Abstract Mutational spectrum of the mitochondrial genome (mtDNA) does not resemble signatures of any known mutagens and variation in mtDNA mutational spectra between different tissues and organisms is still incomprehensible. Since mitochondria is tightly involved in aerobic energy production, it is expected that mtDNA mutational spectra may be affected by the oxidative damage which is increasing with cellular and organismal aging. However, the well-documented mutational signature of the oxidative damage, G>T substitutions, is typical only for the nuclear genome while it is extremely rare and age-independent in mtDNA. Thus it is still unclear if there is a mitochondria - specific mutational signature of the oxidative damage. Here, reconstructing mtDNA mutational spectra for human cancers originated from 21 tissues with various cell turnover rate, human oocytes fertilized at different ages, and 424 mammalian species with variable generation length which is a proxy for oocyte age, we observed that the frequency of A H >G H substitutions ( H - heavy chain notation) is positively correlated with cellular and organismal longevity. Moreover, this mutational bias from A H to G H affects nucleotide content at the fourfold degenerative synonymous positions leading to a deficit of A H and excess of G H , which is especially pronounced in long-lived mammals. Taking into account additionally, that A H >G H is sensitive to time being single stranded during mtDNA asynchronous replication and A>G is associated with oxidative damage of single-stranded DNA in recent bacterial experiments we propose that A H >G H is a mutational signature of oxidative damage in mtDNA.

Abstract The A-to-G point mutation at position 3243 in the human mitochondrial genome (m.3243A>G) is the most common pathogenic mtDNA variant responsible for disease in humans. It is widely accepted that m.3243A>G levels decrease in blood with age, and an age correction representing ∼2% annual decline is often applied to account for this change in mutation level. Here we report that recent data indicate the dynamics of m.3243A>G are more complex and depend on the mutation level in blood in a bi-phasic way. Consequently, the traditional 2% correction, which is adequate ‘on average’, creates opposite predictive biases at high and low mutation levels. Unbiased age correction is needed to circumvent these drawbacks of the standard model. We propose to eliminate both biases by using an approach where age correction depends on mutation level in a biphasic way to account for the dynamics of m.3243A>G in blood. The utility of this approach was further tested in estimating germline selection of m.3243A>G. The biphasic approach permitted us to uncover patterns consistent with the possibility of positive selection for m.3243A>G. Germline selection of m.3243A>G shows an ‘arching’ profile by which selection is positive at intermediate mutant fractions and declines at high and low mutant fractions. We conclude that use of this biphasic approach will greatly improve the accuracy of modelling changes in mtDNA mutation frequencies in the germline and in somatic cells during aging.

Abstract The mutational spectrum of the mitochondrial DNA (mtDNA) does not resemble any of the known mutational signatures of the nuclear genome and variation in mtDNA mutational spectra between different organisms is still incomprehensible. Since mitochondria is tightly involved in aerobic energy production, it is expected that mtDNA mutational spectra is affected by the oxidative damage. Assuming that oxidative damage increases with age, we analyze mtDNA mutagenesis of different species. Analysing (i) dozens thousands of somatic mtDNA mutations in samples of different age (ii) 70053 polymorphic synonymous mtDNA substitutions, reconstructed in 424 mammalian species with different generation length and (iii) synonymous nucleotide content of 650 complete mitochondrial genomes of mammalian species we observed that the frequency of A H >G H substitutions ( H - heavy chain notation) is twice higher in species with high versus low generation length making their mtDNA more A H poor and G H rich. Considering that A H >G H substitutions are also sensitive to the time spent single stranded (TSSS) during asynchroniuos mtDNA replication we demonstrated that A H >G H substitution rate is a function of both species-specific generation length and position specific TSSS. We propose that A H >G H is a mitochondria-specific signature of oxidative damage associated with both aging and TSSS.

Abstract Evolution is a function of mutagenesis and selection. To analyse the role of mutagenesis on the structure of the SARS-CoV-2 genome, we reconstructed the mutational spectrum, which was highly C>U and G>U biased. This bias forces the SARS-CoV-2 genome to become increasingly U-rich unless selection cancels it. We analysed the consequences of this bias on the composition of the most neutral (four-fold degenerate synonymous substitutions) and the least neutral positions (nonsynonymous substitutions). The neutral nucleotide composition is already highly saturated by U and, according to our model, it is at equilibrium, suggesting that in the future, we don’t expect any more increase in U. However, nonsynonymous changes continue slowly evolve towards equilibrium substituting CG-rich amino-acids (“losers”) with U-rich ones (“gainers”). This process is universal for all genes of SARS-CoV-2 as well as for other coronaviridae species. In line with the direction mutation pressure hypothesis, we show that viral-specific amino acid content is associated with the viral-specific mutational spectrum due to the accumulation of effectively neutral slightly deleterious variants (losers to gainers) during the molecular evolution. The tuning of a protein space by the mutational process is expected to be typical for species with relaxed purifying selection, suggesting that the purging of slightly-deleterious variants in the SARS-CoV-2 population is not very effective, probably due to the fast expansion of the viral population during the pandemic. Understanding the mutational process can help to design more robust vaccines, based on gainer-rich motifs, close to the mutation-selection equilibrium.

Abstract The resilience of the mitochondrial genome (mtDNA) to a high mutational pressure depends, in part, on negative purifying selection in the germline. A paradigm in the field has been that such selection, at least in part, takes place in primordial germ cells (PGCs). Specifically, Floros et al. ( Nature Cell Biology 20: 144–51) reported an increase in the synonymity of mtDNA mutations (a sign of purifying selection) between pooled early-stage and late-stage PGCs. We re-analyzed Floros’ et al. pooled PGC data and noticed that their mutational dataset was significantly contaminated with single nucleotide variants (SNVs) derived from a nuclear sequence of mtDNA origin (NUMT) located on chromosome 5. Contamination was caused by co-amplification of the NUMT sequence by cross-specific PCR primers. Importantly, when we removed NUMT-derived SNVs, the evidence of purifying selection was abolished . In addition to pooled PGCs, Floros et al. reported the analysis of single late-stage PGCs, which were amplified with different sets of PCR primers that cannot amplify the NUMT sequence. Accordingly, we found no NUMT-derived SNVs among single PGCs mutations. Interestingly, single PGC mutations show a decrease of synonymity with increased intracellular mutant fraction. This pattern is incompatible with predominantly negative selection. This suggests that germline selection of mtDNA mutations is a complex phenomenon and that the part of this process that takes place in PGCs may be predominantly positive. However counterintuitive, positive germline selection of detrimental mtDNA mutations has been reported previously and potentially may be evolutionarily advantageous.

Abstract Every cell in our body contains a vibrant population of mitochondria, or, more precisely, of mitochondrial DNA molecules (mtDNAs). Just like members of any population mtDNAs multiply (by replication) and ‘die’ (i.e., are removed, either by degradation or by distribution into the sister cell in mitosis). An intriguing question is whether all mitochondria in this population are equal, especially whether some are responsible primarily for reproduction and some - for empowering the various jobs of the mitochondrion, oxidative phosphorylation in the first place. Importantly, because mtDNA is highly damaged such a separation of responsibilities could help greatly reduce the conversion of DNA damage into real inheritable mutations. An unexpected twist in the resolution of this problem has been brought about by a recent high-precision analysis of mtDNA mutations (Sanchez-Contreras et al. 2023). They discovered that certain transversion mutations, unlike more common transitions, are not accumulating with age in mice. We argue that this observation requires the existence of a permanent replicating subpopulation/lineage of mtDNA molecules, which are protected from DNA damage, a.k.a. the ‘stem’ mtDNA. This also implies the existence of its antipode i.e., the ‘worker’ mtDNA, which empowers OSPHOS, sustains damage and rarely replicates. The analysis of long HiFi reads of mtDNA performed by PacBio closed circular sequencing confirms this assertion.

Abstract The resilience of the mitochondrial genome to a high mutational pressure depends, in part, on purifying selection against detrimental mutations in the germline. It is crucial to understand the mechanisms of this process. Recently, Floros et al. concluded that much of the purifying selection takes place during the proliferation of primordial germ cells (PGCs) because, according to their analysis, the synonymity of mutations in late PGCs was seemingly increased compared to those in early PGCs. We re-analyzed the Floros et al. mutational data and discovered a high proportion of sequence variants that are not true mutations, but originate from NUMTs, the latter of which are segments of mitochondrial DNA (mtDNA) inserted into nuclear DNA, up to millions of years ago. This is a well-known artifact in mtDNA mutational analysis. Removal of these artifacts from the Floros et al. dataset abolishes the reported effect of purifying selection in PGCs. We therefore conclude that the mechanism of germline selection of mtDNA mutations remains open for debate, and more research is needed to fully elucidate the timing and nature of this process.

A recent report by Luo et al (2018) in PNAS (DOI:10.1073/pnas.1810946115) presented evidence of biparental inheritance of mitochondrial DNA. The pattern of inheritance, however, resembled that of a nuclear gene. The authors explained this peculiarity with Mendelian segregation of a faulty gatekeeper gene that permits survival of paternal mtDNA in the oocyte. Three other groups (Vissing, 2019; Lutz-Bonengel and Parson, 2019; Salas et al, 2019), however, posited the observation was an artifact of inheritance of mtDNA nuclear pseudogenes (NUMTs), present in the father's nuclear genome. We present justification that both interpretations are incorrect, but that the original authors did, in fact, observe biparental inheritance of mtDNA. Our alternative model assumes that because of initially low paternal mtDNA copy number these copies are randomly partitioned into nascent cell lineages. The paternal mtDNA haplotype must have a selective advantage, so "seeded" cells will tend to proceed to fixation of the paternal haplotype in the course of development. We use modeling to emulate the dynamics of paternal genomes and predict their mode of inheritance and distribution in somatic tissue. The resulting offspring is a mosaic of cells that are purely maternal or purely paternal -- including in the germline. This mosaicism explains the quasi-Mendelian segregation of the paternal mDNA. Our model is based on known aspects of mtDNA biology and explains all of the experimental observations outlined in Luo et. al., including maternal inheritance of the grand-paternal mtDNA.

Serrano et al. (Serrano et al., 2024) use a high-fidelity somatic mtDNA mutation analysis in conplastic mice in which mtDNA was replaced with exogenous mtDNA of different mouse strains. Serrano reported apparent abundant somatic reversion mutations in the exogenous mtDNA that seemed to restore the original mito-nuclear match. If real, such a phenomenon would have important implications for health and genetics. In todays highly mixed human population, the pairing of potentially mismatched nuclear and mitochondrial genomes is widespread, so the proposed reversion mutagenesis should be commonplace. We demonstrate, however, that these reversion mutations are not real but originate from cross-contamination between samples and from NUMTs, the mtDNA pseudogenes located in the nuclear genome.