Ecological geneticsEcological geneticsЭкологическая генетика1811-09322411-9202Eco-Vector245810.17816/ecogen11250-57ArticlesСтатьиResearch ArticleSomatic mutagenesis of mitochondrial cytochrome b gene from hippocampus of Wistar ratsСоматические мутации в гене цитохрома b митохондриальной ДНК гиппокампа крыс линии WistarLoshchenovaPolina SergeyevnaЛощеноваПолина Сергеевна

engineer, sector of mutagenesis and repair

инженер 1 категории, сектор мутагенеза и репарации

polilos@bionet.nsc.ruRogozinIgor BorisovichРогозинИгорь Борисович

senior research scientist, Ph.D., sector of mutagenesis and repair

к. б. н., старший научный сотрудник, сектор мутагенеза и репарации

rogozin@bionet.nsc.ruRotskayaUliana NicolayevnaРоцкаяУльяна Николаевна

researcher, sector of mutagenesis and repair

младший научный сотрудник, сектор мутагенеза и репарации

ulyanar@mail.ruMalyarchukBoris ArkadievichМалярчукБорис Аркадьевич

Ph.D., Laboratory of Genetics

д. б. н., заведующий лаборатории генетики

malyar@ibpn.ruNevinskiyGeorgiy AleksandrovichНевинскийГеоргий Александрович

Head of Laboratory, Ph.D., Laboratory of Repair Enzymes

д. х. н., заведующий лаборатории ферментов репарации

nevinsky@niboch.nsc.ruSinitsynaOlga IvanovnaСиницынаОльга Ивановна

Head of Sector, Ph.D., Sector of mutagenesis and repair

к. б. н., заведующая сектором мутагенеза и репарации

sinitsyna@bionet.nsc.ruInstitute of Cytology and Genetics, Siberian Division of the Russian Academy of SciencesИнститут цитологии и генетики СО РАНInstitute of Biological Problems of the North, Far Eastern Division of the Russian Academy of SciencesИнститут Биологических проблем Севера, Дальневосточное отделение РАНInstitute of Chemical Biology and Fundamental Medicine, Siberian Division of the Russian Academy of SciencesИнститут химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН15062013112VOL 11, NO2 (2013)ТОМ 11, №2 (2013)505730032016Copyright ©; 2013, Loshchenova P.S., Rogozin I.B., Rotskaya U.N., Malyarchuk B.A., Nevinskiy G.A., Sinitsyna O.I.Copyright ©; 2013, Лощенова П.С., Рогозин И.Б., Роцкая У.Н., Малярчук Б.А., Невинский Г.А., Синицына О.И.2013Loshchenova P.S., Rogozin I.B., Rotskaya U.N., Malyarchuk B.A., Nevinskiy G.A., Sinitsyna O.I.Лощенова П.С., Рогозин И.Б., Роцкая У.Н., Малярчук Б.А., Невинский Г.А., Синицына О.И.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/ecolgenet/article/view/2458

One of the most interesting findings in Systems biology is the discovery of negative correlation between gene expression levels and evolutionary rates of genes. Biological explanations of this correlation are still debated. Recently the hypothesis of Drummond and Wilke became increasingly popular. The hypothesis suggests that errors of translation with subsequent misfolding of proteins are the universal factor limiting the rate of protein evolution because this misfolding causes premature cell death. The mitochondrial somatic mutations are the promising tool to examine this hypothesis: damaging mutations in a gene cannot cause the complete lack of the corresponding protein product because animal mitochondria contain many copies of chromosomes (5–15 copies per mitochondria) in somatic tissues. We analyzed somatic mutations in the mitochondrial cytb gene from hippocampus of Wistar rats. We did not find any indication of purifying selection in the cytb gene. Absence of selection does not support the Drummond-Wilke hypothesis which postulates strong purifying selection eliminating errors that cause protein misfolding. This result questions applicability of the Drummond-Wilke hypothesis to mitochodrial proteins.

Одним из самых интересных результатов в системной биологии является открытие отрицательной корреляция между скоростью эволюции белков и уровнем экспрессии генов. Природа этой корреляции остается предметом оживленных дискуссий. В последнее время широкое распространение получила гипотеза о том, что ошибки трансляции с последующими ошибками укладки белков являются основным универсальным ограничителем скорости эволюции белков, так как приводят к преждевременной гибели клетки – гипотеза Драммонда–Вилке. Анализ соматических мутаций в митохондриях является перспективным подходом для проверки этой гипотезы. Соматические ткани содержат от нескольких десятков до нескольких тысяч митохондрий, причем на каждую митохондрию приходится достаточно высокое число копий митохондриальной ДНК (мтДНК), и, следовательно, повреждающие мутации не могут приводить к полной потере продукта определенного гена. Мы провели анализ соматических мутаций в гене цитохрома b мтДНК из гиппокампа крыс линии Wistar. Выявленное нами отсутствие очищающего отбора в исследованном кодирующем районе мтДНК не подтверждает гипотезу Драммонда–Вилке о сильном очищающем отборе, элиминирующем ошибки, возникающие в процессе синтеза белков. Этот результат в значительной степени ставит под сомнение реалистичность данной гипотезы.

mitochondrial DNAcytochrome bnucleotide substitutionpurifying selectionhippocampusWistar ratsмитохондриальная ДНКцитохром bнуклеотидные заменыочищающий отборгиппокамплиния крыс WistarBastos A. D., Nair D., Taylor P. J. et al., 2011 Genetic monitoring detects an overlooked cryptic species and reveals the diversity and distribution of three invasive Rattus congeners in south Africa // BMC Genet. Vol. 12. P. 26.Bjornerfeldt S., Webster M. T., Vila C., 2006. Relaxation of selective constraint on dog mitochondrial DNA following domestication // Genome Res. Vol. 16. P. 990–994.Cherry J. L., 2010. Expression level, evolutionary rate, and the cost of expression // Genome Biol Evol. Vol. 2. P. 757–769.Corpet F., 1988. Multiple sequence alignment with hierarchical clustering // Nucleic Acids Res. Vol. 16. P. 10 881–10 890.Detmer S. A., Chan D. C., 2007. Functions and dysfunctions of mitochondrial dynamics // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. Vol. 8. P. 870–879.Drummond, D. A., Wilke C. O., 2008. Mistranslation-induced protein misfolding as a dominant constraint on coding-sequence evolution // Cell. Vol. 134. P. 341–352.Drummond, D. A., Wilke C. O., 2009. The evolutionary consequences of erroneous protein synthesis // Nat. Rev. Genet. Vol. 10. P. 715–724.Elson J. L., Turnbull D. M., Howell N., 2004. Comparative genomics and the evolution of human mitochondrial DNA: Assessing the effects of selection // Am. J. Hum. Genet. Vol. 74. P. 239–248.Excoffier L., Yang Z., 1999. Substitution rate variation among sites in mitochondrial hypervariable region I of humans and chimpanzees // Mol. Biol. Evol. Vol. 16. P. 1357–1368.Fuke S., Kubota-Sakashita M., Kasahara T. et al., 2011. Regional variation in mitochondrial DNA copy number in mouse brain // Biochim Biophys Acta. Vol. 1807. P. 270–274.He Y., Wu J., Dressman D. C. et al., 2010. Heteroplasmic mitochondrial DNA mutations in normal and tumour cells // Nature. Vol. 464. P. 610–614.Hoppins S., Lackner L., Nunnari J., 2007. The machines that divide and fuse mitochondria // Annu. Rev. Biochem. Vol. 76. P. 751–780.Irwin D. M., Kocher T. D., Wilson A. C., 1991. Evolution of the cytochrome b gene of mammals // J. Mol. Evol. Vol. 32. P. 128–44.Jordan I. K., Rogozin I. B., Wolf Y. I., Koonin E. V., 2002. Microevolutionary genomics of bacteria // Theoretical Population Biology. Vol. 61. P. 435–447.Krylov D. M., Wolf Y. I., Rogozin I. B., Koonin E. V., 2003. Gene loss, protein sequence divergence, gene dispensability, expression level, and interactivity are correlated in eukaryotic evolution // Genome Res. Vol. 13. P. 2229–2235.Larsson N-G., 2010. Somatic Mitochondrial DNA Mutations in Mammalian Aging // Annu. Rev. Biochem. Vol. 79. P. 683–706.Li M., Schonberg A., Schaefer M. et al., 2010. Detecting heteroplasmy from high-throughput sequencing of complete human mitochondrial DNA genomes // Am. J. Hum. Genet. Vol. 87. P. 237–249.Lin X. D., Guo W. P., Wang W. et al., 2012. Migration of Norway rats resulted in the worldwide distribution of Seoul hantavirus today // J. Virol. Vol. 86. P. 972–981.Loud A. V., 1968. A quantitative stereological description of the ultrastructure of normal rat liver parenchymal cells // J. Cell. Biol. Vol. 37. P. 27–46.Malyarchuk B. A., Rogozin I. B., Berikov V. B. et al., 2002. Analysis of phylogenetically reconstructed mutational spectra in human mitochondrial DNA control region // Hum Genet. Vol. 111, P. 46–53.Managadze D., Rogozin I. B., Chernikova D. et al., 2011. Negative correlation between expression level and evolutionary rate of long intergenic noncoding RNAs // Genome Biol. Evol. Vol. 3. P. 1390–1404.Pak J. W., Vang F., Johnson C. et al., 2005. MtDNA point mutations are associated with deletion mutations in aged rat // Experimental Gerontology. Vol. 40. P. 209–218.Pal C., Papp B., Hurst L. D., 2001. Highly expressed genes in yeast evolve slowly // Genetics. Vol. 158. P. 927–931.Plata G., Gottesman M. E., Vitkup D., 2010. The rate of the molecular clock and the cost of gratuitous protein synthesis // Genome Biol. Vol. 11. P. 98.Rogozin I. B., Solovyov V. V., Kolchanov N. A., 1991. Somatic hypermutagenesis in immunoglobulin genes. I. Correlation between somatic mutations and repeats. Somatic mutation properties and clonal selection. // Biochim. Biophys. Acta. Vol. 1089. P. 175–182.Rotskaya U. N., Rogozin I. B., Vasyunina E. A., et al., 2010. High frequency of somatic mutations in rat liver mitochondrial DNA // Mutat. Res. Vol. 685. P. 97–102.Rowe K. C., Reno M. L., Richmond D. M. et al. 2008. Pliocene colonization and adaptive radiations in Australia and New Guinea (Sahul): multilocus systematics of the old endemic rodents (Muroidea: Murinae) // Mol. Phylogenet. Evol. Vol. 47. P. 84–101.Serizawa K., Suzuki H., Tsuchiya K., 2000. A phylogenetic view on species radiation in Apodemus inferred from variation of nuclear and mitochondrial genes // Biochem. Genet. Vol. 38. P. 27–40.Shen Y. Y., Shi P., Sun Y. B., Zhang Y. P., 2009. Relaxation of selective constraints on avian mitochondrial DNA following the degeneration of flight ability // Genome Res. Vol. 19. P. 1760–1765.Soares P., Ermini L., Thomson N. et al., 2009. Correcting for purifying selection: an improved human mitochondrial molecular clock // Am. J. Hum. Genet. Vol. 84. P. 740–759.Spelbrink J. N., 2010. Functional Organization of Mammalian Mitochondrial DNA in Nucleoids: History, Recent Developments, and Future Challenges // IUBMB Life. Vol. 62. P. 19–32.Sun Y. B., Shen Y. Y., Irwin D. M., Zhang Y. P., 2011. Evaluating the roles of energetic functional constraints on teleost mitochondrial-encoded protein evolution // Mol. Biol. Evol. Vol. 28. P. 39–44.Tamura K., Nei M., 1993. Estimation of the number of nucleotide substitutions in the control region of mitochondrial DNA in humans and chimpanzees // Mol. Biol. Evol. Vol. 10. P. 512–526.Tamura K., Peterson D., Peterson N. et al., 2011. MEGA5: Molecular Evolutionary Genetics Analysis using Maximum Likelihood, Evolutionary Distance, and Maximum Parsimony Methods // Mol. Biol. Evol. Vol. 28. P. 2731–2739.Trifunovic A., Wredenberg A., Falkenberg M. et al., 2004. Premature ageing in mice expressing defective mitochondrial DNA polymerase // Nature. Vol. 429. P. 417–423.Truong T. T., Yoshimatsu K., Araki K. et al., 2009. Molecular epidemiological and serological studies of hantavirus infection in northern Vietnam // J. Vet. Med. Sci. Vol. 71. P. 1357–1363.Tuppen A. L., Blakely E. L., Turnbull D. M. et al, 2010. Mitochondrial DNA mutations and human disease // Biochimica et Biophysica Acta. Vol. 1797. P. 113–128.Valnot I., Kassis J., Chretien D. et al., 1999. A mitochondrial cytochrome b mutation but no mutations of nuclearly encoded subunits in ubiquinol cytochrome c reductase (complex III) deficiency // Hum Genet. Vol. 104. P. 460–466.Youle R. J., van der Bliek A. M., 2012. Mitochondrial fission, fusion, and stress // Science. Vol. 337. P. 1062–1065.Zheng W., Khrapko K., Coller H. A. et al., 2006. Origins of human mitochondrial point mutations as DNA polymerase γ-mediated errors // Mutat. Res. Vol. 599. P. 11–20.Миллер Д. Г., 1972. Эксперименты в молекулярной генетике / под. ред. Алиханяна С. И. Москва: Мир. 395 c.Роцкая У. Н., Рогозин И. Б., Васюнина Е. А. и др., 2009. Анализ спектров соматических мутаций митохондриальной ДНК крыс линий Wistar и OXYS // Биохимия, Т. 74. С. 532–541.