Wissenschaftler identifizieren wichtige Faktoren für die Entstehung verschiedener Knochenformen Protein steuert Knochenentwicklung - scinexx | Das Wissensmagazin
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Wissenschaftler identifizieren wichtige Faktoren für die Entstehung verschiedener Knochenformen

Protein steuert Knochenentwicklung

Mikroskopische Darstellung von Gewebeschnitten der Handwurzel- und Mittelhandknochen von Mäusen mit (wt) und ohne (spdh) funktionsfähiges Hoxd13-Protein. Mineralisierter Knochen er­scheint schwarz. Beim gesunden Tier (wt) entstehen hinter den runden Handwurzelknochen (links) die langen Knochenschäfte (rechts) mit deutlich erkennbarer Wachstumsfuge (violett). Ist Hoxd13 verändert (spdh), bleiben die Mittelhandknochen ebenfalls rund, zusätzlich bilden sich Gelenkflächen um die Mittelhandknochen aus (Pfeilspitze). Die Röntgenaufnahmen zeigen die Hand eines Patienten (rechts) ohne funktionsfähiges Hoxd13-Protein im Vergleich zu einer gesunden Hand (links). Auch hier wird deutlich, dass die langen Mittelhandknochen (Pfeile) im Krankheitsfall die rundliche Identität der benachbarten Handwurzelknochen annehmen. © MPI für molekulare Genetik

Knochen existieren in vielen unterschiedlichen Formen. Je nach Funktion unterscheiden sich jedoch nicht nur die Formen, auch ihre Entstehung ist unterschiedlich. Berliner Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, wichtige Faktoren für die Entwicklung bestimmter Knochen zu identifizieren. In der Fachzeitschrift „Journal of Clinical
Investigation“ beschreiben sie, dass die Entwicklung der Röhrenknochen von Mittelhand- und Fingerknochen durch das Protein Hoxd13 gesteuert wird.

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 zarte, leichte Knochen, 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 zurzeit intensiv untersucht, um die Entwicklungsprozesse besser zu verstehen, aber auch, um Behandlung von Knochenerkrankungen wie Osteoporose oder die Heilung von Knochenbrüchen zu verbessern.

Entwicklung von langen Röhrenknochen enträtselt

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.

„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 zum Beispiel in der Handwurzel vorkommen, wachsen hingegen völlig anders. Sie bilden Gelenkflächen um den ganzen Knochen herum und entwickeln keinen Knochenschaft.“

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Protein Hoxd13 im Visier

Was die Identität eines langen Röhrenknochens 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 so genannten „homeotischen Transformation“, also der Umwandlung von einem Körperteil in ein anderes.

Gleich mehrere Hox-Gene beteiligt

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.“

(idw – Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, 14.05.2010 – DLO)

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