Universitätsbibliothek Wien

Thumbs Down

Capek, Daniel (2012) Thumbs Down.
Masterarbeit, University of Vienna. Zentrum für Molekulare Biologie
BetreuerIn: Müller, Gerd

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DOI: 10.25365/thesis.23181
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29233.75275.883670-3

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Abstract in English

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 5 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 in Englisch

EvoDevo / evolution / development / birds / dinosaurs / limbs / wing / sonic hedgehog / hox / frame shift / pyramid reduction

Abstract in German

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 7 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.

Schlagwörter in Deutsch

EvoDevo / Evolution / Entwicklung / Vögel / Dinosaurier / Extremitäten / Flügel / Sonic Hedgehog / Hox

Item Type: Hochschulschrift (Masterarbeit)
Author: Capek, Daniel
Title: Thumbs Down
Subtitle: a molecular-morphogenetic approach to avian digit identity
Umfangsangabe: 72 S. : Ill.
Institution: University of Vienna
Faculty: Zentrum für Molekulare Biologie
Publication year: 2012
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Müller, Gerd
Assessor: Müller, Gerd
Classification: 42 Biologie > 42.02 Philosophie und Theorie der Biologie
42 Biologie > 42.23 Entwicklungsbiologie
42 Biologie > 42.21 Evolution
42 Biologie > 42.20 Genetik
AC Number: AC11032109
Item ID: 23181
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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