ZO 11.2 Stoornissen in de ontwikkeling van de ledematen Flashcards
Wanneer begint de ledemaatontwikkeling bij de mens?
Bij de mens begint de ledemaatontwikkeling met vorming van ledemaatknopjes 4 weken na conceptie, die vervolgens uitgroeien tot afgeplatte peddelvormige structuren. Rond week 8 zijn er duidelijke herkenbare armpjes en beentjes met vingers c.q. tenen gevormd.
De ontwikkeling van de humane ledematen begint door activatie van een groep mesenchymale cellen. Wat zijn mesenchymale cellen?
Mesenchymale cellen zijn cellen die losjes aan elkaar zitten. Dit in tegenstelling tot epitheliale cellen die stevig met elkaar zijn verbonden en een barrière vormen (zie Carlson Fig. 5.6). N.B. Mesenchymaal (gaat over organisatie in weefsel) is niet een synoniem voor mesoderm (= embryonale herkomst): Mesodermale cellen kunnen ook in epidermaal verband voorkomen (e.g. coeloom epitheel).
Waar komt deze groep mesenchymale cellen vandaan?
De ontwikkeling van de ledematen begint met de proliferatie van een groepje cellen binnen het pariëtale (somatische) blad van het zijplaat (lateraal) mesoderm. Hierdoor ontstaat een uitstulping: de ledemaatknop (limb bud).
Welke factoren spelen een rol bij het begin van ledemaatvorming? Zijn er hierbij verschillen tussen arm en been?
De plaats waar de ledematen zich ontwikkelen wordt onder andere gedefinieerd door de Hox genen. Er worden twee ‘velden gedefinieerd voor respectievelijk de craniale (arm/voorpoot/vleugel) en caudale (been, achterpoot) ledemaatknopje door middel van de transcriptie factoren Tbx5 en Tbx4. In beide ledemaatvelden vindt synthese van FGF10 plaats, waardoor lokaal het ectoderm verdikt en de Apical Ectodermal Ridge (AER) wordt gevormd.
Beschrijf een ingreep om een extra ledemaatknopje aan te leggen.
Het aanbrengen van FGF10 resulteert in de vorming van een extra ledemaat. N.B. De eigenschappen van de extra ledemaat is afhankelijk van de aanwezigheid van Tbx4 of Tbx5.
De mesenchymale cellen stimuleren de vorming van de AER. Wat is de AER?
De AER is een verdikking van het ectoderm aan het uiteinde van de ledemaat. De AER ligt op de grens van het ventrale en dorsale deel van de ledemaat. Het AER is essentieel voor uitgroei van het ledemaatknopje langs de proximale-distale as.
Wat gebeurt er indien je de AER verwijdert? Wat gebeurt er bij een extra AER?
Het verwijderen van de AER veroorzaakt afwezigheid van een deel van de ledemaat. Het effect is afhankelijk van het tijdstip van verwijderen. Bij extra AER weefsel krijg je duplicatie van de ledemaat.
Hoe stimuleert de AER de uitgroei van de ledematen en welke signaal-moleculen spelen hierbij een belangrijke rol?
De AER cellen maken FGFs (o.a. FGF8, FGF4 en FGF2) die de proliferatie van het onderliggende mesoderm stimuleren. In genetisch gemanipuleerde muizen waarbij zowel FGF4 als FGF8 afwezig zijn vindt geen uitgroei plaats.
Bij de ontwikkeling van de ledematen speelt communicatie tussen mesoderm en ectoderm een belangrijke rol. De cross-talk tussen mesoderm en ectoderm wordt ook geïllustreerd door transplantatie experimenten tussen poot en vleugel en transplantatie experimenten tussen kip en eend.
Welke conclusie kan globaal uit deze uit deze experimenten worden getrokken?
Het mesoderm bepaalt grotendeels de eigenschappen van de ledemaat; e.g. om een eendenpoot met vliezen te krijgen is ‘eenden mesoderm’ nodig.
De ZPA is een mesodermale structuur aan de posterieure (pink) zijde van het ledemaatknopje. Wat is de belangrijkste functie van de ZPA? Wat gebeurt er met de ontwikkeling van een ledemaat als er een extra ZPA aan de anterior (duim) zijde wordt aangebracht?
De ZPA is van belang voor de posterieure-anterieure patroonvorming. Transplantatie van een extra ZPA aan de anterieure zijde van een kippenvleugel resulteert in duplicatie van de vingers; m.a.w. de anterieure zijde denkt dat het posterieur geworden is, en vormt derhalve een gespiegeld beeld.
Welk eiwit, geproduceerd in de ZPA, is van belang bij de totstandkoming van de anterieur/posterieure as?
De ZPA produceert Shh. Ectopische expressie van Shh door implantatie van bolletjes met het eiwit of door genetische misregulatie van Shh leidt tot pre-axiale polydactylie, net als transplantatie van de ZPA.
Hoe de proximodistale onderverdeling van de ledematen in 3 delen (bovenarm /been, onderarm/been, hand/voet) wordt bepaald is nog niet geheel duidelijk. Welk model wordt geïllustreerd door Fig. 10.13?
Het model in Fig. 10.13 gaat er van uit dat een combinatie van gradiënten van signaalmoleculen de proximo-distale identiteit van de ledemaat bepaald: een hoge concentratie proximaal signaal (retinoic acid vanuit de somieten) = boven arm/been; een hoge concentratie distaal signaal (FGF/Wnt vanuit AER) = hand/voet; combinatie = onderarm/been. Deze signalen regelen de expressie van positionele transcriptiefactoren zoals Meis1 (bovenarm) en Hox genen.
Welke factoren spelen een belangrijke rol bij het vastleggen van de dorso-ventrale as.
Het signaalmolecuul Wnt7a in het ectoderm stuurt de dorsalisatie van de ledematen. Wnt-7a stimuleert de expressie van de transcriptie factor Lmx-1 in het onderliggende mesoderm. Aan de ventrale zijde wordt Wnt7a expressie geremd door de transcriptiefactor En-1 (engrailed).
Wat is boodschap van Fig. 10-17 in Carlson?
De signaalcentra die de ontwikkeling langs 3 assen sturen beïnvloeden elkaar. Expressie van Shh zorgt voor blijvende expressie van FGF4 en FGF8 in de AER (1). Vice versa zorgen de FGF’s samen met de dorsale expressie van Wnt7a voor het in stand houden van de Shh expressie in de ZPA in stand (2). Deze cross-talk wordt ook aangestuurd door BMPs en de BMP remmer Gremlin.
De driedimensionale structuur van de ledemaat wordt ook bepaald door colineaire expressie van HOXA en HOXD genen. Verklaar waarom bij mutaties in HOXA11 de radius en de ulna aangedaan zijn en bij mutaties in HOXA13 alleen de vingers.
De proximale-distale expressie van individuele Hox-genen in de ledematen is colineair met de positie van het betreffende gen op het chromosoom: de genen die aan de meest 3’ kant liggen komen het meest proximaal tot expressie. Uitschakeling van Hox10 en Hox11 leidt tot afwezigheid van respectievelijk ‘bovenbeen’ en ‘onderbeen’
Het expressie domein van de HOX genen komt overeen met de aangedane structuren:
- HoxA11 mutaties kunnen leiden tot radio-ulnaire synostose
- HoxA13 mutaties veroorzaken het hand-voet genitaal syndroom
Naast HoxA11 en HoxA13 mutaties zijn er ook mutaties gevonden in HoxD13.
Wat zijn gevolgen van mutaties in het HoxD13 gen?
- Synpolydactylie. Bij patiënten met SPD is de mutatie in Hoxd13 een vermeerdering van het aminozuur Alanine in het eiwit. Hierdoor wordt een veranderde binding van HoxD13 aan het DNA verwacht waardoor downstream genen verkeerd gereguleerd zullen worden.
- Puntmutaties (Ile314Leu of Ser308Cys) in HoxD13 zijn gevonden in patiënten met brachydactyly type D of E.
Volledige separatie van de vingers is mogelijk door apoptose. Mutaties in de FGFR2 (FGF-receptor-2) die resulteren in een continue activatie van de receptor (onafhankelijk van aanwezigheid van bijvoorbeeld FGF2 of FGF4) zijn gevonden in een aantal syndromen waarbij onder andere schedel malformaties en syndactylie voorkomen. Verklaar hoe deze activerende mutaties syndactylie kunnen veroorzaken.
- Separatie van de vingers gebeurt door interdigitale apoptose (in roze). De moleculen die hierbij betrokken zijn, zijn BMPs( Bone Morphogenic Proteins, in geel). De expressie van deze BMP’s wordt geremd door FGF signalering.
- De groeifactor FGF4/8 is het ligand voor de receptor FGFR2, die in het onderliggende mesoderm tot expressie komt. Door binding van FGF4/8 aan FGFR2 wordt deze geactiveerd, waarna een cascade van signalen doorgegeven wordt, waaronder ook remming van BMP expressie.
- De expressie van FGFs in de AER wordt onderbroken: in het ectoderm dat boven de interdigitale regio’s ligt verdwijnt de expressie. Hierdoor is in het interdigitale mesoderm FGFR2 niet meer actief, waardoor BMP’s tot expressie kunnen komen, met interdigitale apoptose als gevolg
- Apert syndroom: craniofaciale dysmorfologie en syndactylie. Door mutaties in FGFR2 blijft langs de gehele rand FGFR2 actief, waardoor BMP niet tot expressie kan komen en er geen inductie van interdigitale apoptose plaatsvindt. De vingers worden daardoor niet gescheiden wat leidt tot syndactylie.
De vorming van het skelet, spierenweefsel en hun innervatie door zenuwen begint al in een vroeg stadium van de ledemaatontwikkeling. Beschrijf de eerste stappen in de vorming van het ledemaatskelet.
Mesenchymale cellen clusteren en vervolgens een primitief kraakbeen skelet
De spieren van de ledematen worden gevormd door myoblasten die vanuit de somieten de ledematen in migreren. Welk gen is hiervoor essentieel?
Myoblasten uit de somieten migreren samen met de uitlopers van de motorische neuronen de ledemaatknop in. Migrerende myoblasten brengen de transcriptiefactor Pax3 tot expressie. Pax3 is essentieel voor de migratie van myoblasten: zonder Pax3 geen migratie
