mini|Abb. 1a Embryonale Entwicklungsphase der Hand bei der Maus am 14. Tag nach Befruchtung Die Extremitätenentwicklung ist ein Bereich der Embryogenese und bildet eine Grundlage für Erkenntnisse über die molekularen und zellularen Mechanismen zur Formfindung in der Organogenese von Wirbeltieren. Die Extremitätenentwicklung will die progressive Formbildung der skelettären Muster der Gliedmaßen bei den Tetrapoden (Landwirbeltiere mit vier Extremitäten) erklären.
Übersicht über den Gesamtprozess mini|hochkant=2|Abb. 1b Embryonale Entwicklungsphasen der Hand bei der Maus, von etwa 10. bis 15. Tag nach Befruchtung mini|Abb. 1c Grundbauform der Tetrapodenextremität Die beginnende Ausbildung der Extremität erfolgt im Extremitätenfeld. Das Extremitätenfeld ist eine Region in der rechten und linken Flanke des Embryos. Die Extremitätenentwicklung beginnt dadurch, dass noch nicht differenziertes, uniformes mesenchymes Zellgewebe des lateralen Mesoderm aus den Somiten auswächst und sich das oberhalb liegende Ektoderm zu einer paddelförmigen Extremitätenknospe ausstülpt. Es kommt zur Ausbildung eines Organisators, der apikalen ektodermalen Randleiste (AER), das ist eine lange, wulstartige Struktur an der abgeflachten Spitze der Knospe, die das weitere Wachstum der Knospe in Richtung vom Körper weg steuert (Abb. 4, 8b). Zellen in der Knospe kondensieren zunächst, differenzieren dann in vielen Schritten in Knorpelgewebe, die Chondrogenese und formen in deren frühen Phase genetisch und epigenetisch Muster, die später die Knochen von Oberarm/Oberschenkel (Stylopodium), Unterarm/Unterschenkel (Zeugopodium) und Hand/Fuß (Autopodium) bilden. Die exakte Ortsbestimmung und Formfindung dieser diskreten, skelettären Elemente innerhalb der wachsenden Knospe sind der eigentliche Gegenstand der Forschung zur Extremitätenentwicklung. Bei Towers und Tickle heißt es dazu 2009: „Unser Wissen über diesen Prozess ist noch ziemlich fragmentarisch und viele der vorgeschlagenen Modelle bleiben kontrovers“.Matthew Towers, Cheryll Tickle: Growing models of vertebrate limb development. In: Development. 136, 2009, S. 179–190.
Im Folgenden werden Modelle skizziert, die seit dem Ende der 1960er Jahre entstanden sind und molekulare Einblicke zunächst in die Entwicklung des Hühnchenflügels (Abb. 2) und später auch in die vordere Extremität der Maus (Abb. 1a, 1b, 3) lieferten. Es werden auch Modelle aufgeführt (u. a. das Morphogen-Gradienten-Modell), die als überholt gelten können, jedoch nach wie vor in neueren Lehrbüchern erscheinen.Michael Kühl, Susanne Gessert: Entwicklungsbiologie. UTB basics, 2009. Nach mehr als 50 Jahren der Forschung ist nicht geklärt, in welcher Form Zellen in der Knospe Positionsinformationen erhalten können, die ihnen erlauben, an exakt zu bestimmenden Stellen in Knorpelgewebe zu differenzieren und damit die Musterbildung der Wirbeltierextremität zu ermöglichen. Es ist anzunehmen, dass es solche Positionsinformationen nicht gibt. Neuere Computersimulationsmodelle, die auf Zellebene und nicht auf genetischer Ebene operieren, arbeiten ohne Positionsinformationen und stattdessen auf Turing- bzw. Gierer-Meinhardt-basierten Musterbildungsprozessen. Die Herausforderungen liegen demnach heute in der Integration molekularer Modelle mit epigenetischer (zellularer) Musterbildung mit Hilfe von Computersimulationen.Lee Niswander: Pattern Information: Old Models out of a Limb. In: Nature Reviews Genetics. 4, Februar 2003, S. 133–143.
Begriffe (Phänotyp) Wichtige phänotypische Begriffe zum Verständnis der Extremität und ihrer Entwicklung am Beispiel der vorderen Gliedmaßen des Menschen sind:
Oberarm (Stylopodium) (Abb. 3) Elle (Ulna) und Speiche (Radius) = (Zeugopodium) (Abb. 3) Hand (Carpals und Metacarpals) mit Fingern (digits) = (Autopodium) (Abb. 3). Der Autopod ist die eigentliche Wirbeltierinnovation in der Extremität. AER Apikale Ektoderm Randleiste (Abb. 4, 8b): Organisatorregion (Signalzentrum) für proximo-distale Ausbildung der Extremitätenknospe ZPA Zone polarisierender Aktivität (Abb. 5): Organisatorregion am posterioren Ende der Extremität; verantwortlich für die antero-posteriore Achsenbildung. Beeinflusst maßgeblich Anzahl und Identität von Fingern. Morphogen: diffusibles Molekül, das eine Organisatorregion bestimmt. Es bildet einen Konzentrationsgradienten aus und erwirkt direkt oder indirekt eindeutige Zellantworten bei unterschiedlichen Konzentrationen. Beispiele sind Retinsäure (RA) oder Sonic hedgehog (SHH).
Zeitpunkte und Dauer der Extremitäten-Skelettbildung mini|Abb. 6 Embryo Mensch, 6. Schwangerschaftswoche. Größe ca. 3 cm.
Die Entwicklung der Extremitäten beim Hühnchen, seiner späteren Flügel und Beine, dauert etwa vom dritten bis sechsten Tag, bei einer Gesamtentwicklungszeit von 21 Tagen. Bei der Maus beginnt die Ausstülpung der Extremitätenknospe nach ca. 9,5 Tagen; die Knochenbildung der Extremitäten ist vier Tage später etwa Mitte des 13. Entwicklungstages abgeschlossen (Abb. 1b), bei einer Gesamtentwicklungszeit von ebenfalls ca. 21 Tagen. Beim Menschen (Abb. 6) beginnt die Gliedmaßenentwicklung ab der fünften Schwangerschaftswoche (Embryo: 6–8 mm). Die Handentwicklung geht der Fußentwicklung um etwa zwei Tage voraus. In der achten Woche sind sowohl Arme und Hände wie auch Beine und Füße weitgehend ausgebildet (Embryo: ca. 3 cm); anschließend erfolgt die Apoptose, der Untergang von Zellen, mit dem jeweils die Finger und die Zehen als einzelne voneinander abgesetzt werden.
Axiale Muster und Periodizität Folgende Hauptachsen werden in der Extremität am Beispiel der menschlichen Hand unterschieden:
Proximo-distale Achse: von Schulter zur Fingerspitze Anterior-posteriore Achse: vom fünften Finger zum Daumen Dorso-ventrale Achse: von Handinnen- zur Außenseite
Die Entwicklung der Extremität erfolgt primär entlang der proximo-distalen, der antero-posterioren sowie der dorso-ventralen Achse. Die Prozesse entlang dieser drei Achsen sind teilweise, aber keineswegs unabhängig voneinander. Die Ausbildung der Achsen geschieht durch koordinierte Interaktionen zwischen Signalzentren. Das sind die AER (apical ectodermal ridge), die das proximo-distale Wachstum kontrolliert, die ZPA (Zone polarisierender Aktivität) für die antero-posteriore Achse sowie das Ektoderm der Knospe, das die dorso-ventrale Achse steuert.N. Soshnikova, D. Zechner, J. Huelsken, Y. Mishina, R. R. Behringer, M. M. Taketo, E. B. Crenshaw, W. Birchmeier: Genetic interaction between Wnt/beta-catenin and BMP receptor signaling during formation of the AER and the dorsal-ventral axis in the limb. In: Genes Dev. 17(16), 15. Aug 2003, S. 1963–1968. Das Wachstum der Knospe in proximo-distaler Richtung ist deutlich stärker ausgeprägt als in anterio-posteriorer Richtung. Modelle behandeln entweder primär den proximo-distalen Entwicklungsprozess, etwa das Progressionszonen-Modell oder den antero-posterioren Prozess wie das Morphogen-Gradienten-Modell. Die Integration beider Achsen in Modellen ist noch nicht weit fortgeschritten.
Die Extremität wird proximal nach distal in drei Regionen gegliedert: Oberarm (engl. Stylopod, lat. humerus), Unterarm (engl. Zeugopod, lat. antebrachium) sowie Hand/Fuß, Autopod (lat. autopodium). In distaler Richtung erfolgt eine Verdoppelung und anschließend eine Vervielfachung der Knochen. Der Stylopod besteht aus einem, der Zeugopod aus zwei Knochen (Ulna und Radius). Der Autopod hat drei (Hühnchen-Flügel) bis fünf Elemente (Maus) entlang der antero-posterioren Achse. Finger und Zehen zeigen ebenfalls quasi-periodische Muster in Form der tandemartig angelegten Glieder entlang der proximo-distalen Achse. Die Elemente auf gleicher Höhe der proximo-distalen Achse haben unterschiedliche Identitäten, so Ulna und Radius, aber auch die einzelnen Finger bzw. Zehen.
Die Rolle der Hox-Gene 1989 und 1991 wurde von Denis Duboule u. a. erstmals berichtet, dass dasselbe homeotische System, dessen Relevanz für die Wirbeltiere erst kurz zuvor herausgearbeitet wurde, bei der Organisation von Strukturen entlang verschiedener Achsen mehrfach verwendet wird, speziell bei der WirbeltierextremitätP. Dolle, J. C. Izpisua-Belmonte, H. Falkenstein, A. Renucci, D. Duboule: Coordinate expression of the murine Hox-5 complex homoeobox-containing genes during limb pattern formation. In: Nature. 342, 14. Dez 1989, S. 767. und im Urogenitalsystem.P. Dolle, J. C. Izpisua-Belmonte, J. M. Brown, C. Tickle, D. Duboule: HOX-4 genes and the morphogenesis of mammalian genitalia. In: Genes Dev. 5, Okt 1991, S. 1767. Die Erweiterung dieser Arbeit auf Vögel zusammen mit Cheryll Tickle und Lewis Wolpert belegte sowohl das hohe Ausmaß an zwischenartlicher Konservierung als auch die wesentlich Funktion der Hox-Gene bei der Extremitätenentwicklung.J. C. Izpisua-Belmonte, C. Tickle, P. Dolle, L. Wolpert, D. Duboule: Expression of the homeobox Hox-4 genes and the specification of position in chick wing development. In: Nature. 350, 18. Apr 1991, S. 585. 1991 veröffentlichte Duboule sein „Konzept der posterioren Prävalenz“. Es steht für die funktionale Organisation der Hox-Gene.D. Duboule: Temporal colinearity and the phylotypic progression: a basis for the stability of a vertebrate Bauplan and the evolution of morphologies through heterochrony. In: Dev Suppl. 135, 1994.D. Duboule: The vertebrate limb: a model system to study the Hox/HOM gene network during development and evolution. In: Bioessays. 14, Jun, 1992, S. 375. 1993 konnte belegt werden, dass Hox-Gene in multiple axiale Strukturen involviert sind. Das zu zeigen war möglich über eine Mutation eines einzigen Hox-Gens, die in massiven Veränderungen der Extremitäten, des axialen Skeletts.P. Dolle u. a.: Disruption of the Hoxd-13 gene induces localized heterochrony leading to mice with neotenic limbs. In: Cell. 75, 5. Nov 1993, S. 431.
Es kam zu Konzepten von „Regulations-Landschaften“F. Spitz, F. Gonzalez, D. Duboule: A global control region defines a chromosomal regulatory landscape containing the HoxD cluster. In: Cell. 113, 2. Mai 2003, S. 405. oder „Archipelen“.T. Montavon u. a.: A regulatory archipelago controls Hox genes transcription in digits. In: Cell. 147, 23. Nov 2011, S. 1132. Eine große Allelserie erlaubte es, den Mechanismus aufzudecken, der der Colinearität in der Entwicklung der Wirbeltierextremität zugrunde liegt.B. Tarchini, D. Duboule: Control of Hoxd genes' collinearity during early limb development. In: Dev Cell. 10, Jan 2006, S. 93.G. Andrey u. a.: A switch between topological domains underlies HoxD genes collinearity in mouse limbs. In: Science. 340, 7. Jun 2013, S. 1234167. Tatsächlich entspricht die axiale Organisation unsere Beine und Arme der linearen Organisation regulatorischer Chromatin-Domänen. Der Übergang zwischen diesen chromosomalen Domänen entspricht dem Handgelenk, das heißt dem Übergang zwischen dem evolutionär alten (Arme und Beine) und dem im Vergleich zur Fischflosse neuen Teil (Hände und Füße) unserer Gliedmaßen.
Deterministische Modelle Die klassischen Modelle der Extremitätenentwicklung und ihre Nachfolgersysteme gehen bei der Lösung des Problems der Musterbildung von Genen und Genregulation und damit von deterministischen Prozessen aus. Die Formbildung soll von der untersten, der molekularen biologischen Organisationsebene als eine hierarchische Prozesskette erklärt werden. Man will heute verstärkt die Interaktionen der verschiedenen Signalwege analysieren sowie deren Downstreameffekte verstehen. Einen Überblick über den aktuellen Forschungsstand zur Integration der Transkriptions-Netzwerke in der Wirbeltierextremität geben Rabinowitz und Vokes (2012).Adam H. Rabinowitz, Steven A. Vokes: Interaction of the transcriptional networks regulating limb morphogenesis. In: Developmental Biology. 268, 2012, S. 165–180. Die wichtigsten genregulatorisch basierten Modelle stellen Towers und Tickle (2009) zusammen.