donderdag 19 oktober 2017

Dubbelop maar een beetje anders


Wat duplo genen doen:        Beetje differentiatie

Met twee genen in plaats van één gen kun je meer van hetzelfde doen, maar twee genen geven ook de mogelijkheid dat elk gen net iets anders gaat doen. Dat begint natuurlijk langzaam – een beetje anders gaat gemakkelijker dan in één klap iets heel anders doen. Er komt een verhaal over het enzym amylase als voorbeeld van kleine verschillen tussen gedupliceerde genen, in Drosophila melanogaster. Voordat ik het vergeet: dit beest dus:


Drosophila melanogaster larven en vlieg
 
Amylase in Drosophila melanogaster

Genen coderen meestal voor eiwitten – er zijn ook wat genen voor transfer-RNA's en zo. De genen die voor enzymen, ook eiwitten, coderen, zijn vaak goed bestudeerd. Van zulke genen is gemakkelijk te zien wat ze doen: voor dat enzym coderen, en van een enzym kun je zien hoe goed het werkt onder verschillende omstandigheden. Als er genetische variatie is in een gen voor een enzym, en je hebt wat geluk, dan is die genetische variatie zichtbaar te maken in het enzym. Genetische variatie in het DNA kan leiden tot een ander aminozuur in het enzym, en een ander aminozuur kan tot een andere lading van het enzymeiwit leiden. Sommige aminozuren hebben namelijk een zure of basische zijketen, en dan heeft het enzymeiwit een lading in een electrisch veld. Als je dan over een gel met bufferoplossing een electrisch veld aanbrengt, stroom door de gel laat lopen, lopen de eiwitten mee met de stroom, of er tegen in, al naar gelang de lading. Dat heet gelelectroforese, en het is de oudste manier om heel veel genetische variatie op het spoor te komen.

Het enzym amylase breekt zetmeel af. Wij hebben amylase in de speeksel klieren en de darm. Drosophila melanogaster heeft ook amylase, in de darm, en vliegen kunnen dan ook zetmeel afbreken. Het amylase enzym bij Drosophila melanogaster bleek extra interessant omdat het veel genetische variatie had met prettige extra eigenschappen: het gen voor amylase was er soms in enkelvoud en soms in tweevoud, er waren zes varianten die verschilden in loopsnelheid in een electrisch veld, en die varianten verschilden ook nog in enzymactiviteit. De varianten hadden vaste combinaties, en door kruisen werd duidelijk welke varianten samen voorkwamen.

Vroeger had ik hier foto's en dia's van .. in de voor-powerpoint tijd

De enzymvariant met de hoogste loopsnelheid in een electrische veld heet AMY-1, afkomstig van allel Amy1. Ik gebruik verder alleen de namen van de allelen. Verzamelen uit wilde populaties Drosophila melanogaster vliegen en kruisen leverde op dat er de volgende combinaties in de natuur homozygoot gevonden worden; ik laat AMY of Amy weg:

1          1,2       1,3       1,4                   1,6

                        3,6       4,6       5,6

 
 

uit de tijd dat ik college gaf
Variant 1 is de enige homozygoot die maar één bandje in een electrisch veld laat zien. Heel veel kruisen (in 1967) liet zien dat er twee genen voor het enzym amylase zijn, die heel dicht bij elkaar op het chromosoom liggen. DNA sequencen (vanaf 2000) laat dat ook zien. De genen heten Amy-p voor Amylase-proximal en Amy-d voor Amylase-distal, dus het gen dat het dichtst bij het centromeer van chromosoom 2 ligt (proximaal) en het gen dat het verst van het centromeer van chromosoom 2 ligt (distaal).

Amy-p en Amy-d verschillen – een beetje.  Amy-d heeft in natuurlijke populaties de electroforetische varianten 2, 3, 4, 5, 6. Amy-p heeft de electroforetische varianten 1 (zelfs met onderverdeling naar genexpressie), 2, 3, 4 en 5.

Het interessante komt bij de bepalingen van de enzymactiviteit per band. Er zijn twee studies die Drosophila melanogaster larven op verschillend voedsel laten leven (Hickey en Bendel 1982, Bendel en Hickey 1986). Er werden larven die twee banden lieten zien gebruikt, homozygoot 4,6 of heterozygoot 1,6. Dus steeds waren twee bandjes afkomstig van dezelfde larf. Van die larven wordt (bij gekozen vast stadium) gescoord wat de enzymactiviteit per bandje was. Dat geeft de volgende resultaten:

 
 
enzymactiviteit
 
Amy gen
proximal
distal
proximal
distal
proximal
distal
Voedsel
 
Band 4
Band 6
Band 1
Band 6
 band 4
 band 6
zetmeel (10%)
 
5.58
5.42
5.55
5.75
4.92
4.45
suiker (10%)
 
4.2
4.32
1.87
3.75
3.57
3.82
 
verhouding
1.33
1.25
2.97
1.53
1.38
1.16

De enzymactiviteit bij zetmeelvoer is altijd hoger dan bij suikervoer.

Het punt hier is de mate waarin de enzymactiviteit anders is. Bij een bandje afkomstig van het gen Amy-proximal is binnen dezelfde larven de verhouding altijd hoger dan bij een bandje van het gen Amy-distal. Het gen Amy-proximal reageert sterker op aan of afwezigheid van zetmeel dan het gen Amy-distal. Dat betekent dat er een klein verschil is opgetreden tussen de beide genen van de genduplicatie.

Een nog eerdere studie liet verschil tussen Amy-proximal en Amy-distal zien in enzymactiviteit per levensstadium. Voor de homozygoot 3,6 met band 3 op gen Amy-p en band 6 op gen Amy-d werd per band (van dezelfde beesten) de enzymactiveit in larven en in volwassen vliegen bepaald. Het liet zien dat in larven Amy-proximal het belangrijkste gen van de twee is, en in volwassen vliegen Amy-distal (Doane 1970).

 
Percentage van de enzymactiviteit
 
Amy-p-3
Amy-d-6
Larven
0.71
0.29
Vliegen
0.23
0.77

Al met al: genduplicatie en een beetje differentiatie tussen genen.  

**************

Bahn, 1967.  Crossing over in the chromosomal region determining amylase isozymes in Drosophila melanogaster. Hereditas 58:1-12.
Hickey en Benkel, 1982.  Regulation of amylase activity in Drosophila melanogaster: Effects of dietary carbohydrate. Biochemical Genetics 20: 1117–1129

Doane, W. W. (1970). Drosophila amylases and problems in cellular differentiation. In Hanly, E. W. (ed.), RNA in Development (Int. Symp. Prob. Biol., 1, 1969), University of Utah Press, Salt Lake City, pp. 73–109.


Hickey en Benkel, 1982.  Regulation of amylase activity in Drosophila melanogaster: Effects of dietary carbohydrate. Biochemical Genetics 20: 1117–1129


 

maandag 16 oktober 2017

Genduplicaties bij de vleet

Twee mensen weten meer dan één mens en twee genen doen meer dan één gen: misschien dan. Verdubbeling van een gen – dat is wat genduplicatie betekent – is de voornaamste bron van nieuwe genen. En nieuwe genen zijn de motor van de evolutie, met natuurlijke selectie als brandstof. Met nieuwe genen kun je  goed 'complexer' worden – niet dat ik helemaal zeker weet wat 'complexiteit' is, maar het geeft een idee.  Nieuwe genen zijn een bron van 'innovatie' – al kan innovatie ook wel zonder nieuwe genen.
Maar ja, genduplicatie dus. Hoe kom je aan gedupliceerde genen (gemakkelijk) en wat krijg je met gedupliceerde genen (heel veel mogelijkheden)?
                Hoe nieuwe genen ontstaan
DNA wordt gecopieerd als cellen delen. Er zijn twee soorten celdeling, mitose maakt nieuwe diploïede lichaamscellen en meiose maakt haploïde geslachtscellen uit diploïde lichaamscellen. Ik hoop dat dat onderwezen wordt op de middelbare school, maar als dat niet zo is, het staat ook op wikipedia. Bij de meiose verdubbelt eerst het DNA, zodat elk chromosoom uit twee strengen – chromatiden – bestaat die verbonden worden door het centromeer. De overeenkomstige chromosomen (bv chromosoom 3 afkomstig van de vader en chromosoom 3 afkomstig van de moeder) gaan netjes naast elkaar liggen en wisselen DNA uit. Dit heet crossing over en gebeurt  in chiasmata.
Dat uitwisselen werkt via breuken in chromatiden die daarna weer aan elkaar gezet worden. Meestal gaat dat precies maar lang niet altijd. Als het niet precies gaat kan er veel of weinig verandering in het DNA optreden. Crossing-over midden in DNA met bv de volgorde ..ACACACACACACAC.. geeft gemakkelijk een AC meer of minder. Ook verder zit er nogal wat herhaling in DNA – wat wil je ook met maar 4 basen – en het gevolg is dat er nogal wat fouten optreden, en ook na controleren blijven zitten.
                Hoeveel nieuwe genen?
Hoe vaak komen extra stukjes DNA voor? Die vraag is min of meer te beantwoorden nu DNA sequencen niet meer al te duur is. Elke geslachtscel sequencen gaat nog wat ver, maar variatie in DNA sequentie binnen een soort valt te doen. Dus, op zoek naar genetische variatie in hoeveelheid DNA binnen een soort of populatie. Genetische variatie in hoeveelheid DNA heet Copy Number Variation (CNV), en duplicatie van genen is maar één van de mogelijkheden voor Copy Number Variation (CNV).
De misschien meest bestudeerde soort (na mens) is Drosophila melanogaster. De standaardset Global Diversity Lines (GDL) bestaat uit 84 lijnen uit afkomstig uit vijf gemonsterde populaties:  Beijing, China (15 lijnen); Ithaca, US (19 lijnen); Netherlands (19 lijnen); Tasmania (18 lijenen); and Zimbabwe (13 lijnen). Elke lijn is ingeteeld en voor zo ver mogelijk homozygoot. Dat geeft een bruikbare verzameling voor genetische variatie binnen populaties tussen lijnen, en tussen populaties. Dat is dan duidelijk wel genetische variatie die een eerste test van levensvatbaarheid doorstaan heeft.

Sequencen van alle 84 lijnen geeft aan wat voor verschillen en overeenkomsten er zijn (Grenier et al, 2015). Bij deze lijnen is nagetrokken hoe vaak verschillen in copy number van een stukje DNA aanwezig is ten opzichte van het referentiegenoom van Drosophila melanogaster (Cardoso-Moreira et al, 2016). Er werd gekeken naar CNV van stukken DNA tussen 25 basepaar en 25000 basepaar lang. Er werden 2221 duplicaties, 56562 deleties en 3850 inserties van DNA van die maat gevonden. Copy Number Variation relatief weinig voor in DNA dat voor eiwit codeert en in de DNA dat met de regulatie van eiwitgenen te maken heeft. Duplicatie van DNA voor delen van genen komt weinig voor, maar duplicatie van volledige genen blijkt vaker voor te komen dan in eerste instantie op grond van hun DNA lengte was verwacht.
 


Figuur 2 A: wat voor type DNA in tweevoud of meer voorkomt in hoeveel lijnen binnen een populatie. Alle duplicaties per categorie samen 100%. Bijvoorbeeld,duplicatie van  DNA tussen genen vormt  20% van eenmalig voorkomende duplicaties; duplicatie van volledige genen vormt  >30%  van duplicaties die in met hoge frequentie in populaties voorkomen. B: Gen duplicaties komen niet in elke populatie met dezelfde frequentie voor.  






In totaal zijn er over de 84 lijnen 491 genduplicaties gevonden. Het is duidelijk dat genduplicaties binnen een populatie polymorf zijn: dat is, het gen kan in enkelvoud of in tweevoud in een lijn gevonden worden, maar niet in 100% van de lijnen van een populatie in twee voud. Dat betekent dat de genduplicaties in de populaties waaruit de lijnen afkomstig zijn onderdeel uitmaken van de genetische variatie.

De eerste conclusie is dat duplicaties van genen verre van zeldzaam is.
                Is er selectie op de gedupliceerde genen?
Dezelfde studie naar het voorkomen van genduplicatie keek ook naar sporen van selectie in het DNA van deze 84 lijnen (Cardoso-Moreira et al, 2016). De aanwezigheid van selectie laat sporen na in ht DNA: het allel dat door selectie in frequentie toeneemt sleept zijn omgeving in het DNA met zich mee. Het gevolg daarvan is dat met het allel ook de omgeving die specifiek is voor dat allel in frequentie toeneemt. En dat betekent weer dat de DNA omgeving van dat allel dat in frequentie is toegenomen relatief homogeen is.
Om te beginnen moet je dus kijken bij duplicaties die in hoge frequentie zijn in een populatie, en voor die duplicatie zoeken naar eenvormigheid in de omgeving. Die relatieve eenvormigheid is te zien bij sommige duplicaties. De duplicatie van het gen Prosbeta5R2 heeft minder genetische variatie in zijn omgeving dan de niet gedupliceerde variant, bijvoorbeeld.  

Figuur 3 Relatief weinig genetische variatie in de omgeving van een duplicatie die een hoge frequentie in zijn populatie heeft

Er waren acht genduplicaties geschikt voor deze benadering. Vijf daarvan lieten aanwijzingen voor selectie ten gunste van de duplicatie zien.  Dat houdt al met al in dat  omstreeks de helft van de genduplicaties door selectie op hoge frequentie is gekomen, en ongeveer de helft door toeval. In beide gevallen betekent het dat wat meer DNA aanmaken voor de vlieg geen enkel punt is. Een beetje DNA meer maken leidt niet tot selectie tegen de duplicatie vanwege te veel uitgaven voor de bouwstoffen voor DNA.

                Wat nieuwe genen doen:            Meer van hetzelfde
Nog steeds dezelfde studie naar het voorkomen van genduplicatie keek ook naar het effect van de duplicatie van genen (Cardoso-Moreira et al, 2016). Een gen moet tot expressive komen wil het meedoen, en het eerste daarvan is het aanmaken van RNA uit het DNA van het gen. Er is gekeken naar genexpressie gemeten als RNA van bij volwassen mannetjes. Dat werkte voor 288 van de 491 gedupliceerde genen. Van die 288 gedupliceerde genen hadden er 121 een hogere expressie, meer RNA, in de lijnen met de genduplicatie, en 7 gedupliceerde genen hadden lagere expressie (dus 160 zonder verschil in genwerking). Bedenk wel dat de hoeveelheid gevonden RNA per gen in een volwassen mannetje niet direct het niveau van het genproduct hoeft weer te geven: de totale hoeveelheid RNA van een gen kan ook nog geregeld worden.

 

Figuur 4. Voorbeeld van toename in genexpressie met aantal copieën voor het gen Prosbeta5R2


                Wat nieuwe genen doen:            Beetje differentiatie
De studie van Cardoso-Moreira et al, 2016 zocht naar patronen in DNA, en vond dat genduplicaties niet zeldzaam zijn, soms toenemen als gevolg van selectie en soms tot hogere hoeveelheid genproduct leiden. Zo'n studie kijkt niet in detail naar elk gen. Voor meer inzicht in de gevolgen van genduplicatie is dan nodig voor een aantal genen nauwkeuriger te kijken hoe ze werken. (wordt vervolgd (promise!))
******************
Cardoso-Moreira et al, 2016. Evidence for the fixation of gene duplications by positive selection in Drosophila. Genome Research 26:787–798
Grenier et al, 2015. Global diversity lines: a fivecontinent reference panel of sequenced Drosophila melanogaster strains. G3 5: 593–603





maandag 18 september 2017

Een algenschraper


Fossielen  zijn vaak geplet, en dat maakt het niet altijd gemakkelijk om uit te vinden hoe ze er in drie dimensies en levend uitzagen. Bijvoorbeeld, dit rommeltje:

Dit fossiel wordt gereconstrueerd als een redelijke interessante vis, met een aanzet tot een zespotig gewerveld landbeest:

 
Er staat in de reconstructietekening welke botten gevonden zijn. Je moet om te beginnen iets van de anatomie van vissen weten voordat je eraan begint. Bijvoorbeeld hoe wervels eruit zien, wat voor botten er in de kop zitten en zo. Anders blijft het bij alleen maar flattened fauna.

Het kan ook zijn dat er geen chocola van een fossiel te maken is. Dat was het geval bij dit fossiel, en het was nog wel zo'n mooie goed bewaarde. Het fossiel heet Atopodentatus unicus; dat betekent: het enige of unieke beest met tanden op een gekke plaats.



Figuur 1. Atopodentatus unicus, fossiel  van het gehele beest als gevonden in 2014. Een redelijk groot beest, 275 cm,  met duidelijk zwempoten en een kleine kop
Het is duidelijk een vrij groot gewerveld beest, heeft vier poten en een lange staart, een lange nek en een kleine kop. Het was een zeebeest, uit het Midden-Trias. De achterpoten zijn zwempoten, zie de tenen. Het bekken blijkt bij nadere beschouwing stevig genoeg dat het beest in ondiep water of op moddervlaktes of zandplaten kon kruipen, maar echt lopen zat er niet in. Van de schedel is genoeg te zien om te bedenken dat het een zeebeest is uit de grote Diapsiden groep, maar wel uit een groep die  dichter bij de hagedissen dan bij de krokodillen of schildpadden staat. Het gaat om de Sauropterygia, een groep met dit beest, en onder meer de latere Plesiosaurussen, of Loch Ness fame. Plesiosaurussen zijn volledig zeebeest, meestal roofdieren maar soms filteraars




Figuur2 Schedel van Atopodentatus skelet gevonden in 2014
De twee gevonden schedels zagen er vreemd uit. Er zit een raar bochtje in de schedel die op de foto staat met het hele fossiel, en de wat meer gedetailleerde schedel boven doet je je ook afvragen hoe die bek in elkaar zat.


Figuur 3  Tekening van kop en tanden, en schema van tanden met de richting van de waterstroom.
Er zijn 175 tanden in de bovenkaak en 190 tanden in de onderkaak geteld. Die op de zijkant van de onderkaat zijn het duidelijkst bij deze schedels. Het zijn hele fijne tanden, als naaldjes. De grootste tandjes zijn bijna een cm lang, en maar een mm bij hun basis, met een scherpe punt. Heel dun en heel klein, en heel scherp. Dit beest was geen roofdier. Dit zijn geen roofdiertanden. De tanden wijzen op een filteraar. Om te filteren moet je een hap water met spul nemen, en dat water naar buiten persen. Dan moet je bek dicht, en de vraag was hoe. De schedel in figuur 2 en figuur 3 gaf niet veel aanwijzing hoe die bek dan werkte.

Cheng en de andere onderzoekers die het fossiel in 2014 publiceerden voelden zich ook niet erg zeker. Ze zeggen dat het beest hun een filteraar die dicht bij de bodem leefde lijkt. Misschien vagelijk te vergelijken met de flamingo? Misschien zocht Atopodentatus voedsel op de bodem, en gebruikte hij zijn onderkaat als een soort schep, en de verticale snuit om spul in zijn mond te krijgen en de fijne tandjes als een soort luizenkam om voedsel uit de troep te halen. De omschrijving in het arikel gaf aanleiding tot reconstructies, als een beest met een soort ritssluiting in zijn kop, met die gekke bocht die het fossiel laat zien.

Het is geen wonder dat het beest in beide reconstructies wat treurig kijkt. Wie wil er zo uitzien? Zelfs als je een fossiel bent? En je schedel platgedrukt gevonden is?

Gelukkig voor Atopodentatus werden er nog twee fossiele expemplaar gevonden, en deze hadden een anders platgedrukte bek. Dat zag er ook vreemd uit, maar niet gek.

Figuur 4 In 2016 gepubliceerde fossiele koppen van Atopodentatus. Boven een fossiele kop die weinig vervormd lijkt, onder een fossiele kop waarbij het tandenkammetje heeft losgelaten
De bovenste van de twee koppen is duidelijk weinig vervormd. Een reconstructie van de kop op grond van deze fossielen geeft:

Bij deze twee fossielen van Chun et al (2016) zijn de tanden ook in meer detail te zien. De voorrand van het T-stuk heeft beitelvormige tanden, en de achterrand en de zijrand hebben de fijne naaldvormige tanden. In schema:

De bovenkaak steekt iets uit boven de onderkaak, en de achterrand met tanden van de bovenkaak valt tussen de tanden van de onderkaak. Een doorsnede op de stippellijn laat dan het volgende zien, in schema:

De tanden aan de voorkant van het T-stuk zouden hapjes uit algenbloei hebben kunnen bijten of agen van rots hebben kunnen schrapen. De fijne naaldtandtjes zijn geschikt als filter, om stukjes algenprut en bijbehorende kleine kreeftjes binnen te houden Tandkam vóór voor schrapen, tandkam achter voor filteren

Het beest in zijn geheel wordt dan, zwemmend en etend:

 
 
 
**************

Literatuur:

Cheng et al, 2014. A new marine reptile from the Triassic of China, with a highly specialized feeding adaptation. Naturwissenschaften (2014) 101:251–259

Chun et al, 2016. The earliest herbivorous marine reptile and its remarkable jaw apparatus. Sci. Adv. 2016; 2 : e1501659

zaterdag 29 juli 2017

Die lastige Zuid-Amerikaanse hoefdieren hun plaats gewezen



Charles Darwin kocht op 26 november 1834 ergens in Uruguay een fossiele schedel, voor 18 pence. Het was een enorme schedel, neushoornmaat, maar had bijtelvormige tanden die vaag aan die van een knaagdier deden denken, en neusgaten hoog op zijn kop als bij een zeekoe. Dat was de eerste vondst van het beest: het bleek een veel voorkoment fossiel. Uit latere vondsten bleek dat het beest vijf vingers en vijf tenen had, allemaal met hoefjes.

De offiële beschrijving werd gedaan door Richard Owen, de meest vooraanstaande paleontoloog in Engeland van zijn tijd. In 1838 kwam het eerste deel uit van:
 

THE ZOOLOGY OF THE VOYAGE OF H. M. S. BEAGLE






FOSSIL MAMMALIA.

BY MR. OWEN.

Owen beschreef het onbekende zoogdier dat hij Toxodon platensis noemde, als " A gigantic extinct mammiferous animal, referrible to the Order Pachydermata, but with affinities to the Rodentia, Edentata, and Herbivorous Cetacea."

Namen werden in die tijd een beetje anders gebruikt, maar Owen beschreef Toxodon als "een dikhuid, met overeenkomsten met de knaagdieren, tandlozen en de plantenetende walvissen". Met 'dikhuid' worden olifantachtigen, neushoorns en nijlpaarden samengenomen, knaagdieren zijn knaagdieren, tandlozen zijn in die tijd aardvark en gordeldier of luiaard, en met plantenetende walvissen zal wel zeekoeien bedoeld zijn.

 




Toxodon: skelet, schedel, afmetingen en relconstructies
 Een ander fossiel uit Zuid-Amerika, ook als eerste gevonden door Charles Darwin,  kreeg de naam Macrauchenia patachonica, met de korte omschrijving: "A large extinct Mammiferous Animal, referrible to the Order Pachydermata; but with affinities to the Ruminantia, and especially to the Camelidæ." Dus, "een dikhuid met overeenkomsten met de herkauwers, meer in het bijzonder met de kamelen"

Macrauchenia patachonica was een groot  beest, met een schouderhoogte van omstreeks 1 meter 80.











Grootte van Macrauchenia ten opzichte van mens. Skeletten van de heel vroege onevenhoevige Phenacodus (vooraan) en Macrauchenia (achter)
Het neusgat zit niet vooraan maar hoog in de schedel. Meestal wordt Macrauchnia daarom gereconstrueerd met een slurfje, al zijn er ook reconstructies met een kop die geïnspireerd is op de neus van de saiga-antiloop.

 





Verschillende reconstructies van Macrauchenia patachonica
Toxodon en Macrauchenia behoren tot een groep hoefdieren die Meridiungulata heet. Meridiungulata kwamen alleen in Zuid-Amerika voor, en zijn allemaal uitgestorven. Meestal worden de Meridiungulata als één groep gezien, met daarbinnen vijf ordes. Het gaat om honderden fossiele soorten in 280 geslachten, bekend vanaf het vroeg Paleoceen (65 miljoen jaar geleden), tot het einde van het Pleistoceen (10.000 jaar geleden).

De Meridiungulata, uitgestorven, geografisch beperkt, veelsoortig waren voor lange tijd de enige grazers en bladereters van Zuid-Amerika. Ze vulden dan ook alle niches die voor grazers en bladeters beschikbaar zijn. Er zijn duidelijk equivalente niches met huidige beesten elders. Naast neushoornequivalenten als Toxodon en olifantequivalenten als Macrauchenia waren er ecologische varianten op het konijn, Pachyrukhos, met springpoten, en op vroege paardjes, als Diadiaphorus met drie tenen en functioneel één hoef, en Thoatherium met één hoef.



Buidelroofdier Cladosictis vangt Pachyrukos, een ecologisch equivalent van het konijn.
 


 
Ecologische convergentie naar vroege paarden: Diadiaphorus, 120 cm hoog, 70 kg, en Thoatherium, 70 cm hoog
 
De Meridiungulata vormen een van de bekendste paleontologische puzzels. Waar horen die beesten bij? De huidige levende zoogdieren worden op grond van hun DNA ingedeeld in vier grote groepen. (Zie hier , en hier  voor de vier grote groepen). De Zuid-Amerikaanse Xenarthra groep heeft geen beesten met hoeven. De oorspronkelijk Afrikaanse Afrotheria groep heeft beesten als olifanten en klipdassen met min of meer hoeven. Bij de Euarchontoglires, met de knaagdieren en apen, vindt je geen enkele hoef. De grootste van de vier groepen, de Laurasiatheria, bevat onder andere de evenhoevigen – koeien tot kamelen – en de onevenhoevigen – neushoorns, tapirs en paarden. Waar zouden de Meridiungulaten bij horen? Bij de Xenarthra, omdat ze ook Zuid-Amerikaans zijn? Of bij de Laurasiatheria, bij de overige hoefdieren? Of misschien bij de Afrotheria? Indelen op hun botten geeft geen uitsluitsel: de ecologische aanpassingen verstoren het signaal van de afstamming.

De oplossing ligt dan bij het vergelijken van eiwitvolgorden en DNA volgorde, als je dat in handen zou kunnen krijgen. ALS, want het gaat om uitgestorven soorten.

Toxodon en Macrauchenia waren ongeveer de laatste soorten van de Meridiungulara die overbleven. Toxodon leefde van 2,6 miljoen jaar tot 16.500 jaar geleden,  Macrauchenia van 7 miljoen jaar geleden tot 10.000 jaar geleden. Bovendien waren ze groot. Dat maakt dat deze soorten de meest geschikte zijn om te proberen restanten eiwit en DNA uit de fossielen te halen. Het is geprobeerd en het lukte. Twee onderzoeksgroepen hebben resten kraakbeen gevonden en op aminozuurvolgorde geanalyseerd, voor Toxodon en voor Macrauchenia. Een andere groep is erin geslaagd de volgorde van het DNA in de mitochondria van Macrauchenia te vinden. Aan de hand van die volgordes van aminozuren in kraakbeen en van DNA basen in mitochondriaal DNA kan gevonden worden waar deze soorten het best bij alle andere soorten zoogdieren passen.
 


 
Indeling op de aminozuurvolgorde in kraakbeen: Onevenhoevigen (Perissodactyla, groen) zijn meer verwant met Macrauchenia en Toxodon (grijs) dan met Evenhoevigen (Artiodactyola, blauwgroen). De andere groepen van de Laurasiatheria: Roofdieren (Carnivora, blauw), Vleermuizen (Chiroptera, lichtblauw), Insecteneters (Lipothyphla, donkergroen) zijn minder verwant dan de hoefdieren met elkaar. De overige zoogdieren staan verder weg. Met de onevenhoevigen en Toxodon, Macrauchenia uitvergroot

. De drie studies komen tot dezelfde uitkomst: Macrauchenia en Toxodon horen in één groep, en op grond van hun kraakbeeneiwit en hun mitochondriaal DNA is hun groep de zustergroep van de onevenhoevigen De beide studies van de aminozuurvolgorde in kraakbeen gebruikten vertegenwoordigers van alle groepen placentale zoogdieren en de  buideldieren. Toxodon en Macrauchenia bleken naast de onevenhoevigen terecht te komen. De onevenhoevigen – paarden, tapirs en neushoorns – vormen samen een groep, de bekende orde Perissodactyla. Macrachenia en Toxodon hoorden bij elkaar, en vormen de zustergroep van de onevenhoevigen. De onevenhoevigen lijken in kraakbeen meer op Macrauchenia en Toxodon dan op evenhoevigen als koeien, kamelen of zwijnen.

Hetzelfde werd gevonden aan de hand van mitochondrial DNA. Macrauchenia is de zustersoort naast alle onevenhoevigen samen..



Mitochondriaal DNA: Macrauchenia als zustersoort van de onevenhoevigen.
DNA laat een schatting van de splitsingstijd toe: omstreeks 66 miljoen jaar geleden (betrouwbaarheidsinterval van 56.64 - 77.83 miljoen jaar geleden). Dat is dichtbij de tijd van de Krijt-Tertiair grens, de tijd van de laatste grote massaextinctie. Het idee is dat allerlei beesten die tot de groep van gezamenlijke voorouders van Macrauchenia en het paard behoorden, zich vanuit Azië via Noord-Amerika naar Zuid-Amerika verspreid hadden. Dat zou dan gebeurd zijn omstreeks 70 miljoen jaar geleden, toen Noord- en Zuid-Amerika nog enig contact hadden. Noord- en Zuid-Amerika dreven daarnaweer van elkaar vandaan. Bij het massale uitsterven bleef een kleine populatie over in Zuid-Amerika, en een verwante populatie in Noord-Amerika. Volgens Muizon en Cifelli vertegenwoordigt de familie Didolodontidae in het zuiden de oudste hoefdieren die met de Meridiungulata verwant zijn. De Noord-Amerikaanse wat kleinere Tetraclaenodon en wat grotere Phenacodus worden al langere tijd als de oudste varianten van de onevenhoevigen gezien.










Phenacodus, oudste onevenhoevige, maat als schaap.
******************
http://darwin-online.org.uk/   zoek op Toxodon
http://prehistoric-fauna.com/Macrauchenia-patagonica  beste plaatjes maar copyright, goede reconstructie met uitleg
https://nl.wikipedia.org/wiki/Didolodontidae
Buckley M, 2015. Ancient collagen reveals evolutionary history of the endemic South American  ungulates’. Proc. R. Soc. B 282: 20142671. http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2014.2671
Cooper LN, et al, 2014. Anthracobunids from the Middle Eocene of India and Pakistan Are Stem Perissodactyls. PLoS ONE 9(10): e109232. doi:10.1371/journal.pone.0109232
Halliday, TJD, et al, 2017. Resolving the relationships of Paleocene placental mammals. Biol. Rev 92:  521–550. doi: 10.1111/brv.12242
Muizon, c., & RL Cifelli., 2000. The "condylarths" (archaic Ungulata, Mammalia) from the early Palaeocene of Tiupampa (Bolivia): implications on the origin of the South American ungulates. Geodiversitas 22:47-150
Welker, F., et al. 2015. Ancient proteins resolve the evolutionary history of Darwin’s South American ungulates. Nature 522: 81-84
Westbury, M., et al., 2017. A mitogenomic timetree for Darwin’s enigmatic South American mammal Macrauchenia patachonica. Nature communications 8:15951 | DOI: 10.1038/ncomms15951