مارها بیش از 100 میلیون سال پیش دست و پاهای خود را از دست دادند، اما دانشمندان برای شناسایی تغییرات ژنتیکی درگیر تلاش کرده اند. یک مقاله سلولی که در 20 اکتبر منتشر شد، مقداری از این فرآیند را روشن می‌کند و بخشی از DNA را که در تشکیل اندام دخیل است و در مارها جهش یافته است، توصیف می‌کند. هنگامی که محققان DNA مار را در موش قرار دادند، حیوانات دست و پاهای کوتاه شده ای را ایجاد کردند که نشان می دهد بخش مهمی از DNA توانایی خود را برای حمایت از رشد اندام در طول تکامل مار از دست داده است.
"این یکی از بسیاری از اجزای دستورالعمل های DNA است که برای ساخت اندام در انسان و اساساً تمام مهره داران پا دیگر مورد نیاز است.اکسل ویزل، متخصص ژنتیک در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و نویسنده ارشد در مقاله می‌گوید: در مارها، مار شکسته است. این احتمالاً یکی از چندین مرحله تکاملی است که در مارها رخ داده است، که بر خلاف اکثر پستانداران و خزندگان، دیگر نمی‌توانند. اندام را تشکیل دهید."
مارهای امروزی دستخوش یکی از چشمگیرترین تغییرات طرح بدن در تکامل مهره داران شده اند. برای مطالعه ریشه‌های مولکولی این سازگاری، ویزل و همکارانش شروع به بررسی ژنوم‌های منتشر شده مارها کردند، از جمله ژنوم‌های مارهای پایه مانند بوآ و پیتون، که پاهای باقی‌مانده دارند - استخوان‌های پاهای ریز در ماهیچه‌هایشان مدفون شده است - و مارهای پیشرفته، مانند مانند افعی و مار کبری که تمام ساختارهای اندام خود را از دست داده اند. در درون این ژنوم ها، آنها به طور خاص بر روی ژنی به نام جوجه تیغی صوتی یا Shh تمرکز کردند که در بسیاری از فرآیندهای رشدی - از جمله تشکیل اندام - دخیل است. محققان بیشتر به یکی از تنظیم‌کننده‌های ژن Shh پرداختند، بخشی از DNA به نام ZRS (منطقه تنظیم‌کننده فعالیت قطبی‌کننده) که وجود داشت اما در مارها از هم جدا شده بود.
برای تعیین پیامدهای این جهش ها، محققان از CRISPR، یک روش ویرایش ژنوم، استفاده کردند تا ZRS را از مهره داران مختلف دیگر به موش وارد کنند و جایگزین تنظیم کننده موش کنند. با استفاده از ZRS سایر پستانداران، مانند انسان، موش‌ها اندام طبیعی داشتند. حتی زمانی که آنها ZRS را از ماهی وارد کردند، که باله‌های آن از نظر ساختاری بسیار متفاوت از اندام‌ها هستند، موش‌ها اندام‌های طبیعی پیدا کردند. با این حال، زمانی که محققان ZRS موش را با نسخه پایتون یا کبرا جایگزین کردند، موش‌ها به اندام‌های جلویی و عقبی به شدت کوتاه شدند.
"با استفاده از این ابزارهای ژنومی جدید، ما می‌توانیم شروع کنیم به بررسی اینکه چگونه نسخه‌های تکاملی مختلف یک تقویت‌کننده بر رشد اندام‌ها تأثیر می‌گذارند و در واقع ببینیم چه اتفاقی می‌افتد." ما قبلاً بیشتر به دنباله ها خیره می شدیم و در مورد تکامل مولکولی حدس و گمان می زدیم، اما اکنون، واقعاً می توانیم این مطالعات را به سطح بعدی ببریم.»
برای شناسایی جهش‌هایی در ZRS مارها که مسئول غیرفعال شدن آن در طول تکامل مار بودند، محققان نگاهی دقیق‌تر به تاریخچه تکاملی تغییرات توالی فردی داشتند.آنها با مقایسه ژنوم مارها و سایر مهره داران، یک حذف 17 جفت پایه مشکوک را شناسایی کردند که فقط در مارها رخ می داد. این حذف بخشی از ZRS را که نقش کلیدی در تنظیم ژن Shh در حیوانات پا دارد حذف کرد.
تیم تحقیقاتی ساعت تکاملی را به عقب برگرداند و 17 جفت باز گمشده را در یک نسخه ترکیبی مصنوعی از پیتون ZRS بازیابی کرد و DNA ویرایش شده را روی موش‌ها آزمایش کرد. آنهایی که این ZRS را که از نظر تکاملی "احیا شده" در ژنوم خود حمل می کردند، جایگزین تنظیم کننده طبیعی خود شدند، پاهای طبیعی داشتند. با این حال، Visel هشدار می‌دهد که رویدادهای تکاملی احتمالاً پیچیده‌تر از یک حذف بودند: "احتمالاً مقداری افزونگی در ZRS ماوس وجود دارد. تعدادی از جهش‌های دیگر در مار ZRS احتمالاً در از دست دادن عملکرد آن نقش داشته‌اند. در طول تکامل."
البته، مارها تنها جانوران مهره‌داری نیستند که دست و پا ندارند - به عنوان مثال، برخی از مارمولک‌ها، مارماهی‌ها و ماهی‌های دیگر، و پستانداران دریایی نیز به درجات مختلف کاهش اندام را تطبیق داده‌اند و احتمالاً اندکی تحت تأثیر قرار گرفته‌اند. فرآیند تکاملی مختلفویسل می‌گوید: «از دست دادن اندام‌ها چندین بار به‌طور مستقل در طول تکامل حیوانات رخ داده است، و می‌توان فرض کرد که جهش‌هایی که بر ژن‌های دیگر تأثیر می‌گذارند، دخیل بوده‌اند». "این یک مشکل پیچیده است، اما با معرفی ابزارهای ویرایش ژنوم، ما در نهایت می توانیم تغییرات خاص DNA را با تغییرات در شکل بدن به طور سیستماتیک تر مرتبط کنیم."
