Einblick in die Wirbelsäulenentwicklung und -gesundheit

Die Wirbelsäule ist ein wichtiges Teil unseres Körpers. Sie unterstützt uns und schützt unser Nervensystem. Bei Säugetieren besteht die Wirbelsäule aus verschiedenen Abschnitten, die als Hals-, Brust-, Lenden-, Kreuz- und Schwanzwirbel bekannt sind. Diese Abschnitte sind nicht alle gleich und haben unterschiedliche Funktionen. Sie entstehen aus Gewebeblocks, die Somiten genannt werden und während der frühen Entwicklung gebildet werden.

#Wie Wirbel Gebildet Werden

Somiten entwickeln sich bei Menschen etwa drei Wochen nach der Empfängnis und bilden sich regelmässig. Bei Mäusen beginnt dieser Prozess etwa acht Tage nach der Empfängnis. Jeder Wirbel entsteht aus Teilen von zwei Somiten durch einen Prozess, der Resegmentierung genannt wird. Somiten haben zwei Teile: rostral (vorn) und kaudal (hinten). Die Wirbel formen sich aus diesen Teilen, wo ein Somite auf den nächsten auf eine bestimmte Weise trifft.

Somiten teilen sich auch in zwei Hauptabschnitte: das Sclerotome und das Dermomyotome. Das Sclerotome ist verantwortlich für die Bildung von Wirbeln und Rippenknorpel sowie Sehnen und Bänder. Das Dermomyotome entwickelt sich zu den Muskeln und der Haut des Rückens. Zellen im Sclerotome verhalten sich unterschiedlich, je nachdem, wo sie sich befinden und tragen zu verschiedenen Teilen der Wirbel bei.

Bei Mäusen beginnt die Verknöcherung der Wirbel, die Ossifikation genannt wird, am embryonalen Tag 14. Dieser Prozess beginnt in den Bögen der Wirbel, bevor der Hauptkörper entsteht. Es gibt primäre Ossifikationszentren in sowohl den Bögen als auch dem Körper, der der zentrale Teil des Wirbels ist.

#Bedeutung der richtigen Entwicklung

Damit ein Wirbel richtig gebildet werden kann, ist er auf die richtige Ausrichtung und Interaktion von zwei Somiten angewiesen. Da die Prozesse, die an der Bildung von Wirbeln beteiligt sind, komplex sind, können Fehler auftreten. Diese Fehler können zu Fehlbildungen der Wirbelsäule führen, die ernsthafte Gesundheitsprobleme verursachen können.

Wirbelsäulenfehlbildungen fallen im Allgemeinen in drei Kategorien:

1. Neuralrohrdefekte, bei denen das Neuralrohr nicht richtig schliesst.
2. Defekte in der Wirbelbildung, die zu fehlenden oder falsch geformten Wirbeln führen.
3. Segmentierungsdefekte, bei denen die Somiten sich nicht richtig trennen oder segmentieren, was zu Block- oder Stabwirbeln führt.

Diese Fehlbildungen können Probleme mit der Wirbelsäulenkrümmung verursachen, die zu Zuständen wie kongenitaler Skoliose führen. Kongenitale Wirbelsäulenfehlbildungen treten bei etwa 0,13 bis 0,5 pro 1.000 Geburten auf, mit zusätzlichen Variationen bei Übergangswirbeln und kongenitaler Skoliose.

#Mäuse als Modellorganismen

Mäuse werden seit vielen Jahren verwendet, um zu untersuchen, wie Wirbel sich entwickeln. Eine beträchtliche Menge an Forschung hat untersucht, wie Mutationen die Wirbelsäulenentwicklung bei diesen Tieren beeinflussen können. Studien haben gezeigt, dass Umweltfaktoren und bestimmte Gene die Bildung von Wirbeln verändern können.

Das Internationale Maus-Phänotypisierungs-Konsortium (IMPC) arbeitet daran, eine umfassende Ressource von Maus-Gen-Knockouts zu erstellen, um die Funktionen verschiedener Gene zu verstehen. Sie haben Tausende von Genen und deren Auswirkungen auf verschiedene Merkmale untersucht, einschliesslich Hören, Stoffwechsel und Knochendichte.

#Analyse der Wirbelentwicklung

In der neuesten Veröffentlichung des IMPC fanden die Forscher 8.539 Gene, von denen viele mehrere Effekte auf verschiedene Merkmale zeigten. Unter denjenigen, die für skelettale Merkmale untersucht wurden, hatten 945 Gene signifikante Auswirkungen auf die Wirbelentwicklung. Viele Gene beeinflussen die Wirbelmerkmale, wenn sie in verschiedenen Formen vorhanden sind, wie homozygot oder heterozygot.

Die Forscher verwendeten eine Reihe von Techniken, um physische Strukturen bei Mäusen in verschiedenen Entwicklungsstadien zu bewerten und spezifische Metriken zu identifizieren, die für die Wirbel relevant sind. Daraus konzentrierten sie sich auf 76 spezifische Parameter, die das Skelettsystem beeinflussen.

Nach weiterer Analyse fanden sie 25 Parameter, die direkt mit der Wirbelentwicklung verbunden sind, was zu insgesamt 204 einzigartigen Genen führte, die beeinflussen, wie Wirbel sich bilden und funktionieren. Die Anzahl der Gene, die mit diesen Parametern verbunden sind, variierte, wobei viele mehrere Aspekte der wirblichen Anatomie beeinflussen.

#Bedeutung der Genexpression

Die Forscher schauten sich auch an, wann diese Gene während der Somitenentwicklung aktiv sind. Sie fanden heraus, dass viele der Gene, die mit der Wirbelentwicklung assoziiert sind, in Somiten exprimiert werden, die entscheidend für die Entwicklung der Wirbelsäule sind. Einige Gene zeigten Veränderungen in der Expression während der Entwicklungsstadien.

Eine Anzahl von Genen wurde identifiziert, die unterschiedlich exprimiert werden, was darauf hindeutet, dass sie möglicherweise eine Rolle bei der Bildung und Reifung von Wirbeln spielen. Diese Studie zeigt die Komplexität, wie die Wirbelentwicklung abläuft und hebt die Bedeutung spezifischer Gene in verschiedenen Entwicklungsstadien hervor.

#Verbindungen zwischen Genen und Gesundheit

Viele identifizierte Gene sind nur mit einem Merkmal verbunden, das die Wirbelsäule betrifft, während andere mehrere Aspekte von Wirbeln und zugehörigen Strukturen beeinflussen. Einige Gene könnten enge Verbindungen zu Zuständen haben, die die Wirbelsäulenanatomie oder -funktion betreffen, was auf Verbindungen zu menschlichen Gesundheitsproblemen wie kongenitaler Skoliose und anderen wirbelbezogenen Störungen hinweist.

Die Identifizierung dieser Gene kann helfen, spezifische Gesundheitszustände zu verstehen, die bei Menschen beobachtet werden. Das ist wichtig, weil Wirbelsäulenfehlbildungen sowohl Struktur als auch Funktion betreffen und manchmal zu signifikanten Behinderungen führen.

#Entdeckung neuer Gene

Die Forscher entdeckten mehrere neuartige Gene, die in früheren Studien nie mit der Wirbelentwicklung in Verbindung gebracht wurden. Einige dieser Gene zeigten in öffentlichen Datenbanken keine vorherigen Studien, während andere nur begrenzte Informationen hatten. Das deutet auf das Potenzial hin, neue Verbindungen zwischen Genen und der Wirbelbildung zu entdecken.

Eine Gruppe von Genen wurde besonders für ihre Rolle bei der Gestaltung der Wirbelentwicklung hervorgehoben, einschliesslich derjenigen, die die allgemeine Form und Krümmung betreffen. Einige Gene wurden zuvor mit verschiedenen Gesundheitsproblemen in Verbindung gebracht, aber ihre spezifischen Rollen in der Wirbelentwicklung bleiben weitgehend unerforscht.

#Fazit

Zu verstehen, wie die Wirbelentwicklung funktioniert, ist entscheidend für die Bewältigung verschiedener Gesundheitsprobleme im Zusammenhang mit der Wirbelsäule. Die Studien, die an Mäusen durch das IMPC durchgeführt wurden, liefern eine Fülle von Informationen über die Gene, die an der Wirbelsäulenentwicklung beteiligt sind. Mit 204 identifizierten Genen sind die Forscher nun besser positioniert, nicht nur zu untersuchen, wie diese Gene funktionieren, sondern auch, wie sie möglicherweise mit grösseren Gesundheitsproblemen bei Menschen verknüpft sind. Die Forscher setzen ihre Erkundungen der komplexen Wechselwirkungen dieser Gene fort, was zu neuen Erkenntnissen über Zustände im Zusammenhang mit Wirbelsäulenfehlbildungen führen könnte und unser Verständnis der Wirbelsäulengesundheit verbessern könnte.

Am Ende unterstreicht diese Forschung die komplexe Natur der Wirbelentwicklung und die vielen Faktoren, die die Bildung und Funktion der Wirbelsäule beeinflussen können, und hebt die Bedeutung der genetischen Forschung hervor, um die Geheimnisse der Wirbelsäulengesundheit und -krankheit zu entschlüsseln.