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Thumbs Down
a molecular-morphogenetic approach to avian digit identity
Daniel Capek
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Betreuer*in
Gerd Müller
DOI
10.25365/thesis.23181
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29233.75275.883670-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In dieser Arbeit wird eines der klassischen Probleme der evolutionären
Entwicklungsbiologie behandelt: die Homologie der Finger des Vogelflügels. In
den vergangenen Jahren versuchten verschiedene Hypothesen, den scheinbaren
Widerspruch zwischen embryologischen und paläontologischen Analysen
aufzulösen, wobei sowohl in Erwägung gezogen wurde, die Vögel aus der
phylogenetischen Gruppe der Dinosaurier herauszunehmen, als auch, dass die
Gliedmaßen der Tetrapoda ursprünglich sechs- oder mehrfingrig waren.
Zur Zeit sind zwei große Theorien vorherrschend: Die Frame Shift Hypothese
und die Pyramid Reduction Hypothese. Während erstere eine homeotische
Verschiebung der Fingeridentitäten Richtung anterior annimmt, geht letztere
davon aus, dass die drei zentralen Finger durch eine graduelle, morphologische
Umwandlung den Phänotyp der drei anterioren angenommen haben. In der
vorliegenden Arbeit wird eine neue Herangehensweise vorgestellt, die Aspekte
beider Hypothesen sowie aktuelle, experimentelle Ergebnisse integriert. Sowohl
der morphologische Umbau als auch die veränderten Expressionsmuster
posteriorer hoxD-Gene sind dieser neuen Theorie nach auf einen gemeinsamen
Grund zurückzuführen: die Reduktion des anteriorsten Fingers. Es wird ein
entwicklungsbiologisches Szenario vorgestellt, das molekulare Expression und
biomechanische Aspekte verbindet. Der Kernmechanismus wäre eine ungleiche
Zellproliferation, die eine Verschiebung von Finger II Richtung anterior bewirkt.
Dadurch verändert dieser Finger seine Position relativ zur zone of polarizing
activity (ZPA) und wird damit auch einem geringeren Niveau des Sonic Hedgehog
(Shh)-Proteins ausgesetzt. Beim gegenwärtigen Stand der Forschung geht man
davon aus, dass Shh eine tragende Rolle bei der Spezifizierung der
Fingeridentitäten spielt, was nahe legt, dass es die Morphologie der einzelnen
Elemente stark beeinflussen kann. Darüber hinaus ist die Expression posteriorer
hoxD-Gene in der Extremitätenknospe von Shh abhängig; aus diesem Grund
nehmen wir hier an, dass auch das Expressionsmuster des Vogelflügels durch
den erwähnten Mechanismus zu Stande kommt. Des Weiteren wird ein
evolutionäres Szenario vorgestellt, das den Fossilienbefund mit dem
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vorgestellten Modell verbindet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Experimente
durchgeführt, die entweder den hypothetischen Urzustand im Flügel
wiederherstellen oder die morphologisch-genetischen Veränderungen absichtlich
im Bein herbeiführen sollten. Dazu wurden entweder Kügelchen, die mit FGF-8-
Protein getränkt wurden, in die Extremitätenknospe eingebracht, um den
Überrest des ersten Fingers im Flügel fertig zu entwickeln, oder die Entwicklung
der ersten Zehe wurde durch invasive Manipulation oder Injektion von Mitose
Inhibitoren verhindert. 3D-Darstellungen mikrotomographischer Scans und
Alcian Blue-Färbungen belegten, dass es tatsächlich möglich ist, dass ein Finger
den Platz und den morphologischen Phänotyp eines anderen einnimmt, wenn
dessen Entwicklung gebremst wird. In situ Hybridisierungen, die hoxD12-mRNA
nachweisen, ergaben außerdem, dass die Expression von hox-Genen dadurch
ebenso beeinflusst werden kann. Gemeinsam unterstützen die morphologischen
und genetischen Ergebnisse die eingeführte Hypothese, da sie eindeutig zeigen,
dass die vorhergesagten Effekte des Kernmechanismus der Theorie in
Embryonen tatsächlich induzierbar sind. Ferner wird gezeigt, dass die
vorgestellte Hypothese mit derzeitigen entwicklungsbiologischen und
paläontologischen Ergebnissen vereinbar ist.
Abstract
(Englisch)
The problem of avian fore limb digit homology remains one of the standards in
EvoDevo research. Various hypotheses have been presented in recent years to
resolve the apparent contradiction between embryological and paleontological
evidence. The theories have ranged from excluding birds from the dinosaur clade
to assuming a hexadactyl tetrapod limb ground state. At the moment there are
two predominant approaches: the Frame Shift Hypothesis and the Pyramid
Reduction Hypothesis. While the former postulates a homeotic shift of digit
identities, the latter argues for a gradual remodeling of digit phenotypes. Here a
new model is presented that integrates elements from both hypotheses with the
existing experimental data. We trace the main features of both major hypotheses
back to a common ontogenetic origin: the reduction of the anterior-most digit. A
concerted mechanism of molecular expression and developmental mechanics is
proposed that is capable of shifting the boundaries of hoxD expression as well as
changing the phenotype of digits. The core of this mechanism is directional cell
proliferation of digit II to the anterior side, once digit I development ceases. This
results in an altered position of digit II cells relative to the zone of polarizing
activity (ZPA) and hence a decreased level of Sonic Hedgehog protein. Since Shh
is thought to be important in digit specification, this can easily affect digit
morphology. Sonic Hedgehog also controls the expression of posterior hoxD genes
in the limb bud. Therefore we assume that the hoxD expression pattern that has
been shown in bird fore limbs is caused by this very mechanism as well. We
introduce an alternative digit-reduction scheme that reconciles the current fossil
evidence with the presented molecular-morphogenetic model. In this work three
experiments were carried out: one that tried to reverse the digit modifications in
the fore limb, and two, to deliberately cause them in the hind limb. Bead
implantations with FGF-8 protein were used to rescue the digit I vestige in the
fore limb bud. Mitosis inhibitor injections and invasive manipulations were
applied to ablate hind limb digit I. 3D microCT imaging and alcian blue staining
of the manipulated limbs revealed that it is possible that one digit takes the place
and the morphological phenotype of another, if the development of the latter is
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halted. In situ hybridizations detecting hoxD12 mRNA showed that the
expression of hox genes also is affected if digits are lost. The integrated
morphological and genetic evidence supports the proposed hypothesis, since it
shows that the predicted effects the core mechanism are really inducible in
embryonic systems. Furthermore the hypothesis also is consistent with currently
available developmental and paleontological data.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
EvoDevo evolution development birds dinosaurs limbs wing sonic hedgehog hox frame shift pyramid reduction
Schlagwörter
(Deutsch)
EvoDevo Evolution Entwicklung Vögel Dinosaurier Extremitäten Flügel Sonic Hedgehog Hox
Autor*innen
Daniel Capek
Haupttitel (Englisch)
Thumbs Down
Hauptuntertitel (Englisch)
a molecular-morphogenetic approach to avian digit identity
Paralleltitel (Deutsch)
Thumbs Down ; ein molekular-morphogenetisches Model zu Identität der Finger im Vogelflügel
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
72 S. : Ill.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Gerd Müller
AC Nummer
AC11032109
Utheses ID
20731
Studienkennzahl
UA | 066 | 877 | |