Results of a collaborative study of the EDNAP group regarding mitochondrial DNA heteroplasmy and segregation in hair shafts.

A collaborative exercise was carried out by the European DNA Profiling Group (EDNAP) in order to evaluate the distribution of mitochondrial DNA (mtDNA) heteroplasmy amongst the hairs of an individual who displays point heteroplasmy in blood and buccal cells. A second aim of the exercise was to study reproducibility of mtDNA sequencing of hairs between laboratories using differing chemistries, further to the first mtDNA reproducibility study carried out by the EDNAP group. Laboratories were asked to type 2 sections from each of 10 hairs, such that each hair was typed by at least two laboratories. Ten laboratories participated in the study, and a total of 55 hairs were typed. The results showed that the C/T point heteroplasmy observed in blood and buccal cells at position 16234 segregated differentially between hairs, such that some hairs showed only C, others only T and the remainder, C/T heteroplasmy at varying ratios. Additionally, differential segregation of heteroplasmic variants was confirmed in independent extracts at positions 16093 and the poly(C) tract at 302-309, whilst a complete A-G transition was confirmed at position 16129 in one hair. Heteroplasmy was observed at position 16195 on both strands of a single extract from one hair segment, but was not observed in the extracts from any other segment of the same hair. Similarly, heteroplasmy at position 16304 was observed on both strands of a single extract from one hair. Additional variants at positions 73, 249 and the HVII poly(C) region were reported by one laboratory; as these were not confirmed in independent extracts, the possibility of contamination cannot be excluded. Additionally, the electrophoresis and detection equipment used by this laboratory was different to those of the other laboratories, and the discrepancies at position 249 and the HVII poly(C) region appear to be due to reading errors that may be associated with this technology. The results, and their implications for forensic mtDNA typing, are discussed in the light of the biology of hair formation.

Heteroplasmy in mammal mitochondrial deoxyribonucleic acid

La nature a développé diverses stratégies afin d’assurer le commencement de la vie dans des conditions d’homoplasmie, c’est-à-dire des conditions telles que les cellules sont dotées du même ADN mitochondrial. Toutefois, des nouveaux haplotypes de l’acide désoxyribonucléique mitochondrial (ADNmt) peuvent apparaitre et croître de plusieurs façons tout au long de la durée d’une vie menant à l’hétéroplasmie. Par exemple, l’hétéroplasmie de l’ADNmt peut être créée artificiellement par des technologies reproductives assistées, ainsi que naturellement par le processus de vieillissement. De ce fait, la thèse de ce doctorat fut divisée en deux principaux objectifs. Le premier étant celui d’analyser les changements survenus dans l’hétéroplasmie de l’ADNmt produit par le transfert nucléaire des cellules somatiques (SCNT) lors du développement de l’embryon jusqu’au fœtus et aux tissus adultes de bovins clonés. En ce qui concerne le second objectif, il s’agit d’analyser les changements survenus dans l’hétéroplasmie de l’ADNmt causés par le vieillissement dans une cellule somatique adulte et dans des tissus germinaux durant l’ovogénèse, ainsi qu’au début de l’embryogenèse et dans la procédure de culture in vitro sur des souris. Dans la première série d’expériences sur des bovins, des fibroblastes fœtaux transportant une mutation d’ADNmt (insertion de 66 pb) furent fusionnés avec des ovocytes receveurs transportant l’ADNmt du type sauvage. La présence d’ADNmt venant de la cellule donneuse a été analysée à différents stades de développement, soit sur des embryons âgés de 17 jours (n=17), des fœtus âgés de 40 jours (n=3), des fœtus âgés de 60 jours (n=3), un fœtus âgé de 240 jours et 3 clones post-nataux âgés de 18 à 24 mois. Chaque individu s’est avéré être hétéroplasmique et 99 % (103/104) des échantillons de tissus analysés étaient également hétéroplasmiques. Cependant, l’ovaire venant du fœtus de 240 jours fut le seul à être homoplasmique pour l’ADNmt de l’ovocyte receveur. Dans la plupart des échantillons analysés (95,2 %, soit 99/104) la moyenne d’hétéroplasmie était de 1,46 %. Par contre, un fœtus âgé de 40 jours a présenté un niveau élevé d’hétéroplasmie (20,9 %), indiquant ainsi que des évènements rares d’augmentation de l’ADNmt des cellules donneuses peuvent survenir. Étant donné que la majorité des clones SCNT montrait de l’hétéroplasmie de l’ADNmt à des proportions comparables à celles des cellules donneuses au moment de la reconstruction de l’embryon, on a pu conclure que l’hétéroplasmie produite par des techniques de transfert nucléaire utilisant des cellules somatiques est due à une ségrégation neutre de l’ADNmt. Dans la seconde série d’expériences sur des souris, des femelles de différents âges, c.à.d. jeunes (0 – 8 mois), moyennes (8 – 16 mois) et vieilles (16 – 24 mois), ont été synchronisées (gonadotrophines) et sacrifiées dans le but d’obtenir des ovocytes au stade de vésicule germinal, et des ovocytes au stade métaphase-II produits in vivo et in vitro. De plus, des embryons in vivo et in vitro au stade de deux-cellules et des embryons au stade de blastocystes ont été obtenus de femelles jeunes. Différents tissus somatiques, venant de femelles des trois stades d’âge ont été obtenus : cerveau, foie, muscle et du cumulus ovocytaire. De plus, l’effet du vieillissement a été mesuré selon la fertilité de la femelle. En effet, les effets sur l’hétéroplasmie du vieillissement, du stade de développement et de la culture in vitro ont été mesurés dans des ovocytes et dans des embryons. Les effets du vieillissement sur les mitochondries ont été mesurés par rapport au nombre total de copies de l’ADNmt, au pourcentage des délétions communes et sur l’expression de trois gènes : Ndufs4, Mt-nd2 and Mt-nd4. Il a été possible d’observer que la fertilité des femelles dans la colonie de souris diminuait avec l’âge. En fait, le vieillissement affectait l’ADNmt dans les tissus somatiques, cependant il n’avait pas d’effet sur le cumulus, les ovocytes et les embryons. Le nombre de délétions de l’ADNmt augmentait pendant la reprise de la méiose et celui-ci diminuait au début du développement embryonnaire. La culture in vitro n’affectait pas la quantité d’ADNmt dans la plupart des tissus germinaux. Puisque nous n’avons pas trouvé d’effet de l’âge dans la majorité des paramètres mitochondriaux analysés dans les ovocytes et les embryons, il est suggéré que la délétion commune de l’ADNmt dans les tissus germinaux est davantage reliée au statut cellulaire de la production d’énergie qu’au processus de vieillissement. Deux sources différentes de mutations de l’ADNmt produites dans les ovocytes normaux ou reconstitués ont produit différents résultats d’hétéroplasmie au début de l’embryogénèse. Chez les bovins, l’hétéroplasmie artificielle impliquant une petite insertion (66 pb) dans la région non codante (D-loop) de l’ADNmt a été vraisemblablement non nocive pour l’embryon, tolérant la persistance de l’ADNmt étranger pendant les différents stades du développement des clones. Chez les souris, l’hétéroplasmie naturelle produite par une grande délétion (4974 pb délétion commune) dans la région codante de l’ADNmt a été vraisemblablement nocive pour l’embryon et par conséquent éliminée pour assurer l’homoplasmie au début du développement embryonnaire.

Heteroplasmy in hair: Differences among hair and blood from the same individuals are still a matter of debate

The analysis of mitochondrial DNA (mtDNA) is a useful tool in forensic cases when sample contents too little or degraded nuclear DNA to genotype by autosomal short tandem repeat (STR) loci, but it is especially useful when the only forensic evidence is a hair shaft. Several authors have related differences in mtDNA from different tissues within the same individual, with high frequency of heteroplasmic variants in hair, as also in some other tissues. Is still a matter of debate how the differences influence the interpretation forensic protocols. One difference between two samples supposed to be originated from the same individual are related to an inconclusive result, but depending on the tissue and the position of the difference it should have a different interpretation, based on mutation-rate heterogeneity of mtDNA. In order to investigate it differences in the mtDNA control region from hair hafts and blood in our population, sequences from the hypervariable regions 1 and 2 (HV1 and HV2) from 100 Brazilian unrelated individuals were compared. The frequency of point heteroplasmy observed in hair was 10.5% by sequencing. Our study confirms the results related by other authors that concluded that small differences within tissues should be interpreted with caution especially when analyzing hair samples. (C) 2007 Elsevier B.V.. All rights reserved.

Heteroplasmy in Hair: Study of Mitochondrial DNA Third Hypervariable Region in Hair and Blood Samples

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

No relationship found between point heteroplasmy in mitochondrial DNA control region and age range, sex and haplogroup in human hairs

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Mitochondrial DNA polymorphism and heteroplasmy in populations of Aedes aegypti in Brazil

The tropical mosquito Aedes aegypti (Diptera: Culicidae) is the most important domestic vector of urban yellow fever and dengue viruses. Ae. aegypti originated from Africa and was probably introduced into Brazil during the colonial period through embarkations, and dengue epidemics soon followed. Genetic analysis of 12 Ae. aegypti populations from five states in Brazil was conducted based on two mitochondrial DNA fragments: cytochrome oxidase I and NADH dehydrogenase subunit 4. Analyses comparing individual haplotypes indicated the existence of two well-defined clades, probably representing two mitochondrial lineages. Analysis of molecular variance showed significant variability in genetic structure among collections within groups. Mantel regression analysis showed a correlation between genetic and geographic distances, mainly because of northern and northeastern populations, in comparison with those in the southeast. The population from Santos, the largest port in Brazil, showed the greatest diversity, with 10 unique haplotypes, an indication of recent introductions that have not yet spread to other Brazilian cities. Different mitochondrial DNA sequences were found in three specimens, indicating the presence of heteroplasmy.

Apparent mtDNA heteroplasmy in Alzheimer’s disease patients and in normals due to PCR amplification of nucleus-embedded mtDNA pseudogenes

In an unprecedented finding, Davis et al. [Davis, R. E., Miller, S., Herrnstadt, C., Ghosh, S. S., Fahy, E., Shinobu, L. A., Galasko, D., Thal, L. J., Beal, M. F., Howell, N. & Parker, W. D., Jr. (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 4526–4531] used an unusual DNA isolation method to show that healthy adults harbor a specific population of mutated mitochondrial cytochrome c oxidase (COX) genes that coexist with normal mtDNAs. They reported that this heteroplasmic population was present at a level of 10–15% in the blood of normal individuals and at a significantly higher level (20–30%) in patients with sporadic Alzheimer’s disease. We provide compelling evidence that the DNA isolation method employed resulted in the coamplification of authentic mtDNA-encoded COX genes together with highly similar COX-like sequences embedded in nuclear DNA (“mtDNA pseudogenes”). We conclude that the observed heteroplasmy is an artifact.

Simultaneous A8344G heteroplasmy and mitochondrial DNA copy number quantification in Myoclonus Epilepsy and Ragged-Red Fibers (MERRF) syndrome by a multiplex Molecular Beacon based real-time fluorescence PCR

The association of a particular mitochondrial DNA (mtDNA) mutation with different clinical phenotypes is a well-known feature of mitochondrial diseases. A simple genotype–phenotype correlation has not been found between mutation load and disease expression. Tissue and intercellular mosaicism as well as mtDNA copy number are thought to be responsible for the different clinical phenotypes. As disease expression of mitochondrial tRNA mutations is mostly in postmitotic tissues, studies to elucidate disease mechanisms need to be performed on patient material. Heteroplasmy quantitation and copy number estimation using small patient biopsy samples has not been reported before, mainly due to technical restrictions. In order to resolve this problem, we have developed a robust assay that utilizes Molecular Beacons to accurately quantify heteroplasmy levels and determine mtDNA copy number in small samples carrying the A8344G tRNALys mutation. It provides the methodological basis to investigate the role of heteroplasmy and mtDNA copy number in determining the clinical phenotypes.

Human brain contains high levels of heteroplasmy in the noncoding regions of mitochondrial DNA.

We have analyzed the level of intraindividual sequence variability (heteroplasmy) of mtDNA in human brain by denaturing gradient gel electrophoresis and sequencing. Single base substitutions, as well as insertions or deletions of single bases, were numerous in the noncoding control region (D-loop), and 35-45% of the molecules from a single tissue showed sequence differences. By contrast, heteroplasmy in coding regions was not detected. The lower level of heteroplasmy in the coding regions is indicative of selection against deleterious mutations. Similar levels of heteroplasmy were found in two brain regions from the same individual, while no heteroplasmy was detected in blood. Thus, heteroplasmy seems to be more frequent in nonmitotic tissues. We observed a 7.7-fold increase in the frequency of deletions/insertions and a 2.2-fold increase in the overall frequency of heteroplasmic mutations in two individuals aged 96 and 99, relative to an individual aged 28. Our results show that intraindividual sequence variability occurs at a high frequency in the noncoding regions of normal human brain and indicate that small insertions and deletions might accumulate with age at a lower rate than large rearrangements.

Filogeografia e evolução molecular de lagostas sapateiras (Scyllarides spp.) da América do Sul

Nos últimos anos, duas espécies de lagostas sapateiras, Scyllarides brasiliensis e S. deceptor, vêm se destacando nos desembarques pesqueiros de lagostas do Atlântico Sul Ocidental. Para espécies comercialmente importantes, o desenvolvimento de estudos que permitam conhecer a variabilidade e entender a dinâmica populacional é fundamental. Assim, o objetivo do primeiro capítulo desta tese foi avaliar a diversidade genética e a estrutura populacional dessas duas lagostas ao longo de aprox. 2.800 km da costa da América do Sul. Para as análises, foram empregados marcadores mitocondriais (citocromo oxidase I: COI; e a região controle: RC) e marcadores nucleares (13 loci de microssatélites desenvolvidos nesta tese). As duas espécies apresentaram altos níveis de variabilidade (S. deceptor: N = 200, mtDNA: h > 0,841, π > 0,005; microssatélites: He = 0,685; S. brasiliensis: N = 211, He = 0,554), distribuídos homogeneamente entre as localidades (S. deceptor: ΦST < -0,004, ΦCT < 0,016, FST global = 0,001, Dest global = 0,003, FCT < 0,002, P > 0,05, K = 1; S. brasiliensis: FST global = 0,004, Dest global = 0,001, FCT < 0,004, P > 0,05, K = 1). A ausência de estruturação nas duas espécies pode estar relacionada a características biológicas que promovem a conectividade entre localidades geograficamente distantes, como alta fecundidade e alto potencial de dispersão das larvas planctônicas. Além disso, os dados mitocondriais sugerem que a história demográfica de S. deceptor foi marcada por eventos de expansão populacionais e geográficos possivelmente relacionados às condições ambientais favoráveis dos episódios interglaciais do Pleistoceno Médio-Tardio. Diversos estudos têm mostrado que os fenômenos de inserção de regiões mitocondriais no DNA nuclear (NuMts) e heteroplasmia limitam a correta amplificação e identificação dos marcadores mitocondriais. Em estudos filogenéticos e de genética de populações, a presença inadvertida de sequências de diversas origens viola o principio de ortologia, o que pode resultar em inferências evolutivas erradas. Assim, o objetivo do segundo capítulo desta tese foi identificar e caracterizar os possíveis NuMts e sequências heteroplásmicas de três regiões mitocondriais (COI, RC e o gene da subunidade maior do RNA ribossomal: 16S) em quatro espécies do gênero Scyllarides (S. aequinoctialis, S. brasiliensis, S. deceptor e S. delfosi). A clonagem e sequenciamento de extratos de DNA genômico e DNA enriquecido com mtDNA revelaram que os genomas destas espécies podem exibir NuMts (que divergem entre 0,6 e 17,6% do mtDNA) e heteroplasmia (que divergem < 0,2% do mtDNA prevalente). Os NuMts surgiram possivelmente de vários eventos independentes de integração ao núcleo ao longo da história evolutiva do gênero Scyllarides. Dependendo do seu grau de similaridade com o mtDNA, a presença de NuMts nas análises filogenéticas no nível de gênero pode causar superestimativa do número de espécies e alterações nos comprimentos dos ramos e nas relações filogenéticas entre espécies.

The Acquisition of an Inheritable 50-bp Deletion in the Human mtDNA Control Region Does Not Affect the mtDNA Copy Number in Peripheral Blood Cells

The mitochondrial DNA (mtDNA) control region is believed to play an important biological role in mtDNA replication. Large deletions in this region are rarely found, but when they do occur they might be expected to interfere with the replication of the molecule, thus leading to a reduction of mtDNA copy number. During a survey for mtDNA sequence variations in 5,559 individuals from the general Chinese population and 2,538 individuals with medical disorders, we identified a 50-bp deletion (m.298_347del50) in the mtDNA control region in a member of a healthy Han Chinese family belonging to haplogroup B4c1b2, as suggested by complete mtDNA genome sequencing. This deletion removes the conserved sequence block II (CSBII; region 299-315) and the replication primer location (region 317-321). However, quantification of the mtDNA copy number in this subject showed a value within a range that was observed in 20 healthy subjects without the deletion. The deletion was detected in the hair samples of the maternal relatives of the subject and exhibited variable heteroplasmy. Our current observation, together with a recent report for a benign 154-bp deletion in the mtDNA control region, suggests that the control of mtDNA replication may be more complex than we had thought. Hum Mutat 31:538-543, 2010. (C) 2010 Wiley-Liss, Inc.

Somatic point mutations in mtDNA control region are influenced by genetic background and associated with healthy aging: a GEHA stud

Tissue specific somatic mutations occurring in the mtDNA control region have been proposed to provide a survival advantage. Data on twins and on relatives of long-lived subjects suggested that the occurrence/accumulation of these mutations may be genetically influenced. To further investigate control region somatic heteroplasmy in the elderly, we analyzed the segment surrounding the nt 150 position (previously reported as specific of Leukocytes) in various types of leukocytes obtained from 195 ultra-nonagenarians sib-pairs of Italian or Finnish origin collected in the frame of the GEHA Project. We found a significant correlation of the mtDNA control region heteroplasmy between sibs, confirming a genetic influence on this phenomenon. Furthermore, many subjects showed heteroplasmy due to mutations different from the C150T transition. In these cases heteroplasmy was correlated within sibpairs in Finnish and northern Italian samples, but not in southern Italians. This suggested that the genetic contribution to control region mutations may be population specific. Finally, we observed a possible correlation between heteroplasmy and Hand Grip strength, one of the best markers of physical performance and of mortality risk in the elderly. Our study provides new evidence on the relevance of mtDNA somatic mutations in aging and longevity and confirms that the occurrence of specific point mutations in the mtDNA control region may represent a strategy for the age-related remodelling of organismal functions.

La génomique évolutive mitochondriale révèle des échanges génétiques et la ségrégation chez les Gloméromycètes

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) sont des organismes microscopiques du sol qui jouent un rôle crucial dans les écosystèmes naturels et que l’on retrouve dans tous les habitats de la planète. Ils vivent en relation symbiotique avec la vaste majorité des plantes terrestres. Ils sont des biotrophes obligatoires, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent croître qu'en présence d'une plante hôte. Cette symbiose permet entre autres à la plante d'acquérir des nutriments supplémentaires, en particulier du phosphore et du nitrate. Malgré le fait que cette symbiose apporte des services importants aux écosystèmes, la richesse des espèces, la structure des communautés, ainsi que la diversité fonctionnelle des CMA sont mal connues et l'approfondissement des connaissances dans ces domaines dépend d’outils de diagnostic moléculaire. Cependant, la présence de polymorphisme nucléaire intra-isolat combiné à un manque de données génomiques dans différents groupes phylogénétique de ces champignons complique le développement de marqueurs moléculaires et la détermination de l'affiliation évolutive à hauts niveaux de résolution (c.a.d. entre espèces génétiquement similaires et/ou isolats de la même espèce). . Pour ces raisons, il semble une bonne alternative d’utiliser un système génétique différent en ciblant le génome mitochondrial, qui a été démontré homogène au sein d'un même isolat de CMA. Cependant, étant donné le mode de vie particulier de ces organismes, une meilleure compréhension des processus évolutifs mitochondriaux est nécessaire afin de valoriser l'utilisation de tels marqueurs dans des études de diversité et en génétique des populations. En ce sens, mon projet de doctorat consistait à investiguerétudier: i) les vecteurs de divergences inter-isolats et -espèces génétiquement rapprochéesphylogénétiquement apparentées, ii) la plasticité des génomes mitochondriaux, iii) l'héritabilité mitochondriale et les mécanismes potentiels de ségrégation, ainsi que iv) la diversité mitochondriale intra-isolat in situ. À l'aide de la génomique mitochondriale comparative, en utilisant le séquençage nouvelle génération, on a démontré la présence de variation génétique substantielle inter-isolats et -espèces, engendrées par l'invasion d'éléments mobiles dans les génomes mitochondriaux des CMA, donnant lieu à une évolution moléculaire rapide des régions intergéniques. Cette variation permettait de développer des marqueurs spécifiques à des isolats de la même espèce. Ensuite, à l'aide d'une approche analytique par réseaux de gènes sur des éléments mobiles, on a été en mesure de démontrer des évènements de recombinaisons homologues entre des haplotypes mitochondriaux distincts, menant à des réarrangements génomiques. Cela a permis d'ouvrir les perspectives sur la dynamique mitochondriale et l'hétéroplasmie dans un même isolatsuggère une coexistence de différents haplotypes mitochondriaux dans les populations naturelles et que les cultures monosporales pourraient induirent une sous-estimation de la diversité allélique mitochondriale. Cette apparente contradiction avec l'homogénéité mitochondriale intra-isolat généralement observée, a amené à investiguer étudier les échanges génétiques à l'aide de croisements d'isolats génétiquement distincts. Malgré l'observation de quelques spores filles hétéroplasmiques, l'homoplasmie était le statut par défaut dans toutes les cultures monosporales, avec un biais en faveur de l'un des haplotypes parentaux. Ces résultats suggèrent que la ségrégation opère durant la formation de la spore et/ou le développement de la coloniedu mycélium. De plus, ils supportent la présence d'une machinerie protéique de ségrégation mitochondriale chez les CMAAMF, où l'ensemble des gènes impliqués dans ce mécanisme ont été retrouvé et sont orthologues aux autres champignons. Finalement, on est revenue aux sources avecon a étudié le polymorphisme mitochondrial intra-isolat à l'aide d'une approche conventionnelle de PCR en utilisant une Taq polymérase de haute fidélité, suivie de clonage et de séquençage Sanger, sur deux isolats de R. irregularis. Cela a permis l'observation d'hétéroplasmie in situ, ainsi que la co-expression de variantes de variantes de protéines'ARNm dans une souche in vitro. Les résultats suggèrent que d'autres études basées sur le séquençage nouvelle génération aurait potentiellement ignorée cette variation, offrant ainsi plusieurs nouveaux arguments permettant de considérer les CMA comme des organismes possédant une population de génomes mitochondriaux et nucléaires distincts.

Sturnus vulgaris, mitochondrial selection, MATLAB code and microsatellite data

Here we provide MATLAB code used to simulate drift and selection between and within individuals, which has been used to investigate mitochondrial haplotype frequency shifts in Sturnus vulgaris. Also provided is a microsatellite data set used to assess whether empirical allele frequency shifts were likely to be caused by admixture. These files support and upcoming publication, which concludes that within-individuals selection on mitochondrial DNA best explains empirical data.