Der Transkriptionsfaktor Osr1 in der Extremitätenentwicklung

Abstract

Der Zinkfinger-Transkriptionsfaktor Odd-skipped-related 1 (Osr1) ist das Vertebratenhomolog zu Odd-skipped, das bei Drosophila als Pair-Rule-Gen an der Segmentierung der Larve beteiligt ist. Viele weitere Homologe anderer Segmentierungsgene übernahmen im Laufe der phylogenetischen Entwicklung wichtige Aufgaben, so dass auch die Rolle von Osr1 bei Vertebraten interessant ist. Es wurden die Expressionsmuster von Osr1 in den Embryonalstadien 3 ½ - 9 ½ d im Modellorganismus Huhn mittels Whole-mount-in-situ-Hybridisierung (WMISH) und Schnitt-insitu-Hybridisierung bestimmt. Dabei wurde der Schwerpunkt auf die Extremitäten gelegt. Auch von MyoD, Scx, BMP4, BMP2, BMP7, Fgf8, Msx2, Myf5, Follistatin, EphA3, EphA4, Eya2, Collagen12, NR13 und Dkk1 wurden zum Vergleich Expressionsmuster bestimmt. Osr1 wurde ektop während der Embryonalentwicklung im Bereich der späteren unteren Extremität durch ein rekombinantes Virus (RCAS) exprimiert. Diese Phänotypen wurden seziert, per WMISH untersucht oder es wurden HE-gefärbte Serienschnitte angefertigt, die in eine 3DRekonstruktionssoftware eingelesen wurden und damit ein dreidimensionales Modell der Knorpel- und Muskelstrukturen erstellt wurde. Osr1 wird in der Urniere, in Schlundbögen, den Somiten und im Bindegewebe exprimiert. In der unteren Extremität wird es scharf begrenzt interdigital, um die sich distal entwickelnde Sehnenplatte und im weiter proximal gelegenen Bindegewebe um die Muskelblöcke exprimiert. Auch im weiteren Verlauf ist Aktivität um die Sehnen und im Bindegewebe der Phalangen sichtbar, zusätzlich zeichnet sich deutlich die Rumpfmuskulatur ab. Dabei wird Osr1 in sich gegenseitig ausschließenden Bereichen im Vergleich zum Muskelmarker MyoD und zum Sehnenmarker Scx exprimiert. BMP4 zeigt ein nahezu identisches Expressionsmuster in der distalen unteren Extremität wie Osr1. Eine ektope Expression von Osr1 in der sich entwickelnden unteren Extremität führt zu einer Knickbildung von Tibia und Fibula. Histologisch zeigt sich eine vermehrte Durchsetzung des Muskels mit Bindegewebe. In der 3D-Rekonstruktion sind Muskeln verkürzt, was durch das starrere Bindegewebe verursacht sein kann. Durch die erhöhte mechanische Belastung kann dann der Knick der noch nicht ossifizierten Tibia auftreten. Die Wildtyp-Expression um Sehnen und Muskulatur herum und die vermehrte Bindegewebsbildung durch ektope Osr1-Expression legt einen Zusammenhang mit der Zelldeterminierung zu Bindegewebe nahe. Ebenfalls möglich ist, dass es eine Rolle bei der Trennung der einzelnen Funktionsgewebe wie z.B. Muskeln oder Sehnen spielt. Neben den seit langem bekannten genetischen Grundlagen der Muskeldifferenzierung und dem seit kurzem aufgedeckten Weg der Sehnendifferenzierung ist Osr1 ein interessanter Kandidat für die Steuerung der bislang wenig erforschten Bindegewebsdifferenzierung.

The zinc finger transcription factor Odd-skipped-related 1 (Osr1) is the vertebrate homologue of Odd-skipped, which is involved in the segmentation of the Drosophila larvae as a pair-rule-gene. Many homologues of other segmentation genes developed important tasks in phylogenetic development, so the role of Osr1 in vertebrates is also interesting. The expression patterns of Osr1 were determined in chicken embryos (stage 3 1/2 - 9 1/2 d) by whole- mount-in-situ-hybridization (WMISH) and slide-in-situ-hybridization. The focus was put to the limbs. The expression patterns of MyoD, Scx, BMP4, BMP2, BMP7, Fgf8, Msx2, Myf5, Follistatin, EphA3, EphA4, Eya2, Collagen12,NR13 und Dkk1 were investigated for comparison. Osr1 was ectopically expressed by a recombinant virus (RCAS) in the embryonal development in the area which later becomes a lower extremity. These phenotypes were dissected, investigated by WMISH or cut to series of HE-stained slides. These were scanned into a 3D- reconstruction software and a 3D model of the cartilages and the muscles was produced. Osr1 is expressed in the Mesonephros, in the branchial arches, the somites and the connective tissues. In the hindlimbs it is expressed sharp cutted interdigitally, around the developing tendon disc and around the muscle blocks in the more proximal connective tissue. Also in the following development there is activity visible around the tendons and the connective tissue of the phalangae, later also in the trunk muscles. Osr1 is expressed in mutually exclusive areas compared to the muscle marker MyoD and the tendon marker Scx. BMP4 shows a almost identical expression pattern in the distal hindlimb as Oosr1. An ectopical expression of Osr1 in the developing hindlimb causes a kinking of tibia and fibula. The histology reveals a higher portion of connective tissue in the muscles. In the 3D reconstruction the muscles are shortened, which could be caused by the more rigid connective tissue. The kink of the not yet ossified tibia could be caused by the increased mechanical stress. The wild-type expression around tendons and muscles and the increased production of connective tissue caused by ectopical Osr1 expression suggests a connection with cell determination to cells of the the connective tissue. It is also possible that it plays a role in the separation of functional tissues like muscles or tendons. Besides the long-known genetical basis of muscle differentiation and the recently discovered pathway of tendon differentiation Osr1 is a interesting candidate for directing connective tissue differentiation, which has been little reasearched so far.