核ミトコンドリアDNAセグメント

核ミトコンドリアDNA（NUMT）セグメントまたは遺伝子座は、真核生物の核ゲノムへのあらゆる種類の細胞質ミトコンドリアDNAの転座を表します。^{[1] [2] [3]}

さまざまな生物の全ゲノム配列が蓄積されるにつれて、多様な真核生物でさまざまなサイズと長さのNUMT配列が検出されています。 ^{[4]これらは多くの場合、}ミトコンドリアDNA（mtDNA）を探していた研究者によって意図せずに発見されています。 ^[5] NUMTは研究されたすべての真核生物で報告されており、ほぼすべてのミトコンドリアゲノム領域は核ゲノムに統合できます。^{[6] [7]}ただし、NUMTの数とサイズは種によって異なります。^{[6] [8] [9]このような違いは、}生殖系列の安定性やミトコンドリアの数などの要因の種間変動によって説明できます。 ^[10] mtDNAは細胞質に放出された後、ミトコンドリアの変性と形態変化により核に移行し、^{[1] [5]二本鎖切断修復プロセスによって}核DNA （nDNA）に挿入されます。^[1]ゲノム中の非コードDNAの割合とNUMTの量との間に相関関係が見つかっており、^{[10] [11] [12]} NUMTはランダムに分布しておらず、特定のゲノム領域に挿入される可能性が高いことが観察されています。^[12]挿入場所によっては、NUMTが遺伝子機能を破壊する可能性があります。^[1]さらに、NUMT疑似遺伝子が核ゲノムに新たに組み込まれると、悪影響が生じる可能性があります。^{[13] [14] [15] [16]}

飼い猫では、ミトコンドリア遺伝子の数と含有量が、細胞質から転置されたことに加え、猫の核ゲノムで38～76倍に増幅されていました。^[17]猫のNUMT配列は、複数の突然変異の発見、ミトコンドリアと核の遺伝コードの違い、通常は不活性なセントロメア領域への明らかな挿入により、機能していないようでした。ゲノム内のNUMT断片の存在は、すべての種で問題になるわけではありません。たとえば、ミトコンドリア起源の配列は、サッカロミセス・セレビシエの核DNA複製を促進することが示されている。^[15]ミトコンドリアDNA断片の広範な転座と遊離ミトコンドリアDNAとの共増幅はミトコンドリア疾患の診断において問題となっているが、集団遺伝学および系統解析の研究では、^[1]科学者はNUMTを遺伝マーカーとして使用し、核およびミトコンドリアの変異の相対速度を決定し、進化樹を再現している。^[16]

2022年、科学者たちはミトコンドリアDNAが細胞核のDNAに継続的に転移していることを発見したと報告した。これまで、NUMTは人類が存在する前から発生していたと考えられていた。66,000の全ゲノム配列は、これが約4,000人の出生に1回という頻度で起こっていることを示している。^{[18] [19]}

1970年代頃に受け入れられた細胞内共生理論^[5]によれば、^[20] 、細胞内の主要なエネルギー生産者であるミトコンドリアは、以前は自由生活の原核生物であり、真核細胞に侵入したものでした。この理論によれば、共生細胞小器官は徐々にその遺伝子を真核生物のゲノムに移し、ミトコンドリアDNA（mtDNA）が徐々に核ゲノムに組み込まれたことを意味します。^{[2]宿主真核生物の代謝変化と機能適応にもかかわらず、環状のミトコンドリアDNAは細胞小器官内に格納されます。mtDNAは、ミトコンドリアの適切な機能に必要な}酵素など、必要な化合物の生成に不可欠な役割を果たします。^[21]具体的には、細胞小器官内の特定の遺伝子（シトクロム酸化酵素サブユニット Iおよび II の遺伝子など）が、膜関連電子伝達系全体の酸化還元バランスを調節するために必要であることが示唆されている。^{[5] [22]}ミトコンドリアゲノムのこれらの部分は、最も頻繁に使用されていることが報告されている。^[22]ミトコンドリアは、mtDNA が存在する唯一の場所ではなく、mtDNA が細胞小器官から核に移動されることもあり、そのような転座の証拠は、mtDNA 配列を核内のゲノム配列と比較することによって確認されている。^{[1] [4] [10]}細胞質 mtDNA が核 DNA に組み込まれて組み換えられることを、核ミトコンドリア DNA（NUMT）と呼ぶ。^[1]

核ゲノム内に細胞小器官 DNA が存在する可能性は、1967 年に細胞小器官内で独立した DNA が発見されてから間もなく、核内でミトコンドリア DNA に相同な構造が発見された後に示唆されました。 ^[16]この話題は 1980 年代まで手つかずのままでした。DNA が細胞区画間を移動できるという最初の証拠は、クロスハイブリダイゼーション、葉緑体とミトコンドリアの DNA、相同領域の物理的マッピングの助けを借りて、トウモロコシのミトコンドリアゲノムで葉緑体 DNA の断片が見つかったときに得られました。^{[1] [23] [24]}この最初の観察の後、ジョン・エリスは、細胞内のある細胞小器官から別の細胞小器官への DNA の移動を意味し、複数の細胞区画に細胞小器官 DNA が存在することを示すために、無差別 DNAという用語を作り出した。 ^[24]核DNA中のmtDNAの探索は1994年まで続けられ、進化遺伝学者ホセ・V・ロペスが飼い猫の核染色体の特定の位置に通常17.0kbのミトコンドリアゲノムの7.9kbが転座していることを報告し、核ゲノム中のミトコンドリアDNAの大きな領域を指すためにNUMTという用語を作り出した。 ^{[16] [17]}

現在、脊椎動物と無脊椎動物の両方を含む多くの真核生物の全ゲノムが解読されており、酵母、ポドスポラ、ウニ、イナゴ、ミツバチ、コクゾウ、ネズミ、トウモロコシ、イネ、霊長類など、さまざまな生物の核ゲノムでNUMTが観察されています。^{[4] [25]}マラリア原虫、ハマダラカ、ネッタイシマカでは、NUMTはほとんど検出されません。^{[26] [27]対照的に、}カタユウレイボヤ、アカパンカビ、シゾサッカロミセス・ポンベ、線虫、キイロショウジョウバエ、ドブネズミのゲノムデータでは、NUMTの保存された断片が特定されています。^{[1] [10] [11] [25]}アゴスティーニョ・アントゥネスとマリア・ジョアン・ラモスは、2005年にBLAST、MAFFT、ゲノムマッピング、系統解析を用いて魚類ゲノムにNUMTが存在することを発見した。^{[11] [28]}ウエスタンミツバチとヒドラ・マグニパピラタは、核ゲノム全体に対するNUMTの比率が最も高い動物の第1位と第2位であり、灰色の短い尾を持つオポッサムは脊椎動物の中でNUMT頻度の記録保持者である。^{[5] [25]動物と同様に、NUMTは植物に豊富に存在し、これまでに知られている最も長いNUMT断片は、}シロイヌナズナの367 kbのmtDNAの620 kbの重複挿入である。^[5]

NUMTの核ゲノムへの挿入と核ゲノム内での持続は、ミトコンドリアDNAの核への物理的送達によって開始される。^{[5]このステップに続いて、サッカロミセス・セレビシエの研究で想定されているように、}二本鎖切断（DSB）修復プロセス中に非相同末端結合メカニズムを介してmtDNAがゲノムに組み込まれ、^{[13] [29]}そして、挿入後修飾として総称される増幅、突然変異、または欠失のゲノム内ダイナミクスによって終了する。^[5] mtDNAの核への移行のメカニズムはまだ完全には解明されていない。^[要出典]

移動プロセスの第一歩は、mtDNAを細胞質に放出することです。^{[1] Peter ThorsnessとThomas Foxは、ミトコンドリアでの}ウラシル生合成に必要な遺伝子であるURA3プラスミドを組み込んだura3-酵母株を使用して、ミトコンドリアから核へのmtDNAの再配置速度を実証しました。核のura3変異を持つこのような酵母株の増殖中に、ミトコンドリアから核に逃げたプラスミドDNAがウラシル生合成の欠陥を補完し、ウラシルが存在しない状態での成長を回復し、簡単にスコア付けできる表現型になります。^[30]ミトコンドリアから核へのDNA転移速度は、1世代あたり細胞あたり2 x 10 ^{−5 [説明が必要]と推定されているが、} cox2変異体の場合、核からミトコンドリアへのプラスミド転移速度は少なくとも約100,000倍低い。^[30]ミトコンドリアから核へのmtDNAの脱出速度は多くの要因によって制御されている。多くの生物の細胞においてnDNAと比較してmtDNAの変異率が高いことは、ミトコンドリア遺伝子の核ゲノムへの移行を促進する重要な要因である。^{[1] [31] mtDNAを含むミトコンドリア高分子の破壊頻度を高める}遺伝子間要因の1つは、ATP合成の副産物としてミトコンドリアで生成される高レベルの活性酸素種の存在である。^[1]ミトコンドリアからの mtDNA の脱出に影響を与える他の要因としては、変異原性物質の作用や、ミトコンドリアやその膜を損傷する可能性のあるその他の細胞ストレスなどがあり、^[16]外因性の損傷物質 (たとえば、電離放射線や化学的遺伝毒性物質) が mtDNA の細胞質への脱出率を高めると想定することが可能です。 ^{[32] Thorsness と Fox は、mtDNA の核への脱出に影響を与える内因性要因を見つけるために研究を続けました。彼らは、} yme (酵母ミトコンドリア脱出) 変異と呼ばれる少なくとも 12 の核遺伝子座で、さまざまな組み合わせの変異を持つ 21 の核変異体を分離し、さまざまな環境条件下で研究しました。これらの変異の一部は温度感受性を引き起こすためです。彼らは、ミトコンドリアの機能を乱すこれらの変異がミトコンドリアの完全性に影響を及ぼし、mtDNA の細胞質への脱出につながることを発見しました。^[31]さらに、タンパク質の欠陥はmtDNAの核への移行速度を変化させる。例えば、yme1 変異した異常なミトコンドリアは、主要なプロテアーゼであるpep4の助けを借りて液胞による分解の標的となり、分解によってミトファジーを介した核への mtDNA の脱出が増加する。^{[1] [33] Thorsness と Corey Campbell は、} pep4 を破壊することで、yme1株における mtDNA 脱出の頻度が減少することを発見した。同様に、カルボキシペプチダーゼYをコードするPRC1を破壊すると、 yme1酵母における mtDNA 脱出率が低下する。^[33]

証拠によれば、ミトファジーはミトコンドリアDNAを核に輸送する可能性のある方法の1つであり、現在までに最も支持されている経路であると決定されている。最初の経路は、ミトコンドリアに局在するATP依存性メタロプロテアーゼであるYMe1pタンパク質の不活性化をもたらすyme1変異体であり、その結果、ミトコンドリアDNAが核に逃避する確率が高くなります。^[33] yme1株のミトコンドリアは、野生型株よりも頻繁に液胞に取り込まれて分解されます。^{[33]さらに、細胞学的調査により、ミトコンドリア区画}の溶解、ミトコンドリアと核の直接的な物理的接続と膜融合、および核内のミトコンドリア区画のカプセル化など、さまざまな種でいくつかの他の可能性のある経路が示唆されています。^[5]

核に到達した後、mtDNAは核ゲノムに進入する必要がある。核ゲノムへのmtDNAの統合率は、nDNAのDSB数、DSB修復システムの活性、および細胞小器官からのmtDNAの脱出率に依存する。^[1] mtDNAの挿入は、3つの主なプロセスで構成される。まず、mtDNAは適切な形と配列を持たなければならない。言い換えれば、mtDNAは編集されなければならず、これによりポリヌクレオチド構造に新しい編集部位が形成される。ミトコンドリアDNAは普遍的ではなく、植物と同様に動物でも、ミトコンドリア編集は分類群固有の発生の非常に不規則なパターンを示す。^[34]

mtDNAが核DNAに挿入される準備ができる方法は3つある。そのプロセスは主に、mtDNAが核に移行する時期によって決まる。^[34] 編集されていないmtDNA断片が核ゲノムに直接組み込まれるのが最も妥当であり、BLASTベースの分析を含むさまざまな方法の助けを借りて、植物、シロイヌナズナゲノム、および動物で観察されている。 ^{[1] [34]}この場合、mtDNAは編集中に核に移行し、イントロンの作成はミトコンドリアで後から起こる。ミトコンドリア編集が進化する前のある系統で遺伝子が核に移行したが、編集が発生した他の系統では細胞小器官に残っていた場合、核コピーは編集された部位に残っているミトコンドリアコピーよりも、編集された転写産物に似ているように見えるだろう。^[34]もう一つのモデルとして、あまり支持されていないが、cDNAを介したモデルがある。このモデルでは、イントロンを含むmtDNAが核に入り、スプライスされ編集されたミトコンドリア転写産物の逆転写によってnDNAに組み込まれる。^{[1] [34]} 3番目に提案されたメカニズムは、イントロンのないmtDNAが核に直接移行して組み込まれるというもので、ミトコンドリア内のイントロンの編集は進化の過程で起こったり消えたりする。この場合、イントロンの導入と除去、および逆転写はミトコンドリア内で起こり、最終産物である編集されたイントロンのないmtDNAは核に移行した後nDNAに組み込まれる。^[34]

準備段階が終了すると、mtDNAは核ゲノムに挿入される準備が整います。NUMT組み込み部位とパン酵母実験から得られた分析結果に基づいて、ブランチャードとシュミットは、mtDNAが非相同末端結合機構を介してDSBに挿入されるという仮説を立てました。この仮説は広く受け入れられています。^[29]その後の分析は、ヒトのNUMT組み込みにおけるNHEJ ^{[説明が必要]} の関与と一致していました。 ^{[5]これらのプロセスは、体細胞と}生殖細胞の両方で発生します。ただし、動物とヒトでは、生殖細胞でのDSB修復能力は卵形成段階と精子形成段階に依存しますが、修復活性が低いため、成熟精子はDSB修復ができません。^{[1] [20] DSBは}相同組み換えによっても修復でき、これはより正確で、修復プロセスでのエラーが少なくなります。^{[1] [20]}標準的なNHEJとは別に、DSBはマイクロホモロジー介在末端結合（MMEJ）によって修復されます。これは、連結されるDSBの末端にいくつかの相同ヌクレオチドを含む配列を関与させるものです。^[1] MMEJは、哺乳類において欠失、様々なサイズの挿入、およびその他のゲノム再編成を生成するため、最も変異原性の高いDSB修復メカニズムです。 ^[1]

mtDNA挿入およびDSB修復のプロセスには、DNAセグメントのアラインメント、DNA末端処理、DNA合成、およびライゲーションが含まれます。[ ^{1]各ステップでは、指定されたイベントの発生を促進するために特定のタンパク質複合体が必要です。NHEJでは、DNA断片の末端をまとめるための}Ku70/Ku80 ヘテロダイマーとDNA依存性プロテインキナーゼ（DNA-PK）、末端処理のためのアルテミスヌクレアーゼとポリヌクレオチド キナーゼ3'ホスファターゼ（PNKP）、DNA合成のためのXファミリーDNAポリメラーゼ （Pol μとPol λ）とターミナルデオキシヌクレオチドトランスフェラーゼ（TdT）、および修復を完了し、ホスホジエステル結合を介して末端を結合するためのXLF/XRCC4/LigIV複合体が、多くの高等生物のDSB修復プロセスに関与するタンパク質複合体です。^[1] DNAポリメラーゼPol μとPol λおよびXLF/XRCC4/LigIV複合体は、2つのNHEJ修復機構とMMEJ修復機構の間で共有されており、両方の修復プロセスで同じ機能を果たします。^[1] MMEJの最初のステップは、WRN ^{[明確化が必要]}、Artemis、DNA-PK、およびXRCC4タンパク質複合体によって実行され、DSBおよびmtDNA断片の末端を処理し、ポリメラーゼとリガーゼがNUMT挿入を完了できるようにそれらを整列させます。

単一のミトコンドリア断片と比較したNUMTの複雑なパターン、核ゲノムにおける不連続なミトコンドリアDNAの出現、およびこれらの断片の異なる方向は、核ゲノム内でのNUMTの挿入後のプロセスを示しています。^[5]これらの複雑なパターンの原因は、挿入ホットスポットでの複数のNUMT挿入の結果である可能性があります。^[5]さらに、挿入後の複製はNUMTの多様性に寄与します。^[1] NUMTには自己複製メカニズムや転座メカニズムがないため、NUMTの複製は並行して発生するか、ゲノムの残りの部分を代表する速度でより大きなセグメントの複製を伴うことが予想されます。他のNUMTに近接していないNUMTの重複の証拠は多くのゲノムに存在し、おそらくセグメントの重複の一部として発生します。^[35]ただし、セグメントの重複の一部としての最近のヒト固有のNUMTの重複はまれであるようです。ヒトでは、分節重複と重なるNUMTはごくわずかで、それらのNUMTはコピーの1つにのみ見られ、他のコピーには見られなかったことから、NUMTは重複後に挿入されたことが示唆されている。^[35]欠失は、挿入ほど詳細に研究されていない別のNUMT挿入後修飾法である。^{[5]系統発生シグナルの絶え間ない浸食と動物mtDNAの高い変異率は、そのような修飾、特に欠失の認識を困難にしている。ベンサソンと彼のチームメンバーは、NUMTの出現パターンが}系統樹と一致しないケースを研究し、ヒトに挿入された最も古いNUMTを推定した。その年代は約5800万年前である。^[35]

ミトコンドリアの数と機能レベルは真核生物によって異なるため、NUMTの長さ、構造、配列は大きく異なります。^{[28]研究者らは、最近のNUMT挿入は、} Dループを含むミトコンドリアゲノムのさまざまなセグメントに由来し、場合によってはNUMTがミトコンドリアゲノム全体をほぼ網羅していることを発見しました。^{[10] [13]} 配列、頻度、サイズ分布、^[10]、さらにはゲノム内でこれらの配列を見つける難しささえも、種によって大幅に異なります。^{[1] [5]}ミトコンドリアとプラスチドから核ゲノムに移動したDNA断片の大部分は1 kb未満の大きさですが、^{[1] [13]}、一部の植物ゲノムには細胞小器官DNAの大きな断片が見られます。^[5]

ゲノムは時間とともに変化するため、進化の過程でゲノム内のNUMTの数は異なります。^[5] NUMTはさまざまな時点で核に入り、nDNAに挿入されます。絶え間ない突然変異とNUMTの不安定性により、このゲノム領域とmtDNAの類似性は大きく異なります。^{[1] [5]}たとえば、ヒトゲノムに記録されているNUMTの最新の数は、39 bpからミトコンドリア配列のほぼ全体の大きさまでの範囲の755の断片です。^[13] 80%を超える配列類似性を持ち、500 bpを超える長さのパラロガス配列が33あります。^[36]ゲノム内のNUMT断片のすべてがmtDNAの移動の結果であるわけではなく、いくつかは挿入後の増幅の結果です。^[13]古いNUMTは、最近の挿入物よりもヒトゲノムに豊富に存在することがわかっており、mtDNAは挿入されると増幅できることを示している。^[13] Dayamaらは、ヒトゲノム内のNUMTの数を正確に検出するための高収率の新しい技術を、核ミトコンドリア挿入の発見（dinumt）と呼んだ。^[13]この方法により、彼女と彼女のチームは、ペアエンドシーケンシング技術を使用して配列決定された全ゲノムで、あらゆるサイズのNUMT挿入を特定することができた。彼らは、1000ゲノムプロジェクトとヒトゲノム多様性プロジェクトの999人にdinumtを適用し、これらの多型挿入を使用してヒトで最新のエンリッチメント分析を実施した。^[13]発見されたNUMTのさらなる調査と遺伝子型決定では、挿入の年齢、起源、および配列特性も分析されます。最後に、彼らは進行中のミトコンドリア異質性研究への潜在的な影響を評価した。^[13]

mtDNAは、内因性または外因性の損傷因子によってDSBが生成された場合にのみ核ゲノムに挿入されますが、^[1]ランダムにゲノムに挿入されるわけではありません。 [ ^12]さらに、非コードDNAの割合とNUMTの存在量との間に相関関係はありません。^{[10] [11] [12]} AntunesとRamosは、BLASTN解析法を用いた魚類のNUMT配列の研究中に、古いNUMTが、ヒトゲノムの最近のNUMTから推測されるように、既知および予測された遺伝子座に優先的に挿入されることを発見しました。^{[28]核ゲノムにおけるNUMTの非ランダムな分布と挿入を支持する最も優れた研究の1つは、Tsuji}らによるものです。^[12] BLASTの代わりにLAST法を使用することで、より高い精度でE値を計算でき、NUMT側面の反復要素を過小評価しないため、研究者らはNUMT挿入の位置を正確に特徴付けることができ、NUMT断片は主にオープンクロマチン領域において、局所的なDNA曲率または屈曲性が高く、A + Tに富むオリゴマー（特にTAT ^）が多い領域に挿入される傾向があることを発見した。^[13]同じ方法を使用して、辻はNUMTは通常クラスター化されておらず、Dループによって生成されるNUMTは通常過小評価されていることを示しました。これは、NUMTの全長が原因で、ラットやマウスのゲノムと比較した場合、サルやヒトのゲノムでより顕著です。^[12]しかし、辻らは、 レトロトランスポゾン構造はNUMTの側面に非常に豊富に存在し、ほとんどのNUMTはレトロトランスポゾンの近くに挿入されている一方で、557個のNUMTのうち10個はレトロトランスポゾン内に挿入されており、非コードDNAのサイズとNUMTの数の間には明確な関係がないことも発見した。^[12]

NUMT は完全に機能しないわけではなく、特定の機能が関連付けられています。^[1] NUMT は以前は機能しない疑似遺伝子であると考えられていましたが、最近のヒト NUMT は、ヒトゲノムの機能的完全性を損なう可能性のある、潜在的に変異誘発性のプロセスであることが示されています。 ^[28] NUMT の核への移行プロセスは、統合部位でのゲノム構造の突然変異や劇的な変化を引き起こし、ゲノムの機能を妨げ、遺伝情報の発現に大きな影響を及ぼす可能性があります。^[1] mtDNA 配列の統合は、nDNA の空間構成に大きな影響を与え、真核生物ゲノムの進化に重要な役割を果たしている可能性があります。^[1] mtDNA の悪影響に加えて、ゲノム内の保存された古い NUMT は進化の成功を表す可能性があり、ゲノムコーディング領域の強化のための潜在的な進化メカニズムとして考慮されるべきです。^[28] Lauren ChatreとMiria Ricchettiは、移動性ミトコンドリアDNAが、挿入された核領域の複製に影響を与える可能性があることを発見しました。^{[15]彼らは、} Saccharomyces cerevisiaeでnDNA複製を促進するミトコンドリア起源の配列を観察しました。NUMTは11bpの自律複製（ARS）コアAコンセンサス配列（ACS）であり、複製起点の機能と、コンセンサスがDNA複製活性の低下または喪失を引き起こす変異に必要ですが十分ではありません。^[15] ACSモチーフの高密度を考えると、一部のNUMTは基本的にACSキャリアとして現れます。^[15]対照的に、NUMTとARSの両方を含むプラスミドを持つ酵母株では、複製効率が高くなります。^[15]彼らはまた、一部のNUMTが独立した複製フォークとして機能することができ、後期染色体起点とARSの近くまたはARS内に位置するNUMTが複製に重要な配列要素を提供することを発見しました。このように、NUMTは適切なゲノムコンテキストに挿入されると独立した起点として機能したり、既存の起点の効率に影響を与えたりすることができる。^{[オリジナル研究? ] [15]}

NUMT のゲノムへの挿入は問題となる可能性がある。NUMT のゲノムへの転座はヒトの疾患と関連付けられている。^{[13] [14] [15]} NUMT 疑似遺伝子の核ゲノムへの de novo 組み込みは悪影響を及ぼし、場合によってはさまざまな障害や老化を促進する。^[1]生殖細胞におけるコーディング遺伝子へのミトコンドリア DNA の組み込みは、胚の発達に劇的な影響を及ぼし、多くの場合致命的である。^[1]疾患に関連する NUMT 疑似遺伝子は、ヒト遺伝子のエクソン内またはエクソン-イントロン境界にはほとんど見られない。^[1]たとえば、ムコリピドーシスの患者は、ミトコンドリア ND5 の 93 bp 断片が R403C ムコリピン遺伝子のエクソン 2 に挿入されることによって引き起こされる変異を受け継いでいる。これは NUMT 挿入による遺伝性疾患の最初の症例である。^[1]治療対象者が少ないにもかかわらず、幹細胞移植は有効であることがわかっており、少なくとも1例では移植後にリソソーム酵素レベルが正常化したようです。 ^{[37]発達障害である} パリスター・ホール症候群は、72 bpのmtDNA断片が7番染色体のGLI3エクソン14に新たに 挿入されることによって起こり、^[1]中心性および軸後性多指症、二分喉頭蓋、鎖肛、嚢胞性奇形を含む腎異常、腎形成不全、異所性尿管着床、両側二葉肺などの肺分節異常を引き起こします。 ^[38]重度の血漿第VII因子欠乏症である出血性疾患を引き起こす血漿第VII因子のヒト遺伝子のスプライス部位変異は、251 bpのNUMT挿入によって起こります。^{[5]最後に、}アッシャー症候群IC型に関連するUSH1C遺伝子のエクソン9の36bpの挿入がNUMTです。^[5]アッシャー症候群の特定の原因はまだ見つかっていませんが、短期的および長期的な影響を調べるために18人のボランティアを対象とした臨床研究が行われています。^[39]

いくつかの研究では、体細胞のゲノムにおけるNUMT擬似遺伝子の新規出現が、発癌や老化の病因として重要である可能性が示唆されている。 ^{[1] [13]}核ゲノムにおけるNUMTと老化の関係を示すために、Xin ChengとAndreas Ivessaは、mtDNAの移動率が高いSaccharomyces cerevisiaeのyme1-1変異株を使用し、 ^[40] ThorsnessとFoxが核へのmtDNA移動の重要なメカニズムと要因を決定するために使用したのと同じ方法を使用した。^{[31] [ 40 ]}彼らは、mtDNA断片の核への移行率が上昇した酵母株は経時的^老化が加速するの^に対し、核へのmtDNAの移動率が低下^[41]これらの研究結果に基づくと、ミトコンドリアは老化の主な引き金となる可能性があるが、最終的な標的は核である可能性もある。^{[40] [41]}

NUMT挿入の最悪のケースは、mtDNAが調節領域または核構造遺伝子に挿入され、重要な細胞プロセスを妨害または変更するときに発生します。^{[1] [33]}たとえば、原発性低悪性度脳腫瘍では、蛍光in situハイブリダイゼーション分析により、細胞内のmtDNAの全体的な増加と相関して核に局在するmtDNAを認識することができました。^[42]肝癌細胞では、mtDNA配列は正常組織よりも高いコピー数で核ゲノムに存在します。^{[20] [33]}もう1つの例は、約5 kbのmtDNA断片とハイブリダイズする配列を含むHeLa nDNAです。分析により、悪性細胞のnDNAには、ミトコンドリアシトクロム酸化酵素I、ND4、ND4L、および12S rRNA遺伝子の配列が含まれていることが示されました。^{[20]これらの発見に基づいて、mtDNA断片は}発癌の開始において可動性遺伝要素として作用すると想定されました。^[1] サザンブロッティングは、マウスとラットの正常細胞と腫瘍細胞のnDNAへのミトコンドリア挿入頻度を決定するために使用され、正常細胞と比較してげっ歯類の腫瘍細胞のnDNAにmtDNA配列がより多く豊富であることを裏付けています。^[1] FISHプローブ、PCR、およびデータのシーケンシング、マッピング、比較を使用して、Juは、ミトコンドリア-核ゲノム融合がDNA塩基対あたり染色体間核再編成と同様の速度で発生し、一部の体細胞でミトコンドリアDNAと核DNAの接触が高頻度に存在することを発見しました。彼はまた、原発性腫瘍に加えて転移サンプルのシーケンシングを行った症例を評価することにより、体細胞mtDNAが核ゲノムに組み込まれるタイミングを調査しました。場合によっては、mtDNAの体細胞核への移行は非常に頻繁に起こり、腫瘍形成後や癌のサブクローン進化の過程で起こることがあり、このことは、この出来事が共通の祖先癌クローンまたは腫瘍変化前の正常な体細胞で起こることを示唆している。^[20]これらの発見は、NUMTとさまざまな臓器の癌の間に直接的な相関関係があることを実証した。^[16]

さまざまな効果をもたらす非ランダムなNUMT挿入を理解することは、ゲノムの構造を明らかにし、完全な機能を決定するのに役立ちますが、NUMTは実験ツールとして使用されており、そのように認識される前からさまざまな生物学分野で有益でした。たとえば、NUMTは遺伝マーカーとして使用され、核とミトコンドリアの相対的な突然変異率を理解したり、進化の樹を再現したりするためのツールとしても使用されています。^[16]核ゲノムへのNUMTの統合の継続的なプロセスは、ヒトとチンパンジーの分岐後にヒトゲノムに挿入されたNUMTの発見によって証明されています。^[14]これらのNUMTのいくつかは、ヒト集団で最近になって発生したことを示しており、系統の遺伝マーカーとして有用です。^[14]ゲノムアラインメントに基づくプロトコルを使用して近縁種のNUMT数を推定することで、Hazkani-CovoとGraurは、各ゲノムのNUMT構成に影響を与えた可能性のある進化イベントを特定し、人間とチンパンジーの共通祖先におけるNUMTの構成を再構築することができました。^[14] NUMTは、非機能的な核配列の進化率を機能的なmtDNAの進化率と比較し、時間の経過に伴うNUMT配列に沿った変異の蓄積率によって進化率を決定するためにも使用できます。選択的に制約されていない領域は、ミトコンドリア配列から最も分岐しているセグメントです。^{[14] [16]} NUMT研究の最も有望な用途の1つは、核変異の研究での使用です。^[16]後生動物では、NUMTは非機能的であると見なされています。したがって、核変異はミトコンドリアの変化と区別でき、ヌクレオチドの置換、挿入、および削除の研究が可能になります。^{[オリジナル研究? ]}パラロガスNUMT配列とmtDNAの相同性により、突然変異に対する局所配列の影響を検査することができる。^[16]

NUMTは、ミトコンドリア系統の古代の多様性を研究し、先史時代の種間交雑を発見する機会を提供します。古代の交雑は、NUMTで最初に検出されました。^[43]コロブス科の猿^[44]そして最近では、直接の人間の祖先で検出されました。ヒト科の交雑は、人間/チンパンジー/ゴリラが分かれた頃に起こりました。^[45]

ゲノムにNUMTが存在することから、nDNAへのミトコンドリア挿入の正確な数を結論づけるのが困難であるという別の問題も生じました。種のNUMT擬似遺伝子の正確な数を決定することは、いくつかの理由から困難な作業です。^[1] NUMT配列の検出をさらに困難にする理由の1つは、突然変異や欠失によるこれらの配列の変化です。^[5] さらに2つの大きな障害がNUMTの認識を非常に困難にしています。第1に、非コードnDNAの割合と核ゲノム内のNUMT挿入の数の間に相関関係がありません。^[1] NUMT挿入は、遺伝子間領域やイントロン領域だけでなく、イントロンやエクソン内の既知または予測されるコード領域で発生する可能性があります。^{[12] [28]} 第2に、動物の核ゲノムに組み込まれたミトコンドリアDNAは、主にイントロンのない環状ミトコンドリアゲノムを持つ動物に限定されています。^[25]

NUMTの存在を検出する際のこれらの困難さは問題となる可能性がある。核ゲノム中の転座したミトコンドリア配列は、本物の標的mtDNA配列に加えて、あるいはその代わりに増幅される可能性があり、集団遺伝学や系統学の解析を混乱させる可能性がある。なぜなら、mtDNAは、集団マッピング、進化および系統学の研究、DNAバーコードによる種の同定、さまざまな病状の診断、法医学に広く使用されているからである。^{[1] [27]} NUMTと遊離染色体外mtDNAの同時増幅により、さまざまな生物のゲノム中のNUMT断片の正確な数を判定することができなくなり、^[27]特に、mtDNA断片の広範な転座が起こる生物ではそれが妨げられる。^[1]たとえば、大きなNUMT疑似遺伝子が1番染色体上に見つかったが、同じ配列の最近の解析では、精子のmtDNAに精子の運動性を低下させる変異があると結論付けられた。^{[1] [46]}もう1つの例としては、アルツハイマー病患者の連続mtDNA CO1およびCO2遺伝子に分散した5つの連鎖ミスセンス変異を含む異質mtDNA分子に関する最近の報告が挙げられる。 ^[47]しかし、PCR、制限エンドヌクレアーゼ部位変異アッセイ、系統発生解析を用いた研究では、核CO1およびCO2配列は、約77万年前に人類の進化の初期に現代人のmtDNAから分岐したことを明らかにし、これらの保存されたNUMTがアルツハイマー病を引き起こす可能性があると提唱されている。^{[1] [47]} このような誤った結果を防ぐ可能性のある方法の1つは、mtDNAとnDNAの両方を含む異質配列を増幅し、精製および濃縮されたmtDNAのサンガー配列決定から得られた結果と比較することである。^{[27] [36]}

ミトコンドリアDNA配列が1つ以上のNUMT配列で汚染されている可能性がある兆候としては、二重ピーク（ヘテロ接合体）、インデル、早期終止コドンなどがある。^[48]

• ヒトミトコンドリア遺伝学
• ミトコンドリアDNA
• CoRR仮説