Hadi přišli o končetiny před více než 100 miliony let, ale vědci mají potíže s identifikací genetických změn. Článek Cell publikovaný 20. října vrhá určité světlo na tento proces a popisuje úsek DNA zapojený do tvorby končetin, který je u hadů mutován. Když vědci vložili hadí DNA do myší, u zvířat se vyvinuly zkrácené končetiny, což naznačuje, že kritický úsek DNA ztratil schopnost podporovat růst končetin během evoluce hada.
„Toto je jedna z mnoha součástí instrukcí DNA potřebných pro výrobu končetin u lidí a v podstatě všech ostatních obratlovců s nohama. U hadů je to zlomené, " říká Axel Visel, genetik z Lawrence Berkeley National Laboratory a hlavní autor článku. "Je to pravděpodobně jeden z několika evolučních kroků, ke kterým došlo u hadů, kteří na rozdíl od většiny savců a plazů již nemohou tvoří končetiny."
Dnešní hadi prošli jednou z nejdramatičtějších změn tělesného plánu ve vývoji obratlovců. Aby mohli studovat molekulární kořeny této adaptace, Visel a jeho kolegové začali zkoumat publikované hadí genomy, včetně genomů bazálních hadů, jako je hroznýš a krajta, kteří mají zakrnělé nohy – drobné kosti nohou zabořené ve svalech – a pokročilých hadů, např. jako zmije a kobra, které ztratily všechny struktury končetin. V rámci těchto genomů se zaměřili konkrétně na gen zvaný Sonic hedgehog nebo Shh, který se podílí na mnoha vývojových procesech – včetně tvorby končetin. Výzkumníci se dále ponořili do jednoho z regulátorů genu Shh, úseku DNA nazývaného ZRS (regulační sekvence zóny polarizační aktivity), který byl přítomen, ale u hadů se rozcházel.
K určení důsledků těchto mutací použili vědci CRISPR, metodu úpravy genomu, k vložení ZRS z různých jiných obratlovců do myší, čímž nahradili myší regulátor. Díky ZRS jiných savců, jako jsou lidé, se u myší vyvinuly normální končetiny. I když vložili ZRS z ryb, jejichž ploutve jsou strukturálně velmi odlišné od končetin, myši vyvinuly normální končetiny. Když však výzkumníci nahradili myší ZRS verzí krajty nebo kobry, u myší se vyvinuly vážně zkrácené přední a zadní končetiny.
„Pomocí těchto nových genomických nástrojů můžeme začít zkoumat, jak různé evoluční verze stejného zesilovače ovlivňují vývoj končetin, a ve skutečnosti uvidíme, co se stane,“říká Visel. "Dříve jsme většinou zírali na sekvence a spekulovali o molekulární evoluci, ale nyní můžeme tyto studie skutečně posunout na další úroveň."
Aby identifikovali mutace v hadím ZRS, které byly zodpovědné za jeho inaktivaci během evoluce hada, vědci se blíže podívali na evoluční historii jednotlivých změn sekvencí. Porovnáním genomů hadů a jiných obratlovců identifikovali jednu obzvláště podezřelou deleci 17 párů bází, která se vyskytla pouze u hadů; tato delece odstranila úsek ZRS, který má klíčovou roli v regulaci genu Shh u zvířat s nohama.
Výzkumný tým vrátil evoluční hodiny, obnovil chybějících 17 párů bází v uměle vytvořené hybridní verzi krajty ZRS a testoval upravenou DNA na myších. Ti, kteří nesli tento evolučně "vzkříšený" ZRS ve svém genomu, nahrazujícím jejich normální regulátor, vyvinuli normální nohy. Visel však varuje, že evoluční události byly pravděpodobně složitější než jen jedna delece: "V myším ZRS je pravděpodobně nějaká redundance zabudovaná. Několik dalších mutací v hadím ZRS pravděpodobně také hrálo roli v jeho ztrátě funkce. během evoluce."
Hadi samozřejmě nejsou jedinými obratlovci, kteří postrádají ruce a nohy – například někteří ještěři, úhoři a další ryby a mořští savci se také přizpůsobili zmenšení končetin v různé míře a pravděpodobně prošli mírným odlišný evoluční proces."Ztráta končetin se během evoluce zvířat objevila několikrát nezávisle a je bezpečné předpokládat, že se na tom podílely mutace ovlivňující jiné geny," říká Visel. "Je to složitý problém, ale se zavedením nástrojů pro úpravu genomu můžeme konečně začít systematičtěji spojovat specifické změny DNA se změnami tvaru těla."
