Several hundred microRNAs (miRNAs) have recently been cloned from a wide range of organisms across phylogeny. Despite the high degree of conservation of miRNAs, their functions in general, and in mammals particularly, are just beginning to be defined. Here we show that an oligonucleotide DNA array can be successfully used for the simultaneous analysis of miRNA expression profiles from tissues or cells. From a subset of miRNAs expressed in the brain we designed an oligonucleotide array spotted with probes specific for 44 mature miRNAs. These arrays demonstrated precise regulation of miRNA expression at mammalian brain developmental epochs. About 20% of the probed miRNAs changed significantly in their expression during normal brain development, and two of them, miR-9 and miR-131, were dysregulated in presenilin-1 null mice exhibiting severe brain developmental defects. Transcripts with regulated expression patterns on the arrays were validated by Northern blots. Additionally, a bioinformatic analysis of developmentally regulated miRNAs suggested potential mRNA targets. The arrays also revealed miRNAs distributed to translating polyribosomes in primary neurons where they are likely to modulate translation. Therefore, oligonucleotide arrays provide a new tool for studying miRNA expression in a variety of biological and pathobiological settings. Creating clusters of coexpressed miRNAs will contribute to understanding their regulation, functions, and discovery of mRNA targets.

Abstract The hypothesis that the evolution of humans involved hybridization between diverged species has been actively debated in recent years. We present novel evidence in support of this hypothesis: the analysis of nuclear pseudogenes of mtDNA (“NUMTs”). NUMTs are considered “mtDNA fossils”, as they preserve sequences of ancient mtDNA and thus carry unique information about ancestral populations. Our comparison of a NUMT sequence shared by humans, chimpanzees, and gorillas with their mtDNAs implies that, around the time of divergence between humans and chimpanzees, our evolutionary history involved the interbreeding of individuals whose mtDNA had diverged as much as ~4.5 Myr prior. This large divergence suggests a distant interspecies hybridization. Additionally, analysis of two other NUMTs suggests that such events occurred repeatedly. Our findings suggest a complex pattern of speciation in primate human ancestors and provide a potential explanation for the mosaic nature of fossil morphology found at the emergence of the hominin lineage.

ABSTRACT The variation in the mutational spectrum of the mitochondrial genome (mtDNA) among species is not well understood. Recently, we demonstrated an increase in A>G substitutions on a heavy chain (hereafter A H >G H ) of mtDNA in aged mammals, interpreting it as a hallmark of age-related oxidative damage. In this study, we hypothesized that the occurrence of A H >G H substitutions may depend on the level of aerobic metabolism, which can be inferred from an organism’s body temperature. To test this hypothesis, we used body temperature in endotherms and environmental temperature in ectotherms as proxies for metabolic rate and reconstructed mtDNA mutational spectra for 1350 vertebrate species. Our results showed that temperature was associated with increased rates of A H >G H and asymmetry of A H >G H in different species of ray-finned fishes and within geographically distinct clades of European anchovy. Analysis of nucleotide composition in the most neutral synonymous sites of fishes revealed that warm-water species were expectedly more A-poor and G-rich compared to cold-water species. Finally, we extended our analyses to all vertebrates and observed higher A H >G H and increased asymmetry of A H >G H in warm-blooded (mammals and birds) compared to cold-blooded (Actinopterygii, amphibia, reptilia) vertebrate classes. Overall, our findings suggest that temperature, through its influence on metabolism and oxidative damage, shapes the mutational properties and nucleotide content of the mtDNA in all vertebrates.

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 Aging in postmitotic tissues is associated with clonal expansion of somatic mitochondrial deletions, the origin of which is not well understood. Deletions in mitochondrial DNA (mtDNA) are often flanked by direct nucleotide repeats, but this alone does not fully explain their distribution. Here, we hypothesized that the close proximity of direct repeats on single-stranded DNA might play a role in the formation of deletions. By analyzing human mtDNA deletions in the major arc of mtDNA, which is single-stranded during replication and is characterized by a high number of deletions, we found a non-uniform distribution with a "hot spot" where one deletion breakpoint occurred within the region of 6-9kb and another within 13-16kb of the mtDNA. This distribution was not explained by the presence of direct repeats, suggesting that other factors, such as the spatial proximity of these two regions can be the cause. In silico analyses revealed that the single-stranded major arc may be organized as a large-scale hairpin-like loop with a center close to 11kb and contacting regions between 6-9 kb and 13-16 kb, which would explain the high deletion activity in this contact zone. The direct repeats located within the contact zone, such as the well-known common repeat with a first arm at 8470-8482 bp and a second arm at 13447-13459 bp, are three times more likely to cause deletions compared to direct repeats located outside of the contact zone. An analysis of age- and disease-associated deletions demonstrated that the contact zone plays a crucial role in explaining the age-associated deletions, emphasizing its importance in the rate of healthy aging. Overall, we provide topological insights into the mechanism of age-associated deletion formation in human mtDNA, which could be used to predict somatic deletion burden and maximum lifespan in different human haplogroups and mammalian species.

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 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.