mtDNA il mostenesti doar de la mama care ea mosteneste de la mama ei care la randul ei...
Adica numai una din cele 2 bunici (cea din partea mamei) contribuie la zestrea ta genetica de mtDNA si numai una din cele 4 strabunici ...

Tocmai pe faptul asta se bazeaza cercetarea in domeniul Evei mitocondriale!

Aşa este. Ai dreptate. O specie poate porni dintr-un singur individ (sau pereche, dacă vorbim de specie sexuată) sau din mai multe. În cazul în care porneşte dintr-un singur individ/pereche, existenţa CMRSCM al populaţiei vii la momentul T este garantată.

Toată discuţia de mai sus eu am purtat-o în această ipoteză: că ştim (avem convingerea, cumva, de undeva) că există un strămoş comun al tuturor oamenilor de pe Pământ. Pornind de la această ipoteză, ne punem problema celui mai recent strămoş comun (pe linie maternă). Şi vedem că acest CMRSCM e unic, dar nu coincide neapărat cu Strămoşul Comun presupus la început şi nici nu e un individ fixat, ci depinde de epoca la care facem socoteala (celor vii la acel moment).

1. "Diversitatea vieţii" înseamnă "diversitatea speciilor". Asta e miza: naşterea speciilor. Diversitatea raselor de câini (sau de orice altceva) ca efect al mecanismelor evoluţioniste e acceptată de mulţi creaţionişti. "Bătălia" între evoluţionism şi creaţionism se dă fix pe problema "Cum au luat naştere diferitele specii de vieţuitoare?". De aceea, verificarea unei predicţii care se referă la mici modificări din interiorul unei specii (fără a da naştere unei alte specii) nu este un argument pro-evoluţionism (de fapt, nu e argument anti-creaţionism). Pentru că, aşa cum am arătat, sunt şi curente creaţioniste care admit "genetic drift", despărţirea unei specii în rase, adaptarea unor populaţii prin modificări genetice aleatoare + selecţie naturală (ex. ursul brun vs. ursul alb) etc. Piatra unghiulară este speciaţia -- aici vin aceşti creaţionişti şi spun "Rase noi or apărea prin mecanismele pe care le descrieţi, dar specii noi nu!"

2. Evoluţionismul ca teorie nu garantează (şi nu presupune neapărat) existenţa unui singur strămoş comun. Evoluţionismul susţine doar posibilitatea existenţei unui strămoş comun a două specii diferite (ceea ce creaţionismul neagă). Că speciile X şi Y efectiv au un strămoş comun, asta-i o chestiune care trebuie cercetată de la caz la caz. Dacă de exemplu s-ar descoperi că plantele şi animalele provin din două însămânţări extraterestre distincte, de pe planete distincte (şi deci plantele nu au vreun strămoş comun cu animalele), evoluţionismul n-ar cădea, n-ar fi infirmat.

Creaţionismul spune "Dacă vedem N specii, atunci este imposibil ca acestea să fi apărut prin mai puţin de N acte de creaţie distincte." Evoluţionismul vine şi neagă aceasta, zicând: "Dacă vedem N specii, este posibil ca acestea să fi apărut prin mai puţin de N acte de creaţie distincte." Că numărul actelor de creaţie a fost efectiv N sau N-1 sau N-2 sau N-3 ... sau 1, asta evoluţionismul (ca teorie) nu mai zice. Vin însă diversele observaţii (genetice şi de altă natură) care arată că ipoteza "nr. actelor de creaţie = 1" este extrem de plauzibilă. (Mai departe, vin diverse teorii despre natura acestui "unic act de creaţie": c-a fost minune divină, c-a fost întâmplare ADN în supa primordială... -- dar aceste teorii sunt externe evoluţionismului, în sensul că victoria sau căderea uneia sau alteia nu afectează în nici un fel evoluţionismul).

OK, reformulez: Pe planeta Xământ, unde Xumnezeu a creat fiecare specie în parte şi ele n-au evoluat una din alta (şi nici nu se schimbă deloc în timp, neavând ADN, genom, mitocondrii sau mutaţii; şi nici selecţie naturală nu există), una din speciile create este Xomo xapiens. Această specie s-a dezvoltat dintr-o unică pereche ancestrală creată de Xumnezeu -- indivizii pe nume Xadam şi Xeva. La ora actuală sunt 6 miliarde de indivizi Xomo xapiens. Deşi evoluţionismul este riguros fals pe această planetă, totuşi cei 6 miliarde de Xomo xapiens au garantat un CMRSCM (şi nu se pot face studii genetice care să dea o estimare a epocii când a trăit, încât să fie metaforic numită "Xeva mitocondrială"!).

Pe scurt: Dacă creaţionismul este adevărat, atunci CMRSCM există. Deci CMRSCM este o predicţie a creaţionismului.

Deci existenţa CMRSCM nu este un argument anti-creaţionism (deci nu este un argument pro-evoluţionism).

a

(EDIT: formatare la citat...)

Acest topic a fost editat de Amenhotep: 31 Dec 2005, 03:03 AM

O observaţie interesantă (mi se pare mie): mitocondriile din corpul unui bărbat nu au nici un viitor genetic. Ele se vor "veseli" puţin prin corpul acelui individ cât timp trăieşte el, dar după câteva zeci de ani gata, kaput, soarta lor e pecetluită: nu vor mai avea urmaşi. Garantat.

Dimpotrivă, o mitocondrie din corpul unei femei are în faţă un viitor luminos: ea are şanse să-şi transmită codul genetic unui lung şir de urmaşi. Are şansa să devină chiar "Mitocondria evală", ca să zic aşa -- adică să se poată spune cândva, peste mii de ani, că toate mitocondriile vii la acel moment sunt descendentele ei.

a

Intre inpachetat doua sarmale si vanturat o piftie, fac si putina filozofie.

Piatra asta unghiulara a cretionistilor (specierea) nu prea ma intereseaza. Atata vreme cat admit ca mecanismul de mutatie aleatoare + selectie naturala exista si duce la variabilitate genetica, mi se pare absurd ca apoi sa spun, "da, dar nu poate duce la speciere". Daca creationistii ar accepta numai variabilitatea genetica data de recombinarea genetica (sexuala or whatever, cu alte cuvinte, doar recombinare, nimic cu adevarat nou), atunci as fi de acord cu ei, dar in cazul in care admit si mutatiile, este clar ca acel "genetic drift" poate merge pana acolo incat recombinarea genetica sexuala nu mai este posibila (genele a doi indivizi nu mai pot forma impreuna un organism viabil). De aici drumurile se despart... si iata specierea.

Pe scurt, mi se pare absurd sa accepti mutatiile ca modalitate de diversificare genetica dar sa 'interzici' formarea speciilor (incompatibilitatilor sexuale) prin aceeasi modalitate. E pur si simplu un fel de a spune "nu se poate pentru ca asa vreau eu".

Asta era valabil in evolutionismul dinainte de genetica moleculara. Acum se stie ca toate genele formelor de viata cunoscute au la baza acelasi cod genetic. Chiar daca viata a aparut sub diverse forme, noi si toate vietuitoarele cunoscute avem foarte, foarte probabil acelasi stramos comun. Daca "s-ar descoperi că plantele şi animalele provin din două însămânţări extraterestre distincte", stiind ca au la baza acelasi cod genetic care este extrem de improbabil sa fi fost 'descoperit' independent de plante si animale (asta ca sa nu mai vorbesc de gene comune), concluzia cea mai probabila logic ar fi tot ca plantele si animalele au un stramos comun.

Existenta evei mitocondriale (umana sau nu) este garantata natural tocmai de evolutionism.

Existenta CMRSCM este o predictie numai a creationismului care spune ca dumnezeu a creat CMRSCM.


P.S. nu o lua ca pe o contrazicere de dragul contrazicerii; e doar un schimb de idei.

Interesant este cum de n-au 'gasit' o cale de scapare din capcana... E o simpla intamplare sau au 'incercat' dar s-a dovedit a fi neviabila convietuirea intre mitocondriile materne si cele paterne?

Care mitocondrii paterne? Cum ar ajunge ele in celulele progeniturii?

E, vezi ca ai priceput? Bine ai venit in lumea creationismului "stiintific"!

Pai, din cate am inteles, cateva mitocondrii s-ar afla in coada spermatozoidului pentru a-i asigura energia de propulsare, numai ca exista un mecanism care le impiedica sa patrunda in ovul (coada nu este lasata sa intre)...

Acest topic a fost editat de bonobo: 31 Dec 2005, 03:17 PM

De acord. Acesta este un argument valid împotriva creaţionismului. Ce susţin eu aici este însă că celălalt argument (cu CMRSCM) nu este un argument valid împotriva creaţionismului.

Ai dreptate.

[Mie fix acel evoluţionism îmi place cel mai mult. Mă fascinează că a fost gândit înaintea confirmărilor magistrale venite de la genetica moleculară... Genetica moleculară e doar una din căile de "implementare" a evoluţionismului aceluia generic. O planetă pe care vieţuitoarele ar manifesta ereditate şi variabilitate ar fi clar o instanţă a evoluţionismului, chiar dacă acolo mecanismele eredităţii s-ar baza pe ceva complet diferit de genetica moleculară.]

Păi... cum? Eşti de acord sau nu că "Deşi evoluţionismul este riguros fals pe această planetă, totuşi cei 6 miliarde de Xomo xapiens au garantat un CMRSCM"? De ce-ar fi garanţia evoluţionismului mai naturală decât cea a creaţionismului pe care l-am descris?

Nu, nu! Cred că nu m-am făcut bine înţeles: Nu e necesar ca Xumnezeu să creeze CMRSCM. E suficient ca el să creeze un Strămoş Comun (o pereche ancestrală: Xadam şi Xeva). Mai apoi, unul din descendenţii acelei perechi ancestrale va fi CMRSCM.

No problemo.

N-au cum să convieţuiască pentru că ele nu se întâlnesc niciodată. Mitocondriile există în celulele somatice ale oamenilor (şi bărbaţi, şi femei). Dar în celulele sexuale există doar la femei. Cum contactul care contează între un bărbat şi-o femeie este între celulele lor sexuale... rezultă că mitocondriile bărbatului nu ajung să "dea ochii" cu cele ale femeii.

După ce-am pus întrebarea, m-am gândit şi eu... Cum de nu s-au străduit să ocolească această limitare care le obligă să facă o "risipă de înmulţire inutilă în corpul unui bărbat"? Cred că răspunsul e legat de faptul că o mitocondrie nu prea are de unde să ştie dacă se află într-un organism de sex masculin sau feminin. Ar trebui ca mitocondria să "cerceteze" cromozomii X şi Y ai gazdei -- care cromozomi însă se află departea de ea, tocmai în nucleu.

Cum ar arăta un eventual "plan de stopare a risipei"? Când mitocondriile mamei (cele aflătoare în celula sexuală -- în ovul) ar simţi că a avut loc fecundarea şi tocmai ia fiinţă un nou exemplar de Homo sapiens, ar trebui să testeze rapid cum s-au combinat cromozomii X şi Y. Şi, în funcţie de rezultat, să decidă fie:

a. "Ura! E femeie! Deci are rost să trăim şi să ne-nmulţim în acest organism!", sau

b. "Bleah... E bărbat... Suntem ca şi moarte, ce rost mai are să ne-nmulţim în corpul ăsta?... Hai să ne sinucidem..."

După cum se vede, "planul" acesta nu rezolvă nimic, pentru că din punctul de vedere al mitocondriilor risipa a avut deja loc (cu probabilitate de 50%): au fost deja produse nişte exemplare care în 50% din cazuri vor descoperi tristul adevăr b... Pentru ca risipa să fie stopată, ar trebui ca la momentul creării ovulului mitocondriile să ştie deja "acest ovul va ajunge femeie" sau "acest ovul va ajunge bărbat" -- astfel încât să ştie dacă merită să investească în producerea de clone care să populeze respectivul ovul. Or, este evident că la momentul producerii ovulului nu se poate şti nici măcar dacă va ajunge să fie fecundat, darămite să se mai ştie şi sexul viitorului copil.

Iată deci că mecanismul prin care Homo sapiens împiedică mitocondriile din corpurile bărbaţilor să ajungă în corpurile progeniturilor lor este imbatabil: mitocondriile nu au nici cea mai mică şansă să-şi optimizeze înmulţirea încât să evite risipa. (Poate doar dacă apar nişte mitocondrii cu puteri precognitive... )

Bun, dar cineva ar putea zice că e posibil un alt plan, mai deştept: în loc să evite risipa, ce-ar fi ca mitocondriile să găsească totuşi o cale de a ajunge din corpul bărbatului în corpul progeniturii sale? Teoretic, n-ar fi nici o problemă... Singura problemă pe care o văd este următoarea: pentru Homo sapiens acest lucru ar fi catastrofal, deci genomul Homo sapiens va lupta din răsputeri pentru ca acest lucru să nu se întâmple. De ce-ar fi o catastrofă? Pentru că în corpul copilului s-ar întâlni mitocondrii cu linii genetice diferite -- deci ar apărea competiţie între ele. Mitocondriile înmulţindu-se asexuat (prin clonare), ele nu vor putea pune material genetic în comun, încât să ajungă la un "acord". Nu, cele două populaţii de mitocondrii (de la mamă şi de la tată) vor rămâne distincte şi se vor confrunta în corpul copilului, luptându-se pentru întâietate. Un astfel de copil nu va avea prea mari şanse să ajungă la maturitate şi să se reproducă (transmiţându-şi mitocondriile mai departe). Deci mitocondriile "şmechere" (care au reuşit să ajungă de la tată în corpul acestui copil) îşi vor fi săpat singure groapa: vor dispărea. (Iată deci că nici măcar nu e nevoie ca genomul Homo sapiens să lupte împotriva acestei tendinţe, cum spuneam mai devreme...) O asemenea strategie este clar pierzătoare pentru mitocondrii, deci ele vor rămâne cum sunt: cele din corpul tatălui se vor ţine departe de corpul progeniturii sale.

Ce ziceţi de explicaţia asta?

a

Incep sa inteleg cate ceva... mitocondriile sunt de acelasi fel, nu au sexe diferite, nu au nici o treaba cu ADN nuclear, iar noi barbatii, la fel ca si femeile posedam mitocondriile mamei noastre? Atunci are vreo importanta ca sexul nostru este masculin sau feminin in supravietuirea, functionarea si reproducerea mitocondriilor? Daca cineva ar lua mitocondriile dintr-o celula a unei persoane si le-ar insera in alta a altei persoane nu cumva cele straine si-ar vedea de treaba fara probleme pentru ca sunt cvasiidentice? De fapt, prin ce se deosebesc mitocondriile diferitilor indivizi?

Altceva: mecanica cuantica are treaba cu mutatiile ADN prin radiatiile si radioactivitate, sunt factori care produc mutatii. Sa zicem ca undeva in Africa exista o EVA mitocondriala, foarte prolifica, a avut cel putin 18 copii dintre care cel putin 7 au fost fete. Le-a nascut pe rand, intre 2 si 4 ani diferenta. Dar tribul ei era nomad si in peregrinarile sezoniere se intampla sa stea intr-o zona in care radioactivitatea naturala era crescuta, era dedesubtul unei gauri temporare in stratul de ozon sau intr-o perioada de eruptii solare puternice. In conditii normale, n-ar trebui ca ficele ei sa aiba mitocondrii diferite, dar asa este posibil ca fiecare sa fi suferit mutatii. Cum ar influenta asta teoria? Le-am mai putea identifica originea numai studiind mitocondriile celor sapte linii distincte dupa ce s-au succedat mii de generatii, in ipoteza ca toate au supravietuit?

Ca de obicei, viata bate filmul : "A fertilized human egg carries perhaps 2000 copies of the human mitochondrial genome, all but one or two inherited from the mother."

Sursa: http://www.ncbi.nlm.nih.gov

Acest topic a fost editat de bonobo: 4 Apr 2006, 11:22 PM

Nu am înţeles replica... Ce vrei să spui?

Că totuşi iată că una-două mitocondrii paterne reuşesc să ajungă în zigot? (În contrast cu teoria avansată de mine, care prezicea că aşa ceva ar conduce la "luptă de clasă" între mitocondrii, deci ar fi extrem de păgubos?)

a

Engleza mea imi spune ca din cele 2000 de mitocondrii, "doar" 1998 sau 1999 provin de la mama. Care din punct de vedere statistic nu reprezinta nimic in teoria "Evei" mitocondriale - oricum predictia perioadei in care a trait acea Eva e bazata pe rata mutatiilor.

Acest topic a fost editat de fusion: 5 Apr 2006, 07:37 AM

Care este cam cat la om ?

Citeste literatura stiintifica si ai sa aflii estimarea.
Exemplu de articol stiintific: http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/289/5488/2342

Am vrut sa spun ca:
1. intr-adevar, se transmit si mitocondrii paterne (in ciuda aceea ce credeam si eu si tu), e drept foarte putine;
2. mitocondriile unei celule nu sunt chiar omogene genetic (asa cum credeam eu), omogenizarea facandu-se ulterior prin segregare meiotica (daca citesti articolul este explicat fenomenul).

Pana la urma a fost un fel de (auto)ironie. Viata nu-si impune reguli, restrictii (mitocondrii mostenite exclusiv pe cale materna, microevolutie fara macroevolutie etc); cam orice posibilitate este explorata si eventual exploatata; ceea ce rezulta nu este doar 'alb' si 'negru'.

Pe scurt, never say never.

Acest topic a fost editat de bonobo: 5 Apr 2006, 10:34 AM

"YOU DO NOT HAVE ACCESS TO THIS ITEM"

Mda, never say never:

In 2002, a study was conducted that concluded:

Nevertheless, even a single validated example of paternal mtDNA transmission suggests that the interpretation of inheritance patterns in other kindreds thought to have mitochondrial disease should not be based on the dogmatic assumption of absolute maternal inheritance of mtDNA…. The unusual case described by Schwartz and Vissing is more than a mere curiosity (Williams, 2002, 347:611, emphasis added).
And now we know that these are more than small “fractional” amounts of mtDNA coming from fathers. The August 2002 issue of the New England Journal of Medicine contained the results of one study, which concluded:

Mammalian mitochondrial DNA (mtDNA) is thought to be strictly maternally inherited…. Very small amounts of paternally inherited mtDNA have been detected by the polymerase chain reaction (PCR) in mice after several generations of interspecific backcrosses…. We report the case of a 28-year-old man with mitochondrial myopathy due to a novel 2-bp mtDNA deletion…. We determined that the mtDNA harboring the mutation was paternal in origin and accounted for 90 percent of the patient’s muscle mtDNA (Schwartz and Vissing, 2002, 347:576, emphasis added).
Ninety percent! And all this time, evolutionists have been selectively shaping our family tree using what was alleged to be only maternal mtDNA!

As scientists have begun to comprehend the fact, and significance, of the “death” of mitochondrial Eve, many have found themselves searching for alternatives that can help them maintain their current beliefs regarding human origins. But this recombination ability in mtDNA makes the entire discussion a moot point. As Strauss noted:

Such recombination could be a blow for researchers who have used mtDNA to trace human evolutionary history and migrations. They have assumed that the mtDNA descends only through the mother, so they could draw a single evolutionary tree of maternal descent—all the way back to an African “mitochondrial Eve,” for example. But “with recombination there is no single tree,” notes Harpending. Instead, different parts of the molecule have different histories. Thus, “there’s not one woman to whom we can trace our mitochondria,” says Eyre-Walker (1999, 286:2436, emphasis added).

Extrase de-aici.

Science 29 September 2000:
Vol. 289. no. 5488, pp. 2342 - 2344
DOI: 10.1126/science.289.5488.2342

Prev | Table of Contents | Next
Reports

High Direct Estimate of the Mutation Rate in the Mitochondrial Genome of Caenorhabditis elegans

Dee R. Denver,1 Krystalynne Morris,1 Michael Lynch,2 Larissa L. Vassilieva,2* W. Kelley Thomas1dagger

Mutations in the mitochondrial genome have been implicated in numerous human genetic disorders and offer important data for phylogenetic, forensic, and population genetic studies. Using a long-term series of Caenorhabditis elegans mutation accumulation lines, we performed a wide-scale screen for mutations in the mitochondrial genome that revealed a mutation rate that is two orders of magnitude higher than previous indirect estimates, a highly biased mutational spectrum, multiple mutations affecting coding function, as well as mutational hotspots at homopolymeric nucleotide stretches.

1 Division of Molecular Biology and Biochemistry, School of Biological Sciences, University of Missouri-Kansas City, Kansas City, MO 64110, USA.
2 Department of Biology, University of Oregon, Eugene, OR 97403, USA.
* Present address: Molecular and Cellular Biology Department, University of Arizona, Tucson, AZ 85721, USA.

dagger To whom correspondence should be addressed. E-mail: thomaske@umkc.edu

Understanding the onset of mitochondrial disease and effective evolutionary analysis require accurate estimates of the rate and pattern of mitochondrial mutation, both of which have been the focus of recent controversy. Phylogenetic estimates of the substitution rate in the control region and protein-coding sequences of the human mitochondrial genome range from 0.02 to 0.26 per site per 106 years (My) (1, 2). By contrast, pedigree analyses of the human control region and protein-coding sequences suggest that the substitution rate is much higher: ~2.5 per site per My (3, 4). This discrepancy may be a consequence of mutational hotspots in the control region and/or the mitochondrial disease state of the individuals included in the pedigree analyses (5, 6). Because the rate and pattern of mitochondrial substitution observed over phylogenetic time are a function of both the baseline mutational spectrum and its subsequent modification by natural selection, they likely provide a highly biased view of the rate and pattern of mutation. Unfortunately, almost all of our current estimates are based on indirect arguments and observations that may be biased by the consequences of selection (7, 8).

A direct estimate of the mitochondrial mutation rate and pattern was accomplished by sequencing 10,428 base pairs (bp) of the mitochondrial genomes of 74 Caenorhabditis elegans mutation accumulation (MA) lines maintained for an average of 214 generations by single-progeny descent (9-12). Each MA line was propagated in a benign environment across generations by a single, random worm. This resulted in an effective population size of each MA line equal to one; hence, the efficiency of natural selection was reduced to a minimum, ensuring that all mutations, except those with extreme effects, accumulated over time in a neutral manner. These lines are known to have undergone a substantial decline in productivity, survival to maturity, generation time, and fitness as a consequence of deleterious-mutation accumulation (12).

Among the 74 MA lines, we analyzed 771,672 bp and observed 26 mutations for a total mutation rate equal to 1.6 × 10-7 per site per generation (±3.1 × 10-8), or based on an average generation time of 4 days, 14.3 per site per My (±2.8). Sixteen of these mutations were base substitutions (Table 1), yielding a direct estimate of the mitochondrial mutation rate for base substitutions equal to 9.7 × 10-8 per site per generation (±2.4 × 10-8), or 8.9 per site per My (±2.2). This observed rate is two orders of magnitude higher than the phylogenetic estimates discussed above and exceeds rates derived from pedigree analyses (1-4). The 16 base substitutions occurred across unique sites in 15 different MA lines, suggesting that the observed rate of base substitution is a product neither of hotspots nor of lines predisposed to mitochondrial mutation. Furthermore, the observed numbers of lines with 0, 1, and 2 mutations are nearly identical to those expected on the basis of a Poisson distribution (13).

Table 1. Base substitutions in mtDNA of mutation accumulation lines. Positions of each mutation are as in the published sequence (9). Delta AA indicates a change in the amino acid encoded. For replacements in MA lines, the amino acids found in C. briggsae (Cb) and A. suum (As) are given. Sequences not determined in Cb are designated ND. Intergenic region is indicated by IG. Abbreviations for the amino acid residues are as follows: A, Ala; C, Cys; D, Asp; E, Glu; F, Phe; G, Gly; L, Leu; M, Met; S, Ser; T, Thr; and V, Val.
Mutation Line Gene Delta AA Cb As
531 Crightarrow T 32 ND6 Arightarrow V A A
1,453 Trightarrow C 91 12S rRNA
2,068 Trightarrow C 55 ND1 Silent
2,386 Grightarrow T 14 ND1 Erightarrow D E E
3,765 Arightarrow G 51 ND2 Silent
5,011 Grightarrow A 80 Cyt. b Arightarrow T A A
7,255 Trightarrow C 79 ND4 Silent
7,756 Trightarrow C 63 IG
8,355 Trightarrow C 55 COI Frightarrow L ND F
8,393 Trightarrow C 28 COI Silent
8,718 Trightarrow A 98 COI Crightarrow S ND C
9,254 Trightarrow C 71 COI Frightarrow S ND F
10,042 Arightarrow G 81 COII Srightarrow G S E
10,158 Trightarrow A 42 COII Silent
11,731 Trightarrow C 27 ND5 Mrightarrow T L V
12,026 Grightarrow A 77 ND5 Silent

Animal mitochondrial DNA (mtDNA) evolution is characterized by a strong bias toward transition (G<->A or T<->C) substitutions, but it has been unclear whether this phenomenon is a consequence of selection or of the baseline mutational spectrum (14, 15). Comparison of two natural isolates of C. elegans, N2 (England) and RC301 (Germany), revealed 27 transitions and 2 transversions in mtDNA (16). Similarly, among the MA lines, 13 transitions and 3 transversions were observed. Therefore, despite the near absence of selection in the MA lines a strong bias toward transitions remains, suggesting that the transition bias observed in phylogenetic comparisons is largely a reflection of the baseline mutation pattern (17).

Animal mitochondrial genomes also share a universal strand-specific base compositional bias (18). This is reflected in the high frequency of thymine (T = 46%) and low frequency of cytosine (C = 9.3%) in the coding strand of C. elegans mtDNA (9). One hypothesis suggests that the skewed base composition is maintained by an underlying directional mutational bias (19, 20). A stationary base composition maintained by directional mutation, coupled with a strong transition bias, predicts that an equal number of Crightarrow T and Trightarrow C transitions should be observed in the MA lines. However, we observed eight Trightarrow C mutations and only one Crightarrow T mutation, significantly rejecting the hypothesis that the high level of T and low level of C is maintained by directional mutation (P < 0.05) (Table 1). Our observations are more consistent with the view that the probability of mutation is proportional to the frequency of the base changing and that selection, rather than the mutational spectrum, is responsible for the universal base compositional bias.

A nonrandom distribution of substitutions with respect to coding function is expected in animal mtDNA evolution. Substitution patterns in the mitochondrial protein-coding genes among natural isolates of C. elegans display the typical bias toward synonymous sites (21). For example, between N2 and RC301, 26 synonymous substitutions and 3 replacements are observed. By contrast, in the MA lines 9 of the 15 mutations in nonhomopolymeric regions of mitochondrial protein-coding genes alter the amino acid encoded. The significant decrease in the proportion of synonymous mutations (P < 0.001) in the MA lines suggests a dominant role for purifying natural selection in the evolution of the mtDNA protein-coding genes in natural populations (22). For six of the nine mutations that change the amino acid encoded in the C. elegans MA lines, we have determined the same positions in Caenorhabditis briggsae (23). Five of these six amino acid residues are conserved between the two Caenorhabditis species. Seven of the nine positions are conserved between C. elegans and the distantly related nematode Ascaris suum (Table 1).

In addition to the 16 base substitutions, there are 10 insertion-deletion (indel) mutations among the MA lines (Table 2), 8 of which are associated with homopolymeric nucleotide runs and 1 that occurs in a short repetitive sequence. Five indels occur in a single stretch of 11 adenine (A) residues between the ATPase6 and tRNALys genes. The indel mutation rate at this site is 3.2 × 10-4 per generation (±1.4 × 10-4), or 0.029 per year (±0.013). These observations suggest that simple repetitive sequences and specifically homopolymeric nucleotide runs are hotspots for indel mutations in C. elegans mtDNA. It is important to note that the mitochondrial genome of C. elegans contains numerous homopolymeric stretches that are both coding and noncoding. As expected in the relative absence of selection, coding homopolymers suffer the same mutational mechanisms as those in noncoding regions (see below). Similar indel mutations in coding homopolymers of the human mitochondrial genome have been associated with disease (24).

Table 2. Indel mutations in mtDNA of MA lines. Positions of each mutation are as in the published sequence (9). Indels in homopolymers are numbered according to the first base in the homopolymeric stretch.
Mutation MA line(s) Gene(s)
1699 (+1C) 35 tRNAN
2439 (-1T) 96 ND1
3235 (-1A) 2, 9, 14, 49 IG
3235 (+1A) 52 IG
4400 (-416bp) 80 tRNAsQ,F, Cyt. b
6699 (+1A) 100 ND4
11918 (-TTA) 99 ND5

Four of the indels observed in the MA lines are predicted to drastically alter coding function (25). Two of the indels, a single-base deletion in a stretch of eight T residues in the nicotinamide adenine dinucleotide, reduced (NADH) dehydrogenase subunit 1 (ND1) gene in MA96 and a single-base insertion in a run of seven A residues in the NADH dehydrogenase subunit 4 (ND4) gene of MA100, result in premature stop codons. The predicted mutant ND1 and ND4 polypeptides are severely truncated and are missing many highly conserved residues. Although we cannot rule out the presence of wild-type copies in the mutant lines, the mutant versions of ND1 and ND4 were the only sequences detected [Web fig. 1 (26)] (27).

A third function-disrupting indel involves a 416-bp deletion in the mitochondrial genome of MA80, eliminating the entire tRNAPhe gene, more than one-half of the tRNAGln gene, and the first 317 bp of the gene for cytochrome b. In wild-type sequences, the region deleted in MA80 is flanked by two homopolymeric A stretches (six and seven As, respectively). A single homopolymer (five As) remains at the site of the deleted sequences in MA80. Polymerase chain reaction (PCR)-based assays with primers flanking the deletion suggest that the mutant form is predominant in this line. However, by using a primer within the deletion, wild-type genomes can be detected in MA80 [Web fig. 2, A and B (26)].

A fourth unusual mutation involves the insertion of one C in the aminoacyl acceptor stem region of the tRNAAsn gene in MA35. No stem-disrupting mutations are observed in the tRNA genes among the natural isolates or between C. elegans and C. briggsae. PCR assays with primers specific to the wild-type and mutant forms suggest that MA35 is fixed for this change [Web fig. 2C (26)]. The most likely aminoacyl acceptor stem of this mutant tRNA is predicted to be less thermostable than the wild-type tRNA and may have an adverse effect on both translational efficiency and proper RNA processing in the mitochondrion of this MA line.

When assayed for the level of total fitness as in (12), the four lines with mutations expected to be most disruptive with respect to coding function (MA lines 35, 80, 96, and 100) experience a significantly (P < 0.05) lower intrinsic rate of increase (0.737 ± 0.164 day-1) than nonmutant MA lines (1.087 ± 0.039 day-1). Although the average selection coefficient against mitochondrial indel mutations is 0.32, further studies will be required to associate fitness changes with specific mitochondrial mutations. Significant fitness reductions in MA lines with amino acid replacements were not detectable at our level of experimental replication, but the conservation of these sites across considerable phylogenetic divergence suggests that they are deleterious enough to be eliminated in natural populations.

The mutation patterns observed in the MA lines of C. elegans are similar to those associated with human mitochondrial diseases, including the replacement of highly conserved amino acids, large deletions, and the high incidence of frameshift mutations at coding homopolymer stretches (24, 28). The mitochondrial mutations isolated in this study can serve as models for future studies on the fitness effects of mitochondrial mutations and as models for investigating mitochondrial genetic disorders. Furthermore, the high rate and strongly biased pattern of mtDNA mutation detected here increase the probability of parallel mutations. The high potential for homoplasy must be considered when using mtDNA for evolutionary studies and when investigating the occurrence of recombination in mitochondrial genomes (29, 30).
REFERENCES AND NOTES

1. L. Vigilant, M. Stoneking, H. Harpending, K. Hawkes, A. C. Wilson, Science 253, 1503 (1991) [ISI] [Medline] .
2. S. Horai, K. Hayasaka, R. Kondo, K. Tsugane, N. Takahata, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 92, 532 (1995) [Abstract] .
3. T. J. Parsons, et al., Nature Genet. 15, 363 (1997) [ISI] [Medline] .
4. N. Howell, I. Kubacka, D. A. Mackey, Am. J. Hum. Genet. 59, 501 (1996) [ISI] [Medline] .
5. E. Jazin, et al., Nature Genet. 18, 109 (1998) [ISI] [Medline] .
6. S. Pääbo, Am. J. Hum. Genet. 59, 493 (1996) [ISI] [Medline] .
7. J. W. Drake, B. Charlesworth, D. Charlesworth, J. F. Crow, Genetics 148, 1667 (1998) [Abstract/Free Full Text] .
8. M. Lynch, et al., Evolution 53, 645 (1999) [ISI] .
9. R. Okimoto, J. L. Macfarlane, D. O. Clary, D. R. Wolstenholme, Genetics 130, 471 (1992) [Abstract/Free Full Text] .
10. Amplifications of mtDNA were performed in 50-µl reactions containing 67 mM tris-HCl (pH 8.8), 6.7 mM MgCl2, 16.6 mM (NH4)2SO4, 10 mM beta -mercaptoethanol, 1 mM each of dGTP, dATP, dTTP, and dCTP, 0.5 µM of each primer, 10 to 100 ng of genomic DNA, and 2.5 U of Thermus aquaticus DNA polymerase (Perkin Elmer). Amplification was carried out by 35 cycles of denaturation at 94°C for 1 min, annealing at 52° to 55°C for 1 min, and extension at 72°C for 2 min. Primer sequences, positions spanned, and PCR product sizes are listed in Web table 1 (26). Primers were designed to the published sequence of N2 C. elegans mtDNA (12). PCR products were separated in a 2% SeaPlaque GTG (FMC Bioproducts) agarose gel. Bands were excised and purified with a QIAquick gel extraction kit (Qiagen). The purified PCR product was used as a template for cycle sequencing with dRhodamine dye terminators. PCR primers were used for sequencing reactions along with internal primers where necessary. Cycle sequencing was carried out by 25 cycles of denaturation at 96°C for 30 s, annealing at 50°C for 15 s, and extension at 60°C for 4 min. Unincorporated dye terminators were removed with Micro Bio-Spin Chromatography Columns (Bio-Rad). Sequences were determined with an ABI Prism 377 automated DNA sequencer (Perkin-Elmer). Sequences were aligned to the published N2 mtDNA sequence (9) with the ESEE computer alignment program [E. Cabot, Eyeball Sequence Editor (ESEE), Version 3.01 (1997)]. Two mutations were detected in the N2 progenitor of the MA lines, relative to the published sequence (5011 Grightarrow A, 8429 Arightarrow G). The first mutation is at a nonsynonymous site, replacing alanine with valine. The second is at a synonymous site. All substitution and indel mutations were confirmed by sequences from both strands of DNA.
11. L. L. Vassilieva and M. Lynch, Genetics 151, 119 (1999) [Abstract/Free Full Text] .
12. L. Vassilieva, A. M. Hook, M. Lynch, Evolution 54, 1234 (2000) [ISI] [Medline] .
13. If we use a mutation rate per base per generation (µ) for all mutations excluding those associated with repetitive sequence, µ = 1.1 × 10-7. With 214 generations and 10,428 positions, the mean number of mutations per line is 0.2455. Assuming a Poisson distribution, the expected number of lines with 0, 1, or 2 mutations is 57, 16, and 1, respectively. Alternatively, if we use the proportion of lines with 0 mutations to calculate the total mutation rate, µ = 3.5 × 10-7 per site per generation and the expected number of lines with 1 or 2 mutations is 14.8 and 1.9, respectively.
14. T. Lindahl, Nature 362, 709 (1993) [CrossRef] [ISI] [Medline] .
15. X. Xia, M. S. Hafner, P. D. Sudman, J. Mol. Evol. 43, 32 (1996) [ISI] [Medline] .
16. Natural geographic isolates of C. elegans were obtained from the Caenorhabditis Genetics Center (CGC) at the University of Minnesota. Initial isolation and characterization of natural isolates is described by J. Hodgkin and T. Doniach [Genetics, 146, 149 (1997)] and can be obtained on the CGC server (http://biosci.umn.edu/CGC/Strains/strains.htm). The same sequences (10,428 bp) are analyzed. Between N2 and RC301 the following substitutions were observed: 19 T<->C, 8 A<->G, 1 T<->G, and 1 T<->A.
17. No significant difference in transition bias is detected between the natural isolates and the MA lines (P > 0.05).
18. S. Yokobori, et al., Genetics 153, 1851 (1999) [Abstract/Free Full Text] .
19. S. Asakawa, et al., J. Mol. Evol. 32, 511 (1991) [ISI] [Medline] .
20. G. Preparata and C. Saccone, J. Mol. Evol. 26, 7 (1987) [ISI] [Medline] .
21. W. K. Thomas and A. C. Wilson, Genetics 128, 269 (1991) [Abstract/Free Full Text] .
22. Twenty-nine total substitutions are observed between N2 and RC301, and 26 of these are synonymous. On the basis of the proportion of replacements in MA lines (8/14), we would expect 34.7 replacement changes between N2 and RC301 in the absence of selective constraints. Consequently, the efficiency of selection on replacement mutations can be expressed as 1 - (3/34.7) = 0.914, giving a width of the selective sieve equal to 0.086.
23. We have sequenced 8554 bp of mtDNA from the PB800 strain of C. briggsae as in (10). The PB800 strain is available from the CGC.
24. W. Habano, S. Nakamura, T. Sugai, Oncogene 17, 1931 (1998) [CrossRef] [ISI] [Medline] .
25. We have analyzed the same sequences (10,428bp) from 31 natural isolates of C. elegans. No obvious disruptions in coding function are observed.
26. Supplementary data are available at Science Online at www.sciencemag.org/feature/data/1050947.shl.
27. For GeneScan analysis the region was amplified with the primer ND1-B(F) and the flourescently labeled primer ND1-D®-HEX. Amplifications were performed as in (10). Samples were separated on an ABI 377 Automated Sequencer (Perkin-Elmer) with TAMRA 500 internal size standards.
28. D. C. Wallace, Science 283, 1482 (1999) [Abstract/Free Full Text] . An updated list of known mtDNA mutations involved in human diseases is listed in Neuromusc. Disord. 9, 9 (1999).
29. A. Eyre-Walker, N. H. Smith, J. Maynard Smith, Proc. R. Soc. London Ser. B 266, 477 (1998) [ISI] .
30. P. Awadalla, A. Eyre-Walker, J. Maynard Smith, Science 286, 2524 (1999) [Abstract/Free Full Text] .
31. Supported by a University of Missouri Research Board grant (to W.K.T.) and NIH grant R01-GM36827 (to M.L.).

31 March 2000; accepted 10 August 2000

Thanks !