Evolution Meets Disease: Penetrance and Functional Epistasis of Mitochondrial tRNA Mutations
Creators
- 1. Universidad de Zaragoza
- 2. Instituto de Química y Fisicoquímica Biológicas
- 3. Instituto de Investigaciones Biomédicas Sols-Morreale
- 4. Autonomous University of Madrid
- 5. Instituto de Salud Carlos III
- 6. Fondazione IRCCS Istituto Neurologico Carlo Besta
- 7. Spanish National Centre for Cardiovascular Research
Description
About half of the mitochondrial DNA (mtDNA) mutations causing diseases in humans occur in tRNA genes. Particularly intriguing are those pathogenic tRNA mutations than can reach homoplasmy and yet show very different penetrance among patients. These mutations are scarce and, in addition to their obvious interest for understanding human pathology, they can be excellent experimental examples to model evolution and fixation of mitochondrial tRNA mutations. To date, the only source of this type of mutations is human patients. We report here the generation and characterization of the first mitochondrial tRNA pathological mutation in mouse cells, an m.3739G>A transition in the mitochondrial mt-Ti gene. This mutation recapitulates the molecular hallmarks of a disease-causing mutation described in humans, an m.4290T>C transition affecting also the human mt-Ti gene. We could determine that the pathogenic molecular mechanism, induced by both the mouse and the human mutations, is a high frequency of abnormal folding of the tRNA(Ile) that cannot be charged with isoleucine. We demonstrate that the cells harboring the mouse or human mutant tRNA have exacerbated mitochondrial biogenesis triggered by an increase in mitochondrial ROS production as a compensatory response. We propose that both the nature of the pathogenic mechanism combined with the existence of a compensatory mechanism can explain the penetrance pattern of this mutation. This particular behavior can allow a scenario for the evolution of mitochondrial tRNAs in which the fixation of two alleles that are individually deleterious can proceed in two steps and not require the simultaneous mutation of both.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تحدث حوالي نصف طفرات الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA) التي تسبب الأمراض لدى البشر في جينات الحمض النووي الريبي الناقل. ومن المثير للاهتمام بشكل خاص طفرات الحمض النووي الريبوزي الانتقالي المسببة للأمراض التي يمكن أن تصل إلى البلازما المتجانسة ومع ذلك تظهر اختراقًا مختلفًا جدًا بين المرضى. هذه الطفرات نادرة، بالإضافة إلى اهتمامها الواضح بفهم علم الأمراض البشرية، يمكن أن تكون أمثلة تجريبية ممتازة لنمذجة تطور وتثبيت طفرات الحمض النووي الريبي الناقل للميتوكوندريا. حتى الآن، المصدر الوحيد لهذا النوع من الطفرات هو المرضى البشريون. نبلغ هنا عن توليد وتوصيف أول طفرة مرضية للحمض النووي الريبوزي الناقل للميتوكوندريا في خلايا الفئران، وهي m.3739G> انتقال في جين mt - Ti للميتوكوندريا. تلخص هذه الطفرة السمات الجزيئية للطفرة المسببة للمرض الموصوفة في البشر، وهي انتقال m.4290T >C يؤثر أيضًا على جين mt - Ti البشري. يمكننا أن نحدد أن الآلية الجزيئية المسببة للأمراض، التي يسببها كل من الفأر والطفرات البشرية، هي تردد عالٍ للطي غير الطبيعي لـ tRNA(ILE) الذي لا يمكن شحنه بالإيزوليوسين. نثبت أن الخلايا التي تأوي الحمض النووي الريبوزي الانتقالي للفأر أو الطافرة البشرية قد أدت إلى تفاقم التولد الحيوي للميتوكوندريا الناجم عن زيادة إنتاج ROS للميتوكوندريا كاستجابة تعويضية. نقترح أن كل من طبيعة الآلية المسببة للأمراض جنبًا إلى جنب مع وجود آلية تعويضية يمكن أن تفسر نمط اختراق هذه الطفرة. يمكن أن يسمح هذا السلوك المعين بسيناريو لتطور الحمض النووي الريبوزي الانتقالي للميتوكوندريا حيث يمكن أن يستمر تثبيت اثنين من الأليلات الضارة بشكل فردي في خطوتين ولا يتطلب طفرة متزامنة لكليهما.Translated Description (French)
Environ la moitié des mutations de l'ADN mitochondrial (ADNmt) causant des maladies chez l'homme se produisent dans les gènes de l'ARNt. Particulièrement intrigantes sont ces mutations pathogènes de l'ARNt qui peuvent atteindre l'homoplastie et pourtant montrer une pénétration très différente parmi les patients. Ces mutations sont rares et, en plus de leur intérêt évident pour la compréhension de la pathologie humaine, elles peuvent être d'excellents exemples expérimentaux pour modéliser l'évolution et la fixation des mutations de l'ARNt mitochondrial. À ce jour, la seule source de ce type de mutations est le patient humain. Nous rapportons ici la génération et la caractérisation de la première mutation pathologique de l'ARNt mitochondrial dans les cellules de souris, une transition m.3739G >A dans le gène mitochondrial mt-Ti. Cette mutation récapitule les caractéristiques moléculaires d'une mutation pathogène décrite chez l'homme, une transitionm.4290T >C affectant également le gène humain mt-Ti. Nous avons pu déterminer que le mécanisme moléculaire pathogène, induit à la fois par la souris et les mutations humaines, est une fréquence élevée de repliement anormal de l'ARNt(Ile) qui ne peut pas être chargé en isoleucine. Nous démontrons que les cellules hébergeant l'ARNt mutant murin ou humain ont exacerbé la biogenèse mitochondriale déclenchée par une augmentation de la production mitochondriale de ROS en réponse compensatoire. Nous proposons que la nature du mécanisme pathogène combinée à l'existence d'un mécanisme compensatoire puisse expliquer le schéma de pénétration de cette mutation. Ce comportement particulier peut permettre un scénario d'évolution des ARNt mitochondriaux dans lequel la fixation de deux allèles individuellement délétères peut se faire en deux étapes et ne nécessite pas la mutation simultanée des deux.Translated Description (Spanish)
Aproximadamente la mitad de las mutaciones del ADN mitocondrial (ADNmt) que causan enfermedades en los seres humanos se producen en los genes de ARNt. Particularmente intrigantes son aquellas mutaciones patógenas de ARNt que pueden alcanzar la homoplasmia y, sin embargo, muestran una penetrancia muy diferente entre los pacientes. Estas mutaciones son escasas y, además de su evidente interés por entender la patología humana, pueden ser excelentes ejemplos experimentales para modelar la evolución y fijación de mutaciones de ARNt mitocondriales. Hasta la fecha, la única fuente de este tipo de mutaciones son los pacientes humanos. Presentamos aquí la generación y caracterización de la primera mutación patológica del ARNt mitocondrial en células de ratón, una transiciónm.3739G >A en el gen mitocondrial mt-Ti. Esta mutación recapitula las características moleculares de una mutación causante de enfermedad descrita en humanos, una transiciónm.4290T >C que afecta también al gen mt-Ti humano. Podríamos determinar que el mecanismo molecular patógeno, inducido tanto por el ratón como por las mutaciones humanas, es una alta frecuencia de plegamiento anormal del ARNt(Ile) que no se puede cargar con isoleucina. Demostramos que las células que albergan el ARNt mutante de ratón o humano han exacerbado la biogénesis mitocondrial desencadenada por un aumento en la producción de ero mitocondriales como respuesta compensatoria. Proponemos que tanto la naturaleza del mecanismo patógeno combinado con la existencia de un mecanismo compensatorio puede explicar el patrón de penetrancia de esta mutación. Este comportamiento particular puede permitir un escenario para la evolución de los ARNt mitocondriales en el que la fijación de dos alelos que son individualmente perjudiciales puede proceder en dos pasos y no requerir la mutación simultánea de ambos.Files
journal.pgen.1001379&type=printable.pdf
Files
(2.7 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:e8726da85c792fdf20250691d4db3233
|
2.7 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التطور يلتقي بالمرض: الاختراق والربو الوظيفي لطفرات الحمض النووي الريبي الناقل للميتوكوندريا
- Translated title (French)
- L'évolution rencontre la maladie : Pénétration et épistasie fonctionnelle des mutations de l'ARNt mitochondrial
- Translated title (Spanish)
- La evolución se encuentra con la enfermedad: penetración y epistasis funcional de las mutaciones mitocondriales del ARNt
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2073430553
- DOI
- 10.1371/journal.pgen.1001379
References
- https://openalex.org/W1480388053
- https://openalex.org/W1511178211
- https://openalex.org/W1527698555
- https://openalex.org/W1541799695
- https://openalex.org/W1544108472
- https://openalex.org/W1550759338
- https://openalex.org/W1601221449
- https://openalex.org/W1909748856
- https://openalex.org/W1940308554
- https://openalex.org/W1967681616
- https://openalex.org/W1974141926
- https://openalex.org/W1983168769
- https://openalex.org/W1984394238
- https://openalex.org/W1984538590
- https://openalex.org/W1990150480
- https://openalex.org/W1991981259
- https://openalex.org/W2012121757
- https://openalex.org/W2014230422
- https://openalex.org/W2016254652
- https://openalex.org/W2016754626
- https://openalex.org/W2022819617
- https://openalex.org/W2032606344
- https://openalex.org/W2039436541
- https://openalex.org/W2042649193
- https://openalex.org/W2043779724
- https://openalex.org/W2043947564
- https://openalex.org/W2047034700
- https://openalex.org/W2057262863
- https://openalex.org/W2061104433
- https://openalex.org/W2066250257
- https://openalex.org/W2068153071
- https://openalex.org/W2070149138
- https://openalex.org/W2073471628
- https://openalex.org/W2087978354
- https://openalex.org/W2093282886
- https://openalex.org/W2096974898
- https://openalex.org/W2098318347
- https://openalex.org/W2102957844
- https://openalex.org/W2106137515
- https://openalex.org/W2109157221
- https://openalex.org/W2111896683
- https://openalex.org/W2114814810
- https://openalex.org/W2114918609
- https://openalex.org/W2123562244
- https://openalex.org/W2124207622
- https://openalex.org/W2137509482
- https://openalex.org/W2141009329
- https://openalex.org/W2145193754
- https://openalex.org/W2147592920
- https://openalex.org/W2167158717
- https://openalex.org/W2167284343
- https://openalex.org/W2170305696
- https://openalex.org/W2170583628
- https://openalex.org/W2496426564