Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology


Home   Genes   Leukemias   Solid Tumours   Cancer-Prone   Deep Insight   Case Reports   Journals  Portal   Teaching   

X Y 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 NA
    

Skelettentwicklung beim Menschen

*

I.   Einführung

I.1    Entwicklungsgene in Drosophila

I.2    Skelettentwicklung beim Menschen

II.    Entwicklung des Axialskeletts

II.1    Signalmoleküle involviert in der Determinierung von Sklerotom zu Knorpel

II.2    Rolle der Hox-Gene in der Regulation vertebraler Segmente

III.    Entwicklung der Extremitäten (Gliedmaβenskelett)

III.1    Dreidimensionale Differenzierung der Extremitätenknospen

III.2    Rolle der FGF und ihrer Rezeptoren in der Extremitätenentwicklung

III.3    Rolle der Hox- und BMP-Gene in der Entwicklung der Extremitätenknospen

IV.    Entwicklung des Schädels

IV.1    Signalmoleküle der craniofacialen Entwicklung

V.    Schluβfolgerung

Französisch
Englisch


lange Version (in Englisch)

*

I. Einführung

Unser Verständnis für die genetische und molekulare Kontrolle der Entwicklung in Vertebraten hat sich während der letzen 10 Jahre durch die Entdeckung dramatisch vergrert, daβ molekulare Prozesse, die die Entwicklung von Evertebraten kontrollieren, während der Evolution konserviert wurden und auch in Vertebraten gefunden werden kann. Wichtige Entwicklungsgene wurden identifiziert, die nicht nur in ihrer Sequenz hnlichkeiten sondern auch in ihrer molekularen Funktion aufweisen und zwar in so unterschiedlichen Oranismen wie C. elegans, Drosophila , Mäusen und Menschen. Es ist nun klar, daβ epigenetische Entwicklung durch eine Kaskade von Genexpression reguliert wird. Früh agierende Regulatorgene initiieren den Entwicklungsprozess und induzieren die Expression anderer nachfolgender Gene.

I.1 Entwicklungsgene in Drosophila

In den frühen 80er Jahren ermöglichte die phenotypische Analyse von Drosophilamutanten die Identifikation von mehr als 50 Entwicklungsgenen, die in 3 Groβgruppen fallen:

1-Die Polaritätsgene wirken entlang der antero-posterior und dorso-ventral Achse, ihre Mutation bewirkt fehlerhafte Polarität des gesamten Embryos (zB: bicaudal).

2-Die Segmentationsgene sind in der Bildung der 14 Segmente involviert (3 Kopfsegmente, 3 Thoraxsegmente und 9 Abdominalsegmente). Diese in der Zygote aktiven Gene wurden 3 verschiedenen Klassen zugeordnet, nämlich "gap genes", "pair rule genes" und "segment polarity genes".

3-Die Homeogene kontrollieren die Identität von Segmenten und bilden den homeotischen HOM-C-Komplex, welcher 2 separate Cluster umfasst: Bithorax (BX-C) und Antennapedia (ANT-C).

I.2 Skelettentwicklung beim Menschen

  • Somiten können in 3 mesodermale Organanlagen gegliedert werden: Myotome, Dermatome und Sklerotome. Aus letzteren entstehen die Wirbelkörper und Wirbelbögen bzw tragen sie zur Schädelbasis bei.

  • Die Extremitätenknospen entstehen am lateralen Körper auf Höhe der Sklerotome.

  • Der Schädel besteht aus Chondrocranium (Neurochranium), flachen Knochen membranösen Ursprungs, welche den Schädel abdecken, und dem Viscerocranium, das die Kieferbögen stützt.

    In diesem Kapitel wird die klassische Embryologie der 3 Skelettelementtypen dargestellt, die aus 3 unterschiedlichen embryonalen Linien entsteht, und der Beitrag einiger Signalfaktoren in der Regulation der Skelettmorphogenese diskutiert.

    II. Entwicklung des Axialskeletts

    Der ventrale Teil der Sklerotome umgibt den Notochord (die Chorda dorsalis) und bildet die Wirbelanlage. Der dorsale Teil des Sklerotoms umgibt die Neuralröhre und bildet die Wirbelbogenanlage.

    II.1 Signalmoleküle beteiligt an der Determitierung eines Sklerotoms zu Knorpel

    Die Segmentation und Differenzierung der somitischen Untereinheiten wird von regulatorischen Genen und Wachstumsfaktoren kontrolliert, die durch spezifische induktive Mechanismen wirken.

    Die erste Signal für die Sklerotominduktion scheint ein Chorda dorsalis-produzierter Faktor zu sein, der Sonic hedgehog (Shh) genannt wird. Pax1 und Pax9 mediieren Interaktionen zwischen Chorda und den sich entwickelnden Sklerotomen.

    Zwei basic Helix-Loop-Helix Transkriptonsfaktoren, Twist und Scleraxis, sind ebenfalls im Sklerotom exprimiert.

    II.2 Rolle der Hox-Gene in der Regulation vertebraler Segmente

    Die entsprechende Differenzierung der Zervikal-, Thoraxlumbar- und Sakralwirbeln benötigt sequentielle Expression der Hox-Gene. Im Menschen besteht der Hox-Gen-Komplex, der dem Drosophila HOM-C Komplex homolog ist, aus 39 Genen, die in 4 chromosomalen Clustern organisiert sind (A, B, C und D). Die Gene werden in 13 paraloge Familien unterteilt, basierend auf Proteinsequenzähnlichkeiten und darauf, daβ Gene an den 3’ Enden der Cluster während der Embryogenese früher exprimiert werden als ihre 5’ Nachbarn. Obwohl eine extensive Funktionsüberschneidung zwischen Hox-Genen zu existieren scheint, haben Mutationsexperimente in Mäusen relevante Informationen zu deren Rolle zutage gebracht. Nullmutation von Hoxc-8 führt zur Transformation des 1. Lendenwirbels in einen 14. Brustwirbel, auch verschmolz die 8. Rippe mit dem Sternum. Loss-of-Function Allele von Hoxb-4, Hoxa-2 und Hoxd-3 induzieren ebenfalls Wirbeltransformationen, die die Hypothese unterstützen, daβ Hox-Gene verantwortlich für die Modifizierung eines allgemeinen Wirbelmoduls sind und dadurch die Identität jedes Wirbels definieren.

    III. Entwicklung der Extremitäten (Gliedmaβenskelett)

    Zellen des lateralen Plattenmesoderms (LPM) und Zellen der lateralen Kanten naher Somiten wandern zum Extremitätenfeld. Die Extremitätenknospen beginnen als kleine Austülpungen, die aus der lateralen Körperwand herausragen. Jede Extremitätenknospe besteht aus einem mesenchymalen Kern aus Mesoderm, der von einer Ektodermkappe bedeckt ist. Das Ektoderm an der Spitze der Knospe verdickt sich und bildet eine spezialisierte Struktur, die Apikalleiste oder Apikalfalte (apical ectodermal ridge (AER)) genannt wird.

    Diese Struktur bewirkt kontinuierliches Extremitätenknospenwachstum entlang der proximo-distal (P-D) Achse (von Schultern zu den Fingern). Gleichzeitig mit der Verlängerung entlang der P-D Achse wird die Extremität entlang der dorso-ventral (D-V) Achse abgeflacht (Handrücken zu Handfläche) und wird entlang der antero-posterio (A-P) Achse asymmetrisch (Daumen zu kleinem Finger). Das proximalste Element (Stylopode) beginnt zuerst zu differenzieren, gefolgt von der progressiven Differenzierung der distaleren Strukturen (Zeugopode und Autopode). Dieses Wachstum und die Musterung sind abhängig von der Etablierung und Aufrechterhaltung dreier Signalzentren in der Extremitätenknospe:

    1) der AER, eines Epithels, welches an der distalen Kante der Knospe in anterior-posteriorer Richtung verläuft;

    2) der Polarisierungszone (zone of polarizing activity (ZPA)) im Mesenchym an der posterioren Kante der Knospe;

    3) der nicht zum AER gehörende Ektodermanteil der Knospe.

    III.1 Dreidimensionale Differenzierung der Extremitätenknospen

    Die Extremitätenknospen in Vertebraten wachsen in Richtung der proximodistalen, dorsoventralen und craniocaudalen (antero-posterior) Achsen und benötigen Positions-Signalmoleküle.

  • Mitglieder der Fibroblastenwachstumsfaktoren (FGF) – Familie produziert durch AER Zellen erfüllen die Funktion der Apikalleiste, die für P-D Wachstum notwendig ist. FGF-Signale sind verantwortlich dafür, die darunterliegenden undifferenzierten Mesenchymalzellen in einem undifferenzierten Proliferationszustand in der Region lokalisiert zu halten, die als Wachstumszone oder Progress-Zone bekannt ist.

  • Sonic hedgehog (Shh), von ZPA produziert, stellt den Schlüsselmediator der polarisierenden Aktivität dar, die die Musterung entlang der A-P Achse reguliert.

  • Spezifikation der D-V Achse scheint durch En1 (einem Vertebratenhomolog des Drosophila Transkriptionsfaktor engrailed), Wnt7a und Lmx1 mediiert zu werden. Wnt7a (ein homolog von wingless in Drosophila) wirkt über sein downstream Target Lmx1 (ein Lim Homeoboxgen), das im darunterliegenden Mesenchym exprimiert wird. Diese verschiedenen Signalmoleküle sind voneinander abhängig. Regulatorische Interaktionen zwischen den Signalzentren und ihren Produkten koordinieren und regulieren in Zusammenarbeit das Extremitätenwachstum und die Musterung entlang aller 3 Achsen.

    III. 2 Rolle der FGF und ihrer Rezeptoren in der Extremitätenentwicklung

    Die FGF-Familie besteht aus zumindest 24 Mitgliedern. Die Proteine, die von 24 verschiedenen Genen kodiert werden, sind von variabler Länge (155-268 Aminosäuren) und beinhalten eine konservierte "Kern" – Sequenz von about 120 Aminosäuren, die die Fähigkeit in sich trägt, Heparin oder Heparansulfat-Proteoglycane (HSPG) zu binden. Sezernierte FGF können HSPG (low affinity Rezeptoren) binden wie Syndecane, Glypican und Perlecan, die an der Zelloberfläche lokalisert sind und ihre Fähigkeit beschränken, weit von den Zellen weg zu diffundieren. Das erlaubt auch ihre Bindung zu high affinity Rezeptoren, den Fibroblastwachstumsrezeptoren (FGFRs), die eine Familie von 4 Transmembran-proteintyrosinkinasen bilden. Die Bindung von FGF to Monomeren von FGFR induziert Rezeptordimerisation und aktiviert die Tyrosinaktivität, welche wiederum Signaltransduktion auslöst. Zumindest 5 FGF (FGF2, FGF4, FGF8, FGF9 und FGF10) und 2 FGFR (FGFR1 und FGFR2) sind während der Extremitätenknospeninitiation exprimiert.

    FGFs, die in der Apikalleiste produziert werden, haben 2 Hauptfunktionen.

  • Eine ist, die Proliferation von Zellen in der Progresszone aufgrund ihrer mitogenen Aktivität für das Extremitätenknospenmesenchym zu stimulieren und dadurch neue Zellen zu produzieren, die für das Extremitätenwachstum benötigt werden.

  • Eine weitere Funktion von FGFs ist die Aufrechterhaltung der Shh Expression in der ZPA. FGF4, obwohl nicht benötigt für die Induktion der Shh expression, ist vor allem für die Aufrechterhaltung der Expression während des Prozesses der Extremitätenelongation verantwortlich. Die regulatorische Interaktion zwischen FGF4 und Shh könnte reziprok sein, da Shh, das in der ZPA produziert wird, FGF4 expression in der Apikalleiste induziert und aufrecht erhält. Diese positive Feedback-Schleife zwischen FGF4 und Shh könnte einer der Mechanismen sein, durch die Wachstum und Musterung der Extremität koordiniert reguliert wird, obwohl zusätzliche Moleküle wie Wnt7a wohl eine Rolle in der Regulation der Shh-expression spielen.

    Eines der Ziele für FGF Signalketten aus der Apikalleiste ist FGF10, das im distalen Extremitätsknospenmesenchym exprimiert wird. Dieser Faktor kann mit FGF8 interagieren und dürfte dadurch eine positive Feedback-Schleife zwischen FGF10 und FGF8 darstellen. Diese reziproke Regulation könnte durch 2 Isoformen von FGFR2 mediiert werden, FGFR2b (das nur FGF10 bindet) und FGFR2c, (das FGF8 bindet). Ein neueres Modell wurde vorgeschlagen, in welchem FGF10, das im Mesencham der Extremitätenfelder produziert wird, in das Ektodern diffundiert, wo es FGFR2b bindet und FGF8 im Ektoderm induziert. FGF8 wiederum diffundiert ins Mesoderm und aktiviert FGFR2c, welches die Hochregulierung von FGF10 bewirkt. Danach zirkuliert FGF10 weiter, was in der Induktion der Extremitätenknospe resultiert.

    Daher scheint FGFR2 essentiell für die Extremitätenknospeninitiation zu sein, während FGFR1 eine essentielle Rolle während mehrerer Phasen der Extremitätenentwicklung spielen dürfte. Diese Feststellung basiert auf dem Studium von Mausmodellen und Expressionsmustern, die eine wichtige Funktion von FGFR1 in der Spezifikation der P-D Achsenformierung enthüllt haben. FGFR1-mediierte Signale sind für die Aufrechterhaltung von ZPA und Progresszonen-Aktivitäten notwendig.

    III. 3 Rolle der Hox- und BMP-Gene in der Entwicklung der Extremitätenknospen

    Einige der FGF zusammen mit Shh können die Expression des bone morphogenetic protein (Bmp-2) udn 7) und der Hox-Gene beeinflussen, vor allem Hoxd-12 und Hoxd13. Letztere 2 Gene sind Mitglieder des Hoxd Komplexes und innerhalb des distalen Handgelenks (Hoxd12) und innerhalb von Hand und Fingern (Hoxd12 und 13) exprimiert. Die Rolle des Hoxd13 Gens in der proximodistalen Differentiation von Extremitätensegmenten wurde dadurch gezeigt, daβ Mutationen im humanen Gen die Metacarpalen in Carpale transformieren und die Metatarsale in Tarsale.

    Nach einem Prozss genannt endochondrale Ossifikation entwickeln sich die Skelettelemente der Extremität aus einem säulenähnlichen mesodermalen Kondensat, das entlang der langen Achse der Extremitätenknospe erscheint. Mesenchymale Zellen kondensieren zu einer "prächondrogenischen" Struktur. Prächondrozyten im prächondrogenischen Kondensat differenzieren in Chondrozyten als Antwort auf Wachstumsfaktoren und sezernieren Moleküle charakteristisch für die extrazelluläre Matrix, wie z.B. Kollagen typ II und Aggrecan (ein groβes Proteoglycan). Die Initialphase der Chondrifikation resultiert in der Bildung einer Knorpelhülle, des Perichondriums. Das Perichondrium, in dem Bmp-2, 4 und 7 und Parathyroidhormon/Parathyroidhormon-verwandte Peptid Rezeptoren (PTH/PTHrPR) exprimiert sind, inhibiert die Chondrozytenproliferation und –reifung und hilft dadurch, Wachstum und Differenzierung von knorpelbildenden Elementen zu kontrollieren.

    Im Laufe des Knorpelwachstums können verschiedenen Zonen unterschieden werden, die die fortschreitende Differenzierung der Chrondozyten markieren.

  • Zellen am Ende der Elemente sind unreif und proliferieren schnell.

  • Benachbart der Wachstumszone sind die greren und spärlicher verteilten prä-hypertrophischen Chondrozyten, die Indian hedgehog (Ihh), PTH/PTHrPR, Bmp-6 und Bmp-Rezeptor Ia (BMPRIA) exprimieren.

  • Die terminaldifferenzierten hypertrophen Zellen exprimieren eine eigene Form von Kollagen, typ X Kollagen, sind nach und nach dem programmierten Zelltod ausgesetzt und werden durch Osteoblasten ersetzt.

    Defektes Knorpelwachstum kommt in einem weiten Spektrum von Krankheiten vor, genannt Chondrodysplasien, die gewöhnlich in Zwergwuchs von unterschiedlicher Ausprägung resultieren. Die häufigste dieser Erkrankungen ist Achondroplasie, eine dominant genetische Erkrankung verursacht durch eine wiederholt auftretende aktivierende Mutation der Transmembrandomäne von FGFR3, die Chondrozytenwachstum und –differenzierung schädigt.

    IV. Entwicklung des Schädels

    Der Schädel des Menschen besteht aus Chondrocranium (Neurocranium), membranösen Knochen und Viscerrocranium.

  • Das Chondrocranium bildet sich vor allem aus den Zellen der Neuralleiste, die aus der dorsalen Neuralröhre emigrieren und aus denen die Knochen der Schädelbasis entstehen. Diese Knochen formen sich zuerst aus Knorpel und verknöchern danach durch den Prozess der endochondralen Ossifikation wie oben beschrieben.

  • Membranöse Knochen, die den Schädel überdachen, sind flache Knochen.

  • Das Viscerochranium besteht aus 5 Paar Kieferbögen, die in craniocaudaler Abfolge auf beiden Seiten des Schlundes entstehen. Diese Elemente entstehen evolutionär aus dem Knorpel der Kieferbögen, die sich aus einer mesenchymalen Kondensation entwickeln und innerhalb jedes Bogen aus von der Neuralleiste abstammendem Ektomesenchym bestehen.

    IV.1 Signalmoleküle der craniofacialen Entwicklung

    Die Skelettelemente der Kieferbögen stammen von der Neuralleiste und der Lateralplatte des Mesoderms ab. Richtige Entwicklung der Kieferbögen ist abhängig von der Expression der Hox-Gene. Hoxa2-Genaktivierung bewirkt das Ersetzen des 2. Kieferbogens durch ein dupliziertes Set proximaler Elemente des ersten Kieferbogens. So erlaubt Hoxa2 normalerweise die endochondrale Ossifikation nur im 2. Bogen, während sowohl endochondrale als auch membranöse Ossifikation im 1. Bogen stattfinden. Andere Faktoren dürften in der Differenzierung der Kieferbögen eine Rolle spielen, z.B. Prx1 und 2 (2 nahverwandte paired class Homeoboxgene), und Homeodomänproteine der Dlx Familie (Dlx1, 2, 3, 5 und 6). Dlx-Gene könnten das lokale Schicksal von Kieferbogenektomesenchym bestimmen. Mäuse ohne Dlx5 zeigen craniofaciale Abweichungen mit verzögerter Ossifikation des Schädeldachs, was multiple Rollen dieses Gens in den branchialen Bögen/ Kieferbögen vermuten lt.

    Die Signalketten, die in der Regulation von Schädeldachwachstum und Schädelnahtmorphogenese eingebunden sind, werden auch nach und nach erforscht. Involviert sind verschiedene Transkriptionsfaktoren inclusive MSX1 und 2 (2 Msh-ähnliche Homeobox-Gene), Shh, Bmps (Bmp-2 und 4), TGFβ und Twist, aber auch die Tyrosinkinasenrezeptoren FGFRs und ihre Liganden FGFs.

    Die Wichtigkeit der FGF/FGFR Signalketten in der Entwicklung des menschlichen Schädels wurde dadurch entdeckt, daβ frühzeitige Verschlüsse der Schädelnähte, die in Kraniosynostosen resultieren (Apert, Crouzon und Pfeiffer Syndrome sind die häufigsten), oft durch Mutationen in den FGFR Genen verursacht werden. Die meisten Mutationen gibt es in FGFR2, die für die meisten wenn nicht sogar alle Fälle von Apert und Crouzon Syndrom verantwortlich sind. Mutationen in FGFR1 und FGFR3 konnten in einigen Fällen der syndromischen Kraniosynostose identifiziert werden (Pfeiffer und Muenke Syndrome). Die meisten dieser Mutationen scheinen eine Liganden-unabhängige Aktivierung des Rezeptors zu induzieren, aber könnten auch Ligandenspezifität verändern. Daher dürfte FGFR einen Schlüsselrolle in der Proliferation-Differenzierung von osteogenischen Stammzellen in den fötalen Koronarnaht zu spielen. FGFR2 würde in proliferierenden Zellen exprimiert, während der Beginn der Differenzierung durch die Hochregulierung von FGFR1 begleitet wäre. Kraniosynostosis kann auch durch Mutationen in MSX2 verursacht werden. Sowohl MSX1 als auch MSX2 sind in den Nahtmesenchymen exprimiert und werden von Bmp4 induziert und, wie in Mäusen, die FGFR 2(IIIb) isoform defizient sind, ist MSX1-Defizienz begleitet von einem fehlerhaften Unterkiefer, Unterbrechung des MSX2 Gens wiederum resultiert in einen zentralen Defekt des Stirnbeins. Daher scheint eine korrekte Dosis von MSX2 kritisch zu sein für normale osteogenische Differenzierung im Säugerschädel. Zusammengefaβt scheint, daβ konservierte Signalketten inklusive Bmps, Msx und FGFs/FGFRs die Gewebeinteraktionen während der Nahtmorphogenese und die intramembranöse Knochenformation des Schädeldachs regulieren. Daβ FGFRs sowohl in Kraniosynostose und Extremitäten-Veränderungen (Achondroplasie, Thanatophorische Dysplasie) involviert sind, unterstützt die Hypothese, daβ Craniofacial- und Extremitätenentwicklung gemeinesame Signalketten verwenden, die jedoch im Menschen noch zu erforschen sind.

    V. Schluβfolgerung

    Groβer Fortschritt wurde in der letzen Zeit bzgl des Verständnisses Extremitätenentwicklung erzielt, eines der besten Modelle der Morphogenese. Nichtsdestoweniger bleiben die spezifischen Zielgene, die durch die Hox-Gene, die Wachstum und Musterung von Skelettelementen beeinflussen, reguliert werden, unbekannt. Wichtige Hinweise wurden dahingehend erzielt, daβ sezernierte Signalmoleküle (FGFs, Bmps, Wnts, Shh) durch die Induktion von Antagonisten in responsiven Zellen ihre eigene Aktivität beschränken. Die Aktivierung von Shh/FGF-Schleifen könnte von der kompetitiven kombinatorischer Assoziationen von nacheinander exprimierten distalen Hox-Proteinen mit Meis-Pbx-Komplexen herrühren. In den nächsten Jahre sollten, durch komplementäre Ansätze inklusive chirurgischer Manipulationen, ektopischer Expressionsstudien und Zielgenunterbrechung, neue Informationen über die Mechanismen der Skelettentwicklung gewonnen werden.

     

  • Ubersetzung : Katrina Vanura

    Contributor(s)

    Written2001-09Jacky Bonaventure
    Unité INSERM 393, Hopital Necker-Enfants Malades, 149 rue de Sèvres 75743, Paris Cedex 15, France

    © Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology
    indexed on : Tue Mar 14 13:57:30 CET 2017


    Home   Genes   Leukemias   Solid Tumours   Cancer-Prone   Deep Insight   Case Reports   Journals  Portal   Teaching   

    X Y 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 NA

    For comments and suggestions or contributions, please contact us

    jlhuret@AtlasGeneticsOncology.org.