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Sauerstoff formt Hände und Füße

Die Schwimmlappen an den Füßen der Blässhühner sind ein Beispiel für die Formenvielfalt bei den Amnioten. (Bild: Grey_Geezer, gemeinfrei)

Wie von Zauberhand formen sich in der Embryonalphase der Lebewesen die Körperstrukturen aus – welche Mechanismen steuern diese faszinierenden Entwicklungen? Nun haben Forscher Einblicke in ein System gewonnen, das die verschiedenen Formen der Gliedmaßen einiger Tiere prägt: Interessanterweise spielt dabei offenbar die Sauerstoffmenge eine Rolle, die einen Embryo umgibt.

Von der Flosse mit Schwimmhäuten über freie Finger bis hin zu Hufen – bei den Strukturen an den Enden der Gliedmaßen von Tieren gibt es eine große Variationsbreite. Was die Entwicklungsprozesse dieser Körperteile betrifft, ist bekannt, dass es bei der Formgebung zwei unterschiedliche Verfahren im Tierreich gibt: Bei Amphibien wie Fröschen und Molchen bilden sich Hände und Füße während der Embryonalentwicklung durch Unterschiede in der Wachstumsrate bestimmter Bereiche des Ursprungsgewebes. Im Gegensatz dazu formt bei den sogenannten Amnioten, wie den Vögeln und Säugetieren, auch ein gezieltes Absterben von Zellen die Enden der Gliedmaßen. Das bedeutet: Zunächst entsteht eine Grundstruktur, die anschließend durch den Zelltod in bestimmten Bereichen zu einer speziellen Form modelliert wird.

Dieser Prozess ermöglicht eine besonders feine Formgebung – das System führte bei den Amnioten zur Entwicklung einer Vielzahl komplexer Extremitäten-Formen. Diesem System und seiner evolutionsgeschichtlichen Entstehung haben nun die Forscher um Mikiko Tanaka vom Tokyo Institute of Technology eine Studie gewidmet. Konkret gingen sie dabei dem Verdacht nach, dass Sauerstoff aus der Umgebung eine Rolle bei dem formgebenden Zelltod spielt. Dazu führten sie Versuche an Embryonen von Hühnern und verschiedenen Froscharten durch.

Reaktive Sauerstoffspezies sind am Werk

„Wir konnten belegen, dass die formgebende Entfernung der Gewebestrukturen durch den Zelltod von der Produktion reaktiver Sauerstoffspezies abhängt, zu der es nur bei Embryonen kommt, die während ihrer Entwicklung vergleichsweise hohen Sauerstoffmengen ausgesetzt sind“, resümiert Tanaka. Dies wirkt erstaunlich, denn reaktive Sauerstoffspezies sind eigentlich als „Bösewichte“ bekannt, die Gewebeschäden und Alterungsprozesse verursachen. Doch wie die Forscher betonen, ist bereits bekannt, dass diese Sauerstoffformen auch als Signalmoleküle im Körper fungieren können.

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Offenbar haben sie diese Funktion auch im Rahmen der Entwicklung der Gliedmaßen bei der Embryonalentwicklung der Amnioten, wie aus der Studie hervorgeht. Konkret konnten die Forscher zeigen, dass die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies für den formgebenden Zelltod bei Vögeln erforderlich ist. In Kombination mit früheren Ergebnissen bei Säugetieren zeichnet sich nun ab, dass dieser Mechanismus bei allen Amnioten, einschließlich des Menschen, für die Formung der Füße beziehungsweise Hände verantwortlich ist.

Hinweise auf die evolutionäre Entwicklung des Systems

Diese Rolle der reaktiven Sauerstoffspezies ist im Lauf der Evolution vermutlich durch die erhöhte Sauerstoffkonzentration entstanden, der die Embryonen der Amnioten durch ihre Lebensweise außerhalb des Wassers ausgesetzt waren, erklären die Forscher. Der Hintergrund: Amphibien verbringen ihre Embryonalentwicklung in der Regel im Wasser und müssen dabei mit dem darin gelösten Sauerstoff auskommen. Im Gegensatz dazu entwickeln sich einige Amnioten wie Vögel in einem Ei, das mit Membranen voller Blutgefäße ausgekleidet ist, wodurch vergleichsweise viel Sauerstoff aus der Luft zum Embryo gelangt. Bei Säugetieren wie der Maus oder dem Menschen erfüllt die Plazenta diese Rolle – eine Struktur, die es ermöglicht, Sauerstoff direkt von der Mutter zu beziehen.

Durch ihre Untersuchungen an Fröschen konnten die Forscher in diesem Zusammenhang zeigen: Wenn sie das Sauerstoffangebot bei der Entwicklung der Amphibien künstlich erhöhten, traten auch bei ihnen im Bereich der Gliedmaßen verstärkt reaktive Sauerstoffspezies auf und Zellen starben vermehrt ab. Daraus schließen die Wissenschaftler: Aus diesem natürlichen Effekt könnte sich im Laufe der Evolution von den Amphibien zu den frühen Amnioten das neue Gestaltungssystem der Füße entwickelt haben.

Das Team plant nun, genauer zu untersuchen, welche Prozesse durch die reaktiven Sauerstoffspezies im Rahmen der embryonalen Entwicklung der Gliedmaßen angestoßen werden. So könnten sich auch weitere Einblicke ergeben, wie der Zelltod im Laufe der Evolution zu dem wichtigen Faktor bei der Formgebung der Amnioten-Füße wurde. Und nicht nur das: Die Wissenschaftler hoffen außerdem zum Verständnis beitragen zu können, wie bestimmte Substanzen Entwicklungsstörungen beim Menschen verursachen, die zu einer übermäßigen Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies führen – wie etwa Alkohol oder bestimmte Medikamente.

Quelle: Cell Press, Tokyo Institute of Technology, Developmental Cell, doi: 10.1016/j.devcel.2019.05.025

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