมโทคอนเดรียจะถูกเข้ารหัสโดยยีนในนิวเคลียสและเคลื่อนย้ายไปยังไมโทคอนเดรีย^{[ 41 ]}ไมโทคอนเดรียของเซลล์มนุษย์สามารถซ่อมแซม การจับคู่ เบสDNA ที่ไม่ตรงกันได้ด้วยเส้นทางที่แตกต่างจาก เส้นทาง การซ่อมแซม DNA ที่ไม่ตรงกันของนิวเคลียส^{[ 42 ]}เส้นทางไมโทคอนเดรียที่แตกต่างนี้รวมถึงกิจกรรมของโปรตีนที่จับกับ Y box 1 (เรียกว่า YB-1 หรือ YBX1) ซึ่งน่าจะทำหน้าที่ในขั้นตอนการจับและการจดจำที่ไม่ตรงกันของการซ่อมแซมที่ไม่ตรงกัน^{[ 42 ]}กลไกการซ่อมแซม DNA ที่เฉพาะเจาะจงกับไมโทคอนเดรียอาจสะท้อนถึงความใกล้ชิดของ DNA ไมโทคอนเดรียกับระบบฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดทีฟ และด้วยเหตุนี้จึงอยู่ใกล้กับอนุมูลอิสระออกซิเจนที่ทำลาย DNA ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการผลิต ATP ^{[ 43 ]}

ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียของมนุษย์แบ่งออกเป็นสองสาย ได้แก่ สายหนักและสายเบา สายหนักอุดมไปด้วยกัวนีนและเข้ารหัสหน่วยย่อยของ ระบบ ฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชัน 12 หน่วย, อาร์เอ็นเอไรโบโซม 2 ชนิด(12S และ 16S) และอาร์เอ็นเอถ่ายโอน 14 ชนิด (tRNA) ส่วนสายเบาเข้ารหัสหน่วยย่อย 1 หน่วยและ tRNA 8 ชนิด ดังนั้นโดยรวมแล้ว mtDNA เข้ารหัสอาร์เอ็นเอไรโบโซม 2 ชนิด, tRNA 22 ชนิด และหน่วยย่อยโปรตีน 13 ชนิด ซึ่งทั้งหมดเกี่ยวข้องกับกระบวนการฟอสโฟรีเลชันแบบออกซิเดชัน^{[ 46 ] [ 47 ]}

• ลำดับสมบูรณ์ของดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียของมนุษย์ในรูปแบบกราฟิก

ระหว่างบริเวณที่เข้ารหัสโปรตีนส่วนใหญ่ (แต่ไม่ใช่ทั้งหมด) จะมี tRNA อยู่ (ดูแผนที่จีโนมไมโทคอนเดรียของมนุษย์ ) ในระหว่างการถอดรหัส tRNA จะมีรูปร่างตัว L ที่เป็นลักษณะเฉพาะ ซึ่งจะถูกจดจำและตัดโดยเอนไซม์เฉพาะ ด้วยกระบวนการประมวลผล RNA ของไมโทคอนเดรีย ลำดับ mRNA, rRNA และ tRNA แต่ละลำดับจะถูกแยกออกจากทรานสคริปต์หลัก^{[ 49 ]}ดังนั้น tRNA ที่พับแล้วจึงทำหน้าที่เป็นเครื่องหมายวรรคตอนของโครงสร้างทุติยภูมิ^{[ 50 ]}

การถอดรหัสเกิดขึ้นโดยพอลิเมอเรส RNA ไมโทคอนเดรียแบบหน่วยย่อยเดี่ยว (POLRMT) โดยร่วมกับปัจจัยเสริมสองตัว ได้แก่ ปัจจัยการถอดรหัสไมโทคอนเดรีย A (TFAM) และปัจจัยการถอดรหัสไมโทคอนเดรีย B2 (TFB2M) คอมเพล็กซ์ POLRMT จะจดจำโปรโมเตอร์และเริ่มต้นการถอดรหัส^{[ 51 ]}การถอดรหัสส่งผลให้เกิดทรานสคริปต์โพลีซิสโทรนิกซึ่งจะถูกประมวลผลในเม็ด RNA ไมโทคอนเดรียที่แยกจากกันเป็น mRNA, tRNA และ rRNA แต่ละตัว^{[ 52 ]}

โปรโมเตอร์สำหรับการเริ่มต้นการถอดรหัสของสายหนักและสายเบาตั้งอยู่ในบริเวณที่ไม่ใช่รหัสหลักของ mtDNA ที่เรียกว่าลูปการแทนที่ หรือD -loop ^{[ 46 ]}มีหลักฐานว่าการถอดรหัสของ rRNA ของไมโทคอนเดรียถูกควบคุมโดยโปรโมเตอร์สายหนัก 1 (HSP1) และการถอดรหัสของทรานสคริปต์โพลีซิสโทรนิกที่เข้ารหัสสำหรับหน่วยย่อยโปรตีนถูกควบคุมโดย HSP2 ^{[ 46 ]}

การวัดระดับของ RNA ที่เข้ารหัสโดย mtDNA ในเนื้อเยื่อของวัวแสดงให้เห็นว่ามีความแตกต่างที่สำคัญในการแสดงออกของ RNA ไมโตคอนเดรียเมื่อเทียบกับ RNA ของเนื้อเยื่อทั้งหมด^{[ 53 ]}ในบรรดาเนื้อเยื่อ 12 ชนิดที่ตรวจสอบ ระดับการแสดงออกสูงสุดพบในหัวใจ ตามด้วยสมองและตัวอย่างเนื้อเยื่อสร้างสเตียรอยด์^{[ 53 ]}

ดังที่แสดงให้เห็นโดยผลของฮอร์โมนบำรุงACTHต่อเซลล์เยื่อหุ้มต่อมหมวกไต การแสดงออกของยีนไมโทคอนเดรียอาจถูกควบคุมอย่างเข้มงวดโดยปัจจัยภายนอก เห็นได้ชัดว่าเพื่อเพิ่มการสังเคราะห์โปรตีนไมโทคอนเดรียที่จำเป็นสำหรับการผลิตพลังงาน^{[ 53 ]}ที่น่าสนใจคือ ในขณะที่การแสดงออกของยีนที่เข้ารหัสโปรตีนถูกกระตุ้นโดย ACTH ระดับของ 16S rRNA ของไมโทคอนเดรียกลับไม่แสดงการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ^{[ 53 ]}

ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ส่วน ใหญ่ mtDNA จะถูกถ่ายทอดมาจากแม่ (ถ่ายทอดทางแม่) กลไกสำหรับเรื่องนี้ได้แก่ การเจือจางอย่างง่าย (ไข่มีโมเลกุล mtDNA โดยเฉลี่ย 200,000 โมเลกุล ในขณะที่อสุจิ ของมนุษย์ที่แข็งแรง มีรายงานว่ามีโมเลกุลโดยเฉลี่ย 5 โมเลกุล) ^{[ 54 ] [ 55 ]}การย่อยสลายของ mtDNA ในอสุจิในระบบสืบพันธุ์เพศชายและไข่ที่ได้รับการปฏิสนธิ และอย่างน้อยในสิ่งมีชีวิตบางชนิด ความล้มเหลวของ mtDNA ในอสุจิที่จะเข้าไปในไข่ ไม่ว่ากลไกจะเป็นอย่างไร รูปแบบการถ่ายทอด mtDNA จากพ่อแม่เพียงคนเดียว ( การถ่ายทอดทางพ่อแม่ฝ่ายเดียว ) นี้พบได้ในสัตว์ส่วนใหญ่ พืชส่วนใหญ่ และเชื้อราด้วย^{[ 56 ]}

ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในปี 2018 รายงานว่าทารกมนุษย์ได้รับมรดก mtDNA จากทั้งพ่อและแม่ ส่งผลให้เกิดภาวะเฮเทอโรพลาสมี่ของ mtDNA ^{[ 57 ]}ซึ่งเป็นผลการค้นพบที่ถูกปฏิเสธโดยนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ^{[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ]}

ในการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศไมโตคอนเดรียมักจะได้รับการถ่ายทอดมาจากแม่เท่านั้น ไมโตคอนเดรียในอสุจิของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมักจะถูกทำลายโดยเซลล์ไข่หลังจากการปฏิสนธิ นอกจากนี้ ไมโตคอนเดรียยังพบได้เฉพาะในส่วนกลาง ซึ่งใช้ในการขับเคลื่อนเซลล์อสุจิ และบางครั้งส่วนกลางพร้อมกับหางก็อาจสูญหายไปในระหว่างการปฏิสนธิ ในปี 1999 มีรายงานว่าไมโตคอนเดรียของอสุจิจากพ่อ (ซึ่งมี mtDNA) จะถูกทำเครื่องหมายด้วยยูบิควิตินเพื่อคัดเลือกให้ถูกทำลายในภายหลังภายในตัวอ่อน^{[ 61 ]} เทคนิคการปฏิสนธิ ในหลอดทดลองบางอย่างโดยเฉพาะอย่างยิ่งการฉีดอสุจิเข้าไปในเซลล์ไข่อาจรบกวนกระบวนการนี้ได้

ข้อเท็จจริงที่ว่าดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียส่วนใหญ่ได้รับการถ่ายทอดทางมารดา ทำให้ นักวิจัย ด้านพันธุศาสตร์สามารถสืบย้อนสายเลือดทางมารดา ไป ได้ไกลในอดีต ( ดีเอ็นเอโครโมโซม Y ซึ่งได้รับการถ่ายทอดทางบิดา ถูกนำมาใช้ในลักษณะเดียวกันเพื่อกำหนด ประวัติ ทางสายเลือดทางบิดา ) โดยปกติแล้วจะทำกับดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียของมนุษย์โดยการ จัดลำดับ บริเวณควบคุมที่มีความแปรผันสูง (HVR1 หรือ HVR2) และบางครั้งก็ใช้โมเลกุลทั้งหมดของดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียเป็นการทดสอบดีเอ็นเอทางพันธุศาสตร์^{[ 62 ]}ตัวอย่างเช่น HVR1 ประกอบด้วยเบสคู่ประมาณ 440 คู่ เบสคู่ 440 คู่นี้จะถูกนำไปเปรียบเทียบกับบริเวณเดียวกันของบุคคลอื่น (ไม่ว่าจะเป็นบุคคลเฉพาะหรือบุคคลในฐานข้อมูล) เพื่อกำหนดสายเลือดทางมารดา ส่วนใหญ่แล้ว การเปรียบเทียบจะทำกับลำดับอ้างอิงเคมบริดจ์ ที่แก้ไขแล้ว Vilà และคณะได้ตีพิมพ์งานวิจัยที่ติดตามการสืบเชื้อสายทางมารดาของสุนัขบ้านจากหมาป่า^{[ 63 ]} แนวคิดของMitochondrial Eveนั้นมีพื้นฐานมาจากการวิเคราะห์ประเภทเดียวกัน โดยพยายามค้นหาต้นกำเนิดของมนุษยชาติโดยการติดตามสายเลือดกลับไปในอดีต

สิ่งมีชีวิตที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากฝ่ายเดียวและมีการรวมตัวใหม่ของยีนน้อยหรือไม่เกิดขึ้นเลย อาจคาดได้ว่าจะตกอยู่ภายใต้กลไกของมุลเลอร์ (Muller's ratchet)ซึ่งเป็นการสะสมของกลายพันธุ์ที่เป็นอันตรายจนกระทั่งสูญเสียการทำงานไป ประชากรไมโทคอนเดรียในสัตว์หลีกเลี่ยงสิ่งนี้ได้ด้วยกระบวนการพัฒนาที่เรียกว่า คอ ขวด ของ mtDNA (mtDNA bottleneck ) คอขวดนี้ใช้ประโยชน์จากกระบวนการสุ่มในเซลล์เพื่อเพิ่มความแปรปรวนของปริมาณการกลายพันธุ์ระหว่างเซลล์ต่อเซลล์ในขณะที่สิ่งมีชีวิตพัฒนา กล่าวคือ เซลล์ไข่เพียงเซลล์เดียวที่มี mtDNA กลายพันธุ์ในสัดส่วนหนึ่งจะสร้างตัวอ่อนที่มีเซลล์ต่าง ๆ มีปริมาณการกลายพันธุ์แตกต่างกัน การคัดเลือกในระดับเซลล์อาจทำหน้าที่กำจัดเซลล์ที่มี mtDNA กลายพันธุ์มากกว่า ส่งผลให้ปริมาณการกลายพันธุ์คงที่หรือลดลงระหว่างรุ่น กลไกที่อยู่เบื้องหลังคอขวดเป็นที่ถกเถียงกัน^{[ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]}โดยการศึกษาเชิงคณิตศาสตร์และการทดลองล่าสุดได้ให้หลักฐานสำหรับการรวมกันของการแบ่งส่วนแบบสุ่มของ mtDNA ในการแบ่งเซลล์และการหมุนเวียนแบบสุ่มของโมเลกุล mtDNA ภายในเซลล์^{[ 40 ]}

มีการค้นพบการถ่ายทอดดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียเพศผู้ในไก่พันธุ์พลีมัธร็อค^{[ 68 ]}หลักฐานสนับสนุนกรณีหายากของการถ่ายทอดไมโทคอนเดรียเพศผู้ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมบางชนิดเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีการบันทึกเหตุการณ์ในหนู^{[ 69 ] [ 70 ]}ซึ่งไมโทคอนเดรียที่ได้รับสืบทอดมาจากเพศผู้ถูกปฏิเสธในภายหลัง นอกจากนี้ยังพบในแกะ^{[ 71 ]}และในวัวโคลน^{[ 72 ]}มีการบันทึกกรณีหายากของการถ่ายทอดไมโทคอนเดรียเพศผู้ในมนุษย์^{[ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] [ 57 ]}แม้ว่าหลายกรณีเหล่านี้เกี่ยวข้องกับตัวอ่อนโคลนหรือการปฏิเสธไมโทคอนเดรียของพ่อในภายหลัง แต่บางกรณีก็บันทึก การถ่ายทอด ในร่างกายและการคงอยู่ภายใต้สภาวะในห้องปฏิบัติการ

การถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบสองทางของ mtDNA พบได้ในหอยสองฝา ในสายพันธุ์เหล่านั้น ตัวเมียจะมี mtDNA เพียงชนิดเดียว (F) ในขณะที่ตัวผู้มี mtDNA ชนิด F ในเซลล์ร่างกาย แต่มี mtDNA ชนิด M (ซึ่งอาจมีความแตกต่างกันได้มากถึง 30%) ในเซลล์สืบพันธุ์^{[ 76 ]} นอกจาก นี้ ยังมีการรายงานไมโทคอนเดรี ^ยที่ถ่ายทอดมาจากพ่อในแมลงบางชนิด เช่น^{แมลงวัน}ผลไม้ [ ^{77 ] [ 78 ]}ผึ้ง^{[ 79 ]}และจักจั่น [ ^{80 ]}

เทคนิค IVF ที่เรียกว่าการบริจาคไมโทคอนเดรียหรือการบำบัดทดแทนไมโทคอนเดรีย (MRT) ส่งผลให้ลูกหลานมี mtDNA จากผู้หญิงที่เป็นผู้บริจาค และ DNA จากนิวเคลียสของมารดาและบิดา ในขั้นตอนการถ่ายโอนสปินเดิล นิวเคลียสของไข่จะถูกใส่เข้าไปในไซโทพลาซึมของไข่จากผู้หญิงที่เป็นผู้บริจาคซึ่งนิวเคลียสถูกนำออกไปแล้ว แต่ยังคงมี mtDNA ของผู้หญิงที่เป็นผู้บริจาคอยู่ จากนั้นไข่ที่ผสมแล้วจะถูกผสมกับอสุจิของผู้ชาย ขั้นตอนนี้ใช้เมื่อผู้หญิงที่มีไมโทคอนเดรียบกพร่องทางพันธุกรรมต้องการมีบุตรและผลิตลูกหลานที่มีไมโทคอนเดรียที่แข็งแรง^{[ 81 ]}เด็กคนแรกที่ทราบว่าเกิดจากการบริจาคไมโทคอนเดรียคือเด็กชายที่เกิดกับคู่สามีภรรยาชาวจอร์แดนในเม็กซิโกเมื่อวันที่ 6 เมษายน 2559 ^{[ 82 ]}

แนวคิดที่ว่า mtDNA มีความไวต่ออนุมูลอิสระออกซิเจนที่สร้างขึ้นโดยห่วงโซ่การหายใจ เป็นพิเศษ เนื่องจากความใกล้เคียงยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่^{[ 83 ]} mtDNA ไม่สะสมความเสียหายของเบสออกซิเดชันมากกว่า DNA ในนิวเคลียส^{[ 84 ]}มีรายงานว่าความเสียหายของ DNA ออกซิเดชันบางประเภทได้รับการซ่อมแซมอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในไมโทคอนเดรียมากกว่าในนิวเคลียส^{[ 85 ]} mtDNA ถูกบรรจุด้วยโปรตีนซึ่งดูเหมือนจะให้การปกป้องได้ดีเท่ากับโปรตีนของโครมาตินในนิวเคลียส^{[ 86 ]}ยิ่งไปกว่านั้น ไมโทคอนเดรียได้พัฒนากลไกเฉพาะที่รักษาความสมบูรณ์ของ mtDNA ผ่านการย่อยสลายจีโนมที่เสียหายมากเกินไป ตามด้วยการจำลองแบบของ mtDNA ที่สมบูรณ์/ได้รับการซ่อมแซม กลไกนี้ไม่มีอยู่ในนิวเคลียสและเกิดขึ้นได้จากสำเนา mtDNA หลายชุดที่มีอยู่ในไมโทคอนเดรีย^{[ 87 ]}ผลลัพธ์ของการกลายพันธุ์ใน mtDNA อาจเป็นการเปลี่ยนแปลงในคำสั่งการเข้ารหัสสำหรับโปรตีนบางชนิด^{[ 88 ]}ซึ่งอาจมีผลต่อการเผาผลาญและ/หรือสมรรถภาพของสิ่งมีชีวิต

การกลายพันธุ์ของดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียสามารถนำไปสู่โรคต่างๆ ได้มากมาย รวมถึงภาวะไม่ทนต่อการออกกำลังกายและกลุ่มอาการเคิร์นส์-เซย์เร (KSS) ซึ่งทำให้บุคคลสูญเสียการทำงานของหัวใจ ตา และการเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้ออย่างสมบูรณ์ หลักฐานบางอย่างชี้ให้เห็นว่าการกลายพันธุ์อาจเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดกระบวนการชราภาพและโรคที่เกี่ยวข้องกับอายุ^{[ 89 ]}โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริบทของโรค สัดส่วนของโมเลกุล mtDNA ที่กลายพันธุ์ในเซลล์เรียกว่าเฮเทอโรพลาสมี่ การกระจายตัวของเฮเทอโรพลาสมี่ภายในเซลล์และระหว่างเซลล์เป็นตัวกำหนดการเริ่มต้นและความรุนแรงของโรค^{[ 90 ]}และได้รับอิทธิพลจากกระบวนการสุ่มที่ ซับซ้อน ภายในเซลล์และระหว่างการพัฒนา^{[ 40 ] [ 91 ]}

การกลายพันธุ์ใน tRNA ของไมโตคอนเดรียสามารถทำให้เกิดโรคร้ายแรงได้ เช่นกลุ่มอาการMELASและMERRF ^{[ 92 ]}

การกลายพันธุ์ในยีนนิวเคลียร์ที่เข้ารหัสโปรตีนที่ไมโตคอนเดรียใช้ยังสามารถมีส่วนทำให้เกิดโรคไมโตคอนเดรียได้ โรคเหล่านี้ไม่ได้เป็นไปตามรูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมของไมโตคอนเดรีย แต่เป็นไปตามรูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมของเมนเดล^{[ 93 ]}

เมื่อเร็วๆ นี้ การกลายพันธุ์ใน mtDNA ได้ถูกนำมาใช้เพื่อช่วยวินิจฉัยมะเร็งต่อมลูกหมากในผู้ป่วยที่มีผลการตรวจชิ้นเนื้อต่อมลูกหมากเป็น ลบ ^{[ 94 ] [ 95 ]} การเปลี่ยนแปลงของ mtDNA สามารถตรวจพบได้ในของเหลวชีวภาพของผู้ป่วยที่เป็นมะเร็ง^{[ 96 ]} mtDNA มีลักษณะเด่นคืออัตราการเกิดโพลีมอร์ฟิซึมและการกลายพันธุ์สูง บางส่วนได้รับการยอมรับมากขึ้นเรื่อยๆ ว่าเป็นสาเหตุสำคัญของพยาธิสภาพในมนุษย์ เช่น ความผิดปกติของการฟอสฟอริเลชันแบบออกซิเดชัน (OXPHOS) โรคเบาหวานและหูหนวกที่ถ่ายทอดทางมารดา (MIDD) โรคเบาหวานชนิดที่ 2 โรคความเสื่อมของระบบประสาท ภาวะหัวใจล้มเหลว และมะเร็ง

แม้ว่าแนวคิดนี้จะเป็นที่ถกเถียงกัน แต่หลักฐานบางอย่างชี้ให้เห็นถึงความเชื่อมโยงระหว่างความชราและการทำงานผิดปกติของจีโนมไมโทคอนเด รีย ^{[ 97 ]}โดยพื้นฐานแล้ว การกลายพันธุ์ใน mtDNA ทำให้สมดุลที่ละเอียดอ่อนของ การผลิต สารออกซิเจนที่ว่องไว (ROS) และการกำจัด ROS โดยเอนไซม์ (โดยเอนไซม์เช่นsuperoxide dismutase , catalase , glutathione peroxidaseและอื่นๆ) เสียไป อย่างไรก็ตาม การกลายพันธุ์บางอย่างที่เพิ่มการผลิต ROS (เช่น โดยการลดการป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระ) ในหนอนกลับทำให้อายุขัยของพวกมันเพิ่มขึ้น แทนที่จะลดลง^{[ 83 ]}นอกจากนี้หนูตุ่นไร้ขนซึ่งเป็นสัตว์ฟันแทะขนาดประมาณหนูมีอายุยืนยาวกว่าหนูประมาณแปดเท่า แม้ว่าจะมีการป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระลดลงเมื่อเทียบกับหนู และมีความเสียหายจากออกซิเดชั่นต่อโมเลกุลชีวภาพเพิ่มขึ้น^{[ 98 ]}ครั้งหนึ่งเคยคิดว่ามีวงจรป้อนกลับเชิงบวกที่ทำงานอยู่ ('วงจรชั่วร้าย') เมื่อดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียสะสมความเสียหายทางพันธุกรรมที่เกิดจากอนุมูลอิสระ ไมโทคอนเดรียจะสูญเสียการทำงานและปล่อยอนุมูลอิสระเข้าสู่ไซโทซอลการลดลงของการทำงานของไมโทคอนเดรียจะลดประสิทธิภาพการเผาผลาญโดยรวม^{[ 99 ]}อย่างไรก็ตาม แนวคิดนี้ถูกหักล้างอย่างเด็ดขาดเมื่อมีการแสดงให้เห็นว่าหนูที่ได้รับการดัดแปลงทางพันธุกรรมให้สะสมการกลายพันธุ์ของ mtDNA ในอัตราที่เร่งขึ้นจะแก่ก่อนวัย แต่เนื้อเยื่อของพวกมันไม่ได้ผลิต ROS มากขึ้นตามที่คาดการณ์ไว้โดยสมมติฐาน 'วงจรชั่วร้าย' ^{[ 100 ]}เพื่อสนับสนุนความเชื่อมโยงระหว่างอายุยืนยาวและดีเอ็นเอไมโทคอนเดรีย การศึกษาบางชิ้นพบความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติทางชีวเคมีของดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียและอายุยืนยาวของสายพันธุ์^{[ 101 ]}การใช้สารกำจัด ROS เฉพาะไมโทคอนเดรีย ซึ่งส่งผลให้หนูทดลองมีอายุยืนยาวขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ^{[ 102 ]}บ่งชี้ว่าไมโทคอนเดรียอาจยังมีส่วนเกี่ยวข้องกับกระบวนการชราภาพ การวิจัยอย่างกว้างขวางกำลังดำเนินการเพื่อตรวจสอบความเชื่อมโยงนี้และวิธีการต่อสู้กับความชราภาพ ปัจจุบันการบำบัดด้วยยีนและ การเสริม สารอาหารเป็นหัวข้อการวิจัยที่ได้รับความนิยม^{[ 103 ] [ 104 ]} Bjelakovic และคณะได้วิเคราะห์ผลการศึกษา 78 เรื่องระหว่างปี 1977 ถึง 2012 ซึ่งมีผู้เข้าร่วมทั้งหมด 296,707 คน และสรุปว่าอาหารเสริมต้านอนุมูลอิสระไม่ได้ช่วยลดอัตราการเสียชีวิตจากทุกสาเหตุหรือยืดอายุขัย ในขณะที่บางชนิด เช่น เบต้าแคโรทีน วิตามินอี และวิตามินเอในปริมาณสูง อาจเพิ่มอัตราการเสียชีวิตได้^{[ 105 ]} จากการศึกษาล่าสุด พบว่าการจำกัดอาหารสามารถย้อนกลับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากความชราได้ โดยส่งผลต่อการสะสมความเสียหายของ mtDNA ในอวัยวะต่างๆ ของหนู ตัวอย่างเช่น การจำกัดอาหารช่วยป้องกันการสะสมความเสียหายของ mtDNA ที่เกี่ยวข้องกับอายุในคอร์เทกซ์ และลดลงในปอดและอัณฑะ^{[ 106 ]}

ความเสียหายของดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียที่ เพิ่มขึ้นเป็นลักษณะเฉพาะของโรคความเสื่อมของระบบประสาท หลายชนิด

สมองของผู้ป่วยโรคอัลไซเมอร์มีระดับความเสียหายของดีเอ็นเอจากออกซิเดชัน สูงขึ้น ทั้งในดีเอ็นเอของนิวเคลียสและไมโทคอนเดรียดีเอ็นเอ แต่ไมโทคอนเดรียดีเอ็นเอมีระดับความเสียหายสูงกว่าดีเอ็นเอของนิวเคลียสประมาณ 10 เท่า^{[ 107 ]}มีการเสนอว่าไมโทคอนเดรีย ที่เสื่อมสภาพตามวัย เป็นปัจจัยสำคัญในการเกิดภาวะเสื่อมของระบบประสาทในโรคอัลไซเมอร์^{[ 108 ]}การวิเคราะห์สมองของผู้ป่วยโรคอัลไซเมอร์ชี้ให้เห็นถึงการทำงานที่บกพร่องของ เส้นทาง การซ่อมแซมดีเอ็นเอซึ่งจะทำให้คุณภาพโดยรวมของไมโทคอนเดรียดีเอ็นเอลดลง^{[ 109 ]}

ในโรคฮันติงตันโปรตีนฮันติงตินกลายพันธุ์ทำให้เกิดความผิดปกติของไมโทคอนเดรีย ซึ่งเกี่ยวข้องกับ การยับยั้งการขนส่งอิเล็กตรอน ของ ไมโทคอนเดรียระดับของอนุมูลอิสระออกซิเจนที่สูงขึ้นและความเครียดออกซิเดชันที่ เพิ่มขึ้น ^{[ 110 ]}โปรตีนฮันติงตินกลายพันธุ์ส่งเสริมความเสียหายจากออกซิเดชันต่อ mtDNA เช่นเดียวกับ DNA ในนิวเคลียส ซึ่งอาจมีส่วนทำให้เกิดพยาธิสภาพ ของโรคฮันติง ตัน^{[ 111 ]}

ผลิตภัณฑ์ออกซิเดชันของ DNA 8- ออกโซกัวนีน (8-oxoG) เป็นตัวบ่งชี้ที่ได้รับการยอมรับอย่างดีของความเสียหายของ DNA จากออกซิเดชัน ในผู้ป่วยโรคกล้ามเนื้ออ่อนแรง (ALS) เอนไซม์ที่ปกติซ่อมแซมความเสียหายของ DNA 8-oxoG ใน mtDNA ของเซลล์ประสาทสั่งการ ในไขสันหลัง จะบกพร่อง^{[ 112 ]}ดังนั้น ความเสียหายจากออกซิเดชันต่อ mtDNA ของเซลล์ประสาทสั่งการอาจเป็นปัจจัยสำคัญในสาเหตุของ ALS

ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา กลุ่มวิจัยชาวอิสราเอลที่นำโดยศาสตราจารย์ Vadim Fraifeld ได้แสดงให้เห็นว่า มี ความสัมพันธ์ ที่แข็งแกร่งและมีนัยสำคัญ ระหว่างองค์ประกอบเบสของ mtDNA และอายุขัยสูงสุดเฉพาะสายพันธุ์สัตว์^{[ 113 ] [ 114 ] [ 115 ]}ดังที่แสดงให้เห็นในงานของพวกเขา ปริมาณ กัวนีน + ไซโตซีน ( GC% ) ของ mtDNA ที่สูงขึ้นมีความสัมพันธ์อย่างมากกับอายุขัยสูงสุด ที่ยาวนานขึ้น ในสายพันธุ์สัตว์ ข้อสังเกตเพิ่มเติมคือ ความสัมพันธ์ของ GC% ของ mtDNA กับอายุขัยสูงสุดนั้นเป็นอิสระจากความสัมพันธ์ที่รู้จักกันดีระหว่างอัตราการเผาผลาญและอายุขัยสูงสุดของสายพันธุ์สัตว์ GC% ของ mtDNA และอัตราการเผาผลาญขณะพักอธิบายความแตกต่างในอายุขัยสูงสุดของสายพันธุ์สัตว์ในลักษณะการคูณ (เช่น อายุขัยสูงสุดของสายพันธุ์ = GC% ของ mtDNA * อัตราการเผาผลาญ) ^{[ 114 ]}เพื่อสนับสนุนชุมชนวิทยาศาสตร์ในการดำเนินการวิเคราะห์เปรียบเทียบระหว่างคุณลักษณะ mtDNA และอายุขัยในสัตว์ต่างๆ จึงได้สร้างฐานข้อมูลเฉพาะขึ้นมา^ชื่อ MitoAge ^[ 116 ^]

การกลายพันธุ์แบบ de novo เกิดขึ้นเนื่องจากความผิดพลาดระหว่างการจำลองดีเอ็นเอหรือเนื่องจากความเสียหายที่ไม่ได้รับการซ่อมแซมซึ่งเกิดจากสารก่อกลายพันธุ์ภายในและภายนอกร่างกาย เป็นที่เชื่อกันมานานแล้วว่า mtDNA อาจมีความไวต่อความเสียหายที่เกิดจากอนุมูลอิสระออกซิเจน (ROS) เป็นพิเศษ อย่างไรก็ตาม การแทนที่ G>T ซึ่งเป็นลักษณะเด่นของความเสียหายจากออกซิเดชันในจีโนมนิวเคลียร์นั้นหายากมากใน mtDNA และไม่เพิ่มขึ้นตามอายุ เมื่อเปรียบเทียบสเปกตรัมการกลายพันธุ์ของ mtDNA ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหลายร้อยชนิด พบว่าเมื่อเร็ว ๆ นี้สายพันธุ์ที่มีอายุขัยยาวนานกว่าจะมีอัตราการแทนที่ A>G บนสายหนักแบบสายเดี่ยวเพิ่มขึ้น^{[ 117 ]}การค้นพบนี้ทำให้เกิดสมมติฐานว่า A>G เป็นเครื่องหมายเฉพาะของไมโทคอนเดรียของความเสียหายจากออกซิเดชันที่เกี่ยวข้องกับอายุ ผลการค้นพบนี้ให้คำอธิบายเชิงการกลายพันธุ์ (ตรงข้ามกับเชิงการคัดเลือก) สำหรับข้อสังเกตที่ว่าสิ่งมีชีวิตที่มีอายุยืนยาวมี mtDNA ที่อุดมไปด้วย GC: สิ่งมีชีวิตที่มีอายุยืนยาวจะมี mtDNA ที่อุดมไปด้วย GC เพียงเพราะกระบวนการกลายพันธุ์ที่ไม่เป็นไปตามแบบแผน การเชื่อมโยงระหว่างสเปกตรัมการกลายพันธุ์ของ mtDNA และลักษณะเฉพาะของวงจรชีวิตในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เปิดโอกาสให้เชื่อมโยงปัจจัยเหล่านี้เข้าด้วยกันเพื่อค้นพบสารก่อกลายพันธุ์เฉพาะวงจรชีวิตใหม่ในกลุ่มสิ่งมีชีวิตต่างๆ

จุดแตกหักของการลบมักเกิดขึ้นภายในหรือใกล้กับบริเวณที่แสดงโครงสร้างที่ไม่เป็นไปตามแบบแผน (ไม่ใช่ B) ได้แก่ แฮร์พิน กากบาท และองค์ประกอบคล้ายใบโคลเวอร์^{[ 118 ]}ยิ่งไปกว่านั้น ข้อมูลสนับสนุนการมีส่วนร่วมของบริเวณโค้งภายในที่บิดเบี้ยวของเกลียวและ G-tetrad ยาวในการกระตุ้นเหตุการณ์ความไม่เสถียร นอกจากนี้ ยังพบความหนาแน่นของจุดแตกหักที่สูงขึ้นอย่างสม่ำเสมอภายในบริเวณที่เบี่ยงเบน GC และในบริเวณใกล้เคียงกับลำดับโมทีฟที่เสื่อมสภาพ YMMYMNNMMHM ^{[ 119 ]}

ต่างจาก DNA ในนิวเคลียสซึ่งสืบทอดมาจากทั้งพ่อและแม่ และยีนจะถูกจัดเรียงใหม่ในกระบวนการรีคอมบิเนชันโดยปกติแล้ว mtDNA จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงจากแม่สู่ลูก แม้ว่า mtDNA จะมีการรีคอมบิเนชันเช่นกัน แต่ก็เกิดขึ้นกับสำเนาของตัวเองภายในไมโทคอนเดรียเดียวกัน ด้วยเหตุนี้และเนื่องจากอัตราการกลายพันธุ์ของ mtDNA ในสัตว์สูงกว่า DNA ในนิวเคลียส^{[ 120 ]} mtDNA จึงเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการติดตามบรรพบุรุษผ่านทางเพศหญิง ( สายเลือดแม่ ) และถูกนำมาใช้ในบทบาทนี้เพื่อติดตามบรรพบุรุษของหลายสปีชีส์ย้อนกลับไปหลายร้อยรุ่น

การตรวจดีเอ็นเอไมโทคอนเดรีย (mtDNA) สามารถนำมาใช้โดยนักวิทยาศาสตร์นิติเวชในกรณีที่ดีเอ็นเอในนิวเคลียสเสื่อมสภาพอย่างรุนแรง เซลล์ออโตโซมมีดีเอ็นเอในนิวเคลียสเพียงสองชุด แต่สามารถมีดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียได้หลายร้อยชุดเนื่องจากมีไมโทคอนเดรียจำนวนมากในแต่ละเซลล์ ซึ่งหมายความว่าหลักฐานที่เสื่อมสภาพอย่างมากซึ่งไม่เป็นประโยชน์สำหรับการวิเคราะห์ STR อาจนำมาใช้ในการวิเคราะห์ mtDNA ได้ mtDNA อาจพบได้ในกระดูก ฟัน หรือเส้นผม ซึ่งอาจเป็นซากที่เหลืออยู่เพียงอย่างเดียวในกรณีที่หลักฐานเสื่อมสภาพอย่างรุนแรง แตกต่างจากการวิเคราะห์ STR การจัดลำดับดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียแบบดั้งเดิมนั้นทำโดยวิธีการจัดลำดับแบบแซงเกอร์ (Sanger sequencing) ซึ่งพัฒนาโดยเฟรดริก แซงเกอร์ ในช่วงทศวรรษ 1970 วิธีการจัดลำดับแบบแซงเกอร์ ซึ่งเป็นวิธีการที่เก่าแก่ที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลาย ยังคงเป็นมาตรฐานทองคำในการตรวจดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียทางนิติเวชโดยยืนยันการจัดลำดับแบบขนานจำนวนมาก (Massively Parallel Sequencing: MPS) ^{[ 121 ] [ 122 ]} Anderson และคณะ ได้ทำการจัดลำดับและรายงานจีโนมไมโทคอนเดรียตัวแรกในปี 1981 ซึ่งก็คือ Cambridge Reference Sequence (CRS) ^{[ 123 ]}ซึ่งต่อมาได้รับการแก้ไขและเปลี่ยนชื่อในปี 1999 เป็น Revised Cambridge Reference Sequence (rCRS) ^{[ 124 ]}ต่อมาได้มีการเสนอ Reconstructed Sapiens Reference Sequence (RSRS) เพื่อมาแทนที่ rCRS ^{[ 125 ]}ทั้งลำดับที่ทราบและลำดับที่สงสัยจะถูกนำมาเปรียบเทียบกับ Revised Cambridge Reference Sequence เพื่อสร้างแฮพลอไทป์ของแต่ละลำดับ หากลำดับตัวอย่างที่ทราบและลำดับที่สงสัยมาจากสายเลือดเดียวกัน ก็คาดว่าจะเห็นลำดับที่เหมือนกันและความแตกต่างที่เหมือนกันจาก rCRS ^{[ 126 ]}ในบางกรณีอาจไม่มีตัวอย่างที่ทราบให้เก็บรวบรวม และสามารถค้นหาลำดับที่ไม่ทราบในฐานข้อมูล เช่น EMPOP ได้ EMPOP ซึ่งย่อมาจาก European DNA profiling (EDNAP) group's mitochondrial DNA population database project เป็นฐานข้อมูลดีเอ็นเอทางนิติวิทยาศาสตร์ที่ใหญ่ที่สุด โดยมีไมโทไทป์ที่ผ่านการควบคุมคุณภาพมากกว่า 63,400 รายการในเวอร์ชันปัจจุบัน V.14 ^{[ 127 ]}กลุ่มทำงานทางวิทยาศาสตร์ด้านวิธีการวิเคราะห์ดีเอ็นเอแนะนำข้อสรุปสามประการสำหรับการอธิบายความแตกต่างระหว่างลำดับ mtDNA ที่ทราบและลำดับ mtDNA ที่สงสัย: การยกเว้นหากมีความแตกต่างสองอย่างขึ้นไประหว่างลำดับ การไม่สามารถสรุปได้หากมีความแตกต่างของนิวคลีโอไทด์เพียงหนึ่งตัว หรือการไม่สามารถยกเว้นได้หากไม่มีความแตกต่างของนิวคลีโอไทด์ระหว่างสองลำดับ^{[ 128 ]}

อัตราการกลายพันธุ์ที่รวดเร็ว (ในสัตว์) ทำให้ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรีย (mtDNA) มีประโยชน์ในการประเมินความสัมพันธ์ทางพันธุกรรมของแต่ละบุคคลหรือกลุ่มภายในสปีชีส์เดียวกัน และยังใช้ในการระบุและวัดความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการ (ดูที่พันธุศาสตร์เชิงวิวัฒนาการ ) ระหว่างสปีชีส์ต่างๆ ได้อีกด้วย ในการทำเช่นนี้ นักชีววิทยาจะกำหนดและเปรียบเทียบลำดับดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียจากแต่ละบุคคลหรือสปีชีส์ที่แตกต่างกัน ข้อมูลจากการเปรียบเทียบจะถูกนำมาใช้สร้างเครือข่ายความสัมพันธ์ระหว่างลำดับ ซึ่งจะให้ค่าประมาณความสัมพันธ์ระหว่างแต่ละบุคคลหรือสปีชีส์ที่นำดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียมา ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียสามารถใช้ในการประเมินความสัมพันธ์ระหว่างสปีชีส์ที่ใกล้ชิดกันและสปีชีส์ที่ห่างไกลกันได้ เนื่องจากอัตราการกลายพันธุ์ที่สูงของดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียในสัตว์ ตำแหน่งที่ 3 ของรหัสพันธุกรรมจึงเปลี่ยนแปลงค่อนข้างเร็ว และให้ข้อมูลเกี่ยวกับระยะทางทางพันธุกรรมระหว่างแต่ละบุคคลหรือสปีชีส์ที่ใกล้ชิดกัน ในทางกลับกัน อัตราการแทนที่ของโปรตีน mt ต่ำมาก ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของกรดอะมิโนจึงสะสมอย่างช้าๆ (โดยมีการเปลี่ยนแปลงที่ช้าๆ ในตำแหน่งโคดอนที่ 1 และ 2 ที่สอดคล้องกัน) และด้วยเหตุนี้จึงให้ข้อมูลเกี่ยวกับระยะทางทางพันธุกรรมของสายพันธุ์ที่มีความสัมพันธ์ห่างไกลกัน แบบจำลองทางสถิติที่พิจารณาอัตราการแทนที่ระหว่างตำแหน่งโคดอนแยกกัน จึงสามารถใช้เพื่อประมาณค่าวิวัฒนาการที่มีทั้งสายพันธุ์ที่มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดและห่างไกลกันได้พร้อมกัน^{[ 92 ]}

ดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียได้รับการยอมรับเป็นหลักฐานเป็นครั้งแรกในศาลของสหรัฐอเมริกาในปี 1996 ในคดีState of Tennessee v. Paul Ware ^{[ 129 ]}

ในคดีของศาลสหรัฐอเมริกาในปี 1998 เรื่อง Commonwealth of Pennsylvania v. Patricia Lynne Rorrer ^{[ 130 ]}ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียได้รับการยอมรับเป็นหลักฐานในรัฐเพนซิลเวเนียเป็นครั้งแรก^{[ 131 ] [ 132 ]}คดีนี้ถูกนำเสนอในตอนที่ 55 ของซีซั่นที่ 5 ของซีรีส์ดราม่าอาชญากรรมจริงForensic Files (ซีซั่นที่ 5) ^{[ 133 ]}

ดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียได้รับการยอมรับเป็นหลักฐานครั้งแรกในรัฐแคลิฟอร์เนียสหรัฐอเมริกา ในการดำเนินคดีที่ประสบความสำเร็จของเดวิด เวสเตอร์ฟิลด์ ในคดีลักพาตัวและฆาตกรรมแดเนียล แวน แดม เด็กหญิงวัย 7 ขวบ ในซานดิเอโก เมื่อปี 2545 โดยใช้เพื่อระบุตัวตนทั้งของมนุษย์และสุนัข^{[ 134 ]}นี่เป็นการพิจารณาคดีครั้งแรกในสหรัฐอเมริกาที่ยอมรับดีเอ็นเอของสุนัข^{[ 135 ]}

ซากศพของพระเจ้าริชาร์ดที่ 3ซึ่งสิ้นพระชนม์ในปี ค.ศ. 1485 ได้รับการระบุตัวตนโดยการเปรียบเทียบ mtDNA ของพระองค์กับ mtDNA ของทายาททางสายมารดา 2 คนของพระน้องสาวของพระองค์ซึ่งยังมีชีวิตอยู่ในปี ค.ศ. 2013 ซึ่งเป็นเวลา 527 ปีหลังจากที่พระองค์สิ้นพระชนม์^{[ 136 ]}

ดีเอ็นเอไมโทคอนเดรีย (MtDNA) มีการอนุรักษ์ไว้ในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต เนื่องจากไมโทคอนเดรียมีบทบาทสำคัญในการหายใจระดับเซลล์อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการซ่อมแซมดีเอ็นเอมีประสิทธิภาพน้อยกว่า (เมื่อเทียบกับดีเอ็นเอในนิวเคลียส) จึงมีอัตราการกลายพันธุ์ค่อนข้างสูง (แต่ช้ากว่าบริเวณดีเอ็นเออื่นๆ เช่นไมโครแซทเทลไลต์ ) ซึ่งทำให้มีประโยชน์ในการศึกษาความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการ— แผนภูมิวิวัฒนาการ —ของสิ่งมีชีวิต นักชีววิทยาสามารถตรวจสอบและเปรียบเทียบลำดับดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียระหว่างสายพันธุ์ต่างๆ และใช้การเปรียบเทียบเหล่านั้นเพื่อสร้างแผนภูมิวิวัฒนาการสำหรับสายพันธุ์ที่ศึกษา

ตัวอย่างเช่น ในขณะที่ยีนนิวเคลียร์ ส่วนใหญ่ เกือบจะเหมือนกันระหว่างมนุษย์และชิมแปนซีแต่จีโนมไมโทคอนเดรียของพวกมันแตกต่างกัน 9.8% จีโนมไมโทคอนเดรียของมนุษย์และกอริลลาแตกต่างกัน 11.8% ซึ่งบ่งชี้ว่ามนุษย์อาจมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับชิมแปนซีมากกว่ากอริลลา^{[ 137 ]}

ลำดับจีโนมทั้งหมดของประชากรมากกว่า 66,000 คนเผยให้เห็นว่าส่วนใหญ่มีดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียแทรกเข้าไปในจีโนมนิวเคลียร์ ของพวกเขา มากกว่า 90% ของส่วนนิวเคลียร์-ไมโทคอนเดรีย ( NUMTs ) เหล่านี้ถูกแทรกเข้าไปหลังจากที่มนุษย์แยกตัวออกจากลิงใหญ่ชนิด อื่น ผลลัพธ์บ่งชี้ว่าการถ่ายโอนดังกล่าวเกิดขึ้นบ่อยครั้งประมาณหนึ่งครั้งในทุกๆ ≈4,000 การเกิดของมนุษย์^{[ 138 ]}

ดูเหมือนว่า DNA ของออร์แกเนลล์จะถูกถ่ายโอนไปยัง DNA ของนิวเคลียสบ่อยกว่าที่เคยคิดไว้ การสังเกตนี้ยังสนับสนุนแนวคิดของทฤษฎีเอนโดซิมไบออนต์ที่ว่ายู คาริโอต วิวัฒนาการมาจากเอนโดซิมไบออนต์ซึ่งกลายเป็นออร์แกเนลล์ในขณะที่ถ่ายโอน DNA ส่วนใหญ่ไปยังนิวเคลียส ทำให้จีโนมของออร์แกเนลล์หดตัวลงในกระบวนการ^{[ 138 ]}

ดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียถูกค้นพบในช่วงทศวรรษ 1960 โดย Margit MK Nass และ Sylvan Nass โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนโดยพบเป็นเส้นใยที่ไวต่อ DNase ภายในไมโตคอนเดรีย^{[ 139 ]}และโดย Ellen Haslbrunner, Hans TuppyและGottfried Schatzโดยใช้การทดสอบทางชีวเคมีกับเศษส่วนไมโตคอนเดรียที่บริสุทธิ์สูง^{[ 140 ]}

มีการจัดตั้งฐานข้อมูลเฉพาะทางหลายแห่งเพื่อรวบรวมลำดับจีโนมไมโทคอนเดรียและข้อมูลอื่นๆ แม้ว่าส่วนใหญ่จะเน้นที่ข้อมูลลำดับ แต่บางแห่งก็รวมถึงข้อมูลด้านวิวัฒนาการหรือหน้าที่การทำงานด้วย

• AmtDB:ฐานข้อมูลจีโนมไมโทคอนเดรียของมนุษย์โบราณ^{[ 141 ]}
• InterMitoBase : ฐานข้อมูลและแพลตฟอร์มการวิเคราะห์ที่มีคำอธิบายประกอบของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนกับโปรตีนสำหรับไมโตคอนเดรียของมนุษย์^{[ 142 ]} (ดูเหมือนว่าจะมีการอัปเดตครั้งสุดท้ายในปี 2010 แต่ยังคงใช้งานได้)
• MitoBreak : ฐานข้อมูลจุดแตกหักของดีเอ็นเอไมโตคอนเดรีย^{[ 143 ]}
• MitoFishและMitoAnnotator : ฐานข้อมูลจีโนมไมโทคอนเดรียของปลา^{[ 144 ]}ดูเพิ่มเติมที่ Cawthorn et al. ^{[ 145 ]}
• Mitome:ฐานข้อมูลสำหรับการเปรียบเทียบจีโนมไมโตคอนเดรียในสัตว์หลายเซลล์^{[ 146 ]} (ไม่สามารถใช้งานได้อีกต่อไป)
• MitoRes:แหล่งข้อมูลของยีนไมโตคอนเดรียที่เข้ารหัสโดยนิวเคลียสและผลิตภัณฑ์ของยีนเหล่านั้นในเมตาโซอา^{[ 147 ]} (ดูเหมือนว่าจะไม่มีการอัปเดตอีกต่อไป)
• MitoSatPlant : ฐานข้อมูลไมโครแซทเทลไลต์ไมโตคอนเดรียของพืชที่มีใบ^{[ 148 ]}
• MitoZoa 2.0: ฐานข้อมูลสำหรับการวิเคราะห์เชิงเปรียบเทียบและวิวัฒนาการของจีโนมไมโทคอนเดรียใน Metazoa ^{[ 149 ]} (ไม่สามารถใช้งานได้อีกต่อไป)

การศึกษาการเชื่อมโยงทั่วทั้งจีโนมสามารถเปิดเผยความสัมพันธ์ของยีน mtDNA และการกลายพันธุ์ของยีนเหล่านั้นกับลักษณะทางฟีโนไทป์รวมถึงอายุขัยและความเสี่ยงต่อโรค ในปี 2021 การศึกษาการเชื่อมโยงทั่วทั้งจีโนมที่ใหญ่ที่สุด ของดีเอ็นเอไมโทคอนเดรีย ซึ่งใช้ข้อมูลจาก UK Biobankได้เปิดเผยความสัมพันธ์ใหม่ 260 รายการกับลักษณะทางฟีโนไทป์ รวมถึงอายุขัยและความเสี่ยงต่อโรค เช่น โรคเบาหวานประเภทที่ 2 ^{[ 150 ] [ 151 ]}

มีฐานข้อมูลเฉพาะทางหลายแห่งที่รายงานเกี่ยวกับโพลีมอร์ฟิซึมและการกลายพันธุ์ในดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียของมนุษย์ พร้อมทั้งการประเมินความสามารถในการก่อโรคของพวกมัน

• MitImpact : ชุดข้อมูลการคาดการณ์ความรุนแรงของโรคที่คำนวณไว้ล่วงหน้า สำหรับการเปลี่ยนแปลงนิวคลีโอไทด์ทั้งหมดที่ทำให้เกิดการแทนที่แบบไม่เหมือนกันในยีนที่เข้ารหัสโปรตีนของไมโทคอนเดรียในมนุษย์ MitImpact 3D - ห้องปฏิบัติการชีวสารสนเทศ IRCCS-CSS
• MITOMAP : สารานุกรมของโพลีมอร์ฟิซึมและการกลายพันธุ์ในดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียของมนุษย์หน้าหลัก < MITOMAP < Foswiki .

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียในวิกิมีเดียคอมมอนส์