Circa 150 milioni di anni fa, i serpenti si aggiravano su gambe ben sviluppate. Ora i ricercatori dicono che un trio di mutazioni in un interruttore genetico sono il motivo per cui quelle gambe alla fine sono scomparse.

Preso insieme, le mutazioni nell’enhancer di un gene noto come “Sonic hedgehog” interrompono un circuito genetico che guida la crescita degli arti nei serpenti.

Gli scienziati hanno fatto la loro scoperta studiando l’attività genetica in embrioni di pitone in via di sviluppo e confrontando le sequenze di DNA dei genomi di serpenti e lucertole. Mentre alcuni serpenti, come i cobra e le vipere, sono completamente privi di arti, i pitoni e i boa constrictor hanno mantenuto alcune vestigia delle loro strutture delle gambe.

Nei pitoni embrionali, i ricercatori hanno scoperto che le tre mutazioni lavorano cumulativamente per abolire una regione dell’enhancer “Sonic hedgehog” dove le proteine si legano al DNA, conosciute come siti di legame dei fattori di trascrizione, influenzando il modo in cui l’informazione genetica viene infine trascritta.

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In sostanza, l’enhancer funziona come un “interruttore” genetico che attiva il gene “Sonic hedgehog” durante la formazione degli arti. Con tre attivatori dell’interruttore eliminati nei pitoni, il gene “Sonic hedgehog” si accende solo a intermittenza prima di diventare silenzioso, terminando il processo di crescita delle gambe nell’embrione.

“È emozionante conoscere i precisi cambiamenti nucleotidici che sono responsabili della riduzione degli arti”, dice Martin Cohn, professore di genetica molecolare e microbiologia presso l’Università della Florida College of Medicine.

Pitoni e boa costrittori

Sorprendentemente, il resto del macchinario genetico per lo sviluppo delle gambe è rimasto al suo posto per milioni di anni ed esiste ancora in pitoni e boa costrittori. Cohn e la coautrice Francisca Leal, candidata al dottorato, hanno scoperto che gli embrioni di pitone formano “gemme” di gambe e accendono l’intero programma genetico necessario per creare le gambe, ma il circuito si interrompe dopo che il gene “Sonic hedgehog” si spegne.

Anche se l’enhancer “Sonic hedgehog” viene degradato, altri enhancer rimangono intatti, compresi quelli che facilitano l’attività di un gene chiamato Hoxd13, che è necessario per costruire mani e piedi. I ricercatori hanno trovato gli inizi cellulari dell’intero scheletro delle gambe, fino alle dita dei piedi, negli embrioni di pitone. Ma quando i giovani pitoni si schiudono, tutto ciò che rimane è un minuscolo rudimento del femore.

“I risultati ci dicono che lo sviluppo degli arti dei pitoni progredisce molto più di quanto sapessimo prima”, dice Cohn. “Fanno le gambe embrionali ma le cellule non completano il processo di sviluppo scheletrico”

Così mentre i pitoni e i boa mantengono gambe rudimentali, i serpenti più avanzati alla fine perdono del tutto le loro gambe. Il lavoro aiuta a spiegare esattamente come è successo. In laboratorio, i ricercatori hanno scoperto che i serpenti completamente privi di arti come i cobra e le vipere mostrano un decadimento più esteso del “Sonic hedgehog limb enhancer” rispetto ai pitoni e ai boa constrictor.

Zampe di serpente fossili

Negli ultimi 20 anni, altri scienziati hanno descritto fossili di serpente con gambe posteriori funzionali fuori dalla gabbia toracica. Si stima che i fossili abbiano almeno 90 milioni di anni, e mentre almeno una di queste specie probabilmente conserva le gambe dei suoi antenati con gli arti, alcuni scienziati credono che le gambe si siano ri-evolute in altri serpenti.

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Cohn pensa che la loro scoperta di uno scheletro transitorio di gambe negli embrioni di pitone mostra le reliquie delle gambe ancestrali del serpente e potrebbe aver fornito la materia prima per far riapparire gli arti. Le mutazioni che hanno eliminato le zampe di serpente sono probabilmente sorte circa 100 milioni di anni fa durante il Cretaceo superiore, secondo gli studi genomici di Cohn e Leal.

Nel 1999, Cohn ha pubblicato una ricerca che dettaglia la base molecolare della perdita degli arti durante l’evoluzione dei serpenti. Cohn accredita Leal, che ha un background in erpetologia, per aver voluto rivisitare l’argomento ora che la tecnologia ha avanzato la comprensione della genomica dei serpenti.

Perché alcuni di questi siti di legame dei fattori di trascrizione non erano ancora stati scoperti nei mammiferi, le ultime scoperte creano anche un’opportunità per tornare nei modelli di topo e forse anche negli esseri umani per cercare mutazioni nelle stesse regioni genomiche, dice Cohn. Mentre non ci sono piani immediati per farlo, le scoperte nei serpenti dimostrano il potere della biologia evolutiva e comparativa di aprire nuove strade per la scienza biomedica.

“Questa sorprendente conservazione e le modifiche specifiche nel genoma del serpente sono un chiaro testamento della loro ascendenza”, dice Leal. “I serpenti si sono chiaramente evoluti da antenati con gli arti e i loro genomi lo dimostrano.”

L’Howard Hughes Medical Institute ha finanziato il lavoro.