A prima vista, la maggior parte delle persone non penserebbe che alligatori o uccelli siano cugini evolutivi. Ma in effetti, i rettili sono i parenti viventi più prossimi degli uccelli, e tutti discendono dagli arcosauri, i "rettili dominanti" che un tempo dominavano la Terra 250 milioni di anni fa.

Gli arcosauri diedero origine all'era dei dinosauri e, infine, uccelli e rettili come i loro unici discendenti viventi.

Recentemente, sono stati scoperti molti fossili di dinosauri di transizione con piumaggi completi o parziali. Gli scienziati ipotizzano che queste primitive "proto-piume" di dinosauri piumati possano essersi evolute per aiutare l'endotermia, attrarre compagni, ha dato loro la capacità di superare meglio i predatori, e alla fine planare e volare.

Ma il modo esatto in cui la pelle esterna e i tessuti sottostanti specificano le piume rispetto alle scaglie - e in definitiva l'evoluzione del volo - è rimasto un mistero.

Però, questo ricco patrimonio evolutivo dovrebbe essere ancora incorporato in tutto il DNA di uccelli e rettili viventi.

Per scienziati come il medico di medicina rigenerativa Dr. Cheng-Ming Chung, un professore di patologia presso la Keck School of Medicine della USC, il campo è ora maturo per la spiumatura con i progressi della moderna genomica che possono affinare gli indizi molecolari responsabili dell'evoluzione delle piume e del volo.

E in un nuovo studio pubblicato nell'edizione online avanzata di Biologia Molecolare ed Evoluzione , Chuong ha guidato un team internazionale per identificare una pletora di nuovi geni coinvolti nello sviluppo di squame e piume.

"Ora abbiamo una potenziale spiegazione molecolare per questi collegamenti mancanti ipotizzati, " disse Chuong.

Hanno anche dimostrato la capacità di trasformare le squame in piume, attivando e disattivando i circuiti molecolari chiave nelle fasi critiche della crescita e dello sviluppo della scala.

"Questi risultati mostrano che diverse perturbazioni causano diversi livelli di conversione della scala in piume, implicando che le squame hanno la capacità di formare piume dati i segnali molecolari appropriati, " disse Chuong.

Per lo studio di ricerca, il team ha eseguito un trascrittoma completo dell'RNA e un'analisi genomica del DNA di pulcini e alligatori in via di sviluppo per identificare le loro differenze di espressione genica e i geni chiave nella formazione di squame o penne.

Prossimo, hanno messo questi geni unici della piuma di pollo all'interno delle uova di alligatore, accendendoli o spegnendoli con cura sotto la loro pelle in crescita per risvegliare un'antica programmazione che può trasformare le squame in piume.

"Le nostre analisi hanno portato all'identificazione di cinque moduli morfo-regolatori essenziali per la moderna formazione delle penne, " ha detto Chuong. "Proponiamo che questi moduli possano originariamente evolversi come strategie diverse per un migliore adattamento. Infine, la combinazione integrativa di cinque moduli morfo-regolatori realizza oggi l'architettura della piuma di grande successo, consente alla classe Ave di rivendicare la maggior parte del cielo aperto come propria nicchia ecologica."

Questi circuiti chiave portano al germogliamento e all'allungamento delle appendici, follicolo con cellule staminali e papilla dermica per consentire la rigenerazione ciclica, formazione di creste a punta con diverse forme di ramificazione, e differenziazione specifica della cheratina delle piume.

Alcune molecole potrebbero indurre solo uno dei cinque criteri, per esempio., il gene Sox2 può attivare il germogliamento delle piume e inibisce totalmente la formazione di squame, mentre Grem1 può indurre ramificazioni simili a barb.

"Altre molecole, come l'acido retinoico o Sox18, hanno una maggiore capacità di indurre le squame scutate a formare appendici cutanee simili a piume, " ha detto Chuong. "Queste appendici simili a piume mostrano tutti e cinque i criteri che definiscono le piume, suggerendo che agiscono a un livello gerarchico superiore in questo percorso evolutivo".

Questi regolatori principali potrebbero essere stati i primissimi geni ad adattarsi durante l'antica evoluzione dell'arcosauro e ad acquisire una nuova capacità verso la creazione delle penne complesse di oggi.

"Intrigante, alcuni di questi fenotipi sono simili alle insolite appendici filamentose trovate nei fossili di dinosauri piumati".

Ispirato al "drago volante, " Ping Wu vuole sfidare le scaglie di alligatore a formare piume. Con l'espressione forzata di germogli e beta-catenina, geni che hanno scoperto per aiutare a convertire le squame di pollo in piume, sono in grado di provocare la formazione di squame allungate nella pelle embrionale di alligatore.

Lo studio si aggiunge in modo significativo alla crescente lista di geni e molecole noti per indurre strutture simili a piume negli uccelli e ha stabilito un nuovo potente sistema negli alligatori per testare ed esplorare ulteriormente l'evoluzione del volo.