• Evolution
• Beine
• Schlangen

University of Florida

Vor etwa 150 Millionen Jahren, wanderten Schlangen auf gut entwickelten Beinen umher. Jetzt sagen Forscher, dass ein Trio von Mutationen in einem genetischen Schalter der Grund dafür ist, dass diese Beine schließlich verschwanden.

Zusammengenommen unterbrechen die Mutationen im Enhancer eines Gens, das als „Sonic hedgehog“ bekannt ist, einen genetischen Schaltkreis, der das Wachstum der Gliedmaßen bei Schlangen antreibt.

Wissenschaftler machten ihre Entdeckung, indem sie die genetische Aktivität in sich entwickelnden Python-Embryonen untersuchten und DNA-Sequenzen von Schlangen- und Echsengenomen verglichen. Während einige Schlangen, wie Kobras und Vipern, völlig gliedmaßenlos sind, haben Pythons und Boa constrictors einige Überreste ihrer Beinstrukturen behalten.

In embryonalen Pythons fanden die Forscher heraus, dass die drei Mutationen kumulativ arbeiten, um eine Region des „Sonic hedgehog“-Enhancers abzuschaffen, in der sich Proteine an die DNA binden, die als Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen bekannt sind, was die Art und Weise beeinflusst, wie genetische Informationen letztendlich transkribiert werden.

Die allerersten Schlangen hatten winzige Knöchel und Zehen

Im Wesentlichen funktioniert der Enhancer wie ein genetischer „Schalter“, der das „Sonic hedgehog“-Gen während der Gliedmaßenbildung einschaltet. Wenn drei Aktivatoren des Schalters in Pythons gelöscht werden, flackert das „Sonic hedgehog“-Gen nur noch auf, bevor es verstummt und den Prozess des Beinwachstums im Embryo beendet.

„Es ist aufregend, die genauen Nukleotidveränderungen zu kennen, die für die Reduktion der Gliedmaßen verantwortlich sind“, sagt Martin Cohn, Professor für Molekulargenetik und Mikrobiologie an der University of Florida College of Medicine.

Pythons und Boa constrictors

Überraschenderweise ist der Rest der genetischen Maschinerie für die Entwicklung von Beinen seit Millionen von Jahren an Ort und Stelle geblieben und existiert immer noch in Pythons und Boa constrictors. Cohn und Koautorin Francisca Leal, eine Doktorandin, fanden heraus, dass Python-Embryonen Bein-„Knospen“ bilden und das gesamte genetische Programm einschalten, das für die Bildung von Beinen benötigt wird, aber der Schaltkreis bricht zusammen, nachdem das „Sonic hedgehog“-Gen abgeschaltet wird.

Obwohl der „Sonic hedgehog“-Enhancer abgebaut wird, bleiben andere Enhancer intakt, einschließlich derer, die die Aktivität eines Gens namens Hoxd13 erleichtern, das für die Bildung von Händen und Füßen benötigt wird. Die Forscher fanden die zellulären Anfänge des gesamten Beinskeletts, bis hin zu den Zehen, in Python-Embryonen. Aber wenn die jungen Pythons schlüpfen, bleibt nur ein winziges Rudiment des Oberschenkelknochens übrig.

„Die Ergebnisse sagen uns, dass die Gliedmaßenentwicklung bei Pythons viel weiter fortgeschritten ist, als wir bisher wussten“, sagt Cohn. „Sie bilden embryonale Beine, aber die Zellen schließen den Prozess der Skelettentwicklung nicht ab.“

Während Pythons und Boas also rudimentäre Beine behalten, verlieren fortgeschrittenere Schlangen ihre Beine schließlich ganz. Die Arbeit hilft zu erklären, wie das genau passiert ist. Im Labor fanden die Forscher heraus, dass völlig gliedmaßenlose Schlangen wie Kobras und Vipern einen stärkeren Verfall des „Sonic hedgehog limb enhancer“ zeigen als Pythons und Boa constrictors.

Fossile Schlangenbeine

In den letzten 20 Jahren haben andere Wissenschaftler Schlangenfossilien mit funktionstüchtigen Hinterbeinen außerhalb ihrer Rippenkäfige beschrieben. Die Fossilien sind schätzungsweise mindestens 90 Millionen Jahre alt, und während mindestens eine dieser Arten wahrscheinlich die Beine ihrer gegliederten Vorfahren beibehalten hat, glauben einige Wissenschaftler, dass sich die Beine bei anderen Schlangen neu entwickelt haben.

Schlangen lehren Robotern die Kunst der engen Kurve

Cohn glaubt, dass ihre Entdeckung eines vorübergehenden Beinskeletts in Python-Embryonen die Relikte von Schlangenbeinen der Vorfahren zeigt und das Rohmaterial für das Wiederauftauchen von Gliedmaßen geliefert haben könnte. Die Mutationen, die die Schlangenbeine eliminierten, entstanden wahrscheinlich vor etwa 100 Millionen Jahren in der Oberkreidezeit, so die genomischen Studien von Cohn und Leal.

Im Jahr 1999 veröffentlichte Cohn eine Forschungsarbeit, die die molekulare Basis des Verlusts von Gliedmaßen während der Schlangenevolution beschreibt. Er schreibt Leal, der einen Hintergrund in Herpetologie hat, zu, dass er das Thema jetzt, da die Technologie das Verständnis der Schlangengenomik vorangebracht hat, wieder aufgreifen wollte.

Da einige dieser Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen bei Säugetieren noch nicht entdeckt worden waren, bieten die neuesten Erkenntnisse auch die Möglichkeit, in Mausmodellen und vielleicht sogar beim Menschen nach Mutationen in denselben genomischen Regionen zu suchen, sagt Cohn. Obwohl es keine unmittelbaren Pläne gibt, dies zu tun, demonstrieren die Ergebnisse bei Schlangen die Macht der evolutionären und vergleichenden Biologie, um neue Wege für die biomedizinische Wissenschaft zu ebnen.

„Diese überraschende Erhaltung und die spezifischen Modifikationen im Schlangengenom sind ein klares Zeugnis ihrer Abstammung“, sagt Leal. „Schlangen haben sich eindeutig aus Vorfahren mit Gliedmaßen entwickelt und ihre Genome zeigen dies.“

Das Howard Hughes Medical Institute hat die Arbeit finanziert.