polymorphism in mitochondrial dna of humans as revealed by
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-
8/10/2019 Polymorphism in Mitochondrial DNA of Humans as Revealed By
1/5
P r o c . N a t i . A c a d .
S c i . USA
V o l . 7 7 ,
N o .
6 ,
p p .
3 6 0 5 - 3 6 0 9 ,
J u n e
1 9 8 0
G e n e t i c s
P o l y m o r p h i s m
i n m i t o c h o n d r i a l DNA o f humans a s r e v e a l e d
b y
r e s t r i c t i o n e n d o n u c l e a s e
a n a l y s i s
( h u m a n
e v o l u t i o n / i n t r a s p e c i f i c v a r i a t i o n / p o p u l a t i o n g e n e t i c s )
WESLEY
M .
BROWN
D e p a r t m e n t
o f B i o c h e m i s t r y , U n i v e r s i t y
o f
C a l i f o r n i a ,
B e r k e l e y ,
C a l i f o r n i a 9 4 7 2 0
C o m m u n i c a t e d b y
R u t h
S a g e r ,
M a r c h
2 7 ,
1 9 8 0
ABSTRACT
M i t o c h o n d r i a l DNA
s a m p l e s f r om e a c h o f
2 1
h u m a n s
o f d i v e r s e
r a c i a l
a n d g e o g r a p h i c o r i g i n
w e r e
d i g e s t e d
w i t h
e a c h o f
1 8
r e s t r i c t i o n
e n d o n u c l e a s e s .
T h e s i z e s
o f
t h e
r e -
s u l t i n g DNA
f r a g m e n t s
w e r e c o mp a re d a f t e r g e l e l e c t r o p h o r e s i s .
No d i f f e r e n c e s
a m o n g
t h e s a m p l e s
w e r e
d e t e c t e d i n
d i g e s t s
w i t h
7
o f t h e
e n z y m e s .
A n a l y s i s o f
d i g e s t s
w i t h t h e
r e m a i n i n g
e n -
z y m e s
s h o w e d o n e o r
m o r e d i f f e r e n c e s .
E a c h o f
t h e
2 1
s a m p l e s
c o u l d
b e
c h a r a c t e r i z e d
i n d i v i d u a l l y
o n
t h e
b a s i s o f t h e s e
d i g e s t s .
A l l
b e t w e e n - s a m p l e
d i f f e r e n c e s c o u l d
b e
e x p l a i n e d
b y s i n g l e
b a s e s u b s t i t u t i o n s . N o e v i d e n c e f o r s e q u e n c e
r e a r r a n g e m e n t s
( i n v e r s i o n s , t r a n s p o s i t i o n s ) w a s o b t a i n e d . F o u r t e e n o f t h e
s i t e
a l t e r a t i o n s
w e r e
s h a r e d
b y
t w o
o r
m o r e
s a m p l e s ;
s i x
o f
t h e s e
w e r e
s h a r e d
b e t w e e n
r a c e s .
T h e
d a t a i n d i c a t e
t h a t i n d i v i d u a l s
d i f f e r
f r o m
a p o s t u l a t e d
a n c e s t r a l
mtDNA
s e q u e n c e
a t
0 . 1 8
o f t h e i r
b a s e
p a i r s .
On
t h e b a s i s
o f a n
e s t i m a t e d
r a t e f o r
b a s e
s u b s t i t u t i o n o f
1%
p e r
1 0 6
y e a r s
[ B r o w n , W .
M . , G e o r g e , M . ,
J r .
W i l s o n ,
A . C .
( 1 9 7 9 )
P r o c .
N a t ) . A c a d .
S c i .
U S A
7 6 , 1 9 6 7 - 1 9 7 1 ] ,
Homo
s a p i e n s c o u l d
h a v e
s p e c i a t e d
o r
p a s s e d t h r o u g h
a s e v e r e
p o p u l a t i o n c o n s t r i c t i o n
a s
r e c e n t l y
a s 1 8 0 , 0 0 0
y e a r s
a g o .
T h e
d a t a
s u g g e s t
t h a t
g r o u p - s p e c i f i c
p a t t e r n s
o f
c l e a v a g e
e x i s t .
T h e
h i g h
r e s o l u t i o n a n d p r e c i s i o n a f f o r d e d
b y t h i s m e t h o d
o f
a n a l -
y s i s m a k e s p o s s i b l e
t h e
i n v e s t i g a t i o n o f m a n y
q u e s t i o n s
c o n -
c e r n i n g
h u m a n
p o p u l a t i o n
g e n e t i c s , e v o l u t i o n ,
a n d r e c e n t
h i s -
t o r y .
T h e m i t o c h o n d r i a l g e n o m e
o f h u m a n s i s
a
c l o s e d
c i r c u l a r
d u -
p l e x
DNA o f ; 1 6 , 5 0 0 n u c l e o t i d e
p a i r s 1 , 2 ) .
T h e
r e l a t i v e p o -
s i t i o n s
o f
t h e m i t o c h o n d r i a l
o r i g i n
o f
r e p l i c a t i o n a n d
r i b o s o m a l
g e n e s
h a v e
b e e n s h o w n
t o
b e
t h e
s a m e
a m o n g
v e r t e b r a t e s p e c i e s
( 3 - 5 ) .
I t
i s
l i k e l y
t h a t
t h e
o r d e r
o f t h e
r e m a i n i n g
m i t o c h o n d r i a l
g e n e s
w i l l
a l s o p r o v e
t o
b e h i g h l y c o n s e r v e d ,
a t
l e a s t
a m o n g
v e r t e b r a t e s
2 ,
6 ) . D e s p i t e
t h i s
c o n s e r v a t i v e f e a t u r e ,
t h e b a s e
s e q u e n c e o f m i t o c h o n d r i a l DNA ( m t D N A )
h a s
b e e n s h o w n
t o
e v o l v e r a p i d l y 2 ,
7 - 9 ) .
T h e r a t e
o f
b a s e s u b s t i t u t i o n a p p e a r s
t o b e 5 - 1 0
t i m e s
f a s t e r
t h a n
t h a t o f s i n g l e - c o p y
n u c l e a r DNA
2 ) .
T h e s e p r o p e r t i e s a n d
t h e
r e l a t i v e e a s e o f
i t s
p r e p a r a t i o n
m a k e mtDNA
a u s e f u l
m o l e c u l e
t o
e m p l o y
i n s t u d i e s o f p o p u -
l a t i o n g e n e t i c s a n d e v o l u t i o n .
Human
mtDNA s a m p l e s
w e r e o b t a i n e d
f r o m
2 1
i n d i v i d u a l s
o f d i v e r s e
g e o g r a p h i c
a n d
r a c i a l
b a c k g r o u n d s
1 0 ) .
T h e f r a g -
m e n t s
p r o d u c e d b y d i g e s t i o n
o f mtDNA w i t h 1 8
d i f f e r e n t
r e -
s t r i c t i o n
e n d o n u c l e a s e s h a v e
b e e n
a n a l y z e d
b y
g e l
e l e c t r o -
p h o r e s i s .
T h e f r a g m e n t
p a t t e r n s
h a v e b e e n c o m p a r e d a m o n g
t h e
s a m p l e s .
An
e s t i m a t e f o r t h e a v e r a g e f r a c t i o n o f
b a s e p a i r
s u b s t i t u t i o n s
i n
h u m a n mtDNA
h a s
b e e n
o b t a i n e d .
T h e
a m o u n t
o f
t i m e e l a p s e d
s i n c e t h e h u m a n
p o p u l a t i o n w a s
m o n o m o r p h i c
f o r
mtDNA h a s
b e e n c a l c u l a t e d
a s
t h e p r o d u c t o f
t h e
s u b s t i t u -
t i o n r a t e
t i m e s
t h i s f r a c t i o n . T h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e h u m a n
s p e c i e s m a y h a v e p a s s e d t h r o u g h a s e v e r e p o p u l a t i o n
c o n -
s t r i c t i o n
( b o t t l e n e c k )
r e l a t i v e l y r e c e n t l y .
H u m a n s w e r e
c h o s e n f o r
s t u d y
b e c a u s e t h e y
a r e g e n e t i c a l l y
o u t b r e e d i n g a n d , o r i g i n a l l y ,
b e c a u s e
a l a r g e a m o u n t o f mtDNA
c o u l d
b e
o b t a i n e d f r o m e a c h i n d i v i d u a l
( f r o m p l a c e n t a l
t i s s u e ) ,
t h u s
e n a b l i n g
m a n y
a n a l y s e s
t o b e
p e r f o r m e d p e r
s a m p l e 1 0 ) .
T h e
p u b l i c a t i o n c o s t s o f t h i s a r t i c l e w e r e d e f r a y e d i n p a r t b y p a g e
c h a r g e
p a y m e n t .
T h i s
a r t i c l e m u s t t h e r e f o r e b e
h e r e b y
m a r k e d
a d -
v e r t i s e m e n t i n
a c c o r d a n c e w i t h 1 8 U . S .
C . 1 7 3 4
s o l e l y
t o i n d i c a t e
t h i s f a c t .
3 6 0 5
T h e
s a m e t e c h n i q u e s
h a v e
b e e n
s u c c e s s f u l l y
a p p l i e d
t o
t h e
a n a l y s i s
o f
i n d i v i d u a l
s a m p l e s
f r o m
m u c h s m a l l e r a n i m a l s
( 1 1 ,
1 2 ) . T h e u s e
o f r a d i o a c t i v e l a b e l i n g
m e t h o d s
m a k e
m u l t i p l e
a n a l y s e s
o n
e v e n
t h e s m a l l e s t
a n i m a l s
p o s s i b l e .
MATERIALS
AND
MET HOD S
D N A s .
C l o s e d
c i r c u l a r
mtDNAs
f r o m HeLa
c e l l s
s t r a i n S 3 )
a n d f ro m
h u m a n
p l a c e n t a s
w e r e
p r e p a r e d
a s d e s c r i b e d
1 , 1 0 ) .
T h e p l a c e n t a s
w e r e
f r o m i n d i v i d u a l s
o f t h e
n e g r o i d ,
m o n g o l o i d ,
a n d
c a u c a s o i d
r a c e s ,
a s
i n d i c a t e d
i n T a b l e 1 .
B a c t e r i o p h a g e
a n d
p l a s m i d
DNAs w e r e p r e p a r e d
a s
d e s c r i b e d
1 3 ,
1 4 ) .
R e s t r i c t i o n
E n d o n u c l e a s e
D i g e s t i o n . A b b r e v i a t i o n s
f o r
t h e
n a m e s o f
t h e r e s t r i c t i o n
e n d o n u c l e a s e s
a r e t h o s e
u s e d
b y
R o b e r t s
1 5 ) .
T h e e n z y m e s
w e r e
p u r c h a s e d
f r o m Ne w
E n g l a n d
B i o L a b s
( B e v e r l y ,
M A ) .
D i g e s t i o n c o n d i t i o n s
h a v e b e e n d e s c r i b e d
1 5 ) .
E l e c t r o p h o r e s i s
o f DNA. T h e
e l e c t r o p h o r e t i c a n a l y s i s
o f
DNA
f r a g m e n t s
i n
v e r t i c a l
s l a b
g e l s
o f
1 . 2
a n d
2%
a g a r o s e
a n d
o f
3 . 5 a n d 5%
p o l y a c r y l a m i d e
w a s
p e r f o r m e d
a s
d e s c r i b e d ,
r e s p e c t i v e l y ,
b y
B r o w n e t
a l .
( 1 3 )
a n d
b y
D r o u i n a n d
S y m o n s
1 6 ) .
P o l y a c r y l a m i d e
g e l s ( a c r y l a m i d e - t o - b i s a c r y l a m i d e
r a t i o
o f
2 0 : 1 )
w i t h d i m e n s i o n s o f
4 0
X
1 5
X
0 . 0 8
cm
w e r e c a s t a n d
r u n
i n t h e
n o n d e n a t u r i n g
TBE b u f f e r
s y s t e m
d e s c r i b e d
b y
M a n i a t i s e t a l .
1 7 ) .
T h e
H i n c I I
f r a g m e n t s
o f
p h a g e
c X 1 7 4
r e p l i c a t i v e f o r m
DNA 1 8 ) ,
t h e
E c o R I
f r a g m e n t s
o f
p h a g e
X
DNA
1 9 ) ,
a n d
t h e
H i n d I I I
f r a g m e n t s
o f
p h a g e
PM2 DNA
1 1 ,
2 0 ,
2 1 )
w e r e
u s e d
a s
s i z e s t a n d a r d s .
L a b e l i n g a n d A u t o r a d i o g r a p h y
o f
DNA. F r a g m e n t s
o f
mtDNA
p r o d u c e d
b y
r e s t r i c t i o n e n d o n u c l e a s e
d i g e s t i o n
w e r e
e n d - l a b e l e d w i t h
3 2 P
b y u s i n g
t h e
p r o c e d u r e
o f
D r o u i n a n d
S y m o n s 1 6 ) .
T e n n a n o g r a m s
o f
mtDNA
w e r e
d i g e s t e d
t o
c o m p l e t i o n
w i t h
a r e s t r i c t i o n e n d o n u c l e a s e
i n
a v o l u m e
o f 1 0
A / .
One
m i c r o c u r i e
3 . 7
X
1 0 4
b e c q u e r e l s )
o f
a n
a p p r o p r i a t e
[ a - 3 2 P ] d N T P ( N e w
E n g l a n d
N u c l e a r ; t t 3 5 0 m C i / m m o l )
w a s
p l a c e d
i n
a
1 . 5 - m l
s n a p - c a p
t u b e ( B r i n k m a n n ) a n d d r i e d u n d e r
r e d u c e d p r e s s u r e . T h e
c h o i c e o f dNTP w a s d i c t a t e d
b y
t h e b a s e
s e q u e n c e
o f t h e
e n z y m a t i c
r e c o g n i t i o n
s i t e . T h e mtDNA
d i g e s t
w a s
t r a n s f e r r e d
t o t h e t u b e
c o n t a i n i n g
t h e d r i e d
l a b e l
a n d m ix e d
t o
d i s s o l v e t h e l a b e l , a n d
0 . 2 5
u n i t
o f
t h e
l a r g e f r a g m e n t ( 2 2 )
o f
E s c h e r i c h i a
c o l i DNA
p o l y m e r a s e
I
P o l I ;
B o e h r i n g e r
M a n n h e i m )
w a s
a d d e d . T h e
m i x t u r e
w a s
k e p t
a t
r o o m
t e m -
p e r a t u r e
( ; u 2 5 0 C )
f o r
2 0 - 3 0
m i n ,
t h e n
3 4 0
1 t l
o f
0 . 3
M s o d i u m
a c e t a t e
c o n t a i n i n g
2 0
, u g
o f
E .
c o l i tRNA
( S i g m a )
w a s
a d d e d
a n d
t h e
n u c l e i c a c i d s
w e r e
p r e c i p i t a t e d
b y
a d d i t i o n
o f 2 . 5
v o l
o f
c o l d
( - 2 0 C )
a b s o l u t e
e t h a n o l
a n d
i n c u b a t i o n a t - 6 5 0 C
f o r
2 0 - 3 0
m i n . A f t e r
c e n t r i f u g a t i o n
a t
5 0 C
f o r 5
m i n
( B r i n k m a n n ,
m o d e l
3 5 1 4 ) ,
t h e
s u p e r n a t a n t
w a s d e c a n t e d
a n d
t h e
p e l l e t
w a s
g e n t l y
r i n s e d w i t h 1
m l o f
c o l d
7 0
( v o l / v o l )
e t h a n o l , d r i e d
u n d e r r e d u ce d
p r e s s u r e ,
a n d
r e s u s p e n d e d
i n
5 - 1 0
A l
o f 1 0
s u c r o s e / 0 . 5 % b r o m p h e n o l
b l u e
a n d
l o a d e d
o n t o a
s l a b
g e l . A f t e r
e l e c t r o p h o r e s i s ,
t h e t o p
s u p p o r t p l a t e
w a s
r e m o v e d , t h e
g e l
a n d
b o t t o m
p l a t e
w e r e
w r a p p e d
w i t h S a r a n
Wrap
a n d
p l a c e d , g e l
s i d e
d o w n ,
o n
a
s h e e t o f K o d a k
X - O m a t
RP
f i l m f o r a u t o r a d i -
o g r a p h y
a t
- 7 0 0
C .
A l t e r n a t i v e l y ,
a f t e r t h e
t o p
p l a t e
h a d b e e n
A b b r e v i a t i o n s :
P o l l ,
DNA
p o l y m e r a s e I ; b p ,
b a s e
p a i r s ) .
-
8/10/2019 Polymorphism in Mitochondrial DNA of Humans as Revealed By
2/5
P r o c . N a t l . A c a d . S c i . USA 7 7
( 1 9 8 0 )
T a b l e
1 .
M a t e r n a l
r a c e
a n d
c o u n t r y
o f
o r i g i n
mtDNA
s a m p l e s
R a c e
B i r t h p l a c e
1 , 6 ,
9 , 1 1 , 1 2 , 1 6 - 2 0
C a u c a s o i d U . S . A .
2 , 4
C a u c a s o i d
P h i l l i p i n e s
1 3
C a u c a s o i d E g y p t
3 , 5 , 1 0 ,
1 4
M o n g o l o i d
C h i n a
7 , 8 , 1 5 ,
2 1
N e g r o i d U . S . A .
D a t a w e r e
o b t a i n e d f r o m m e d i ca l a d mi s si o n s
f o r m s .
r e m o v e d ,
f i l t e r p a p e r ( W h a t m a n 3
MM) w a s p l a c e d o n
t h e g e l
a n d
t h e
f i l t e r - b o u n d
g e l w a s d r i e d o n a
h e a t e d v a c u u m
g e l
d r y i n g a p p a r a t u s . T h i s
l a t t e r m e t h o d w a s p r e f e r r e d ,
b e c a u s e
r a p i d a n d r e p e a t e d
e x p o s u r e s
o f
t h e
d r i e d
g e l c o u l d b e
m a d e ,
u s i n g
i n t e n s i f y i n g
s c r e e n s
2 3 ) ,
w i t h o u t
t h e
p r o b l e m s
o f w a r m u p
t i m e ,
c o n d e n s a t i o n , a n d c r a c k i n g t h a t
a r e e n c o u n t e r e d w i t h w e t
g e l s .
V a r i o u s m e t h o d s
f o r d i s p l a y i n g DNA b a n d s i n
e l e c t r o p h o r e s i s
g e l s e x i s t . F l u o r e s c e n t
m e t h o d s e . g . ,
e t h i d i u m b r o m i d e s t a i n -
i n g ) a r e
f a s t
a n d i n e x p e n s i v e ,
b u t
r e q u i r e a t l e a s t 3 - 5 n g
o f DNA
p e r b a n d f o r
d e t e c t i o n .
T h i s
p o s e s
s e r i o u s p r o b l e m s w h e n t h e
a m o u n t o f DNA
i s
l i m i t i n g
o r
w h e n
t h e d e t e c t i o n
o f
f r a g m e n t s
t h a t v a r y g r e a t l y
i n
s i z e i s
d e s i r e d ; T h e u s e
o f r a d i o a c t i v e DNA
c o u p l e d
w i t h t h e
s e n s i t i v i t y
o f
a u t o r a d i o g r a p h i c d e t e c t i o n
m e t h o d s
e l i m i n a t e s t h e
f i r s t
p r o b l e m ,
b u t o n l y
c e r t a i n
t y p e s
o f
i n v i t r o r a d i o a c t i v e
l a b e l i n g t e c h n i q u e s
a l s o
e l i m i n a t e t h e
s e c o n d .
T h e s e t e c h n i q u e s a t t a c h
o n e
t o a
f e w
r a d i o a c t i v e a t o m s
t o t h e
e n d s
o f a DNA
f r a g m e n t , t h u s
m a k i n g
t h e
a m o u n t
o f
r a d i o a c t i v i t y
i n
a
g e l
b a n d i n d e p e n d e n t o f t h e f r a g m e n t
s i z e .
B o t h T 4
p o l y n u c l e o t i d e k i n a s e
a n d E . c o l h P o l l a r e
e n z y m e s
c a p a b l e
o f
e n d - l a b e l i n g
DNA
f r a g m e n t s .
T 4
p o l y n u c l e o t i d e
k i n a s e l a b e l s
a l l
e n d s e q u a l l y ,
b u t r e q u i r e s a DNA
f r a g m e n t
w i t h a n
e x t e n d e d 5 ' e n d f o r e f f i c i e n t
l a b e l i n g ( 2 4 , 2 5 ) . T h i s
l i m i t s
i t s
u s e f u l n e s s , b e c a u s e m a n y r e s t r i c t i o n e n d o n u c l e a s e s
p r o d u c e DNA
f r a g m e n t s
w i t h b l u n t
o r 3 ' - e x t e n d e d e n d s . T h e
l a r g e f r a g m e n t o f P o l l
c o n t a i n s
a 3 - t o - 5
e x o n u c l e o l y t i c
a c t i v i t y
a s w e l l
a s
DNA
p o l y m e r i z i n g
a c t i v i t y 2 2 ) ,
t h u s
e n a b l i n g
i t t o
l a b e l a l l
t h r e e
t y p e s
o f DNA
f r a g m e n t
e n d s .
P o l l
i s
a c t i v e o v e r
a
w i d e
r a n g e
o f
b u f f e r
c o n d i t i o n s ,
i n c l u d i n g
t h o s e
u s e d
f o r
r e -
s t r i c t i o n
e n d o n u c l e a s e
d i g e s t i o n ,
t h u s
r e q u i r i n g
n o b u f f e r
c h a n g e s
o r
m a n i p u l a t i o n
o f t h e DNA a f t e r
d i g e s t i o n . T h e
s i n g l e
d i s a d v a n t a g e
o f
P o l l
i s
t h a t t h e
d e g r e e
o f
l a b e l i n g
a m o n g d i f -
f e r e n t DNA
f r a g m e n t s m a y b e u n e q u a l . T h i s i n e q u a l i t y i s
p r o b a b l y
a
c o n s e q u e n c e
o f
s e q u e n c e d i f f e r e n c e s
a d j a c e n t
t o t h e
f r a g m e n t
e n d s
a n d
c a n m a k e t h e
d e t e c t i o n
o f
b a n d s c o n t a i n i n g
m o r e
t h a n o n e
f r a g m e n t
d i f f i c u l t .
M b o
I - g e n e r a t e d
f r a g m e n t s
g a v e
t h e
g r e a t e s t r a n g e
o f
i n t e n s i t i e s e n c o u n t e r e d
( s e e
F i g .
2
a n d
r e f .
1 6 ) .
T h i s w a s
n o t a
p r o b l e m
w i t h
t h e o t h e r
e n d o n u c -
l e a s e s
e m p l o y e d , a n d
i n c r e a s e d b a n d i n t e n s i t y c o r r e l a t e d w e l l
w i t h t h e p r e s e n c e o f m o r e t h a n o n e
f r a g m e n t
i n
t h e
b a n d .
RESULTS
A n a l y s i s
o f
Human
mtDNA
A f t e r
C l e a v a g e
a t
H e x a n u -
c l e o t i d e
S i t e s .
T h e
p a t t e r n s
s e e n
a f t e r 1 . 2
a g a r o s e g e l e l e c -
t r o p h o r e s i s o f
H p a
I
r e s t r i c t i o n e n d o n u c l e a s e
d i g e s t s ( F i g . 1 )
w e r e
i d e n t i c a l
f o r
1 8
o f
t h e
2 1
s a m p l e s
a n d
c o n s i s t e d o f
t h r e e
b a n d s
c o r r e s p o n d i n g
t o DNA
f r a g m e n t s
o f
9 9 0 0 ,
4 2 9 0 ,
a n d
2 3 1 0
b a s e
p a i r s
b p ) .
O n e
s a m p l e
n o .
3 , F i g .
1 )
l a c k e d
t h e 9 9 0 0 -
a n d
2 3 1 0 - b p
b a n d s
a n d
s h o w e d o n e
n e w
b a n d ,
o f
1 2 , 2 9 0 b p ;
t w o
s a m p l e s
n o . 7 ,
F i g . 1 ,
a n d
n o .
1 5 ,
d a t a n o t
s h o w n )
e x h i b i t e d
i d e n t i c a l
p a t t e r n s
i n
w h i c h
e a c h
l a c k e d t h e 9 9 0 0 - b p b a n d a n d
s h o w e d t w o
n e w
b a n d s o f 7 5 9 0
a n d
1 9 8 0
b p .
T h e s e d a t a
s u g g e s t
t h a t
t h e
H p a
I
s i t e
b e t w e e n t h e 9 9 0 0 -
a n d 2 3 1 0 - b p f r a g m e n t s
h a s b e e n
l o s t
i n s a m p l e 3 , r e s u l t i n g i n a f u s i o n o f t h e s e
f r a g -
m e n t s . T h i s
s i t e
l o s s
i s
i d e n t i c a l t o t h e H i n c I H
s i t e
l o s s
r e p o r t e d
f o r
t h i s
s a m p l e
1 0 ) , b e c a u s e a l l
H p a
I
s i t e s
a r e a l s o
r e c o g n i z e d
b y H i n c I I .
A
n e w
s i t e , w i t h i n t h e
9 9 0 0 - b p f r a g m e n t , h a s b e e n
g a i n e d
i n b o t h
s a m p l e
7 a n d
s a m p l e
1 5 , r e s u l t i n g
i n t h e
l o s s
o f
t h i s
f r a g m e n t
a n d
t h e
p r o d u c t i o n
o f
t w o n e w
f r a g m e n t s o f
7 5 9 0
a n d 1 9 8 0
b p .
T h e l a n e
c o n t a i n i n g
t h e
H p a
I
d i g e s t o f
s a m p l e
1 0
s h o w s ,
i n a d d i t i o n t o t h e
t h r e e
t y p i c a l l y
s e e n
b a n d s , f o u r
f a i n t
b a n d s .
T h e s e r e s u l t e d f r o m t h e
i n c o m p l e t e
d i g e s t i o n
o f
t h i s
s a m p l e .
D i g e s t i o n
o f a n o t h e r
p o r t i o n
o f
t h i s
s a m p l e
u n d e r
m o r e
e x h a u s t i v e
c o n d i t i o n s r e s u l t e d i n c o m p l e t e
c o n v e r s i o n
t o
t h e
t h r e e
t y p i c a l
b a n d s
( d a t a n o t s h o w n ) .
A n a l y s i s o f t h e
Kpn
I - d i g e s t e d s a m p l e s
i n 1 . 2
a g a r o s e
g e l s
s h o w e d
t w o
b a n d s
i n
e a c h
l a n e ,
a s
r e p o r t e d
2 ) .
H o w e v e r ,
i n
s a m p l e 1 0
t h e s m a l l e r f r a g m e n t e x h i b i t e d a d e c r e a s e d
m o b i l i t y ,
c o r r e s p o n d i n g
t o a
s i z e i n c r e a s e
o f
- - 8 0
b p .
E l e c t r o p h o r e s i s
o f
t h e
Kpn
I
d i g e s t s
i n
2% a g a r o s e r e v e a l e d
a t h i r d f r a g m e n t , o f
' - 8 0
b p ,
i n a l l
s a m p l e s
e x c e p t
1 0
( d a t a
n o t
s h o w n ) .
T h e
l o c a t i o n
o f t h e t h i r d
Kpn I
s i t e
w a s
n o t
m a p p e d , b u t
s e q u e n c i n g
s t u d i e s
J .
D r o u i n ,
p e r s o n a l
c o m m u n i c a t i o n ) h a v e s h o w n i t
t o b e
t 7 5
b p
f r o m
t h e
Kpn
I
s i t e
a t
4
map
u n i t s
2 ) .
T h e
p a t t e r n s
p r o d u c e d b y
e l e c t r o p h o r e s i s
o f
t h e s a m p l e s
a f t e r
s e q u e n t i a l
d i g e s t i o n
w i t h P v u
I I , S a c I
a n d X h o
I
w e r e i d e n t i c a l
f o r a l l
2 1
s a m p l e s .
Human
mtDNA h a s a
s i n g l e
s i t e
f o r
e a c h
o f
P v u I I a n d
X h o
I
a n d t w o s i t e s f o r S a c
I
T h e
l o c a t i o n s o f t h e s e
s i t e s i n
h u m a n mtDNA a r e k n o w n
2 ) .
D i g e s t s
o f t h e
s a m p l e s
w i t h t h e r e s t r i c t i o n
e n d o n u c l e a s e s
B a m H I ,
E c o R I ,
H i n c I I ,
H i n d I I I ,
P s t
I
a n d
X b a I ,
d i s c u s s e d
i n
d e t a i l e l s e w h e r e
1 0 ) ,
s h o w e d
o n l y
t h r e e
a t y p i c a l p a t t e r n s :
a n
i d e n t i c a l BamHI s i t e g a i n i n
s a m p l e s 2 a n d 9 ,
a n d
a
H i n c I l s i t e
l o s s
i n
s a m p l e 3 1 0 ) .
T h e
r e m a i n d e r o f t h e
s a m p l e s s h o w e d o n l y
t h e
p a t t e r n s
t y p i c a l
f o r t h e s e
e n z y m e s .
A n a l y s i s o f
Human
mtDNAs A f t e r
C l e a v a g e
a t
T e t r a n u -
c l e o t i d e S i t e s . T h e mtDNA
f r a g m e n t s
p r o d u c e d
b y d i g e s t i o n
w i t h
t h e
e n z y m e s
A l u
I
H a e I I I ,
H i n f l , H p a
I I , Mb o
I
a n d
T a q
I w e r e
e n d - l a b e l e d w i t h 3 2 P a n d
a n a l y z e d
b y e l e c t r o p h o r e s i s
i n
4 0 - c m - l o n g
3 . 5
a n d 5
p o l y a c r y l a m i d e g e l s .
T h e
p o s i t i o n s
o f
t h e
f r a g m e n t s
i n t h e
g e l s
w e r e
d e t e c t e d
a u t o r a d i o g r a p h i c a l l y .
D r o u i n
a n d
S y m o n s ( 1 6 )
h a v e
r e p o r t e d
t h a t Mb o
I
d i g e s t i o n
p r o d u c e s
2 3
f r a g m e n t s ,
w h i c h
m i g r a t e
a s 2 1
d i s t i n c t b a n d s . D u e
t o a
h i g h b a c k g r o u n d o f
r a d i o a c t i v i t y
i n
t h e s i z e
r a n g e b e l o w
t S 3 0
b p
w h e n
[ a - 3 2 P ] d G T P w a s
u s e d
a s
l a b e l ,
t h e s m a l l e s t
Mb o
I
f r a g m e n t
o b s e r v e d
w a s
t h e
3 3 - b p f r a g m e n t ( f r a g m e n t
2 2
i n
r e f .
1 6 ) . T y p i c a l
Mb o I
p a t t e r n s
w e r e
e x h i b i t e d
b y
1 3
o f
t h e
2 1
s a m p l e s . T h e s e a r e
r e p r e s e n t e d b y
n o s .
3 , 6 ,
a n d 7
i n
F i g .
2 .
A t y p i c a l
p a t t e r n s w e r e
s e e n
i n
s a m p l e s 1 , 2 ,
4 ,
5 , 8 , 9 ,
1 0 ,
a n d
1 5
( F i g .
2 ) .
On
t h e
b a s i s
o f
f r a g m e n t s i z e ,
t h e
a t y p i c a l p a t t e r n s
c a n
b e
e x p l a i n e d
e i t h e r
b y
t h e
l o s s o f
a
t y p i c a l l y o c c u r r i n g
Mbo
I
s i t e
o r
b y t h e g e n e r a t i o n
o f a n e w
s i t e
w h e r e t h e r e i s
t y p i c a l l y
n o n e . T h e
a t y p i c a l
Mbo
I
p a t t e r n s
e x h i b i t e d
b y
s a m p l e s
2
a n d
9
a r e i d e n t i c a l t o e a c h
o t h e r ,
a s
a r e t h o s e
f o r
s a m p l e s
4 a n d
8 .
T h e s i t e
g a i n
s e e n i n
s a m p l e s
2
a n d
9
c o r r e s p o n d s
t o t h e
BamHI
1
2 3
4
5 6
7
8 9
1 0
; A
i . 3
LaiLiJt
7 . 6 -
4.3-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
43
_~
L J ~
_
t _ ..
f i
2 . 3 -
D
. __
2 . o - -
F I G . 1 .
A
1 . 2
a g a r o s e g e l
e l e c t r o p h o r e s i s
o f
Hpa
I
d i g e s t s
o f
human
mtDNA
s a m p l e s
1 - 1 0 .
T h e
b a n d
p a t t e r n s
o f
s a m p l e s
3
a n d
7 d i f f e r
f r o m
t h o s e
o f
t he o th e r
s a m p l e s .
T h e
DNA
f r a g m e n t
s i z e s ,
s h o w n
o n t h e l e f t
i n
b p
X
1 0 - 3 ,
w e r e
e s t i m a t e d
f r o m
a
c a l i b r a t i o n
c u r v e
u s i n g E c o R I - d i g e s t e d
A
DNA
( a b o v e )
a n d
H i n d I I I - d i g e s t e d
PM2
DNA
( n o t
s h o w n )
a s
s i z e
s t a n d a r d s . F a i n t
b a n d s
a r e
d u e t o
i n -
c o m p l e t e
d i g e s t i o n .
3 6 0 6
G e n e t i c s :
B r o w n
-
8/10/2019 Polymorphism in Mitochondrial DNA of Humans as Revealed By
3/5
P r o c .
N a t l . A c a d . S c i .
USA
7 7
( 1 9 8 0 ) 3 6 0 7
s i t e g a i n p r e v i o u s l y r e p o r t e d f o r t h e s e s a m p l e s 1 0 ) , b e c a u s e
t h e
M b o
I
r e c o g n i t i o n
s e q u e n c e
( G - A - T - C ) i s c o n t a i n e d w i t h i n
t h a t
f o r BamHI ( G - G - A - T - C - C ) . T h i s i s c o n f i r m e d
b y a c o m p a r i s o n
o f t h e
l o c a t i o n s o f t h e s e s i t e s
i n
t h e
h u m a n
mtDNA c l e a v a g e
m a p s f o r BamHI
( 1 0 )
a n d f o r Mb o
I
( 1 6 , 2 6 ) . T h e p a t t e r n e x -
h i b i t e d
b y
s a m p l e 5 , F i g . 2 , i s p r o b a b l y d u e t o l o s s
o f
t h e Mb o
I s i t e
b e t w e e n
t h e f r a g m e n t s c o n t a i n e d
i n
t h e b a n d s c o r r e -
s p o n d i n g
t o
f r a g m e n t s o f 7 8 0 a n d
2 5
b p , t h u s
i n d i c a t i n g
t h a t
t h e s e
f r a g m e n t s
a r e
a d j a c e n t .
T h e l o s s
o f
t h e 2 5 - b p
f r a g m e n t
i n t h i s
s a m p l e
c o u l d
n o t
b e
c o n f i r m e d ,
d u e
t o
t h e
h i g h b a c k -
g r o u n d o f r a d i o a c t i v i t y i n
t h i s
s i z e r e g i o n o f t h e g e l ,
m e n t i o n e d
e a r l i e r .
T h i s r e s u l t c o n t r a d i c t s
t h e
p u b l i s h e d
M b o I
m a p
( 1 6 ,
2 6 ) ,
i n w h i c h t h e 7 8 0 a n d
2 5 - b p
f r a g m e n t s
a r e
s h o w n a s n o n -
a d j a c e n t .
U n p u b l i s h e d
s e q u e n c e
d a t a c o n f i r m
t h a t
t h e p l a c e -
m e n t o f
t h e
2 5 - b p
f r a g m e n t
i n t h e m a p a s
p u b l i s h e d i s
i n c o r r e c t
J
D r o u i n , p e r s o n a l
c o m m u n i c a t i o n ) . T h e
a d j a c e n t l o c a t i o n o f
t h e
7 8 0 - a n d 2 5 b p f r a g m e n t s , s u g g e s t e d b y t h e a n a l y s i s o f
s a m p l e
5 , r e m a i n s t o
b e
c o n f i r m e d .
T h e i n t e n s i t y
o f d i f f e r e n t b a n d s
w i t h i n
a s a m p l e l a n e c a n
b e
s e e n
t o
v a r y
o v e r
a l a r g e r a n g e e . g . , c o m p a r e
t h e
b a n d s
a t 6 2 0
a n d 6 0 0
b p i n
F i g . 2 ) .
T h i s v a r i a t i o n
i s h i g h l y
r e p r o d u c i b l e
a n d
i s a n
a r t i f a c t o f t h e
l a b e l i n g m e t h o d ( s e e M a t e r i a l s
a n d
M e t h -
o d s ) ;
i t i s n o t
d u e t o
i n c o m p l e t e d i g e s t i o n ,
b e c a u s e
t h e p a t t e r n
i s
u n a f f e c t e d
b y
m o r e
e x h a u s t i v e d i g e s t i o n
a n d
b e c a u s e
t h e
s u m
o f
t h e f r a g m e n t s i z e s i s e q u a l
t o o n e
m i t o c h o n d r i a l g e n o m e .
D i g e s t i o n w i t h
H i n f l t y p i c a l l y
p r o d u c e d 3 2
f r a g m e n t s ,
w h i c h m i g r a t e d
a s
3 1 e l e c t r o p h o r e t i c a l l y
d i s t i n c t
b a n d s ( F i g .
3 ) . T h e c o r r e s p o n d i n g
f r a g m e n t
s i z e s a c c o u n t
f o r
9 9 o f t h e
m i t o c h o n d r i a l
g e n o m e .
T e n
o f
t h e s a m p l e s ( 1 - 3 , 6 , 9 ,
1 1 - 1 3 ,
1 6 , a n d
1 9 )
s h o w e d i d e n t i c a l p a t t e r n s .
E l e v e n
o f t h e s a m p l e s
e x h i b i t e d a t y p i c a l p a t t e r n s ; a l l c a n b e e x p l a i n e d b y
s i n g l e - s i t e
l o s s e s o r g a i n s . T w o , 7 a n d 1 5 , s h o w e d i d e n t i c a l p a t t e r n s , c a u s e d
b y t h e g a i n o f a
H i n f I
s i t e
i n
t h e 3 8 5 - b p f r a g m e n t t h a t r e s u l t e d
i n
t h e
p r o d u c t i o n
o f
t h e
3 6 0 - a n d 2 5 - b p
f r a g m e n t s
o b s e r v e d .
S e v e n s a m p l e s
5 , 7 , 1 0 , 1 4 , 1 5 , 1 7 , a n d 2 1 ) e x h i b i t e d a l o s s o f
t h e 8 7 5 - b p f r a g m e n t
a n d
a p p e a r a n c e o f
a s e c o n d 8 9 0 - b p
f r a g m e n t , p r e s u m a b l y
t h e
r e s u l t
o f
f u s i o n o f t h e 8 7 5 - b p f r a g -
m e n t w i t h a
p o s t u l a t e d a d j a c e n t
1 5 - b p
f r a g m e n t .
I n
a d d i t i o n
t o
t h i s
k i n d
o f
a t y p i c a l
H i n f I
p a t t e r n ,
h o w e v e r ,
t w o
o f
t h e a t y p i c a l s a m p l e s
( 7
a n d 1 5 )
a n d t h r e e
t y p i c a l s a m p l e s
8 , 1 3 , a n d 1 9 ) s h o w e d
a s e c o n d k i n d
o f p a t t e r n . T h i s
c o n s i s t e d
o f
t h e a p p e a r a n c e
o f
f a i n t a t y p i c a l b a n d s
t h a t
c o u l d
n o t b e
r a -
t i o n a l i z e d
s i m p l y
b y a s i t e g a i n
o r
l o s s . T he s e b an d s
w e r e a l s o
c h a r a c t e r i z e d
b y
t h e i r r e l a t i v e l a c k
o f
r a d i o a c t i v i t y ,
b e c a u s e
o v e r e x p o s u r e
o f
t h e a u t o r a d i o g r a m w a s
n e c e s s a r y
f o r
t h e i r
v i -
s u a l i z a t i o n .
S u c h b a n d s , f a i n t l y
v i s i b l e i n
F i g .
3 ,
c o u l d r e f l e c t
w i t h i n - s a m p l e
h e t e r o g e n e i t y . T h e p r e s e n c e o f s u b s t o i c h i o -
m e t r i c
b a n d s
i n
H a e
I I I d i g e s t s
o f
mtDNA h a s b e e n
r e p o r t e d
9 ) .
H o w e v e r , u p o n f u r t h e r
d i g e s t i o n
t h e i n t e n s i t y
o f
t h e s e
b a n d s d e c r e a s e d d r a m a t i c a l l y . A
p o s s i b l e e x p l a n a t i o n
i s
t h a t
2 : 3 4
7
9,
1 0 1
5
2 , . O O dw
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p o l y a c r y l -
a m i d e
g e l
o f
Mb o
I
d i g e s t s o f
human mtDNA
s a m p l e s
1 - 1 0
a n d 1 5 . A l l
a t y p i c a l f r a g m e n t s
o b s e r v e d w e r e > 4 5 0
b p , h e n c e
t h e
p o r t i o n
o f
t h e g e l
c o n t a i n i n g
s m a l l e r
f r a g m e n t s
i s
n o t s h o w n .
The
b a n d p a t t e r n
s h o w n b y
s a m p l e s 3 , 6 ,
a n d
7
w a s
t y p i c a l
f o r
t h e
m a j o r i t y
o f t he
2 1
s a m p l e s
a n a l y z e d . S a m p l e s
2
a n d 9 s h o w
i d e n t i c a l
a t y p i c a l p a t t e r n s ,
as
d o
s a m p l e s
4 a n d 8 . The DNA
f r a g -
ment
s i z e s ,
i n
b p ,
ar e s h o w n o n
t h e l e f t . The f a i n t b a n d s
ar e
c o m p l e t e l y
d i g e s t e d
f r a g m e n t s
t h a t ,
b e c a u s e
o f
t h e
l a b e l i n g
m e t h o d ,
d o
n o t
l a b e l w e l l .
)
P2 4 8 S 1 1 1 3
1 5
1 7 1 9 2 1
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W
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W W
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40
F I G .
3 . P o l y a c r y l a m i d e g e l e l e c t r o p h o r e s i s o f
H i n f I
d i g e s t s
o f
human mtDNA s a m p l e s 1 - 2 1 . U p p e r g e l , 3 ;
l o w e r
g e l , 5 .
T h e
t y p i c a l
p a t t e r n
o f
b a n d s i s s h o w n
b y s a m p l e s 1 - 3 , 6 , 9 , 1 1 - 1 3 ,
a n d
1 9 .
Among t h e a t y p i c a l
p a t t e r n s ,
a n
e x a m p l e o f
a
s h a r e d m o r p h may b e
e a s i l y
s e e n
i n
s a m p l e s
7
a n d
1 5 ,
i n
w h i c h
t h e
t y p i c a l
b a n d a t
t h e
p o -
s i t i o n
c o r r e s p o n d i n g
t o 3 9 0
b p
h a s b e e n
l o s t ( b o t h g e l s )
a n d t w o
a t y p -
i c a l
b a n d s
o c c u r
a t
p o s i t i o n s
c o r r e s p o n d i n g
t o
3 7 3
a n d
2 7
b p
( l o w e r
g e l ) .
T h e a b s e n c e o f
t h e
6 6 - b p
f r a g m e n t
i n
s a m p l e s
1 4
a n d 1 8
( l o w e r
g e l ) r e s u l t s ,
i n
b o t h , f r o m
a
s i t e
l o s s . T h i s i s n o t
a
s h a r e d
m o r p h ,
h o w e v e r , b e c a u s e
t h e
l o s t
s i t e
i s a t o n e e n d
o f t h e
6 6 - b p f r a g m e n t
i n
s a m p l e 1 4
a n d a t
t he o th e r
e n d i n s a m p l e 1 8
( s e e
T a b l e
2 ) . F r a g m e n t
s i z e s , g i v e n o n
t h e
l e f t ,
w e r e e st im at e d
b y u s i n g
H i n c I I
d i g e s t s
o f
4 ) X 1 7 4
r e p l i c a t i v e
f o r m DNA
4 ) )
a n d
H i n d I l l
d i g e s t s
o f
PM2 DNA
( P ,
u p p e r g e l )
a s
s i z e
s t a n d a r d s .
t h e s e b a n d s
r e p r e s e n t i n c o m p l e t e l y d i g e s t e d f r a g m e n t s
c o n -
t a i n i n g
H i n f I
s i t e s
t h a t a r e c l e a v e d
m o r e
s l o w l y
t h a n
u s u a l .
T e n f o l d d i f f e r e n c e s
i n
t h e k i n e t i c s
o f
s i t e
c l e a v a g e
a r e
k n o w n
1 9 ) .
I n
t h e p r e s e n t
s t u d y
t h i s p h e n o m e n o n
w a s
o b s e r v e d
o n l y
i n
d i g e s t s w i t h
H i n f I .
T h e
n u m b e r s
o f
f r a g m e n t s
t y p i c a l l y p r o d u c e d b y d i g e s t i o n
w i t h
t h e
r e m a i n i n g
e n z y m e s
w e r e :
A l u
I 4 8 ;
H a e
I I I ,
4 6 ;
H h a
I 1 7
1 0 ) ; H p a
I ,
2 3
1 0 ) ; T a q
I
2 8 .
F r a g m e n t s
o f
< 3 0
b p
w e r e
n o t s c o r e d .
T h e s u m s
o f
t h e
f r a g m e n t
s i z e s
w e r e
e q u a l
t o
1 0 0
+3% o f t h e mtDNA f o r
d i g e s t s
w i t h a l l
e n z y m e s
e x c e p t
A l u
I ,
w h i c h
s u m m e d
t o 9 4 . T h i s
l o w e r
v a l u e
i s
p r o b a b l y
d u e
t o
b a n d s
c o n t a i n i n g
m o r e t h a n
o n e
f r a g m e n t
n o t
b e i n g
s c o r e d
a s
s u c h .
R e e x a m i n a t i o n o f t h e
H p a
I I
d i g e s t s
r e s u l t e d
i n t h e
o b -
s e r v a t i o n ,
i n
s a m p l e
1 3 ,
o f a n
a t y p i c a l
s i t e
g a i n
n o t
r e p o r t e d
i n
r e f .
1 0 .
A l l
a t y p i c a l
p a t t e r n s
o b s e r v e d
c o u l d
b e
e x p l a i n e d b y
s i t e
g a i n s
o r
l o s s e s ,
a s s u m m a r i z e d i n
T a b l e
2 .
DISCUSSION
Human
mtDNA
E x h i b i t s
S e q u e n c e P o l y m o r p h i s m .
M i -
t o c h o n d r i a l
DNA
s a m p l e s
f r o m
e a c h
o f 2 1 h u m a n s o f d i v e r s e
r a c i a l a n d
g e o g r a p h i c
o r i g i n
w e r e
d i g e s t e d
w i t h
e a c h
o f
1 8
r e s t r i c t i o n e n d o n u c l e a s e s .
E s t i m a t e s o f
t h e s i z e s
o f t h e
r e s u l t i n g
G e n e t i c s : B r o w n
-
8/10/2019 Polymorphism in Mitochondrial DNA of Humans as Revealed By
4/5
-
8/10/2019 Polymorphism in Mitochondrial DNA of Humans as Revealed By
5/5
P r o c . N a t l . A c a d .
S c i . U S A
7 7
( 1 9 8 0 )
3 6 0 9
T a b l e 4 . P o l y m o r p h i s m s
s h a r e d
b y
m u l t i p l e s a m p l e s
M o r p h s s h a r e d *
S a m p l e s S i t e
g a i n s
S i t e
l o s s e s R a c e t
4 , 8 E - 3 , F - 2 ,
H - 2 ,
J - 4 C 9N
7 , 1 5 B - 3 , H - 4
E - 7 ,
H - 3
N
5 , 1 0 E - 6
F - 3 ,
H - 3
M
1 2 , 1 6
F - 4
C
2 , 9
J - 3
C
1 , 6 , 1 1 , 1 3 , 1 9
E - 2
C
1 1 , 1 2 , 1 8 F - 3 C
1 4 , 1 7 , 2 1 H - 3 C , M ,
N
3 , 9
G - 3 M, C
*
T h e m o r p h s
a r e
a s d e s i g n a t e d
i n
T a b l e
2 .
t
C ,
c a u c a s o i d ; M , m o n g o l o i d ;
N ,
n e g r o i d ;
c f .
T a b l e 1 .
o b s e r v e d ,
i t
i s
u n l i k e l y
t h a t m o r e t h a n o n e b a s e
s u b s t i t u t i o n
p e r
s i t e
h a s
o c c u r r e d .
S e q u e n c e
H e t e r o g e n e i t y Ma y S u g g e s t
a R e c e n t P o p u l a t i o n
C o n s t r i c t i o n .
T h e r a t e
o f
b a s e s u b s t i t u t i o n o f m a m m a l i a n
mtDNA
h a s
b e e n
e s t i m a t e d
t o
b e
0 . 5 - 1 . 0 %
p e r l i n e a g e p e r
1 0 6
y e a r s 2 ) .
A t t h i s
r a t e ,
t h e a m o u n t o f s e q u e n c e
h e t e r o g e n e i t y
o b s e r v e d ,
0 . 1 8 % , c o u l d h a ve b e e n g e n e r a t e d
f r o m a
s i n g l e
m a t i n g
p a i r
t h a t e x i s t e d
1 8 0 - 3 6 0
X
1 0 3 y e a r s
a g o ,
s u g g e s t i n g
t h e
p o s s i b i l i t y t h a t
p r e s e n t - d a y
h u m a n s
e v o l v e d
f r o m
a
s m a l l
m i t o c h o n d r i a l l y m o n o m o r p h i c p o p u l a t i o n
t h a t e x i s t e d
a t
t h a t
t i m e .
T h e b a s i c
s i m i l a r i t y
i n
t h e
c l e a v a g e p a t t e r n s
o f t h e
s a m p l e s
i n d i c a t e s t h a t
t h e
m a j o r r a c i a l d i v e r g e n c e s h a v e
o c c u r r e d
s i n c e
t h e n .
S h a r e d P o l y m o r p h i s m s May I n d i c a t e G r o u p A f f i n i t i e s .
A s
n o t e d , m a n y o f
t h e
s i t e
a l t e r a t i o n s
o b s e r v e d a r e
s h a r e d
b y
t w o o r m o r e s a m p l e s .
T h e s e
s h a r e d
m o r p h s ,
s u m m a r i z e d
i n
T a b l e 4 , c o u l d h a v e
a r i s e n e i t h e r
b y
i n h e r i t a n c e f r o m a c o m m o n
a n c e s t o r
o r
b y i n d e p e n d e n t
p a r a l l e l
a c q u i s i t i o n .
P a r a l l e l a c -
q u i s i t i o n
s e e m s
u n l i k e l y , g i v e n
t h e l o w l e v e l o f v a r i a t i o n
p r e s e n t .
H o w e v e r ,
i n
t h e c a s e
o f
s h a r e d
s i t e
l o s s e s i t c a n n o t b e
r u l e d o u t ,
b e c a u s e t h e s a m e s i t e
c o u l d
b e l o s t
i n
d i f f e r e n t
l i n e a g e s d u e
t o
s u b s t i t u t i o n s
a t
d i f f e r e n t
b a s e s
w i t h i n
t h e s i t e .
T h e
m o s t
s t r i k i n g
s h a r e d
m o r p h
i s
p e r h a p s ,
t h e
s i t e
l o s s ,
H - 3 ,
t h a t o c c u r s
i n
7
o f
t h e
s a m p l e s ( T a b l e s 3
a n d
4 ) .
T h e s e s a m p l e s
r e p r e s e n t a l l
t h r e e
r a c e s ,
b u t
n o t
o n
a
p r o p o r t i o n a t e
b a s i s
O n l y
1
c a u c a s o i d
s a m p l e
i s
r e p r e s e n t e d , o u t o f 1 3 t o t a l , w h e r e a s
3
o f 4
n e g r o i d a n d
3
o f
4
m o n g o l o i d
s a m p l e s
s h o w t h e l o s s . T h i s s i t e l o s s
m a y r e p r e s e n t
a
r e l a t i v e l y
a n c i e n t
v a r i a n t t h a t w a s p r e s e n t
i n
m o s t h u m a n
p o p u l a t i o n s
b e f o r e t h e
o c c u r r e n c e
o f r a c i a l
d i v e r g e n c e .
S e v e r a l
o f t h e
a t y p i c a l
m o r p h s a r e s e e n t o o c c u r
o n l y
i n t r a -
r a c i a l l y ( T a b l e
4 ) .
B e c a u s e
o f t h e i r l o w e r p r o b a b i l i t y o f o c -
c u r r e n c e , s h a r e d s i t e
g a i n s
a r e a m o r e s i g n i f i c a n t i n d i c a t o r o f
g e n e t i c
r e l a t i o n s h i p s
t h a n a r e s h a r e d
s i t e
l o s s e s .
B y
t h i s c r i t e r i o n
a
n u m b e r
o f
r a c i a l
a f f i n i t i e s
a r e
s e e n . H o w e v e r ,
t h e
m o s t c l o s e l y
r e l a t e d s a m p l e s
a n a l y z e d
a r e
4
a n d 8 ,
w h i c h
s h a r e
4
a t y p i c a l
s i t e
g a i n s . T h e s e s a m p l e s
s h o w
n o
a f f i n i t y w i t h a n y
o f
t h e o t h e r
s a m p l e s
a n d d i f f e r
f r o m e a c h o t h e r
o n l y b y
t h e
p r e s e n c e ,
i n
4 ,
o f
a
s i t e
l o s s , E - 4 .
S a m p l e
4
i s
i d e n t i f i e d
a s
a
P h i l l i p i n e - b o r n
c a u c a s o i d
a n d
8 a s a
U . S . A . - b o r n n e g r o i d .
U n f o r t u n a t e l y ,
n o
f u r t h e r
i n f o r m a t i o n
o n
t h e
s a m p l e s
h a s b e c o m e a v a i l a b l e .
A l t h o u g h t h e s e
d a t a
d o
n o t
u n e q u i v o c a l l y d e m o n s t r a t e t h e
e x i s t e n c e o f
g r o u p - s p e c i f i c
mtDNA
r e s t r i c t i o n e n d o n u c l e a s e
f r a g m e n t p a t t e r n s , t h e y
d o
s u g g e s t t h i s
a s a
s t r o n g
p o s s i b i l i t y .
B o t h
l a r g e r s a m p l e s i z e s a n d
m o r e e x t e n s i v e
g e n e a l o g i c a l i n -
f o r m a t i o n a r e
n e e d e d f o r
a n a c c u r a t e a s s e s s m e n t
o f
t h i s .
T h e
h i g h d e g r e e
o f p r e c i s i o n
a f f o r d e d b y t h e s e a n a l y s e s
i n d i c a t e s t h a t
i t w i l l
b e
p o s s i b l e
t o o b t a i n
d a t a t h a t m a y h e l p a n s w e r m a n y o f
t h e
q u e s t i o n s a b o u t h u m a n p o p u l a t i o n g e n e t i c s , p r e h i s t o r y , a n d
r e c e n t e v o l u t i o n .
I
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d e e p l y g r a t e f u l
t o b o t h A l l a n
C .
W i l s o n ,
D e p a r t m e n t
o f B i o -
c h e m i s t r y , U n i v e r s i t y
o f
C a l i f o r n i a , B e r k e l e y ,
a n d
H o w a r d
M .
G o o d m a n ,
D e p a r t m e n t
o f
B i o c h e m i s t r y
a n d
B i o p h y s i c s ,
U n i v e r s i t y
o f
C a l i f o r n i a ,
S a n
F r a n c i s c o ,
f o r t h e i r
i n t e r e s t ,
s u p p o r t ,
a n d e n c o u r -
a g e m e n t ,
a n d f o r
t h e u s e
o f t h e i r f a c i l i t i e s . I
a l s o
t h a n k
A l i c e
W a n g
f o r
e x c e l l e n t
t e c h n i c a l
a s s i s t a n c e ;
J a c
D r o u i n a n d D a v id
C l a y t o n
f o r
c o m m u n i c a t i n g
r e s u l t s o f t h e i r c u r r e n t
r e s e a r c h ;
S u s a n
B r o w n ,
H a r o l d
V a r m u s ,
S t e v e
F e r r i s ,
R e b e c c a
C a n n ,
a n d S t e v e
C a r r
f o r
h e l p f u l
d i s -
c u s s i o n s ;
a n d
L o r i
E r d l e y
f o r a s s i s t a n c e i n
p r e p a r i n g
t h i s
m a n u s c r i p t .
T h i s
w o r k
h a s
b e e n
s u p p o r t e d b y
N a t i o n a l S c i e n c e
F o u n d a t i o n G r a n t s
D E B 7 8 - 0 2 8 4 1
t o
A .
C .
W i l s o n ) ,
B M 7 5 - 1 0 4 6 8
t o
H .
M .
G o o d m a n ) ,
a n d
D E B 7 6 - 2 0 5 9 9
t o
W . M . B .
a n d
J
W.
W r i g h t ) .
1 .
B r o w n ,
W. M .
&
V i n o g r a d , J
( 1 9 7 4 )
P r o c .
N a t .
A c a d .
S c i .
USA
7 1 , 4 6 1 7 - 4 6 2 1 .
2 .
B r o w n ,
W.
M . ,
G e o r g e ,
M . , J r .
&
W i l s o n ,
A .
C .
( 1 9 7 9 )
P r o c .
N a t .
A c a d . S c i .
USA
7 6 ,
1 9 6 7 - 1 9 7 1 .
3 .
R a m i r e z , J
L .
&
D a w i d ,
I
B .
( 1 9 7 8 ) J .
M o l . B i o l .
1 1 9 ,
1 3 3 -
1 4 6 .
4 .
A t t a r d i , G . ,
A l b r i n g ,
M . ,
A l m a l r i c , F . , G e l f a n d ,
R . ,
G r i f f i t h ,
J
L y n c h , D . ,
M e r k e l , C . ,
M u r p h y ,
W.
&
O j a l a ,
D .
( 1 9 7 6 )
i n
G e -
n e t i c s a n d
B i o g e n e s i s o f
C h l o r o p l a s t s
a n d
M i t o c h o n d r i a ,
e d s .
B u c h e r ,
T . , N e u p e r t , W . , S e b a l d ,
W. &
W e r n e r ,
S .
E l s e v i e r ,
A m s t e r d a m ) , p p .
5 7 3 - 5 8 5 .
5 .
B a t t e y , J
&
C l a y t o n ,
D . A .
( 1 9 7 8 )
C e l l
1 4 ,
1 4 3 - 1 5 6 .
6 .
B r o w n ,
W. M .
( 1 9 8 0 )
A n n .
N . Y .
A c a d .
S c i . ,
i n
p r e s s .
7 .
D a w i d ,
I B .
( 1 9 7 2 )
D e v .
B i o l .
2 9 ,
1 3 9 - 1 5 1 .
8 .
J a k o v c i c ,
S . , C a s e y , J
&
R a b i n o w i t z ,
M .
( 1 9 7 5 )
B i o c h e m i s t r y 1 4 ,
2 0 3 7 - 2 0 4 2 .
9 .
P o t t e r ,
S .
S . ,
N e w b o l d , J . E . , H u t c h i n s o n ,
C .
A . ,
I I I
&
E d g e l l ,
M .
H .
( 1 9 7 5 )
P r o c .
N a t l . A c a d . S c i .
USA
7 2 , 4 4 9 6 - 4 5 0 0 .
1 0 .
B r o w n ,
W. M . &
G o o d m a n ,
H . M .
( 1 9 7 9 )
i n
E x t r a c h r o m o s o m a l
D N A ,
ICN-UCLA
S y m p o s i a ,
e d s .
C u m m i n g s , D . , B o r s t , P . ,
D a w i d ,
I W e i s s m a n ,
S .
&
F o x ,
C .
F .
( A c a d e m i c ,
Ne w
Y o r k ) ,
V o l .
1 5 , p p .
4 8 5 - 5 0 .
1 1 .
B r o w n ,
W. M .
&
W r i g h t ,
J
W .
( 1 9 7 9 )
Sence
2 0 3 , 1 2 4 7 - 1 2 4 9 .
1 2 .
A v i s e ,
J C . ,
L a n s m a n ,
R . A .
&
S h a d e ,
R .
0 .
( 1 9 7 9 )
G e n e t i c s
9 2 ,
2 7 9 - 2 9 5 .
1 3 .
B r o w n ,
W.
M . ,
W a t s o n ,
R .
M . ,
V i n o g r a d , J . ,
T a i t ,
K .
M . , B o y e r ,
H . W.
&
G o o d m a n ,
H . M .
( 1 9 7 6 )
C e l l
7 , 5 1 7 - 5 3 0 .
1 4 .
B r o w n ,
W.
M . , S h i n e ,
J .
&
G o o d m a n ,
H . M .
( 1 9 7 8 )
P r o c .
N a t l .
A c a d . S c i .
USA
7 5 , 7 3 5 - 7 3 9 .
1 5 .
R o b e r t s ,
R .
J . ( 1 9 8 0 )
N u c l e i c A c i d s R e s .
8 ,
r 6 3 - r 8 0 .
1 6 .
D r o u i n , J
&
S y m o n s ,
R .
J .
( 1 9 7 9 )
i n
E x t r a c h r o m o s o m a l
D N A ,
ICN-UCLA
S y m p o s i a ,
e d s .
C u m m i n g s , D . , B o r s t ,
P . ,
D a w i d ,
I
W e i s s m a n ,
S .
&
F o x ,
C .
F .
( A c a d e m i c ,
Ne w
Y o r k ) ,
V o l .
1 5 ,
p p .
4 7 1 - 4 8 4 .
1 7 .
M a n i a t i s , T . , J e f f r e y ,
A .
& v a n
d e S a n d e ,
V .
H .
( 1 9 7 5 )
B i o c h e m -
i s t r y 1 4 ,
3 7 8 7 - 3 7 9 4 .
1 8 .
S a n g e r ,
F . ,
C o u l s o n ,
A .
R . ,
F r i e d m a n n ,
T . , A i r ,
G .
M . ,
B a r r e l l ,
B .
G . ,
B r o w n ,
N .
L . ,
F i d d e s ,
J
C . ,
H u t c h i n s o n ,
C .
A . ,
I I I , S l o c o m b e ,
P . M .
&
S m i t h ,
M .
( 1 9 7 8 ) J .
M o l . B i o l .
1 2 5 , 2 2 5 - 2 4 6 .
1 9 .
T h o m a s ,
M .
&
D a v i s ,
R .
W.
( 1 9 7 5 )
J .
M o l . B i o l .
9 1 ,
3 1 5 -
3 2 8 .
2 0 .
B r a c k , C . ,
E b e r l e ,
H . ,
B i c k l e ,
T .
A .
&
Y u a n ,
R .
( 1 9 7 6 )
J .
M o l .
B i o l .
1 0 4 , 3 0 5 - 3 0 9 .
2 1 .
P a r k e r ,
R .
C . , W a t s o n ,
R .
M . &
V i n o g r a d ,
J
( 1 9 7 7 )
P r o c .
N a t l .
A c a d .
S c i .
USA
7 4 , 8 5 1 - 8 5 5 .
2 2 .
K l e n o w ,
H .
&
O v e r g a a r d - H a n s e n ,
K .
( 1 9 7 4 )
E u r .
J .
B i o c h e m .
4 5 , 6 2 3 - 6 2 7 .
2 3 .
S w a n s t r o m ,
R .
&
S h a n k ,
P .
R .
( 1 9 7 8 )
A n a l .
B l o c h e m .
8 6 , 1 8 4 -
1 9 2 .
2 4 .
R i c h a r d s o n ,
C . C .
( 1 9 6 5 )
P r o c .
N a t l .
A c a d .
S c i .
USA
5 4 , 1 5 8 -
1 6 5 .
2 5 .
B e r k n e r ,
K . L .
&
F o l k ,
W. R .
( 1 9 7 7 )
J .
B i o l .
C h e m .
2 5 2 , 3 1 7 6 -
3 1 8 4 .
2 6 . B a r r e l l , B .
G . ,
B a n k i e r ,
A .
T .
&
D r o u i n , J ( 1 9 7 9 )
N a t u r e
( L o n d o n )
2 8 2 ,
1 8 9 - 1 9 4 .
2 7 .
O j a l a ,
D .
&
A t t a r d i ,
G .
( 1 9 7 8 )
J .
M o l . B i o l .
1 2 2 ,
3 0 1 -
3 1 9 .
2 8 .
U p h o l t ,
W. B .
( 1 9 7 7 )
N u c l e i c
A c i d s R e s .
4 , 1 2 5 7 - 1 2 6 5 .
2 9 .
N e i ,
M .
&
L i ,
W . - H .
( 1 9 7 9 )
P r o c .
N a t l .
A c e d .
S c i .
USA
7 6 ,
5 2 6 9 - 5 2 7 3 .
3 0 .
A v i s e , J C . , G i b l i n - D a v i d s o n , C . , L a e r m , J . ,
P a t t o n ,
J .
C . &
L a n s m a n ,
R . A .
( 1 9 7 9 )
P r o c .
N a t l .
A c e d .
S c i .
USA
7 6 ,
6 6 9 4 -
6 6 9 8 .
3 1 .
B i r d ,
A . P . &
S o u t h e r n ,
E . M .
( 1 9 7 8 )
J .
M o l . B i o l .
1 1 8 ,
2 7 -
4 7 .
3 2 .
B i r d ,
A . P .
( 1 9 7 8 )
J .
M o l .
B i o l .
1 1 8 , 4 9 - 6 0 .
G e n e t i c s :
B r o w n