Knorpel- und Knochenentwicklung: Drei Wege führen zum Skelett

Bei Wirbeltieren entsteht das Skelett verschiedener Körperregionen aus diversen Vorläuferzellen. Forschende der Universität Basel haben entdeckt, dass sich diese Skelettzellen nicht nur in ihrer Herkunft unterscheiden, sondern auch in ihrer Genregulation. Womöglich liegt darin ein Schlüssel zur evolutiven Erfolgsgeschichte der Wirbeltiere.

Vom Schädel bis zum Knochen des kleinen Zehs: Das Skelett stabilisiert als inneres Gerüst den Körper und bildet schützende Hüllen um wichtige Organe. Trotz ähnlicher Struktur ist jedoch Knochen nicht gleich Knochen: Die verschiedenen Teile des Skeletts entstehen bei Wirbeltieren – also auch beim Menschen – im Laufe der Embryonalentwicklung aus drei unterschiedlichen Gruppen von Vorläuferzellen. Jede Gruppe produziert dabei eigene Steuerproteine und durchläuft ein eigenes Entwicklungsprogramm, um Knorpel und Knochen zu bilden. Davon berichten Forschende der Universität Basel im Fachjournal „Nature Communications“.

Drei Bauteams mit eigenen Bauplänen

Ein Typ von Vorläuferzellen bildet den Schädel und die Gesichtsknochen, ein anderer die Wirbelsäule und Rippen und ein dritter Typ das Skelett der Gliedmaßen. „Man kann sich das wie drei Bauteams vorstellen, die alle je ein Stockwerk eines Hauses bauen“, erklärt Prof. Patrick Tschopp vom Departement Umweltwissenschaften der Universität Basel. „Alle drei haben unterschiedliche Ausgangsmaterialien, Baupläne und Werkzeuge, aber am Ende kommen drei strukturell und funktional ähnliche Stockwerke heraus.“

Der Schädel und die Gesichtsknochen entstehen aus sogenannten Neuralleistenzellen, die am Rücken des Embryos entstehen und damit den Zellen des zentralen Nervensystems am nächsten stehen. Die Vorläuferzellen der Wirbelsäule und Rippen sind somatische Mesodermzellen, die am seitlichen Rücken des Embryos entstehen und neben Knochen auch Muskeln und Teile der Haut bilden. Die dritte Gruppe bilden die Lateralplatten-Mesodermzellen an den Flanken des Embryos, die das Skelett der Arme und Beine sowie Teile des Brustkorbs hervorbringen.

Mithilfe von Analysen auf Ebene einzelner Zellen von Hühnerembryos entdeckte das Forschungsteam um Patrick Tschopp, dass die drei Gruppen unterschiedliche Steuermechanismen verwenden, um das Entwicklungsprogramm hin zu Skelettzellen voranzutreiben. „Aus diesen Ergebnissen schließen wir, dass die Skelettzellen der verschiedenen Körperregionen eben doch nicht so gleichartig sind, wie man bisher dachte“, sagt die Bioinformatikerin Dr. Menghan Wang, eine der beiden Erstautorinnen der Studie. „Viel eher scheint es sich um verschiedene Zelltypen zu handeln, die ein ähnliches Gewebe produzieren“, meint die Entwicklungsbiologin Dr. Ana Di Pietro-Torres, die zweite Erstautorin.

Warum diese Unterschiede ein Vorteil sind

Was auf den ersten Blick unnötig kompliziert klingt, könnte tatsächlich einer der Schlüssel zum evolutiven Erfolg der Wirbeltiere sein: „Wenn das Skelett verschiedener Körperregionen von unterschiedlichen Bauplänen bestimmt wird, können sich diese Skelettbereiche auch unabhängig voneinander verändern“, sagt Patrick Tschopp. „Das könnte erklären, warum Wirbeltiere so viele verschiedene Skelettformen entwickelt haben.“