Il y a environ 150 millions d’années, les serpents se déplaçaient sur des pattes bien développées. Aujourd’hui, les chercheurs affirment qu’un trio de mutations dans un commutateur génétique explique pourquoi ces pattes ont fini par disparaître.

Ensemble, les mutations dans l’exhausteur d’un gène connu sous le nom de « Sonic hedgehog » perturbent un circuit génétique qui entraîne la croissance des membres chez les serpents.

Les scientifiques ont fait leur découverte en étudiant l’activité génétique dans les embryons de python en développement et en comparant les séquences d’ADN des génomes de serpents et de lézards. Alors que certains serpents, comme les cobras et les vipères, sont complètement dépourvus de membres, les pythons et les boas constricteurs ont conservé quelques vestiges de leurs structures de pattes.

Dans les pythons embryonnaires, les chercheurs ont constaté que les trois mutations fonctionnent de manière cumulative pour abolir une région de l’amplificateur « Sonic hedgehog » où les protéines se lient à l’ADN, connues sous le nom de sites de liaison des facteurs de transcription, affectant la façon dont l’information génétique est finalement transcrite.

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Essentiellement, l’enhancer fonctionne comme un « interrupteur » génétique qui active le gène « Sonic hedgehog » pendant la formation des membres. Avec trois activateurs de l’interrupteur supprimés chez les pythons, le gène « Sonic hedgehog » ne fait que vaciller avant de se taire, mettant fin au processus de croissance des membres dans l’embryon.

« C’est passionnant de connaître les changements précis de nucléotides qui sont responsables de la réduction des membres », déclare Martin Cohn, professeur de génétique moléculaire et de microbiologie à l’University of Florida College of Medicine.

Pythons et boa constrictors

Surprenant, le reste de la machinerie génétique pour le développement des jambes est resté en place pendant des millions d’années et existe toujours chez les pythons et les boa constrictors. Cohn et sa coauteure Francisca Leal, candidate au doctorat, ont découvert que les embryons de python forment des « bourgeons » de pattes et activent l’ensemble du programme génétique nécessaire à la fabrication des pattes, mais que le circuit s’interrompt après l’extinction du gène « Sonic hedgehog ».

Bien que l’exhausteur « Sonic hedgehog » soit dégradé, d’autres exhausteurs restent intacts, notamment ceux qui facilitent l’activité d’un gène appelé Hoxd13, nécessaire à la construction des mains et des pieds. Les chercheurs ont découvert les prémices cellulaires de l’ensemble du squelette des pattes, jusqu’aux orteils, dans les embryons de pythons. Mais au moment de l’éclosion des jeunes pythons, il ne reste qu’un minuscule rudiment de fémur.

« Les résultats nous indiquent que le développement des membres des pythons progresse beaucoup plus loin que ce que nous savions auparavant », explique Cohn. « Ils fabriquent des pattes embryonnaires mais les cellules ne terminent pas le processus de développement du squelette. »

Donc, si les pythons et les boas conservent des pattes rudimentaires, les serpents plus évolués finissent par perdre complètement leurs pattes. Les travaux permettent d’expliquer exactement comment cela s’est produit. En laboratoire, les chercheurs ont constaté que les serpents complètement dépourvus de membres, comme les cobras et les vipères, présentent une décomposition plus importante de l' »exhausteur de membre Sonic hedgehog » que les pythons et les boas constricteurs.

Jambes de serpent fossiles

Au cours des 20 dernières années, d’autres scientifiques ont décrit des fossiles de serpents avec des pattes arrière fonctionnelles à l’extérieur de leur cage thoracique. Ces fossiles sont estimés à au moins 90 millions d’années, et si au moins une de ces espèces conserve probablement les pattes de ses ancêtres à membres, certains scientifiques pensent que les pattes ont ré-évolué chez d’autres serpents.

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Cohn pense que leur découverte d’un squelette de pattes transitoire dans des embryons de python montre les reliques de pattes ancestrales de serpents et pourrait avoir fourni la matière première pour que les membres réapparaissent. Les mutations qui ont éliminé les pattes de serpent sont probablement apparues il y a environ 100 millions d’années au cours du Crétacé supérieur, selon les études génomiques de Cohn et Leal.

En 1999, Cohn a publié une recherche détaillant la base moléculaire de la perte des membres au cours de l’évolution des serpents. Il attribue à Leal, qui a une formation en herpétologie, le mérite d’avoir voulu réexaminer le sujet maintenant que la technologie a fait progresser la compréhension de la génomique des serpents.

Parce que certains de ces sites de liaison des facteurs de transcription n’avaient pas encore été découverts chez les mammifères, les dernières découvertes créent également une opportunité de revenir à des modèles de souris et peut-être même à des humains pour rechercher des mutations dans les mêmes régions génomiques, dit Cohn. Bien qu’il n’y ait pas de plans immédiats pour le faire, les découvertes chez les serpents démontrent le pouvoir de la biologie évolutive et comparative pour ouvrir de nouvelles voies à la science biomédicale.

« Cette conservation surprenante et les modifications spécifiques dans le génome du serpent sont un témoignage clair de leur ascendance », dit Leal.  » Les serpents ont clairement évolué à partir d’ancêtres munis de membres et leurs génomes le démontrent. « 

Le Howard Hughes Medical Institute a financé ces travaux.