Patienten mit erblich bedingter Synpolydactylie (SPD) entwickeln
Skelettfehlbildungen, wie einen oder mehrere, zusätzliche Finger oder Zehen
und deren Fusionierung. Eine Mutation in Hoxd13, die zur Verlängerung eines
Polyalaninrepeats führt, verursacht SPD; wobei die Schwere des entstehenden
Phänotyps mit der Länge der Expansion korreliert ist. Hoxd13 gehört zur
Familie der hoch konservierten Hox-Gene; Transkriptionsfaktoren, die während
der embryonalen Entwicklung eine essentielle Rolle in der Achsenbildung
spielen. In dieser Arbeit wurde das spontan entstandene Mausmodell spdh
(synpolydactyly homolog) untersucht, um den Pathomechanismus der
Hoxd13-assoziierten SPD aufzuklären. Spdh Tiere tragen eine Verlängerung um
sieben zusätzliche Alanine in Hoxd13 und weisen einen SPD ähnlichen Phänotyp
mit zusätzlichen Fingern und Zehen, deren Fusionierung, sowie defiziente
Gelenkentwicklung und einen Verknöcherungsdefekt auf. Transgene Tiere und
verschiedene Verkreuzungsexperimente lieferten Hinweise darauf, dass die
Mutation in Hoxd13 eine Kombination aus Funktionsverlust und negativem
Funktionsgewinn nach sich zieht, zumal auch Tiere mit inaktiviertem Hoxd13
keine SPD entwickeln. Zum einen ist es mit dieser Arbeit gelungen,
Anhaltspunkte dafür zu finden, dass in spdh Tieren das Perichondrium als
wesentlicher Signalgeber während der Ossifikation verloren geht, die
verzögerte Verknöcherung nicht endochondral verläuft, und es sich hierbei um
eine homeotische Transformation der Mittelhandknochen zu Handwurzelknochen
handelt. Diese Effekte kommen vermutlich durch den Einfluss von mutiertem
Hoxd13 auf Hoxa13 zustande. Zum anderen wird der Pathomechanismus aufgeklärt,
der zu zusätzlichen, fusionierten Kondensationen führt. Mangelhafte BMP-
Aktivierung und falsch regulierte Ephrin-vermittelte Signalübertragung führen
zu mangelnder Apoptose und unausreichender Zell-Zellabgrenzung. Dies könnte
für die Fusionierungen der chondrogenen Anlagen verantwortlich gemacht werden.
Ausschlaggebend für die zusätzlichen Kondensationen ist der gestörte
Retinsäuresignalweg. Hier wird gezeigt, dass Hoxd13 wt direkt an den Raldh2
Promotor binden und diesen aktivieren kann. Raldh2 ist das einzige Enzym, das
in der entstehenden Extremitätenknospe Retinsäure (RA) produziert, die
wiederum im interdigitalen Mesenchym die Chondrogenese unterdrückt. In spdh
Tieren wird zuwenig Raldh2 aktiviert, daher zuwenig RA produziert; die
Chondrogenese im interdigitalen Mesenchym wird nicht ausreichend unterdrückt
und die Zellen dort erhalten falsche Differenzierungssignale. Die ungenügende
RA-Konzentration konnte substituiert werden und behandelte Tiere entwickelten
in allen Fällen fünf Finger. So konnte ein erblich bedingter
Entwicklungsdefekt behoben werden. Daher wird hier ein neuer Pathomechanismus
für Polydactylie vorgeschlagen, der im Gegensatz zu den bisher bekannten
Mechanismen kein Defekt in der Musterbildung ist, sondern dem ein Prozess der
unkontrollierten Differenzierung zugrunde liegt.Patients with inherited synpolydactyly (SPD) show limb malformations
characterized by one ore more additional digits and toes and fusions of those.
A mutation within Hoxd13 comprising an expansion of a polyalanine repeat is
the cause for SPD. The length of the expansion is correlated to the severity
of the phenotype. Hoxd13 belongs to the hox-gene family, transcription factors
which play a crucial role in axis formation during embryonic development. In
this work the mutant mouse model spdh (synpolydactyly homolog) was analyzed to
elucidate the underlying pathomechanism of Hoxd13 associated SPD. Spdh animals
carry an expansion of seven additional alanines and exhibit an SPD like
phenotype with additional digits and toes, fusions, abnormal joint formation
and a severe ossification delay. Transgenic approaches as well as
crossbreeding studies revealed that the mutation in Hoxd13 results in a
combination of loss and gain of function, particularly because animals with
inactivated Hoxd13 do not display an SPD phenotype. On the one hand this work
provides evidence, that in spdh animals the perichondrium, as essential cell
layer, for ossification, is absent. Ossification is delayed and does not take
place in an endochondral manner. This results in a homeotic transformation of
metacarpals to carpal bones. These effects are likely due to an influence of
mutated Hoxd13 on Hoxa13. On the other hand the pathomechanism leading to
additional condensations was elucidated. BMP- and Ephrin-signaling pathways
were shown to be altered. This contributes to deficient differentiation and
lacking apoptosis as well as insufficient border formation, between the
cartilaginous and non-cartilaginous tissue. This contributes to the fusion of
condensations. Crucial for additional condensations is the deregulation of the
retinoic acid (RA) signaling pathway. Here we show that Hoxd13 wt is able to
bind directly to and to activate the Raldh2 promoter. Raldh2 is the unique
enzyme in the developing limb bud which produces RA, which in turn suppresses
chondrogenesis in the interdigital mesenchyme. In spdh mutants less Raldh2 is
activated, resulting in reduced RA levels in the limbs. Due to reduced RA
levels chondrogenesis is not inhibited properly and cells obtain wrong
differentiation signals in the interdigital mesenchyme. Insufficient RA levels
were restored by oral administration of RA to pregnant mice. Treated animals
sowed five digits in all cases. Thus, the SPD phenotype was partially rescued.
In conclusion a new pathomechanism for polydactyly was characterized, which
is, in contrast to known mechanisms, not a patterning defect like mirror
duplications, but rather a result of irregular uncontrolled processes of
differentiation within the interdigital mesenchyme
