Ruis, rommel

Troep. Zootje ongeregeld. Rommel maar wat aan. Dat is wat een cel met DNA en zo doet. Terwijl het op school lijkt alsof al die genetische biochemie zo precies geregeld is. Nou nee.

Op de middelbare school wordt geleerd: DNA geeft RNA geeft eiwit. DNA geeft RNA heet transcriptie, RNA geeft eiwit heet translatie. DNA heeft de basen A, C, G, T en RNA heeft de basen A, C, G, U. Base G paart met base C en base A paart met base T (of base U). Verder is het eigenlijk niet nodig iets van die basen te weten, alleen dat paren is echt van belang. En natuurlijk dat eeen drietal basen een code is voor een aminozuur, of 'start' of 'stop'.

Hoeveel transciptie van het DNA is er, hoeveel translatie? Hoeveel transcriptie / translatie is ruis?

 1          Indeling van het DNA

Het hangt van de soort af hoeveel DNA ook eiwit-betekenis heeft. Bij de mens wordt iets als 2% van het DNA in eiwit omgezet. Verder is er DNA dat op een of andere manier iets met met genregeling te maken heeft; eiwit-coderend en regulerend samen iets als 6% van het DNA. De overige 82% (bij de mens) is restjes virus, restjes transposons, herhalende stukken als een paar duizend keer de basen AC, en in functionerende genen de introns tussen de voor eiwit coderende delen. Er wordt dus weinig DNA in eiwit omgezet : heel weinig. Hoeveel transcriptie is er? Veel meer.

 

2          Transscriptie

Transcriptie begint als RNA-polymerase ergens aan het DNA bindt, en daar heeft het RNA-polymerase een herkenningssequentie voor nodig. Transcriptie kan op minstens drie varianten van het DNA beginnen, steeds met een reeksje basen. Voorbeelden van plekken voor begin van transcriptie zijn TATAWAW en RGWYV(T) en YYANWYY (hier is W: A of T; R: A of G; Y: C of T; V: A of C of G; N: A of C of G of T). Dat geeft nogal wat mogelijkheden. Soms heeft een gen meer dan één plaats hebben waar transcriptie kan beginnen,maar in de meeste gevallen is er één goed begin voor transcriptie maar kan het RNA-polymerase er ook naast zitten omdat er tig basen verderop ook wel een sequentie van zeven basen op een beginplek lijkt. En meest belangrijk, er zijn mogelijkheden te over voor RNA-polymerase om aan DNA te binden zonder dat die plek ook netjes naast een gen ligt.

In al die restjes virus en restjes transposons zijn er heel veel  plaatsen met zes of zeven basen naast elkaar die op een beginsequentie voor transcriptie lijken. Dat krijgje zo met een paar miljard basen op toevalsvolgorde. De kans op een basevolgorde die tot het begin van transciptie leidt is weliswaar (1/4)⁷= 0.0000610352, maar vermenigvuldigd met 2 miljard is dat toch naar verwachting meer dan honderdduizend mogelijk plekken voor transcriptiebegin, door toeval alleen. Rommel DNA op toevalsvolgorde wordt rustig in RNA omgezet. Dan heb je loos RNA dat weer afgebroken wordt. Er zijn studies die zeggen dat misschien 80% van het DNA wel eens wordt overgeschreven in RNA. Terwijl maar 8% van het DNA zinnig RNA geeft. Dus 70% van al het DNA leidt tot loos RNA, en van alle overschrijving van DNA tot RNA is 7/8 loos. Dat wordt dan weer afgebroken.

Nu doet dit er niet veel toe: elk molecuul loos RNA komt misschien eens in de zoveel keer in één exemplaar in een cel voor. Nuttig RNA dat regelt of tot eiwit leidt komt in grote hoeveelheden van elk molecuul in een cel voor.

Transcriptie levert dus heel veel ruis op.

3          Translatie, Open Reading Frames

Translatie lijkt veel stricter op het eerste oog. Translatie van RNA in eiwit begint bij een startcodon AUG en eindigt bij een stopcodon UGA, UAA of UAG. Bij nuttig RNA gaan er een aantal basen aan dat startcodon vooraf, maar niet erg veel: 20. 30, of zo. Bij loos RNA is er geen enkele garantie dat er een startcodon voor translatie op redelijke afstand van het RNA-begin te vinden is. Dan geeft de translatiemachine, het ribosoom, het op.

Aan de andere kant, een toevallig begin voor transcriptie TATAWAW met een een ATG in het DNA op een nette afstand is best mogelijk als er alleen ruis is. Het is niet verboden. Ook is het dan mogelijk dat pas vele drietallen basen na het startcodon een stopcodon optreedt. Dan heb je door toeval alleen een Open Reading Frame, een Open Leesraam ORF) dat een mogelijk gen is.

Komt dat vaak voor? O ja.

Ik gebruikte EXCEL voor het genereren van een toevalssequentie van DNA van 50 000 basen lang, met de vier basen A, C, G, T op toevalsvolgorde. Het programma OrfFinder van de website https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/ zoekt ORFs, en heeft 50000 basen als maximumgrens voor de invoer. Hoeveel ORFs beginnnend met ATG zijn er in een toevalssequentie van vijftigduizend basen lang?

 In OrfFinder kun je instellen hoe groot het ORF moet zijn. Dan krijg je dit:

Lengte base-sequentie	Lengte eiwit	Gevonden aantal ORFs
> 30	10	764
> 75	25	365
> 150	50	103
> 300	100	9
> 600	200	0

 Vanuit het gevonden aantal ORFs kun je een voorspelling maken voor het aantal ORFs dat gevonden wordt in bv een miljard random basen in een genoom. Dat is vooral interessant voor  lange ORFs:

Lengte base-sequentie	Lengte eiwit	Gevonden aantal ORFs
> 300	100	167912
> 400	133	33901
> 500	167	6844
> 600	200	1382
> 700	233	279
> 800	267	56
> 900	300	11

 ORFfinder geeft dus heel wat ORFs op een random DNA sequentie. Behoorlijk wat ruis.

 

4          Toevalseiwit

Toevals-DNA geeft dus heel wat Open Reading Frames. Stel dat elk ORF wordt vertaald in een eiwit, is dat dan een redelijk eiwit? Iets functioneels?

Dat is moeilijk te voorspellen. De driedimensionale vorm van een eiwit kan niet voorspeld worden uit de aminozuurvolgorde. Wel is het mogelijk om de aminozuurvolgorde te vergelijken met andere aminozuurvolgordes, aminozuurvolgordes waarvan de driedimensionale vorm bekend is. Er is ook een website voor, bijvoorbeeld PHYRE2. Heeft een random gegenereerd eiwit dan een redelijke drie-dimensionale vorm? Ja, dat kan ook nog wel.

Bijvoorbeeld deze toevalssequentie voor DNA:

ATGCCTGGCGGGCAGACGCTACCTTCCAGGAAATGGACGGGAATTCCAAAATGTACTATGTGGGTGTGGCAACTGAGCCACACAGGAGTCACAACCCCACCAAAGTGTGTCGGCGACAGAGCCCCTTGTATTGGCCGTATAAGATATCATAGGATTGCAAAGCTATGTTGCATAGTGGACTCAATAGTATTGAAAAGGGGGACATGA

Gaf deze aminozuursequentie:

MPGGQTLPSRKWTGIPKCTMWVWQLSHTGVTTPPKCVGDRAPCIGRIRYH RIAKLCCIVDSIVLKRGT*

Zonder het begin codon ATG (voor M, methionine), ziet de voorspelling voor de secundaire structuur er zo uit:

 

Met alpha-helix in groen en beta-sheet in blauw. Het lijkt niet een al te onmogelijk eiwit

 4          Moraal: 

- transcriptie heeft veel ruis, ook rommel-DNA wordt veelal over geschreven in RNA.

- veel Open Leesramen (ORF's) ontstaan ook volgens toeval, als ruis.

- een ruis-eiwit kan er nog redelijk uitzien

******

https://biologielessen.nl/index.php/dna/637-transcriptie

https://biologielessen.nl/index.php/dna/638-translatie

https://sandwalk.blogspot.com/2018/03/whats-in-your-genome-pie-chart.html   

https://en.wikipedia.org/wiki/Gene_prediction

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/

http://bio.lundberg.gu.se/edu/translat.html

http://www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/html/page.cgi?id=index

http://www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/html/page.cgi?id=index

Scansoriopterygidae

Iets met Game of Thrones?

 

Scansoriopterygidae is de naam van Epidexipteryx, Yi qi, Ambopteryx en nog twee fossielen samen. Ze verschillen wat onderling, en daarom werden ze niet als soorten van één geslacht maar als soorten van één familie benoemd. Of het geslacht of familie is is wat arbitrair – paleontologen houden er zo te zien van een andere geslachtsnaam te geven. Maar duidelijk is dat de fossielen Epidexipteryx, Yi qi, Ambopteryx en nog twee fossielen  bij elkaar horen. Dat komt steeds als uitkomst uit de indelingen waarbij deze vijf fossiel samen met vele andere dinosauriërs ingedeeld worden.

Welke twee andere fossielen? Het gaat om Scansoriopteryx heilmanni en Epidendrosaurus ningchengensis.  Beide soorten zijn bekend van één exemplaar, net als Epidexipteryx, Yi qi en Ambopteryx. Ze zien er als volgt uit, waarin het rode pijltje naar de derde vinger wijst:

In beide figuren is een zwart balkje zichtbaar, dat de afmetingen geeft: het zwarte balkje is 1cm lang. Het gaat dus om kleine beestjes. Bovendien gaat het in beide gevallen om heel jonge dieren. Ondanks dat de fossielen eruit zien als platgereden egel, is er best nog wat van te maken. Veel van de botjes zijn er.

(Wikimedia Jaime Headden)

De skeletjes zijn zo sterk hetzelfde dat er gedacht wordt dat het om dezelfde soort gaat. Die soort wordt dan meestal Epidendrosaurus ninchengensis genoemd.

De twee namen betekenen zo'n beetje: 'klimmende vleugel' en 'op boom dino'. Het eerste idee over de levenswijzen van Epidendrosaurus was dan ook een boomklimmer, voor de beschrijvers van de fossielen.  Dat idee van 'boomklimmen' kwam van de lange derde vinger (zie rode pijltjes in het fossiel). Een vroege reconstructie, uit 2011, laat een klimmend kuiken zien, met veren op de voorpoten. Een beetje een Anchiornis voorpoot, en duidelijk voor het idee van vleerdino met Yi qi begon.

Klimmend Epidendrosaurus / Scansoriopteryx kuiken, reconstructie 2011

BIj deze groep fossielen met vier soorten is het duidelijk hoe details van het ene fossiel als hypothese voor de reconstructie van een ander fossiel geleend worden.

Scansoriopteryx werd het eerste gevonden, had lange armen en had duidelijk een lange derde vinger.

Epidexipteryx werd als tweede gevonden, had lange armen en mogelijk een lange hand: de hypothese is dat de derde vinger de langste is.  De staart is kort, met vier lange lintvormige veren.

Yi qi werd als derde gevonden. De achterkant van Yi qi ontbreekt in het fossiel, maar in de reconstructies krijgt hij een korte staart met vier lange veren, als Epidexipteryx.

Ambopteryx werd als vierde gevonden, zonder detail van de kop, alleen de vorm. In de reconstructies is de hypothese dat de tanden overeenkomen met die van Epidexipteryx en Yi qi, naar voren uitstekend. Ambopteryx had duidelijk een korte staart, de staartveren worden weer gereconstureerd als die van Epidexipteryx.

Bij geen van de vijf fossielen zijn veren met een schacht en baarden zichtbaar. Bij Epidexipteryx, Yi qi en Ambopteryx zijn duidelijk draadvormige veren, dinodons, aanwezig. De reconstructie met het klimmende kuiken voor Epidendrosaurus geeft dinodons als hypothese voor de bekleding van het lijf.

Al met al is dit voor alle vier soorten de verstandigste reconstructie, al zit er iets in dat niet gedocumenteerd is: de snavel.

 

********

S.A. Czerkas en . Feduccia, 2014.  Jurassic archosaur is a non-dinosaurian bird.  Journal of Ornithology 155:841–851  DOI 10.1007/s10336-014-1098-9 (beschikbaar Scansoriopteryx artikel)

F. Zhang et al, 2002. A juvenile coelurosaurian theropod from China indicates arboreal habits. Naturwissenschaften  89:394–398

Pluchen knuffel

"Bizar":  in de titel van een wetenschappelijke publicatie! Niet alleen in "A bizarre Jurassic maniraptoran theropod with preserved evidence of membranous wings" (Xu et al 2015), maar bijna dezelfde titel zeven jaar eerder: "A bizarre Jurassic maniraptoran from China with elongate ribbon-like feathers", een publicatie van Zhang et al, ook in Nature. Beide bizar, maar om verschillende redenen. Al gaat het om fossielen van verwante beesten.

 

Pluchen knuffel met oorwarmers. Eerste reconstructie.

Het fossiel met de lange lint-achtige staartveren is Epidexipteryx hui. In 2008, toen Epidexipteryx gepubliceerd werd, was hij het meest vogelachtige fossiel dat geen vogel was, en met 152 - 168 miljoen jaar oud ouder dan Archaeopteryx van 150.8–148.5 miljoen jaar geleden. Die begeerde status van ' naaste oudere verwant van Archaeopteryx' heeft Epidexipteryx maar een jaar gehouden: in 2009 moest hij zijn positie afstaan aan Anchiornis.

Epidexipteryx had veel vogelachtigs over zich: lange armen, korte staart, maar leek in kop en veren niet erg op een vogel. Bij de vrij korte kop vallen de naar voren gerichte voortanden op. De veren zijn onvertakt, en lijken wat op een vachtje. Het 'bizarre' in de titel slaat op de staartveren: vier lange lintvormige veren zijn aangehecht aan de korte staart. Het fossiel is afgebroken, en daarmee is het onbekend hoe lang de vier staartveren waren. Het bewaarde stuk van de staartveren is al lang.

a) Fossiel; b,c) kop met uitgelichtte tanden; d) staartveren.

De rechterarm (die ook rechts te zien is) is afgebroken bij de onderarm De linkerarm ligt gebogen met de pols en hand onder het lijf. Er zijn drie klauwtjes bewaard gebleven. Er zijn ook wat vinger- of middenhandbotjes, maar niet allemaal en het is niet zeker welke van de vinger- of middenhandbotjes het zijn. Daarmee is ook niet aan het fossiel te zien welke van de vingers de langste is. De reconstructies van deze kleine soort (geschat gewicht 164 gram) laten dan ook verschillen zien. De eerste reconstructie is die als pluchen knuffel, met de middelste van de drie vingers de langste. Al in 2008 komen er reconstructies met de derde vinger als langste.

 

Skelet

 

Epidexipteryx als takloper

Epidexipteryx als boomklimmer. Lijf en voorpoten hebben hier veren gekregen die niet gevonden zijn, min of meer op grond van Anchiornis. (tekening Emily Willoughby)

De kop, het bekken en de lange armen laten zien dat Epidexipteryx hui bij Yi qi en Ambopteryx longibrachium hoort. Had Epidexipteryx dan ook een styliform element en membraanvleugels? Niemand heeft daaraan gedacht bij de beschrijving in 2008. De pols is niet bekend; de polsbotjes zouden onder de wervels van de ruggegraat liggen als ze er waren. Het dunne spits toelopende botje dat naast een klauwtje ligt is als ribbetje benoemd.

Nu is ook duidelijk waar de staartveren van Yi qi en Ambopteryx in de reconstructies vandaan komen: van Epidexipteryx hui. Er is geen garantie dat hun staart er zo uitzag, maar dit is de meest voor de hand liggende hypothese over hun staart.

**********

Zhang et al, 2008. A bizarre Jurassic maniraptoran from China with elongate ribbon-like feathers. Nature 455: 1105-1108.

Tweede vleerdino

Yi qi was in 2015 de eerst gevonden vleerdino, en werd begroet met verbazing en een beetje argwaan. Klopte de interpretatie als vleerdino nu echt?

Op 9 mei 2019 is de tweede soort vleerdino gepubliceerd: Ambopteryx longibrachium, 'langarmige beide vleugel'. Het fossiel komt uit weer uit China, min of meer uit dezelfde streek en min of meer dezelfde geologische laag. Yi qi komt uit Mutoudeng, Qinglong county, Ambopteryx uit Wubaiding, Reshuitang town, Lingyuan city, Liaoning. Dat zijn twee plaatsen 150 km van elkaar (leve Google maps). Yi qi komt uit het Callovien-Oxfordien, Ambopteryx uit het Oxfordien: dat wil zeggen dat Yi qi op tussen 157 en 166 miljoen jaar geleden gedateerd wordt, en Ambopteryx wat nauwer, op 163 miljoen jaar geleden.

Ambopteryx is iets kleiner dan Yi qi, Ambopteryx geschat op 306 gram en Yi qi op 380 gram. Ambopteryx verschilt van Yi qi in een paar onderdelen, zoals een bredere of dikker ellepijp in Ambopteryx dan in Yi qi. Genoeg om te denken dat het om een andere soort gaat, al is het een verwante soort. Het fossiel van Ambopteryx heeft net wat andere botten bewaard dan het fossiel van Yi qi: Yi qi heeft een goede schedel, Ambopteryx goede achterpoten en staart.

 

   De linkervoorpoot van Ambopteryx is goed bewaard gebleven. Zie de tekening met annotatie. Er is het linkerschouderblad ls, de linkerbovenarm lh, de linker onderarm met spaakbeen lr en ellepijp lu, drie middenhandsbeentjes mc1, mc2 em mc3, drie vingers lmd1, lmd2 en lmd3. En een styliform element se. In de buurt van de hand en het styliform element zijn restanten van een membraan aanwezig.

 

Dit is een reconstructie van het skelet, met in wit de gevonden botten. Het silhouet geeft ook een kop weer, met tanden: dat is gebaseerd op de schedel en tanden van Yi qi. Dus, we gebruiken een hypothese op grond van de redelijk overeenkomstige Yi  qi voor de schedel van Ambopteryx. Móet die hypothese juist zijn? Nee, hoeft niet. Enig ander redelijk voorstel?

 

Ambopteryx New York Times

Misschien zag Ambopteryx er min of meer zo uit als hij zweef of vloog. Met opgetrokken poten. Dat moet, om twee redenen. Ten eerste, omdat dinosauriërs hun achterpoten niet kunnen spreiden; ten tweede, omdat bij een zwevend of vliegend beest het zwaartepunt niet achter de vleugels mag liggen. Met opgetrokken poten ziet een zwevende Yi qi of Ambopteryx er van opzij ongeveer zo uit:

 

De korte staart eindigt in vergroeide wervels. En die vier veren? Die komen van weer een ander fossiel.

**********

Wang, M. et al. 2019, A new Jurassic scansoriopterygid and the loss of membranous wings in theropod dinosaurs. Nature 569: 256–259

Vleerdino

"Bizar":  in de titel van een wetenschappelijke publicatie! "A bizarre Jurassic maniraptoran theropod" volgens de beschrijvers (Xu et al 2015).  "But things have just gone from the strange to the bizarre." Dat was de reactie van de bekende paleontoloog Padian op de eerste vleerdino. (Padian 2015). Bizar zoiets in een wetenschappelijke publicatie te zien staan.

Het gaat dan ook om een vleerdino.

Vleerdinosauriërs: dinosauriërs die niet vliegen met veren aan hun arm en hand maar met een vlieghuid. Een vierde manier van vliegen naast vogels, vleermuizen en pterosauriërs. Zoiets als dit:

 

Vleerdino's zijn zo vreemd dat ze zelfs in het assortiment fantasiebeesten schijnen te ontbreken. De reactie op de publicatie van het fossiel was dan ook: 'wat krijgen we nu?'

Het gaat om een fossiel van tussen 163 en 157 miljoen jaar oud, STM 31-2, gevonden in China. Het fossiel was te vinden waar de steen spleet, en op beide kanten van de gespleten steen was fossiel aanwezig. Alle stukken staan op de eerste foto.

Het fossiel bevat de voorkant van een gewerveld landbeest: schedel, nekwervels, wat ribben, twee voorpoten en wat achterpootbotjes. De botten liggen wat door elkaar, maar niet al te erg. Er zijn dunne draadvormige veren langs kop, nek en rug, en het stukje achterpoot. De schedel laat zien dat het om een dinosauriër uit de theropoden-groep gaat, zelfs uit de maniraptora-groep, dus vrij dicht bij de vogels. Het is een vrij klein beest, geschat op een 380 gram.

De verrassing kwam toen de botjes van de voorpoten geïdentificeerd werden. Er waren duidelijk 3 vingers, alle drie bewaard voor de rechtervoorpoot. De rechtervoorpoot is rechts op de foto.

Voor beide voorpoten waren het opperarmbeen en spaakbeen en ellepijp te vinden. Ellepijp en spaakbeen waren met wat vergroting te identificeren: zelfs in de foto's hier is hopelijk te zien dat ze over elkaar liggen en elkaar kruisen, maar in figuur Extended data 2 van de publicatie is het duidelijk. We zien drie vingers met klauwtjes, van oplopende lengte. De eerste vinger, die overeenkomt met de duim bij ons, is die aan de kant van het spaakbeen. De laatste vinger is die aan de kant van de ellepijp (bij ons is dat de pink); en hier is het de lange derde vinger.

Dan komt er een probleem, want er is aan beide zijden een bot over. Een vrij lang bot, zonder onderverdeling. Een bot dat wat toeloopt aan de losse kant en vast lijkt te zitten aan de pols. Het is even 'styliform element' genoemd, een beschrijvende benaming zonder interpretatie.

Er was geen enkel overeenkomstig bot bij de dinosauriërs bekend: in 2015 is dit de eerste keer dat een dergelijk bot bij een dinosauriër gevonden wordt. Niet dat een dergelijk bot helemaal niet voorkomt: een bot dat bij de pols uitsteekt is bekend van de reuzenkoeskoes (Petauroides volans), bij de buideleekhoorns als de sugar glider (Petaurus breviceps), bij de witkelige vliegende eekhoorn (Petaurista leucogenys) en bij de pterosauriërs. Bij de zoogdieren heet zo'n bot een spoor, en bij de pterosauriërs heet het bot het pteroid. Dus bij zwevende zoogdieren en de vliegende pterosauriërs komt zo'n bot voor. Allemaal met een vlieghuid.

De voor de hand liggende eerste hypothese is dan dat het om een beest met een vlieghuid gaat. Zijn er verdere aanwijzingen voor een vlieghuid in het fossiel? Ja, er zitten wat resten van zacht weefsel rond het styliform element en de vingers. Die resten van zacht weefsel lijken op plat dun weefsel, een membraan, van een verder nooit eerder gevonden type (bij dinosauriërs). Verder onderzoek liet melanosomen zien, cellichaampjes waarin zwarte of bruine kleurstof gevonden wordt. Het membraanachtige spul had nogal kleine ronde melanosomen, en dat betekent bruine kleurstof, terwijl de veren melanosomen voor zwarte kleurstof lieten zien.

Gaat het om een spoor met een bruine vlieghuid? Ja, als we vergelijken met andere gewervelde landdieren. Heel andere gewervelde landdieren, trouwens. Dus, we gebruiken een hypothese op grond van andere gewervelde dieren om het fossiel te verklaren.

Hoe zou  zo'n vlieghuid eruit gezien hebben? Alles wat we hebben is de lengte van het styliform element, en de aanhechting bij de pols. Dat geeft de mogelijkheden a, b en c uit de volgende figuur.

Voor glijden of zelfs vliegen lijkt mogelijkheid a de beste papieren te hebben. Het is totaal onbekend hoe ver naar achteren langs het lijf de vlieghuid doorliep.

Ter vergelijking: Vliegers: d) vleermuis; e) vogel; f) pterosauriër; Glijder:  g) witkelige vliegende eekhoorn (Petaurista leucogenys,  giant Japanese flying squirrel)

Het is duidelijk dat voor vliegen een vleugel in drie delen nodig is: bovenarm, onderarm, hand, met een vrij lange sterke bewegelijke hand. De lange derde vinger doet aan een potentiële vlieger denken, eerder dan aan een glijder.

De soort van dit fossiel is Yi qi genoemd. De publicatie is zo goed de vertaling te geven:  Yi = vleugel en qi = vreemd.

Reconstructietekening, beter dan de tekeningen hierboven.

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

Padian, K. 2015. Dinosaur up in the air. Nature 521: 40–41

Xu, X. et al. 2015, A bizarre Jurassic maniraptoran theropod with preserved evidence of membranous wings. Nature 521: 70–73 doi:10.1038/nature14423