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27.07.10 Fein abgestimmtes Netzwerk an Signalwegen reguliert Fingerwachstum

Wie wachsen unsere Finger?

Forscher entschlüsseln Fingerwachstums-Genetik

Die menschliche Hand ist ein Kunstwerk. Wohl jeder hat schon einmal die Virtuosität eines Klavierspielers bewundert, dessen Finger sich mit fast unglaublicher Geschicklichkeit und Präzision über die Tasten bewegen. Die außerordentlichen mechanischen Leistungen menschlicher Hände beruhen auf der individuellen Gestalt und Funktionsfähigkeit ihrer Finger. Wie die korrekte Entwicklung der Hand und das Wachstum der einzelnen Finger gesteuert werden, war bislang jedoch unbekannt. Nun beschreiben Wissenschaftler um Sigmar Stricker und Stefan Mundlos vom Berliner Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, wie das Längenwachstum der Finger durch ein fein abgestimmtes Netzwerk von unterschiedlichen Signalwegen gesteuert wird.

Abb. 1: Störung des Längenwachstums der Fingerknochen einer Maus mit einer genetischen Veränderung, die der Mutation einer menschlichen Brachydaktylie entspricht. wt bezeichnet den Wildtyp ohne genetische Änderung, W749X die genetisch veränderte Maus. Bei den W749X-Mäusen ist spezifisch das Auswachsen der Fingerknochen (phalangen = p) gestört. Dies resultiert in Fingern, welchen das mittlere Fingerglied (p2) fehlt.
Quelle: Max-Planck-Institut für molekulare Genetik

Um normale Entwicklungsprozesse im menschlichen Körper zu verstehen, untersuchen Wissenschaftler häufig Krankheiten, bei denen genau diese Prozesse gestört sind. „Bisher weiss niemand, wie bei Säugetieren, also auch beim Menschen, die Finger genau entstehen und wie ihr Wachstum gesteuert wird“, beschreibt Sigmar Stricker, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, den Ausgangspunkt seiner Arbeit. Gemeinsam mit Kollegen vom Institut für Medizinische Genetik der Charité – Universitätsmedizin Berlin und weiteren Partnern untersuchte er daher eine Reihe von Erkrankungen, die alle mit einer Verkürzung der einzelnen Fingerglieder einhergehen. Diese sogenannten Brachydaktylien können durch Mutationen an verschiedenen Genen verursacht werden.

Die Forscher untersuchten zwei Gruppen von Mäusen, bei denen jeweils ein Gen so verändert war, dass es der Mutation bei den menschlichen Brachydaktylien A1 bzw. B1 entsprach. Die Wissenschaftler stellten fest, dass bei beiden Mäusegruppen die Aktivität des „Knochenmorphogenetischen Protein“ (bone morphogenetic protein, BMP) -Signalweges betroffen war. BMPs sind eine Gruppe von Signalproteinen, die von einigen Zellen eines Organismus ausgeschüttet werden, um direkt benachbarte Zellen zu beeinflussen. Sie fungieren vor allem als Wachstumsfaktoren, dies ist jedoch nicht ihre einzige Funktion. „Bei allen Tieren fanden wir ein Signalzentrum direkt vor dem sich neu bildenden Skelettelement bzw. Fingerglied, welches eine besonders hohe Aktivität des BMP-Signalweges aufwies,“ so Stricker. „Dieses Signalzentrum ist dafür verantwortlich, unspezifische embryonale Bindegewebszellen (Mesenchymzellen) zur Umwandlung in Knorpelzellen anzuregen. Die Knorpelzellen entwickeln sich im nächsten Schritt zu Knochenzellen, das bedeutet, der Finger wächst in die Länge.

Abb. 2: Ursache der Missbildungen ist eine Fehlfunktion des BMP–Signalweges (siehe untere Abbildung): Gesunde Mäuse (wt) zeigen eine starke BMP-Aktivität in einem Signalzentrum (grün), das sich direkt vor dem neu gebildeten Skelettelement (rot) befindet. Bei den genetisch veränderten Mäusen fehlt diese Aktivität.
Quelle: Max-Planck-Institut für molekulare Genetik

Durch genetische und molekulare Experimente konnten die Wissenschaftler zeigen, dass das Signalzentrum durch eine Reihe weiterer Signalmechanismen (IHH, ROR2, WNT) gesteuert wird. Ihre Arbeit beschreibt zum ersten Mal den genetischen und molekularen Mechanismus des Fingerwachstums bei Säugetieren und beleuchtet dessen Rolle bei der Entstehung von menschlichen Brachydaktylien.

Quelle:

ROR2 and Indian Hedgehog regulate digit outgrowth mediated by the phalanx-forming region
F. Witte, et. al., PNAS 2010. DOI: 10.1073/pnas.1009314107

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Fein abgestimmtes Netzwerk an Signalwegen reguliert Fingerwachstum
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2010/jul/fingerwachstum.shtm)

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