An A to G transition mutation at nucleotide pair 8344 in human mitochondrial DNA (mtDNA) has been identified as the cause of MERRF. The mutation alters the TψC loop of the tRNALys gene and creates a CviJI restriction site, providing a simple molecular diagnostic test for the disease. This mutation was present in three independent MERRF pedigrees and absent in 75 controls, altered a conserved nucleotide, and was heteroplasmic. All MERRF patients and their less-affected maternal relatives had between 2% and 27% wild-type mtDNAs and showed an age-related association between genotype and phenotype. This suggests that a small percentage of normal mtDNAs has a large protective effect on phenotype. This mutation provides molecular confirmation that some forms of epilepsy are the result of deficiencies in mitochondrial energy production.

Coronary atherosclerotic disease remains the leading cause of death in the Western world. Although the exact sequence of events in this process is controversial, reactive oxygen and nitrogen species (RS) likely play an important role in vascular cell dysfunction and atherogenesis. Oxidative damage to the mitochondrial genome with resultant mitochondrial dysfunction is an important consequence of increased intracellular RS.We examined the contribution of mitochondrial oxidant generation and DNA damage to the progression of atherosclerotic lesions in human arterial specimens and atherosclerosis-prone mice. Mitochondrial DNA damage not only correlated with the extent of atherosclerosis in human specimens and aortas from apolipoprotein E(-/-) mice but also preceded atherogenesis in young apolipoprotein E(-/-) mice. Apolipoprotein E(-/-) mice deficient in manganese superoxide dismutase, a mitochondrial antioxidant enzyme, exhibited early increases in mitochondrial DNA damage and a phenotype of accelerated atherogenesis at arterial branch points.Mitochondrial DNA damage may result from RS production in vascular tissues and may in turn be an early event in the initiation of atherosclerotic lesions.

Abstract —The mechanisms by which reactive species (RS) participate in the development of atherosclerosis remain incompletely understood. The present study was designed to test the hypothesis that RS produced in the vascular environment cause mitochondrial damage and dysfunction in vitro and, thus, may contribute to the initiating events of atherogenesis. DNA damage was assessed in vascular cells exposed to superoxide, hydrogen peroxide, nitric oxide, and peroxynitrite. In both vascular endothelial and smooth muscle cells, the mitochondrial DNA (mtDNA) was preferentially damaged relative to the transcriptionally inactive nuclear β -globin gene. Similarly, a dose-dependent decrease in mtDNA-encoded mRNA transcripts was associated with RS treatment. Mitochondrial protein synthesis was also inhibited in a dose-dependent manner by ONOO − , resulting in decreased cellular ATP levels and mitochondrial redox function. Overall, endothelial cells were more sensitive to RS-mediated damage than were smooth muscle cells. Together, these data link RS-mediated mtDNA damage, altered gene expression, and mitochondrial dysfunction in cell culture and reveal how RS may mediate vascular cell dysfunction in the setting of atherogenesis.

Human mitochondrial DNAs (mtDNAs) from 153 independent samples encompassing seven Asian populations were surveyed for sequence variation using the polymerase chain reaction (PCR), restriction endonuclease analysis and oligonucleotide hybridization. All Asian populations were found to share two ancient AluI/DdeI polymorphisms at nps 10394 and 10397 and to be genetically similar indicating that they share a common ancestry. The greatest mtDNA diversity and the highest frequency of mtDNAs with HpaI/HincII morph 1 were observed in the Vietnamese suggesting a Southern Mongoloid origin of Asians. Remnants of the founding populations of Papua New Guinea (PNG) were found in Malaysia, and a marked frequency cline for the COII/tRNA(Lys) intergenic deletion was observed along coastal Asia. Phylogenetic analysis indicates that both insertion and deletion mutations in the COII/tRNA(Lys) region have occurred more than once.

Abstract

 Peripheral blood mononuclear cells and platelets have long been recognized as having the potential to act as sensitive markers for mitochondrial dysfunction in a broad range of pathological conditions. However, the bioenergetic function of these cells has not been examined from the same donors, yet this is important for the selection of cell types for translational studies. Here, we demonstrate the measurement of cellular bioenergetics in isolated human monocytes, lymphocytes, and platelets, including the oxidative burst from neutrophils and monocytes from individual donors. With the exception of neutrophils, all cell types tested exhibited oxygen consumption that could be ascribed to oxidative phosphorylation with each having a distinct bioenergetic profile and distribution of respiratory chain proteins. In marked contrast, neutrophils were essentially unresponsive to mitochondrial respiratory inhibitors indicating that they have a minimal requirement for oxidative phosphorylation. In monocytes and neutrophils, we demonstrate the stimulation of the oxidative burst using phorbol 12-myristate 13-acetate and its validation in normal human subjects. Taken together, these data suggest that selection of cell type from blood cells is critical for assessing bioenergetic dysfunction and redox biology in translational research.

Abstract Hypertensive African Americans have ~50% response rate to thiazide diuretic treatment. This contributes to a high prevalence of uncontrolled high blood pressure. Here, we examine the role the mitochondrial genome has on thiazide diuretic treatment response in hypertensive African Americans enrolled in a clinical trial. Participants from the Antihypertensive and Lipid Lowering Treatment to Prevent Heart Attack Trial (ALLHAT, n= 4279) were genotyped using the Illumina Infinium Multi-Ethnic Beadchip. Haplotype groups were called using HaploGrep. We used linear regression analysis to examine the association between mitochondrial haplogroups (L, M, and N) and change in blood pressure and change in fasting glucose over 6 months and two years, respectively. The analysis revealed a null association between mitochondrial haplogroups M and N vs. L for each of the outcomes. In subgroup analysis, the L subclades L1, L2, and L3/L4 (vs. L0) were each inversely associated with fasting glucose response (p < 0.05). This discovery analysis suggests the mitochondrial genome has a small effect on fasting glucose but not blood pressure response to thiazide diuretic treatment in African Americans.

Oxidative stress is an important contributor to bronchopulmonary dysplasia (BPD), a form of chronic lung disease that is the most common morbidity in very preterm infants. Mitochondrial functional differences due to inherited and acquired mutations influence the pathogenesis of disorders in which oxidative stress plays a critical role. We previously showed using mitochondrial-nuclear exchange (MNX) mice that mitochondrial DNA (mtDNA) variations modulate hyperoxia-induced lung injury severity in a model of BPD. In this study, we studied the effects of mtDNA variations on mitochondrial function including mitophagy in alveolar epithelial cells (AT2) from MNX mice. We also investigated oxidant and inflammatory stress as well as transcriptomic profiles in lung tissue in mice and expression of proteins such as PINK1, Parkin and SIRT3 in infants with BPD. Our results indicate that AT2 from mice with C57 mtDNA had decreased mitochondrial bioenergetic function and inner membrane potential, increased mitochondrial membrane permeability and were exposed to higher levels of oxidant stress during hyperoxia compared to AT2 from mice with C3H mtDNA. Lungs from hyperoxia-exposed mice with C57 mtDNA also had higher levels of pro-inflammatory cytokines compared to lungs from mice with C3H mtDNA. We also noted changes in KEGG pathways related to inflammation, PPAR and glutamatergic signaling, and mitophagy in mice with certain mito-nuclear combinations but not others. Mitophagy was decreased by hyperoxia in all mice strains, but to a greater degree in AT2 and neonatal mice lung fibroblasts from hyperoxia-exposed mice with C57 mtDNA compared to C3H mtDNA. Finally, mtDNA haplogroups vary with ethnicity, and Black infants with BPD had lower levels of PINK1, Parkin and SIRT3 expression in HUVEC at birth and tracheal aspirates at 28 days of life when compared to White infants with BPD. These results indicate that predisposition to neonatal lung injury may be modulated by variations in mtDNA and mito-nuclear interactions need to be investigated to discover novel pathogenic mechanisms for BPD.

Introduction: Ischemia/reperfusion (I/R) injury occurs after coronary revascularization, contributing to infarct size. Circulating mitochondrial DNA (mtDNA) levels are elevated in acute myocardial infarction (MI) patients, and act as Damage Associated Molecular Patterns (mtDNA DAMP), which are recognized by the Toll-like receptor 9 (TLR9), initiating pro-inflammatory responses. Prior studies have shown that loss of TLR9 prevents I/R injury in isolated mouse hearts. However, mtDNA DAMP levels have not been measured in ST-elevation MI (STEMI) patients, and whether blocking TLR9 in mice can reduce I/R injury remains unknown. Hypothesis: MtDNA DAMP levels serve as markers of STEMI related cardiac injury. Blocking the activation of TLR9 will decrease cardiac I/R injury. Methods: MtDNA DAMP levels in serum were measured pre- and 24 hours post- PCI in 55 STEMI patients and 37 healthy controls by qPCR. To evaluate the role of TLR9 on I/R injury, ODN2088 was used to block TLR9 receptor, wild type and TLR9 germline KO mice were subjected to close-chest I/R surgery with minimal systemic inflammation. The cardiac systolic function and infarct size were assessed. Immune cells were isolated from the injured left ventricle and spleens and detected by flow cytometry. Results: Pre- PCI mtDNA DAMP levels were increased ~200 folds in STEMI patients compared to healthy controls. After PCI, the elevated mtDNA DAMP levels reduced significantly, while the troponin T levels increased, suggesting mtDNA is an early marker of MI. Compared with negative ODN, ODN2088 treatment at reperfusion reduced infarct size and total leukocytes, myeloid cells, neutrophils and TNF-α + cells, and a trend of reduced IL-1β + cells, and there was no difference in IL-6 + cells, total macrophages and residential macrophages. Loss of TLR9 in male and female mice significantly reduced infarct size by ~40% and preserved the systolic function. Meanwhile, there is no difference between genders. Conclusions: Circulating mtDNA DAMP level is an early marker of STEMI and may predict the success of PCI. Blocking the mtDNA DAMP-TLR9 signaling pathway during reperfusion significantly reduces I/R injury, indicating it is a viable therapy to mitigate cardiac I/R injury after prompt coronary revascularization.

Preterm infants requiring prolonged oxygen therapy often develop cognitive dysfunction later life. Previously, we reported that 14-week-old young adult mice exposed to hyperoxia as newborns had spatial memory deficits and hippocampal shrinkage. We hypothesized that the underlying mechanism was the induction of hippocampal mitochondrial dysfunction by neonatal hyperoxia. C57BL/6j mouse pups were exposed to 85% oxygen or air from P2 - P14. Hippocampal proteomic analysis was performed in young adult mice (14 weeks). Mitochondrial bioenergetics were measured in neonatal (P14) and young adult mice. We found that hyperoxia exposure reduced mitochondrial ATP-linked oxygen consumption and increased state 4 respiration linked proton leak in both neonatal and young adult mice. Following hyperoxia exposure, complex I function was decreased at P14 but increased in young adult mice. Proteomic analysis revealed that neonatal hyperoxia exposure decreased complex I NDUFB8 and NDUFB11 and complex IV 7B subunits, but increased complex III subunit 9 in young adult mice. In conclusion, neonatal hyperoxia permanently impairs hippocampal mitochondrial function and alters complex I function. These changes may account for memory deficits seen in preterm survivors following prolonged oxygen supplementation and may potentially be a contributing mechanism in other oxidative stress associated cognitive disorders.