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.

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 Using low-coverage, whole-genome sequences of trophectoderm biopsies from 11,610 human blastocyst-stage embryos, we analyzed the relationship between chromosomal abnormalities and mitochondrial (mt) DNA dynamics. Comparing 6,208 aneuploid and 5,402 euploid embryos in cohort studies, we found that mtDNA content in aneuploid embryos was significantly higher than that in euploid embryos. This outcome was confirmed through intrafamilial analyses of embryos with matched parents and in vitro fertilization cycles, and it occurred independent of maternal age. Additional human population-based studies uncovered a higher abundance of ultra-rare mtDNA variants located in never-altered positions in the human population in aneuploid compared to euploid embryos in both cohort- and family-based analyses. This maternal age-independent association of increased mtDNA content and aneuploidy in human embryos may reflect a novel mechanism of purifying selection against potentially deleterious mtDNA variants, which arise from germline or early developmental mtDNA damaging events, that occurs in human embryos prior to implantation.