Urinary mitochondrial DNA associates with delayed graft function following renal transplantation
Marcel P.B. JansenWilco P. PulskensMelissa UilNike ClaessenGerrie NieuwenhuizenDorien StandaarChi M. HauRienk NieuwlandSandrine FlorquinFréderike J. BemelmanJaklien C. LeemansJoris J. T. H. Roelofs
17
Citation
28
Reference
10
Related Paper
Citation Trend
Abstract:
Ischaemia-reperfusion (IR) injury is an important determinant of delayed graft function (DGF) affecting allograft function. Mitochondrial DNA (mtDNA) is released upon cell death and platelet activation into the extracellular environment and has been suggested to be a biomarker in several diseases. Whether extracellular mtDNA accumulates in plasma and/or urine upon renal IR and predisposes DGF is unknown.C57BL/6J wild-type mice were subjected to renal IR. In addition, an observational case-control study was set up enrolling 43 patients who underwent kidney transplantation. One day post-IR in mice and a few days following renal transplantation in human, blood and urine were collected. Patients were stratified into DGF and non-DGF groups.mtDNA-encoded genes accumulate in urine and plasma in both mice subjected to renal IR injury and in humans following renal transplantation. In human renal transplant recipients, cold ischaemia time and renal function correlate with urinary mtDNA levels. Urinary mtDNA levels but not urinary nuclear DNA levels were significantly higher in the DGF group compared with the non-DGF group. Multiple receiver operating characteristic curves revealed significant diagnostic performance for mtDNA-encoded genes cytochrome c oxidase III (COXIII); nicotinamide adenine dinucleotide hydrogen subunit 1 (NADH-deh); mitochondrially encoded, mitochondrially encoded nicotinamide adenine dinucleotide dehydrogenase 2 (MT-ND2) with an area under the curve of, respectively, 0.71 [P = 0.03; 95% confidence interval (CI) 0.54-0.89], 0.75 (P = 0.01; 95% CI 0.58-0.91) and 0.74 (P = 0.02; 95% CI 0.58-0.89).These data suggest that renal ischaemia time determines the level of mtDNA accumulation in urine, which associates with renal allograft function and the diagnosis of DGF following renal transplantation.Nuclear DNA
Mitochondrial disease
Cite
Citations (14)
Anas
Non-Mendelian inheritance
Cite
Citations (9)
老化仮説には, ゲノムや蛋白質のエラー (変異) 蓄積説, 活性酸素種 (ROS) 原因説などがあるが, ミトコンドリアはROSの主要な発生器官であり, また独自に mitochondrial DNA (mtDNA) を持つため, 両仮説と密接な関係がある. 近年, ミトコンドリアの機能障害が, 加齢に伴う臓器障害, 変性疾患, 生活習慣病や老年病の発症や進行に関与しているのではないかとして注目されている. 特に加齢に伴うmtDNA変異の体細胞における蓄積が観察されており, mtDNA変異の蓄積が加齢や変性疾患の発症に関与するという説がある. これらのmtDNA体細胞変異 (somatic mutation) が生じる機序は明らかではないが, 近年, mitochondrial neurogastrointestinal encephalomyopathy (MNGIE) やmtDNA複製酵素 (POLG) 異常症のような, 核DNAの異常が原因で二次的にmtDNA変異が蓄積し, 全身性の様々な臓器障害を呈するヒトミトコンドリア病が相次いで報告されている. 特に MNGIE は, 全身のmtDNAに多様な変異, 多重欠失 (multiple deletions), 量的枯渇 (depletion), さらに配列特異的な点変異 (site-specific point mutation) が蓄積し, 特徴的な臨床像を示す. これらの疾患におけるmtDNA損傷の蓄積メカニズムを検討することは, ヒトの加齢に伴う臓器障害や老化機構を解き明かす上で, 極めて重要な鍵になると考えられる.
Mitochondrial disease
Human mitochondrial genetics
Mitochondrial encephalomyopathy
Cite
Citations (0)
Στα ζώα η κληρονόμηση του μιτοχονδριακού DNA (mtDNA) είναι μητρική, δηλαδή όλοι οι απόγονοι φέρουν μόνο το μητρικό μιτοχονδριακό απλότυπο, ή αλλιώς μιτότυπο. Ως αποτέλεσμα της μητρικής κληρονόμησης του mtDNA, όλοι οι απόγονοι αναμένεται να φέρουν ένα μόνο μιτότυπο, μια κατάσταση που ονομάζεται ομοπλασμία. Ωστόσο, είναι αρκετά συχνή η παρατήρηση ατόμων που φέρουν παραπάνω από έναν μιτότυπους, είναι δηλαδή ετεροπλασμικοί. Η ετεροπλασμία μπορεί να προκύψει με δύο διαφορετικούς τρόπους. Ο πρώτος είναι μέσω μεταλλαγών που συμβαίνουν στο mtDNA. Ο δεύτερος είναι μέσω περιστασιακής κληρονόμησης του mtDNA από τον αρσενικό γονέα, ταυτόχρονα με την κληρονόμηση του μητρικού mtDNA, ένα φαινόμενο που ορίζεται ως διαρροή πατρικού mtDNA. Η μελέτη της διαρροής του πατρικού mtDNA παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο στην αρμοστικότητα του mtDNA, αλλά και γενικότερα στην εξέλιξή του. Πιο συγκεκριμένα, λόγω του αφυλετικού τρόπου μεταβίβασής του το mtDNA συσσωρεύει γρηγορότερα μεταλλαγές σε σχέση με το πυρηνικό DNA (nDNA), παρ’ όλα αυτά το mtDNA παραμένει λειτουργικό. Η διαρροή μπορεί να συμβάλλει στη διατήρηση της λειτουργικότητας του mtDNA, καθώς η συνύπαρξη δύο διαφορετικών μιτότυπων μέσα σε ένα άτομο δημιουργεί τις κατάλληλες προϋποθέσεις για ανασυνδυασμό, ο οποίος αναστρέφει τη συσσώρευση επιβλαβών μεταλλαγών σε αυτό. Συνεπώς, η μελέτη της διαρροής και των προτύπων που τη χαρακτηρίζουν κρίνεται ιδιαίτερα σημαντική.Στην πρώτη ενότητα πειραμάτων της διατριβής αυτής, χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της ετεροπλασμίας χιμαιρικές γραμμές Drosophila, που δηλαδή έφεραν nDNA από το είδος D. simulans και mtDNA από το είδος D. melanogaster. Οι γραμμές, που έχουν ένα συγκεκριμένο πυρηνικό υπόβαθρο, βρέθηκαν μετά από μία διαδικασία αντικατάστασης του mtDNA τους να είναι ετεροπλασμικές (si και mel μιτότυποι), ενώ γραμμές με άλλα πυρηνικά υπόβαθρα ήταν ομοπλασμικές για το μιτότυπο που εισάχθηκε. Μετά από μια σειρά πειραμάτων φάνηκε ότι η εμφάνιση του μιτότυπου mel στα άτομα σχετιζόταν με το Χ χρωμόσωμα της γραμμής DGRP-820, και μάλιστα με την περιοχή που ορίζεται από τους φαινοτυπικούς δείκτες f και mal. Ωστόσο, το γεγονός ότι από τις χιμαιρικές και ετεροπλασμικές γραμμές φαινόταν να διαρρέει πάντα μόνο ο μιτότυπος mel, και όχι ο μιτότυπος si, οδήγησε στην υπόθεση ότι τα παρατηρούμενα πρότυπα δεν οφείλονται σε πραγματική ετεροπλασμία, αλλά σε τμήμα του mtDNA που έχει εντεθεί στο nDNA (Nuclear Mitochondrial, NUMT). Για την επίλυση αυτού του ζητήματος σχεδιάστηκε μία σειρά διαφορετικών πειραμάτων. Τελικά, φάνηκε ότι τα παρατηρούμενα πρότυπα οφείλονται σε μια ένθεση NUMT σε μια περιοχή μεγέθους 3,15Mb, μεταξύ των δεικτών f και mal του Χ χρωμοσώματος. Υπολογίστηκε ότι η ένθεση που βρέθηκε είναι τουλάχιστον 16225bp, γεγονός που το καθιστά το μεγαλύτερου μεγέθους NUMT που έχει βρεθεί για το είδος D. melanogaster. Τέλος, συμπεράναμε ότι επειδή NUMTs απαντώνται ολοένα και πιο συχνά στα γονιδιώματα, δεδομένα ετεροπλασμίας πρέπει να αναλύονται με προσοχή προκειμένου να αποφεύγεται η σύγχυση πραγματικής ετεροπλασμίας και πλασματικής ετεροπλασμίας λόγω NUMT.Στην επόμενη ενότητα πειραμάτων, έγινε προσπάθεια να ανιχνευθεί το NUMT που αναφέρεται παραπάνω στο πλήρως αλληλουχημένο γονιδίωμα της γραμμής DGRP-820 με μια βιοπληροφορική προσέγγιση. Ειδικότερα, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα αλληλούχησης της γραμμής DGRP-820 κατατεθειμμένα σε βάση δεδομένων με σκοπό την αναζήτηση χιμαιρικών αναγνωσμάτων που ένα μέρος τους στοιχίζεται στο Χ χρωμόσωμα και ένα άλλο μέρος τους στοιχίζεται στο mtDNA. Τέτοια αναγνώσματα αναμένεται να αντιστοιχούν στα άκρα της ένθεσης που αναζητείται. Για την ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν τα αχαρτογράφητα αναγνώσματα που προέκυψαν μετά από στοίχιση με γονιδίωμα αναφοράς. Σε αυτά τα αναγνώσματα εφαρμόστηκε ο αλγόριθμος BLAST, ώστε να βρεθούν εκείνα που έχουν ομοιότητες και με το Χ χρωμόσωμα και με το mtDNA. Στα αποτελέσματα που προέκυψαν εφαρμόστηκαν φίλτρα προκειμένου να χαρακτηριστούν ζεύγη χιμαιρικών αναγνωσμάτων που θα αντιστοιχούσαν στα άκρα της ένθεσης. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν, ωστόσο, δεν ήταν δυνατό να περιοριστούν σε σημαντικό βαθμό ώστε να προκύψουν αναγνώσματα που θα είχαν τα χαρακτηριστικά που αναμένεται να έχουν όντας στα άκρα της ένθεσης. Επιπλέον, θετικός μάρτυρας που αναλύθηκε παράλληλα με τα άλλα αναγνώσματα, έδειξε ότι πιθανότατα τα χιμαιρικά αναγνώσματα που αντιστοιχούν στην ένθεση απορρίπτονται σε κάποιο σημείο της ανάλυσης. Υποθέτουμε ότι κύριος υπαίτιος για την αποτυχία της μεθόδου είναι το πολύ μικρό μέγεθος των αναγνωσμάτων που χρησιμοποιήθηκαν σε συνδυασμό με το μεγάλο μέγεθος της ένθεσης.Στην τελευταία ενότητα πειραμάτων χρησιμοποιήθηκαν μύγες Drosophila συλλεγμένες από φυσικό πληθυσμό προκειμένου να διαπιστώσουμε αν υπάρχουν διαφορές στη συχνότητα που παρατηρείται διαρροή λόγω του διαφορετικού υπόβαθρού που έχουν οι μύγες. Για το σκοπό αυτό κατασκευάστηκαν ισοθηλυκές γραμμές του είδους D. simulans, θηλυκά από τις οποίες διασταυρώθηκαν με αρσενικά άτομα του εργαστηριακού είδους D. mauritiana. Συνολικά, ελέγχθηκαν για ετεροπλασμία 2292 άτομα που προέρχονταν από 15 ισοθηλυκές γραμμές. Από τη στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων προέκυψε ότι στα αρσενικά από τρεις ισοθηλυκές γραμμές απαντάται διαρροή με μεγαλύτερη συχνότητα σε σχέση με κάποιες άλλες γραμμές. Αντίστοιχη διαφορά παρατηρήθηκε και μετά την ανάλυση της συχνότητας της διαρροής αυτή τη φορά στο σύνολο των απογόνων. Επιπλέον, στους απογόνους που προέρχονταν από δύο συγκεκριμένες ισοθηλυκές γραμμές δεν παρατηρήθηκε διαφορά στα ποσοστά ετεροπλασμίας μεταξύ θυληκών και αρσενικών, όπως αναμενόταν από προηγούμενες μελέτες. Από τα αποτελέσματα συμπεράναμε ότι η διαρροή πατρικού mtDNA σχετίζεται άμεσα με τα διαφορετικά πυρηνικά υπόβαθρα των ισοθηλυκών γραμμών D. simulans, υποδεικνύοντας ότι η διαρροή δεν είναι ένα τυχαίο γεγονός που προκύπτει από την αποτυχία των μηχανισμών που αποκλείουν την κληρονόμηση του πατρικού mtDNA, αλλά μια διαδικασία που ελέγχεται από το nDNA.
Nuclear DNA
mtDNA control region
Cite
Citations (0)
Molecular diagnosis of mitochondrial DNA disorder is usually focused on point mutations and large deletions. In the absence of detectable mtDNA mutations, abnormal amounts of mtDNA, either depletion or elevation, can be indicative of mitochondrial dysfunction. The amount of mitochondrial DNA (mtDNA), however, varies among individuals of different ages and among different tissues within the same individual. To establish a range of mtDNA levels, we analyzed 300 muscle and 200 blood specimens from patients suspected of having a mitochondrial disorder by real-time quantitative polymerase chain reaction (PCR) method. Copy numbers were calculated from the standard curve and threshold cycle number using TaqMan probes; 6FAM 5'TTACCGGGCTCTGCCATCT3'-TAMRA and VIC-5'AGCAATAACAGGTCTGTGATG3'-TAMRA for mtDNA and 18S rRNA gene (nDNA), respectively. The copy number ratio of mtDNA to nDNA was used as a measure of mtDNA content in each specimen. The mtDNA content in muscle increases steadily from birth to about 5 years of age; thereafter, it stays about the same. On the contrary, the mtDNA content in blood decreases with age. The amount of mtDNA in skeletal muscle is about 5-20 times higher than that in blood. About 7% of patients had mtDNA levels in muscle below 20% of the mean of the age-matched group, and about 10% of patients had muscle mtDNA levels 2- to 16-fold higher than the mean of the age-matched group. Patients with abnormal levels of mtDNA, either depletion or proliferation, had significant clinical manifestations characteristic of mitochondrial disease in addition to abnormal respiratory enzymes and mitochondrial cytopathies. Cardiomyopathy, lactic acidosis, abnormal brain MRI findings, hypotonia, developmental delay, seizures, and failure to thrive are general clinical pictures of patients with mtDNA depletion. The average age of patients with mtDNA depletion is 4.1 years, compared to 23.6 years in patients with mtDNA proliferation. Mutations in nuclear genes involved in mtDNA synthesis and deoxynucleotide pools are probably the cause of mtDNA depletion. Our results demonstrate that real time quantitative PCR is a valuable tool for molecular screening of mitochondrial diseases.
Mitochondrial disease
Nuclear DNA
Cite
Citations (124)
Bioenergetics
Nuclear DNA
Human mitochondrial genetics
Cite
Citations (50)
Human mitochondrial genetics
Mitochondrial disease
Lineage (genetic)
Cite
Citations (202)
人类线粒体DNA(mtDNA)是一个长度16,569bp 的环状分子，编码13 种蛋白
质、22 种tRNA 和2 种rRNA。由于mtDNA 全基因组信息具有缺乏重组、母系
遗传、高突变速率和相对较高的分辨率等特点，近年来已经成为重建人类历史的
重要工具。这些研究已经证实，mtDNA 最古老的六个单倍型类群，L0-L5，在非
洲特异的出现；而6-7 万年前从L3 衍生出的M 和N 两个超类群最终占领了世界
其他地区。然而，mtDNA 全序列研究在世界上某些特定地区尚是一片空白，其
中之一便是作为人类“走出非洲”的关键区域——印度。
为弥补这一空白，我们从 1200 个印度样品中选择了131 个可以代表所有主
要单倍型类群的个体，进行了全基因组扩增和测序，手工重建并软件验证了系统
发育关系树。我们的结果发现了12 个新的印度特有单倍型类群(N5, R7, R8, R30,
R31, M34-M40)，修订了11 个已知特有单倍型类群(N1d, R5, R6, U2a, U2b, U2c,
M2, M4, M5, M6, M30)的定义，详细描述了存在于印度的欧洲特有类群(HV, JT, U,
N1, W)。
这一工作产生了多个推论。第一个是关于人类“走出非洲”假说长期以来
存在的争论。欧亚大陆和大洋洲mtDNA 在M 和N(包括R)超类群系统发育关系
上星状和不重叠的分布，表明了人类走出非洲是沿着亚洲海岸线(即所谓的“南
方路线”)的一个快速扩散的过程。第二个推论是关于存在于印度的欧洲特有世
系。与典型的欧洲世系相比，这些世系仅仅存在一到两个突变，从而证实了新石
器时代以来来自于近东新月地带或中亚高原的基因流。第三个推论涉及一个早期
的印度全序列研究。仔细分析其数据表明，他们的数据丢失了很多基部的特有突
变并产生了多个幻影突变，从而证实了系统发育思想对检测数据质量的作用。
随着印度人群 mtDNA 全序列研究的完成，人类mtDNA 系统发育的基本框
架得以建立。人类mtDNA 明显地呈现出大洲特异性分布。目前已经有两种假说用来解释这一现象。传统的观点把这一现象归于遗传漂变；而近期的选择假说认
为选择在人类mtDNA 的分化中扮演了极其重要的角色，而气候是主要的选择压
力。为解决这一争论，我们收集了来自南亚、大洋洲和东亚三个具有不同气候的
地区的mtDNA，使用直接计数的办法比较了各个大洲之间同义突变和异义突变
的差异。结果表明，几乎在所有的基因中，异义突变的数量低于同义突变的数量，
从而表明纯净化选择是人类mtDNA 进化中的主要力量。然而，在这三个大洲之
间没有发现显著的差异，表明mtDNA 在这三个区域上所承受的选择压力基本相
同。这一结果表明，气候不大可能是造成人类mtDNA 分化的主要原因。
Nuclear DNA
mtDNA control region
Cite
Citations (0)
The researches on mitochondrial mtDNA of honeybee have been reviewed in this paper. It includes four parts: the structure of mitochondrial DNA(mtDNA) of Apidae; the researching methods for mtDNA; the polymorphism of mtDNA and its usage in the study of bee evolution, category, genetic structure of honey bee population and the migrating mechanism of Africanized honey bee in America. The mtDNA of honey bee is an exposed double strands circle with the length of 16300-17000 bp and about 85 per of the bases is A and T. The mtDNA genome has 37 genes, which includes 13 protein-coding genes, 22 tRNA genes and 2 genes for the rRNA subunits. A few of the genes are overlapped with each other, and two regions are noncoding. The mtDNA variability of A.mellifera indicates 3 majoy lineages:west European colonies(lineage M);east European colonies(lineage C);African colonies (lineage A).Polymorphism of mtDNA is very useful in determining genetic structure of a honeybee population and in the study of the migrating mechanism of Africanized honeybees.
Lineage (genetic)
Cite
Citations (0)
哺乳動物には,2種類のゲノム,核DNAとミトコンドリアDNA(mtDNA)が存在している.mtDNAの遺伝様式は,母性遺伝と急調分離に代表されるように,核DNAとは大きく異なる. mtDNAは古くから母性遺伝をすることが信じられてきた.なぜなら,哺乳動物では卵に存在するmtDNAコピー数が精子よりも103-4倍多く,極微量の精子由来mtDNAが次世代へと伝達されることが考えにくかったためである.しかし,当時の技術ではこの極微量の"精子由来のmtDNA"が検出されず,父親由来のmtDNAが子孫へ伝達している可能性が残されていた.その後,高感度なPCR法を用いることで,マウス精子のmtDNAが前核期後期までに消失することが示され,幾つかの特殊な事例を除き,mtDNAは完全に母性遺伝することが,実験的に証明された.形態学的解析からもマウスでは受精時に卵細胞質内に侵入した精子由来ミトコンドリアが2細胞期までにほぼ消失する様子が観察されており,ユビキチン‐プロテアソーム分解系の関与が報告されている. 一方,急調分離とはmtDNAの状態がヘテロプラズミーからホモプラズミーへ速やかに移行する遺伝現象である.mtDNAは体細胞では103-4コピー存在しており,核DNAの約1-10倍も変異を起こしやすい.このことから,ヘテロプラズミーの方がホモプラズミーより起こりやすいことが想定されるが,実際はその逆で一つの細胞に複数のmtDNA分子種が存在することは極めて稀である.このホモプラズミー維持の機構が「ボトルネック効果」であり,これまで「雌性生殖系の細胞中のmtDNA数が極端に減少する」としたモデルが広く受入れられてきた.ところが,実際にmtDNA分子数を我々が測定するとそのコピー数に極端な減少は無く,ホモプラズミーの維持はコピー数減少以外の機構によってmtDNAの分離単位の実効数が小さくなるためと考えられる.
mtDNA control region
Cite
Citations (1)