Importance

 Mitochondrial dysfunction is a core component of the aging process and may play a key role in atherosclerotic cardiovascular disease. Mitochondrial DNA copy number (mtDNA-CN), which represents the number of mitochondria per cell and number of mitochondrial genomes per mitochondrion, is an indirect biomarker of mitochondrial function. 

Objective

 To determine whether mtDNA-CN, measured in an easily accessible tissue (buffy coat/circulating leukocytes), can improve risk classification for cardiovascular disease (CVD) and help guide initiation of statin therapy for primary prevention of CVD. 

Design, Setting, and Participants

 Prospective, population-based cohort analysis including 21 870 participants (20 163 free from CVD at baseline) from 3 studies: Cardiovascular Health Study (CHS), Atherosclerosis Risk in Communities Study (ARIC), and Multiethnic Study of Atherosclerosis (MESA). The mean follow-up was 13.5 years. The study included 11 153 participants from ARIC, 4830 from CHS, and 5887 from MESA. Analysis of the data was conducted from March 10, 2014, to January 29, 2017. 

Exposures

 Mitochondrial DNA-CN measured from buffy coat/circulating leukocytes. 

Main Outcomes and Measures

 Incident CVD, which combines coronary heart disease, defined as the first incident myocardial infarction or death owing to coronary heart disease, and stroke, defined as the first nonfatal stroke or death owing to stroke. 

Results

 Of the 21 870 participants, the mean age was 62.4 years (ARIC, 57.9 years; MESA, 62.4 years; and CHS, 72.5 years), and 54.7% of participants were women. The hazard ratios for incident coronary heart disease, stroke, and CVD associated with a 1-SD decrease in mtDNA-CN were 1.29 (95% CI, 1.24-1.33), 1.11 (95% CI, 1.06-1.16), and 1.23 (95% CI, 1.19-1.26). The associations persisted after adjustment for traditional CVD risk factors. Addition of mtDNA-CN to the 2013 American College of Cardiology/American Heart Association Pooled Cohorts Equations for estimating 10-year hard atherosclerosis CVD risk was associated with improved risk classification (continuous net reclassification index, 0.194; 95% CI, 0.130-0.258;P < .001). Mitochondrial DNA-CN further improved sensitivity and specificity for the 2013 American College of Cardiology/American Heart Association recommendations on initiating statin therapy for primary prevention of ASCVD (net 221 individuals appropriately downclassified and net 15 individuals appropriately upclassified). 

Conclusions and Relevance

 Mitochondrial DNA-CN was independently associated with incident CVD in 3 large prospective studies and may have potential clinical utility in improving CVD risk classification.

ABSTRACT Background Mitochondrial DNA copy number (mtDNA-CN) can be used as a proxy for mitochondrial function and is associated with a number of aging-related diseases. However, it is unclear how mtDNA-CN measured in blood can reflect risk for diseases that primarily manifest in other tissues. Using the Genotype-Tissue Expression Project, we interrogated the relationships between mtDNA-CN measured in whole blood and gene expression from whole blood as well as 47 additional tissues. Results We evaluated associations between blood-derived mtDNA-CN and gene expression in whole blood for 418 individuals, correcting for known confounders and surrogate variables derived from RNA-sequencing. Using a permutation-derived cutoff (p<2.70e-6), mtDNA-CN was significantly associated with expression for 721 genes in whole blood, including nuclear genes that are required for mitochondrial DNA replication. Significantly enriched pathways included splicing (p=1.03e-8) and ubiquitin-mediated proteolysis (p=2.4e-10). Genes with target sequences for the mitochondrial transcription factor NRF1 were also enriched (p=1.76e-35). In non-blood tissues, there were more significantly associated genes than expected in 30 out of 47 tested tissues, suggesting that global gene expression in those tissues is correlated with mtDNA-CN. Pathways that were associated in multiple tissues included RNA-binding, catalysis, and neurodegenerative disease. We evaluated the association between mtDNA-CN and incident neurodegenerative disease in an independent dataset, the UK Biobank, using a Cox proportional-hazards model. Higher mtDNA-CN was significantly associated with lower risk for incident neurodegenerative disease (HR=0.73, 95% CI= 0.66;0.90). Conclusions The observation that mtDNA-CN measured in whole blood is associated with gene expression in other tissues suggests that blood-derived mtDNA-CN can reflect metabolic health across multiple tissues. Key pathways in maintaining cellular homeostasis, including splicing, RNA binding, and catalytic genes were significantly associated with mtDNA-CN, reinforcing the importance of mitochondria in aging-related disease. As a specific example, genes involved in neurodegenerative disease were significantly enriched in multiple tissues. This finding, validated in a large independent cohort study showing an inverse association between mtDNA-CN and neurodegenerative disease, solidifies the link between blood-derived mtDNA-CN, altered gene expression in both blood and non-blood tissues, and aging-related disease.

Aims: Sudden cardiac death (SCD) is a major public health burden. Mitochondrial dysfunction has been implicated in a wide range of cardiovascular diseases including cardiomyopathy, heart failure, and arrhythmias, but it is unknown if it also contributes to SCD risk. We sought to examine the prospective association between mtDNA copy number (mtDNA-CN), a surrogate marker of mitochondrial function, and SCD risk. Methods and Results: We measured baseline mtDNA-CN in 11,093 participants from the Atherosclerosis Risk in Communities (ARIC) study. mtDNA-CN was calculated from probe intensities of mitochondrial single nucleotide polymorphisms (SNP) on the Affymetrix Genome-Wide Human SNP Array 6.0. SCD was defined as a sudden pulseless condition presumed due to a ventricular tachyarrhythmia in a previously stable individual without evidence of a non-cardiac cause of cardiac arrest. SCD cases were reviewed and adjudicated by an expert committee. During a median follow-up of 20.4 years, we observed 361 SCD cases. After adjusting for age, race, sex, and center, the hazard ratio (HR) for SCD comparing the 1st to the 5th quintiles of mtDNA-CN was 2.24 (95% CI 1.58 to 3.19; p-trend <0.001). When further adjusting for traditional CVD risk factors, prevalent CHD, heart rate, and QT interval duration, the association remained statistically significant. Spline regression models showed that the association was approximately linear over the range of mtDNA-CN values. No apparent interaction by race or by sex was detected. Conclusion: In this community-based prospective study, mtDNA-CN in peripheral blood was inversely associated with the risk of SCD.

Background Mitochondrial DNA copy number (mtDNA-CN) has been associated with a variety of aging-related diseases, including all-cause mortality. However, the mechanism by which mtDNA-CN influences disease is not currently understood. One such mechanism may be through regulation of nuclear gene expression via the modification of nuclear DNA (nDNA) methylation.Methods To investigate this hypothesis, we assessed the relationship between mtDNA-CN and nDNA methylation in 2,507 African American (AA) and European American (EA) participants from the Atherosclerosis Risk in Communities (ARIC) study. To validate our findings we assayed an additional 2,528 participants from the Cardiovascular Health Study (CHS) (N=533) and Framingham Heart Study (FHS) (N=1,995). We further assessed the effect of experimental modification of mtDNA-CN through knockout of TFAM , a regulator of mtDNA replication, via CRISPR-Cas9.Results Thirty-four independent CpGs were associated with mtDNA-CN at genome-wide significance ( P <5×10-8). Meta-analysis across all cohorts identified six mtDNA-CN associated CpGs at genome-wide significance ( P <5×10-8). Additionally, over half of these CpGs were associated with phenotypes known to be associated with mtDNA-CN, including coronary heart disease, cardiovascular disease, and mortality. Experimental modification of mtDNA-CN demonstrated that modulation of mtDNA-CN directly drives changes in nDNA methylation and gene expression of specific CpGs and nearby transcripts. Strikingly, the ‘neuroactive ligand receptor interaction’ KEGG pathway was found to be highly overrepresented in the ARIC cohort ( P = 5.24×10-12), as well as the TFAM knockout methylation ( P= 4.41×10-4) and expression ( P= 4.30×10-4) studies.Conclusions These results demonstrate that changes in mtDNA-CN influence nDNA methylation at specific loci and result in differential expression of specific genes that may impact human health and disease via altered cell signaling.* AA : African American ARIC : Atherosclerosis Risk in Communities CHD : Coronary Heart Disease CHS : Cardiovascular Health Study CVD : Cardiovascular disease EA : European American FHS : Framingham Heart Study meQTLs : methylation quantitative trait loci MR : Mendelian Randomization mtDNA : mitochondrial DNA mtDNA-CN : Mitochondrial DNA copy number nDNA : nuclear DNA qPCR : quantitative polymerase chain reaction SNPs : single nucleotide polymorphisms SVA : Surrogate Variable Analysis TOPMed : Trans-Omics in Precision Medicine WGS : Whole genome sequencing

Background: Mechanistic studies suggests that mitochondria DNA (mtDNA) dysfunction may be associated with increased risk of atrial fibrillation (AF). The association between mtDNA copy number (mtDNA-CN) and incident AF in the general population, however, remains unknown. Methods: We conducted prospective analyses of 19,709 participants from the Atherosclerosis Risk in Communities Study (ARIC), the Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis (MESA) and the Cardiovascular Health Study (CHS). mtDNA-CN from peripheral blood was calculated from probe intensities on the Affymetrix Genome-Wide Human single nucleotide polymorphisms (SNP) Array 6.0 in ARIC and MESA, and from multiplexed real time quantitative polymerase chain reaction (qPCR) in CHS. Incident AF cases were identified through electrocardiograms, review of hospital discharge codes, Medicare claims, and death certificates. Results: The median follow-up time was 21.4 years in ARIC, 12.9 years in MESA and 11.0 years in CHS, during which 4,021 participants developed incident atrial fibrillation (1,761 in ARIC, 790 in MESA, and 1,470 in CHS). The fully-adjusted pooled hazard ratio for incident atrial fibrillation comparing the 1st to the 5th quintile of mitochondria DNA copy number was 1.13 (1.01, 1.27). The fully-adjusted pooled hazard ratio comparing the 10th vs the 90th percentile of mitochondria DNA copy number was 1.13 (1.04, 1.24). Dose-response spline analysis also showed an inverse association between mitochondria DNA copy number and hazard for atrial fibrillation for all three cohorts. These associations were consistent across subgroups. Conclusions: Mitochondria DNA copy number was inversely associated with the risk of AF independent of traditional cardiovascular risk factors. These findings implicate mitochondria DNA copy number as a novel risk factor for atrial fibrillation. Further research is warranted to understand the underlying mechanisms and to evaluate the role of mitochondria DNA copy number in the management of atrial fibrillation risk.