Leber's hereditary optic neuropathy is a maternally inherited disease resulting in optic nerve degeneration and cardiac dysrhythmia. A mitochondrial DNA replacement mutation was identified that correlated with this disease in multiple families. This mutation converted a highly conserved arginine to a histidine at codon 340 in the NADH dehydrogenase subunit 4 gene and eliminated an Sfa NI site, thus providing a simple diagnostic test. This finding demonstrated that a nucleotide change in a mitochondrial DNA energy production gene can result in a neurological disease.

An A to G transition mutation at nucleotide pair 8344 in human mitochondrial DNA (mtDNA) has been identified as the cause of MERRF. The mutation alters the TψC loop of the tRNALys gene and creates a CviJI restriction site, providing a simple molecular diagnostic test for the disease. This mutation was present in three independent MERRF pedigrees and absent in 75 controls, altered a conserved nucleotide, and was heteroplasmic. All MERRF patients and their less-affected maternal relatives had between 2% and 27% wild-type mtDNAs and showed an age-related association between genotype and phenotype. This suggests that a small percentage of normal mtDNAs has a large protective effect on phenotype. This mutation provides molecular confirmation that some forms of epilepsy are the result of deficiencies in mitochondrial energy production.

The MITOMAP (Author Webpage) data system for the human mitochondrial genome has been greatly enhanced by the addition of a navigable mutational mitochondrial DNA (mtDNA) phylogenetic tree of ∼3000 mtDNA coding region sequences plus expanded pathogenic mutation tables and a nuclear-mtDNA pseudogene (NUMT) data base. The phylogeny reconstructs the entire mutational history of the human mtDNA, thus defining the mtDNA haplogroups and differentiating ancient from recent mtDNA mutations. Pathogenic mutations are classified by both genotype and phenotype, and the NUMT sequences permits detection of spurious inclusion of pseudogene variants during mutation analysis. These additions position MITOMAP for the implementation of our automated mtDNA sequence analysis system, Mitomaster.

A large MERRF pedigree permitted the direct testing of the predictions for a mitochondrial DNA (mtDNA) mutation. A mtDNA mutation was demonstrated by proving maternal inheritance and by identifying specific deficiencies in muscle energetics and mitochondrial respiratory complexes I and IV. mtDNA heteroplasmy (a mixture of mutant and wild-type mtDNAs) was demonstrated by showing variation in the mitochondrial energetic capacity between family members. The phenotypic consequences of differential tissue-specific reliance on mitochondrial ATP was shown by correlating individual respiratory deficiency with the nature and severity of patients' clinical manifestations. The observed spectrum of clinical manifestations resulting from this heteroplasmic mtDNA mutation implies that mtDNA disease may be much more prevalent than previously anticipated.

The muscle mitochondria of a patient with Kearns-Sayre/chronic external ophthalmoplegia plus syndrome were found to be completely deficient in respiratory complex I activity and partially deficient in complex IV and V activities. Treatment of the patient with coenzyme Q10 and succinate resulted in clinical improvement of respiratory function, consistent with the respiratory deficiencies. Restriction enzyme analysis of the muscle mtDNA revealed a 4.9-kilobase deletion in 50% of the mtDNA molecules. Polymerase chain reaction analysis demonstrated that the deletion was present in the patient's muscle but not in her lymphocytes or platelets. Furthermore, the deletion was not present in the muscle or platelets of two sisters. Hence, the mutation probably occurred in the patient's somatic cells. Direct sequencing of polymerase chain reaction-amplified DNA revealed a 4977-base-pair deletion removing four genes for subunits of complex I, one gene for complex IV, two genes for complex V, and five genes for tRNAs, which paralleled the respiratory enzymes affected in the disease. A 13-base-pair direct repeat was observed upstream from both breakpoints. Relative to the direction of heavy-strand replication, the first repeat was retained and the second repeat was deleted, suggesting a slip-replication mechanism. Sequence analysis of the human mtDNA revealed many direct repeats of 10 base pairs or greater, indicating that this mechanism could account for other reported deletions. We postulate that the prevalence of direct repeats in the mtDNA is a consequence of the guanine-cytosine bias of the heavy and light strands.

Abstract The Mitomap database of human mitochondrial DNA (mtDNA) information has been an important compilation of mtDNA variation for researchers, clinicians, and genetic counselors for the past 25 years. The Mitomap protocol shows how users may look up human mitochondrial gene loci, search for public mitochondrial sequences, and browse or search for reported general population nucleotide variants as well as those reported in clinical disease. Within Mitomap is the powerful sequence analysis tool for human mitochondrial DNA, Mitomaster. The Mitomaster protocol gives step‐by‐step instructions showing how to submit sequences to identify nucleotide variants relative to the rCRS, determine the haplogroup, and view species conservation. User‐supplied sequences, GenBank identifiers, and single‐nucleotide variants may be analyzed. Curr. Protoc. Bioinform . 44:1.23.1‐1.23.26. © 2013 by John Wiley & Sons, Inc.

We have developed a comprehensive database (MITOMAP) for the human mitochondrial DNA (mtDNA), the first component of the human genome to be completely sequenced [Anderson et al. (1981) Nature 290, 457–465]. MITOMAP uses the mtDNA sequence as the unifying element for bringing together information on mitochondrial genome structure and function, pathogenic mutations and their clinical characteristics, population associated variation, and gene-gene interactions. As increasingly larger regions of the human genome are sequenced and characterized, the need for integrating such information will grow. Consequently, MITOMAP not only provides a valuable reference for the mitochondrial biologist, it may also provide a model for the development of information storage and retrieval systems for other components of the human genome.

Mitochondrial DNA (mtDNA) variants associated with Alzheimer disease (AD) and Parkinson disease (PD) were sought by restriction endonuclease analysis in a cohort of 71 late-onset Caucasian patients. A tRNAGln gene variant at nucleotide pair (np) 4336 that altered a moderately conserved nucleotide was present in 9/173 (5.2%) of the patients surveyed but in only 0.7% of the general Caucasian controls. One of these patients harbored an additional novel 12S rRNA 5-nucleotide insertion at np 956-965, while a second had a missense variant at np 3397 that converted a highly conserved methionine to a valine. This latter mutation was also found in an independent AD + PD patient, as was a heteroplasmic 16S rRNA variant at np 3196. Additional studies will be required to determine the significance, if any, of these mutations.

In a study of the phenotypic characteristics of pedigrees of Leber's hereditary optic neuropathy positive for the mitochondrial DNA mutation at position 11778, 28 of 49 pedigrees were represented by singleton cases. Seven families, including six singleton pedigrees, had maternal family members with a mixture of mutant and normal mitochondrial DNA (heteroplasmy). Seventy-two affected individuals from 43 families showed a male predominance of 81.9% (59/72) and ages of onset of visual loss ranging from 8 to 60 years. The time interval between affected eyes averaged 1.8 months; the duration of progression of visual loss in each eye averaged 3.7 months. Visual acuity was 20/200 or worse in 107 of 109 (98.2%) eyes. Telangiectatic microangiopathy, disk pseudoedema, or vascular tortuosity, ophthalmoscopic features believed to be classic of Leber's hereditary optic neuropathy, were noted in 30 of 52 patients. Visual-evoked responses were typically absent or abnormal. Electrocardiograms, fluorescein angiograms, cerebrospinal fluid analyses, brain computed tomography, and magnetic resonance imaging were usually normal. There were no consistent neurologic or systemic illnesses associated with these Leber's pedigrees. In many cases, the diagnosis would not have been suspected because of the absence of a compatible family history, typical clinical profile, or ophthalmoscopic appearance. Genetic analysis showed the mitochondrial DNA mutation at position 11778, which established the diagnosis of Leber's hereditary optic neuropathy and has allowed for a broader view of the clinical features of this disease.