Was bestimmt Identität und Aussehen unserer Knochen?

Knochen existieren in vielen unterschiedlichen Formen. Je nach Funktion unterscheiden sich jedoch nicht nur die Formen, auch ihre Entstehung ist unterschiedlich. Wissenschaftlern des Berliner Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik und der Charité – Universitätsmedizin Berlin ist es jetzt gelungen, wichtige Faktoren für die Entwicklung bestimmter Knochen zu identifizieren.

In der renommierten Fachzeitschrift „Journal of Clinical Investigation“ beschreiben die Forscher um Stefan Mundlos, dass die Entwicklung der Röhrenknochen von Mittelhand- und Fingerknochen durch das Protein Hoxd13 gesteuert wird. [Villavicencio-Lorini et al., J Clin Invest, May 10, 2010, doi: 10.1172/JCI41554]

Von Knochen hat jeder eine klare Vorstellung. Den wenigsten ist jedoch die Vielfalt des Knochensystems bewusst. Das menschliche Skelett umfasst über 200 Knochen, die praktisch alle unterschiedlich aufgebaut sind. Am kleinsten ist der Steigbügel im Mittelohr, am größten der Oberschenkelknochen. Es gibt kleine, zarte, leichte Knochen; große, lange, schwere Knochen, flache Knochen, runde Knochen und alle Kombinationen der verschiedenen Formen. Entstehung und Aufbau der verschiedenen Knochenarten sind sehr unterschiedlich. Ihre Steuerung erfolgt über ein komplexes Netzwerk aus Signalwegen und genregulatorischen Prozessen. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen werden intensiv untersucht, um die Entwicklungsprozesse besser zu verstehen, aber auch, um Behandlung von Knochenerkrankungen wie Osteoporose oder die Heilung von Knochenbrüchen zu verbessern.

Forschern des Berliner Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik und der Charité – Universitätsmedizin Berlin ist es jetzt gelungen, wichtige Faktoren für die Entwicklung von langen Röhrenknochen zu identifizieren. „Fast alle Knochen entstehen durch die Verknöcherung eines knorpeligen Vorskeletts“, erläutert Stefan Mundlos, in dessen Forschungsgruppe die betreffenden Arbeiten durchgeführt worden sind. „Allerdings unterscheiden sich die Mechanismen, nach denen die verschiedenen Knochen wachsen und schließlich mineralisieren. Lange Röhrenknochen, wie sie in unseren Armen und Beinen vorkommen, haben Gelenkflächen an den Enden und dazwischen den Knochenschaft. Dieser weist im Inneren einen Hohlraum auf, der das Knochenmark enthält. Kurze, runde Knochen, wie sie z.B. in der Handwurzel vorkommen, wachsen hingegen völlig anders. Sie bilden Gelenkflächen um den ganzen Knochen herum und entwickeln keinen Knochenschaft.“ Was die Identität eines langen Röhrenknochen gegenüber einem runden Knochen festlegt, war bisher unbekannt.

Die Wissenschaftler interessierten sich für die Funktion des Proteins Hoxd13 bei der Verknöcherung des Knorpelskeletts. Dazu untersuchten sie Mäuse, bei denen das Protein Hoxd13 verändert und daher nicht mehr funktionsfähig ist. Bei den betroffenen Tieren wurden die Röhrenknochen der Mittelhand und der Finger in runde Handwurzelknochen umgewandelt. Dies zeigte sich zum einen am Fehlen des Knochenschafts, außerdem entstanden zusätzliche Gelenkflächen um die Knochen herum. Diese sind typisch für die Umgebung der Handwurzelknochen und garantieren im Normalfall die Beweglichkeit der Hände und Füße. Durch den Verlust von Hoxd13 kam es zu einer sogenannten „homeotischen Transformation“, also der Umwandlung von einem Körperteil in ein anderes.

Darüber hinaus konnten die Forscher zeigen, dass an dieser Transformation auch andere Hox-Gene beteiligt sind. Sie schließen daraus, dass Hox-Gene eine wichtige Rolle für die Festlegung der verschiedenen Knochenformen spielen, wobei Hoxd13 von besonderer Bedeutung zu sein scheint.

„Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass Hox-Gene während der frühen Embryonalentwicklung vornehmlich Prozesse der Musterbildung, wie z.B. die Zahl der Finger, steuern“, so Mundlos. „Mit dieser Arbeit zeigen wir, dass Hox-Gene die Gestalt und Identität einzelner Knochen festlegen, indem sie Differenzierungsvorgänge von knochen-bildenden Stammzellen kontrollieren.“

Originalveröffentlichung:
Villavicencio-Lorini P., Kuss P., Friedrich J., Haupt J., Farooq M., Türkmen S., Duboule D., Hecht J., Mundlos S.: Homeobox genes d11-d13 and a13 control mouse autopod cortical bone and joint formation. Journal of Clinical Investigation, May 10, 2010, doi: 10.1172/JCI41554.
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