Carl Correns, a Mendel törvények egyik újre felfedezője vette észre, hogy van olyan jelleg, amelynek öröklődésénél nem érvényesek az általános mendeli szabályok. 1909. körül tanulmányozta a csodatölcsér (Mirabilis jalapa) fehér és zöld színanyagának öröklődését. A növények között  ritkán megjelent olyan egyed is, mely zöld, fehér és variegáló (foltos) hajtásrészeket (levél, szár) is tartalmazott. Ezekkel végzett kísérleteket. A különböző színű hajtások virágaiból származó virágporral porzott be különböző eredetű virágokat. A lehetséges keresztezéseket és azok eredményét mutatja a  következő táblázat. 

Az erményekből jól látható, hogy az utódok fenitípusát mindíg a petesejtet adó növényi rész fenotípusa határozza meg,  a pollent adó rész determinánsai nem érvényesülnek.   

22-2. ábra: A Mirabilis jalapa variegáló hajtásai

Tehát - a Mendel-szabályoktól eltérően - különbség van a reciprok keresztezések eredményeiben, és ez nem magyarázható a nemhez kötött öröklődéssel !  A zöld szín nem  mendeli módon öröklődik, egyáltalán nincs rá befolyással a hímivarsejtet adó rész genotípusa, ezért az anyai öröklődésmenet fogalmat vezették be rá. (vagy extranukleáris öröklődés, és kevésbé helyesen extrakromoszómális vagy citoplazmás öröklődésmenet kifejezések is használatosak). A zöld (vagy fehér) szín a citoplazmában lévő  kloroplasztoktól származik, amelyek tehát a sejtmagtól függetlenül határozzák meg e tulajdonságot.

22-10 ábra :  A kloroplasz genom kimutatása. Bizonyítható volt, hogy a kloroplaszban is van DNS ( cpDNS), mégpedig a Clamidomonas DNS tartalmának 15%, ami CsCl grádiensen elkülöníthető a "nukleáris" DNS-től. Ez annak köszönhető, hogy a nukleáris és a kloroplaszt genom G:C tartalma és így a sűrűsége eltérő egymástól.  Az 1,76 és 1,68 sűrűségértékek kontroll DNS mintákat jeleznek. ( g/cm3 ) 22-2. táblázat: A cpDNS uniparentális öröklődésének fizikai bizonyítéka: a cpDNS mindíg az mt+ Clamidomonas sejtből származik.

-  Ha a cloroplasz rendelkezik genommal, akkor ez hogy néz ki ? 
-  Az "uniparentálisan" öröklődő gének között van-e kapcsoltság ? 
-  Meg lehet-e szerkeszteni a cpDNS genetikai (kapcsoltsági) térképét ?

A kérdés kísérletes eldöntéséhez két eltérő genotípusú kloroplasztot kellett egy sejtbe összehozni. Az eredmények éppen azt mutaták, hogy ez nem történik meg, mert az mt ^- szülőből származó kloroplaszt valamilyen oknál fogva mindíg elvész. Szerencsére kivétel ez alól a szabály alól is van. Előfordulnak kis százalékban (0.1 %) citoplazmikusan heterozigota (cytohet) zigóták is, amelyek mindkét szölői allélt hordozó kloroplasztot szegregálják ( smS , smR ). Ennek a heterozigóta álapotnak a kialakulását (a cytohet arányt) akár 100 %-ra is fel tudták a későbbiekben emelni az mt + szülő UV besugárzásával. Így a rekombinációs térképezés elvi lehetősége megteremtődött. Kérdés volt, hogy van-e kimutatható rekombináció két kloroplaszt genom között ?

• A kloroplaszt DNS géntérképe

22-11. ábra:  A  Chlamydomonas kloroplaszt kapcsoltsági térképe

A különböző alléleket (markereket) hordozó kloroplaszt genomok között ki tudtak mutatni rekombinációt. Például az   mt + smS ac +  X  mt - smR ac - keresztezésben kaptak  ac + smR  rekombinánsokat is, melyeknek nem volt acetát igénye és streptomicinre rezisztensek voltak (ac-  acetát igény, fotoszintézis defekt).  Különböző cpDNS-hez kapcsolt markerek segítségével így bizonyították, hogy a kloroplaszt genom kör alakú (22-11. ábra).

A DNS klónozás és szekvenciameghatározás megjelenése után nagyon pontos képet kaphattunk  a kloroplaszt genom felépítéséről (22-23. ábra). A cpDNS 120-200 kb nagyságú, kör alakú és sok példány található belőle kloroplasztonként. A 22-23. ábra a májmoha cpDNS térképét mutatja, ahol 136 gént tudtak azonosítani kis részben genetikai térképezés, nagyobb részben  szekvencia hasonlóságok alapján.

22-23. ábra: A májmoha kloroplaszt genomjának térképe.  (nagyítható)

TRANSZKRIPCIÓ
• rpo, RNS polimeráz
TRANSZLÁCIÓ 
• tRNS (31 db), 
• rRNS gének - 4,5S, 5S, 16S, 23S  (4 db) , 
• riboszómális fehérjék (rps, rpl)
FOTOSZINTÉZIS és ELEKTRONTRANSZPORT (20 gén)
• rbc - ribulóz biszfoszfát karboxiláz
• psa - fotoszisztem 1
• psb - fotoszisztem 2
• ndh - NAD(P)H oxidoreduktáz alegységeket kódoló gének


SZERKEZET 
IR fordított ismétlődés, SSC - small single copy, LSC - large single copy régiók
 

• IR_A és IR_B nagy inverted repeat, melyben számos gén található és a szekvenciák bázispárra pontosan egyeznek. Ennek oka nem ismert. Feltételezhető, hogy a genom replikációjával van összefüggésben.
• SSC - small single copy, LSC - large single copy régiók, melyek a fordított ismétlődéseket választják el

Mary Mitchell, 1952 körül furcsa Neurospora mutánsokat izolált, melyek nagyon rosszul növekedtek. A mutánsoknak a poky, ("ócska")  nevet adta. Kiderült, hogy a mutánsokban a citokróm tartalom más, nincs cit-a, cit-b és sok a cit-c bennük, ami az elektrontranszport lánc (mitokondrium) hibájára utalt. A mutációk anyai öröklésmenet mutattak Correns zöld színt meghatározó determinánsaihoz hasonlóan.

Emlékeztetőül: a Neurospora hifái haploidok, melyek (A) vagy (a) párosodási típushoz tartozhatnak (ugyanannak a génnek két allélja határozza meg). A  hifák konídiumokat (konídiospórákat) és aszkogóniumokat fejlesztenek. Két ellentétes párosodási típusú sejt (konídiospóra és aszkogónium) fúziója révén keletkezik a 2n értékű aszkuszkezdemény (zigóta) majd egy meiózis (és az azt követő mitózis) révén alakul ki a 8 db aszkospóra (n). 

22-5a. ábra : Az ad alléllal ellentétben, mely 1:1 arányban szegregál, a poky allél anyai öröklődésmenetet mutat, azaz  minden utód hordozza.  (ad = nukleáris gén, kontroll)

22-5b. ábra : A poky allél nem jelenik meg, ha a mutáció a spórát adó hifában található, de az ad ellélek 1:1 arányban szegregálnak. (ad = nukleáris gén, kontroll)

A kérdés ezek után az volt, hogy hol lokalizálható a poky mutáció ? 
A fenotípus (lassú növekedés, energiahiány,) az ATP-szintézis hibáját sejteti, ami a mitokondriumhoz köthető. A mitokondrium is rendelkezik saját genetikai anyaggal ?

Radioaktív jelölést alkalmazva kimutatták (David Luck, radioaktív kolin, membrán jelölés), hogy a mitokondriumok de novo (újonnan ) nem keletkeznek, csak a meglévő mitokondriumok osztódnak!. (A jelölés után több sejosztódást követően sem volt nem jelöletlen - teljesen újonnan keletkezett - mitokondrium kimutatható).

22-12. ábra:  Az élesztő szaporodási ciklusai

A mitokondriális DNS genetiai feltérképezését az élesztő (Sacharomyces cerevisiae ) rendszeren végzett munkák segítették leginkább elő. Az élesztő egysejtes, fakultatív aerob élőlény, így fermentációval is képes energiához jutni. A mitokondrium által szolgáltatott respiráció hiánya ezért nem letális, csak a növekedés sebességét csökkenti.  Genetikai kísérletek végzésére igen alkalmas, mivel  az a és alfa párosodási típusba tartozó sejtek közötti fúzió után meiózis játszódhat le, ami haploid sejteket eredményez ismét. Eközben lehetőség van a rekombinációra (22-12. ábra.)

• az élesztő mitokondriális mutánsok

• 1. szegregációs petite mutánsok 

mitokondrális funkció sérült, de az a nukleáris génben kódolt - Mendeli öröklődés (1:1 szegregáció F1-ben)
 
• 2. neutral petite mutánsok 

csak normál telep keletkezett, ha normál respirációjú (nagy telepeket adó) törzzsel keresztezték őket. Az a és alfa típus telepnagyságától függetlenül a keresztezés mindíg ezt az eredményt adta. ( a, alfa független, citoplazmikus petite)
 
• 3. szupresszív petite mutánsok 

a keresztezett törzsektől függően bizonyos arányban  kis és nagy telepeket is szegregál, de sosem 1:1 arányban. Tehát nem mendeli öröklődést mutattak ( a, alfa független, citoplazmikus petite)

• 4. ant ^R mutánsok: 

különböző antibiotikumok segítségével izolált mutánsok, amelyekél a rezisztencia kialakulása mitokondriális génekhez kötődik (a mitokondrium transzkripciós, transzlációs apparátusát a baktériumokhéhoz hasonlóan gátolják egyes antibiotikumok, a megfelelő gének mutációja révén alakulhat ki a rezisztencia)
cloramfenikol -  capR
eritromicin - eryR
spiramicin - spiR

• 5. mit ^- mutációk

Hasonlóak a petite mutánsokhoz fenotípusban, DE normál fehérjeszintézis,
revertálnak, mintha petite pontmutánsok lennének
szintén citoplazmikus szegregáció az ant mutánsokhoz hasonlóan

• rekombinációs térképezés mitokondriumban

22-13. ábra: Az ery alélélek és a párosodási típust meghatározó allélek szegregációja élesztőben.   Megfigyelhető, hogy a meiózis után az a és alfa Mendeli hasadást mutat, míg az ery allélek "uniparentálisan " öröklődnek. Itt nem alkalmazható a "maternális" kifejezés, mert az ery allélek megjelenése  nincs összefüggésben az egyik vagy másik párosodási típussal (sem az "a" sem az "alfa" szülő ery allélja nem öröklődik kizárólagosan).

22-14. ábra: Rekombinációs térképezés élesztő mitokondriumban.   markerek:   ery  - eritromicin  spi  - spiramicin   szülők: "alfa",   eryR spiR     "a",   eryS spiS   rekombinánsok: eryR spiS eryS spiR

Tehát a két antibiotikum rezisztencia marker kapcsolt és uniparentálisan öröklődik szemben a párosodási típust meghatározó génekkel (a és alfa).

  A deléciós térképezés a petite mutánsokkal, a restrtikciós térképezés és a szekvenálás teljes képet adtak a mitokondriális genomokról. Ma már számos mtDNS teljes szekvenciája ismert és szabadon hozzáférhető a nukleotid adatbázisokban.  

22-20. ábra: Az élesztő (78 kb, külső kör) és a  humán  (17 kb, belső kör) mitokondriális genom szerkezete. ( nagyítható ).

•  az mtDNS

• kör alakú, de sokkal kisebb, mint a cpDNS, élesztőben  78 kb, emlősöknél 16-18 kb körüli a mérete
• rRNS gének mutációi az  eryR, capR, spiR markerek
• ATP-áz, citokróm oxidáz, citokróm b gén ND gének (komplex I)
• tRNS gének ( megváltozott kódszótár )
• intronok ! , URF-ek

 
• Az mt genomhoz kapcsolt humán betegségek.

22-25a.ábra: A fő mitokondriális mutációk elhelyezkedése, melyek humán betegségek okozói. Magyarázat: 22-25b ábrán.

22-25b.ábra: Magyarázat  a 22-25a ábrához

22-7. ábra : A csigaház öröklésmenete (Sturtevant, 1923)

Nem anyai öröklésmenet (nem extranukleáris) csak "késleltetett" Mendeli öröklődésmenet., Az anya genotípusa (egy nukleáris génje által) által meghatározott az utód-csigaház fenotípusa. Ez az anyai hatás. Fontos a későbbi generációk fenotípusának értékelése is   jobbra  csavarodó: s+ (vagy D - dextral) a domináns   balra csavarodó: s- (s - sinistral, vagy d) recesszív