Come siamo arrivati ad avere cinque dita?

Un gruppo di ricercatori ha svelato i meccanismi molecolari che hanno portato molti vertebrati terrestri odierni ad avere un arto pentadattilo. Eppure, i tetrapodi primitivi erano polidattili…

La maggior parte dei tetrapodi esistenti hanno cinque dita al termine dei loro arti. Nonostante questo, le prime vere zampe comparse nei tetrapodomorfi erano polidattili. Uno di questi, l’Acanthostega, aveva otto dita sugli arti anteriori, e almeno otto anche su quelli inferiori, mentre Ichtyostega ne aveva sette. Nonostante le numerose evidenze fossili e molecolari che hanno fatto chiarezza sulla transizione da pinna ad arto, come il numero di dita si sia progressivamente ridotto a cinque rimane un mistero.

I geni Hox sono coinvolti nella transizione da pinna ad arto, e si pensa che la formazione delle dita sia dovuta a cambiamenti nella regolazione della loro espressione (Pikaia ne ha parlato qui). Nell’arto in via di sviluppo del topo, questa regolazione si basa sull’azione di una serie di enhancer, sequenze di DNA che possono favorire la trascrizione di un particolare gene.

Nei tetrapodi, l’espressione dei geni da Hoxa9 a Hoxa13 è influenzata da enhancer che promuovono la loro espressione nella parte distale dell’arto (le future dita). Nonostante questo, l’espressione di Hoxa11 è confinata solamente alla parte prossimale. Al contrario, nella pinna dei pesci l’espressione di Hoxa11 si sovrappone a quella di Hoxa13. Ma qual è la causa di questo cambiamento nell’espressione dei geni Hox?

In uno studio pubblicato sulla rivista Nature, i ricercatori hanno inizialmente dimostrato che la limitazione dell’espressione di Hoxa11 era dovuta alla sua particolare sequenza genica. Infatti, se questo gene veniva sostituito con un altro, questo risultava espresso anche nella porzione distale. Responsabile della mancanza della proteina HOXA11 nelle future dita era un tipo di RNA regolatore chiamato long non-coding RNA contenuto nel gene Hoxa11 stesso. Dove era presente l’RNA regolatore non c’era espressione del gene Hoxa11. Inoltre, l’RNA regolatore era espresso nella regione delle dita per via della presenza di un enhancer nell’introne di Hoxa11.

I genetisti hanno poi dimostrato che l’espressione dell’RNA regolatore era dovuta al legame tra l’enhancer e altre proteine Hox (HOXA13 e HOXD13). Infatti, HOXA13 e HOXD13 sono necessarie per la formazione delle dita e sono espresse, guarda caso, nelle regioni dove HOXA11 non è presente. Un’anomala presenza di HOXA11 e HOXD11 nella regione distale dell’arto in via di formazione, invece, causava lo sviluppo di arti polidattili con sette dita. Questo suggeriva che la limitazione dell’espressione di Hoxa11 alla porzione prossimale era necessaria per formare cinque sole dita.

È interessante notare che nello zebrafish l’enhancer responsabile dell’espressione dell’RNA regolatore non sembra essere presente. Quindi, la comparsa di quell’enhancer è stata probabilmente fondamentale per l’evoluzione degli arti. I ricercatori hanno concluso che l’assenza di HOXA11 nella regione che formerà le dita è alla base della transizione dalla polidattilia dei tetrapodi primitivi alla pentadattilia di quelli esistenti.


Riferimento:
Kherdjemil Y, Lalonde RL, Sheth R, Dumouchel A, de Martino G, Pineault KM, Wellik DM, Stadler HS, Akimenko MA, Kmita M. Evolution of Hoxa11 regulation in vertebrates is linked to the pentadactyl state. Nature, 2016. doi: 10.1038/nature19813.

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