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 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.

Aging, characterized by a series of functional declines correlated with advancing chronological age, has a significant mitochondrial DNA (mtDNA) component, with somatic mtDNA deletions playing a central role. In post-mitotic or slow-dividing cells like neurons and skeletal muscles, selfish mtDNA deletions clonally expand within a cell, ultimately leading to the deterioration and death of host cells and appearence of age-related phenotypes. Thus reducing the burden of somatic deletions could have far-reaching systemic benefits for the entire human body. Given the crucial role of direct nucleotide repeats in the formation of mitochondrial deletions, we hypothesize that minimizing these repeats in the human mitochondrial genome could enhance healthspan by decreasing somatic deletions. To investigate this hypothesis, we focus on the "common repeat", a 13-base pair perfect direct repeat sequence (ACCTCCCTCACCA) located at positions 8470-8482 and 13447-13459, respectively. This perfect repeat: (i) is highly prevalent, with its potential deleterious consequences affecting the majority of humans; (ii) represents one of the most fragile sites, highly prone to forming deletions; (iii) when disrupted, is associated with a decreased somatic deletion load and enhanced human healthspan; (iv) is likely to experience positive selection in the present or near future due to indirect fitness effects, such as the "grandmother effect", and direct fitness effects, such as (v) a decreased mutation rate. These observations support the argument that reducing the mtDNA somatic deletion load through targeted disruption of these repeats, or by using naturally occurring polymorphisms with disrupted repeats in mitochondrial medicine, could be an effective approach to increasing human longevity.

Abstract Most characterised metazoan mitochondrial genomes are compact and encode a small set of proteins that are essential for oxidative phosphorylation. However, in rare cases, invertebrate taxa have additional open reading frames (ORFs) in their mtDNA sequences. Here, we sequenced and analysed the mitochondrial genome of a polychaete worm, Polydora cf. ciliata , part of whose life cycle takes place in low-oxygen conditions. In the mitogenome, we found three “ORFane” regions (1063, 427, and 519 bp) that have no resemblance to any standard metazoan mtDNA gene but lack stop codons in one of the reading frames. Similar regions are found in the mitochondrial genomes of three other Polydora species and Bocardiella hamata . All five species share the same gene order in their mitogenomes, which differ from that of other known spionidae mitogenomes. By analysing the ORFane sequences, we found that they are under negative selection pressure, contain conservative regions, and harbour predicted transmembrane domains.The codon adaptation indices (CAIs) of the ORFan genes were in the same range of values as the CAI of conventional protein-coding genes in corresponding mitochondrial genomes. Together, this suggests that ORFanes encode functional proteins. We speculate that the ORFanes originated from the conventional mitochondrial protein-coding genes which were duplicated when the Polydora/Bocardiella species complex separated from the rest of the Spionidae. Significance statement Metazoan mitochondrial genomes usually contain a conservative set of genes and features. However, mitogenomes of some species contain ORFanes – putative protein-coding genes without clear homology with other known sequences. In this study, we analysed three ORFanes in mitochondria of species of the genera Polydora and Bocardiella, which were absent in all other representatives of Spionidae. To the best of our knowledge, ORFanes haven’t been described in Annelida before. Sequence analysis of the ORFanes suggests they contain conservative regions and are likely translated into functional proteins. Our study features an uncommon case where new protein-coding genes emerged in the mitochondrial genomes of metazoa.

Abstract Microorganisms cooperate with each other to protect themselves from environmental stressors. An extreme case of such cooperation is regulated cell death for the benefit of other cells. Dying cells can provide surviving cells with nutrients or induce their stress-response by transmitting an alarm signal; however, the role of dead cells in microbial communities is unclear. Here we searched for types of stressors the protection from which can be achieved by death of a subpopulation of cells. Thus, we compared the survival of Saccharomyces cerevisiae cells upon exposure to various stressors in the presence of additionally supplemented living versus dead cells. We found that dead cells contribute to yeast community resistance against macrolide antifungals (e.g. amphotericin B [AmB] and filipin) to a greater extent than living cells. Dead yeast cells absorbed more macrolide filipin than control cells because they exposed intracellular sterol-rich membranes. We also showed that, upon the addition of lethal concentrations of AmB, supplementation with AmB-sensitive cells but not with AmB-resistant cells enabled the survival of wild-type cells. Together, our data suggests that cell-to-cell heterogeneity in sensitivity to AmB can be an adaptive mechanism helping yeast communities to resist macrolides, which are naturally occurring antifungal agents. Importance Eukaryotic microorganisms harbour elements of programmed cell death (PCD) mechanisms that are homologous to the PCD of multicellular metazoa. However, it is still debated whether microbial PCD has an adaptive role or the processes of cell death are an aimless operation in self-regulating molecular mechanisms. Here, we demonstrated that dying yeast cells provide an instant benefit for their community by absorbing macrolides, which are bacteria-derived antifungals. Our results illustrate the principle that the death of a microorganism can contribute to the survival of its kin and suggest that early plasma membrane permeabilization improves community-level protection. The latter makes a striking contrast to the manifestations of apoptosis in higher eukaryotes, the process by which plasma membranes maintain integrity.