Augenentwicklung (Wirbeltiere)
Die Augenentwicklung ist ein Bereich der Entwicklungsbiologie und behandelt die strukturelle und funktionale Entstehung und Ausbildung des Wirbeltierauges. Dessen Aufbau und Qualität weist in Abhängigkeit von der Spezies bei allen grundlegenden, vor allem genetischen Gemeinsamkeiten durchaus signifikante Unterschiede auf. Hierbei ist das Wirbeltierauge ein Musterbeispiel für ein Organ, das durch eine lange Kette genetischer Auslöseereignisse entsteht. Diese sogenannten Induktionen sind dabei so miteinander verschaltet, dass die Komponenten des Auges, wie Linse, Hornhaut, Netzhaut und viele andere, in einem streng geordneten Entwicklungszusammenhang und als ein Gesamtsystem auftreten, obgleich lange Zeit angenommen wurde, daß diese sich scheinbar unabhängig voneinander entwickeln würden.
Das Wirbeltierauge ist ein Teil des Gehirns, aus dem es als optisches "Bläschen" (Vesikel) auswächst. An der Kopfoberfläche kommt es dabei zu einer Reihe von Gewebeinteraktionen, bei denen die Formierung der Linse angestoßen wird. Die Entwicklung der mehrschichtigen Netzhaut mit ihren licht- und farbsensitiven Fotorezeptorzellen und ihren Nervenverbindungen zum Gehirn ist der komplexeste Vorgang bei der Augenentwicklung. Hierbei kommt es zu einer invertierten, vom Licht weg gerichteten Anordnung der Fotorezeptoren. Die Nervenenden suchen sich in einem selbstorganisierenden, chemischen Prozess ihre Wege zum Gehirn, wobei sich ihre Hauptstränge teilweise überkreuzen. Die Ausbildung der Anhangsorgane des Auges, wie Augenmuskeln, Augenlider und Tränenapparat, sind nachgeordnete Prozesse, die die Entwicklung des Auges vervollständigen. Erst lange nach der Geburt ist diese mit der Koordination der Augenbewegungen, sowie der Opimierung der Sehschärfe abgeschlossen.
Gemeinsamkeiten und Unterschiede der evolutionären Augenentwicklung
Siehe hierzu auch: Evolutionäre Entwicklungsbiologie: Evolution des Auges
Nach der noch heute geltenden Lehre des Evolutionstheoretikers Ernst Mayr ist das Auge in der Evolution mehr als 40 mal völlig unabhängig entstanden.[1] Dieser These zufolge hat das Wirbeltierauge eine andere evolutionäre Herkunft als etwa das Facettenauge des Insekts, das Lochauge urtümlicher Kopffüßler oder andere Augentypen. Genauer betrachtet zeigt sich heute, dass einerseits der genetische Ursprung aller Augentypen auffallend gleich ist, andererseits unterscheiden sich die „Konstruktionen“, also die kombinierte Verwendung aller beteiligten Gene und die Reihenfolge ihrer Aktivierung und damit auch die Entwicklungspfade stark voneinander. Es entstanden unterschiedliche Gewebearten und Funktionseinheiten. Somit ist die Evolution des Auges durchaus im Sinne Mayrs unabhängig oder konvergent[2].
Bereits vor 600 Millionen Jahren hatten einfache Organismen Fotorezeptoren entwickelt. Sie enthielten neben vielen anderen Proteinen Opsin, einen entscheidenden Baustein, mit dessen Hilfe Tiere Licht wahrnehmen konnten (Phototaxis)[3] (Abb. 1). Das früheste Auge, das dem heutigen Wirbeltierauge vergleichbar war, existierte bereits vor 500 Millionen Jahren und hatte eine einfache Kamera-ähnliche Bauweise. Es kann als gemeinsamer Vorläufer gelten und war vergleichbar dem des heutigen Schleimaals, der die einfachste Augenbauform unter den Kopffüßern besitzt. Diesem Auge fehlen noch vollständig Linse, Iris, Hornhaut sowie innere und äußere Augenmuskeln. Es ist unter einer lichtdurchlässigen Oberhaut verborgen[3].
Die Entwicklung des Auges aller höher entwickelten Wirbeltiere, wie Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel oder Säugetiere, vollzieht sich in den elementaren Schritten gleich (Abb. 1). Evolutionäre Entwicklungsunterschiede in der funktionellen und strukturellen Qualität der Bestandteile gibt es bei primitiven, kieferlosen Wirbeltieren, etwa dem Neunauge oder dem Schleimaal[3]. Die neuronalen Bahnen und Verschaltungen der Säugetiere sind komplexer als die der übrigen Wirbeltiere. Hingegen ist die Regenerationsfähigkeit bestimmter Amphibien bei Verletzungen höher. Evolutionäre Unterschiede innerhalb der Wirbeltiere gibt es ferner auf Zellebene, etwa bei der Struktur der Fotorezeptoren.[3] Besonders nachtaktive Wirbeltiere haben evolutionär andersartige Augeneigenschaften und -mechanismen entwickelt. So ist die Zahl der lichtsensitiven Stäbchen auf der Netzhaut wesentlich höher, ihre Pupille lässt sich weiter öffen und das ganze Auge ist im Verhältnis zum Kopf größer. Die Netzhaut von Katzen besitzt eine spiegelähnliche Schicht als Restlichtverstärker. Das Linsenauge der nicht zu den Wirbeltieren zählenden Kopffüßer ist trotz der äußerlichen Ähnlichkeit mit dem Wirbeltierauge sowie gleicher Funktionseinheiten eine im Kern abweichende Konstruktion.
Das Auge als Beispiel vernetzter Auslösungsprozesse in der Entwicklung
Damit die genotypischen und phänotypischen Prozesse bei der Augenentwicklung in Gang kommen und in der richtigen Reihenfolge ablaufen, bedarf es einer ganzen Kaskade von organisierten Gewebeinteraktionen in Form aufeinander folgender und vernetzter Auslöser (Induktionen) [4] (Abb. 2). Drei spezifische DNA-Abschnitte stehen am Beginn der Kette. Sie enthalten jeweils ein für den gesamten weiteren Entwicklungsverlauf des Auges wichtiges Gen, das als Schaltergen oder Masterkontrollgen bezeichnet wird. Hier sind das die Gene Rx1, Sox3 und vor allem das durch Gehring entdeckte Gen Pax6. Im weiteren wird die Induktion der Linsenplakode (Linseninduktion) und damit die Entstehung der Linse durch zwei hauptsächliche Faktoren getrieben, erstens das Vorhandensein der Expression von Pax6 in der Epidermis des Kopfs und zweitens das Vorhandensein des spezifischen Ektoderm-Gewebes. Die mit Pax6 verbundenen Schritte der Entwicklung des Linsenauges sind evolutionsgeschichtlich tief verankert und artenübergreifend vielfach übereinstimmend. Die genannten Gene Pax6, Rx1 und Sox3 sind notwendig und hinreichend für die Augeninduktion beim Wirbeltier. Durch das zu Pax6 homologe Gen eyeless konnten zunächst bei der Taufliege in einem Experiment verlagerte (ektopische) Augen induziert werden. Gleiches gelang später zumindest ansatzweise beim Wirbeltier[5], unter anderem beim Hühnchen (1995)[6] oder mittels Sox3 beim Krallenfrosch (Xenopus laevis) (2000)[7]. In diesen Versuchen kam es zur Herausbildung ektopischer Linsen oder Plakoden. Dass die Versuche nicht zu so vollständigen Ergebnissen geführt haben wie bei der Fruchtfliege, lässt auf die höhere Komplexität der Wirbeltiere schließen. In jedem Fall unterbleibt die Augenentwicklung beim Wirbeltier gänzlich, wenn Pax6 unterdrückt wird (Abb. 3).
Die genannten drei Masterkontrollgene bilden ein stabilisierendes, genetisches Netzwerk aus, durch das neue Induktionen angestoßen[8] und hunderte weiterer Gene aktiviert werden. Beim Auge der Taufliege sind es 2000 Gene. Allein etwa die Pigmentierung der Iris, also die Augenfarbe, erfordert mindestens 16 verschiedene Gene[9]. Weitere Induktionen schließen sich im folgenden Verlauf der Augenentwicklung an. Sie leiten jeweils umfangreiche Entwicklungsschritte unter Einbeziehung vieler nachgeschalteter Gene ein, etwa die Entstehung der Linse und der Hornhaut (Abb. 2).
Die Bedeutung des Gens Pax6 für die Augenentwicklung aus heutiger Sicht
Die nach seiner Entdeckung 1994 eingeräumte extreme Sonderstellung von Pax6 als Masterkontrollgen für die Augenentwicklung kann nach 20 Jahren neu beurteilt werden. Für die Besonderheit von Pax6 als Mastergen spricht erstens, dass es einerseits früh, nämlich bereits in Augenstammzellen, andererseits in vielen Geweben während der gesamten Augenentwicklung exprimiert wird, und zwar bei der Fruchtfliege, bei Mensch und Tintenfisch. Bei diesen Arten aus verschiedenen Tierstämmen wird die Augenentwicklung als unabhängig angenommen. Pax6 kann daher seit einem gemeinsamen Vorgänger als konserviert gelten. Zweitens führt die Reduzierung seiner Expression zu einer verminderten Augengröße bei Drosophila, Maus und Mensch. Drittens kann Pax6-Fehlexpression in bestimmten Geweben, z.B. im Drosophilaflügel ekoptische Augen hervorrufen.
Gegen eine Mastergenstellung von Pax6 in der Augenentwicklung sprechen die folgenden Vorkommnisse: Erstens führt die Eliminierung von Pax6 bzw. die des homologen Gens Eyeless bei Drosophila nicht allein zum Verlust des Auges sondern auch von weiteren Gehirnteilen, im Extremfall bei Drosophila zum totalen Kopfverlust [10]. Zweitens nehmen weitere Gene neben Pax6 Schlüsselstellungen bei der Augenentwicklung ein, so etwa neben den genannten Rx1 und Sonic hedgehog auch die Familie Sine oculis[11], Eyes absent[12] oder Dachshund[13]. Diese Gene können ebenfalls ektopische Augen induzieren. Ihr Funktionsverlust führt ebenfalls zum Verlust des Auges. Sie zeigen somit ähnliche Masterkontrollgen-Eigenschaften wie Pax6.
Zusammenfassend werden somit aus gegenwärtiger Sicht weniger die bekannten stammesübergreifenden Charakteristika von Pax6 in Frage gestellt. Sie werden jedoch im Vergleich zu den Fähigkeiten anderer Gene relativiert. Es muss daher von der evolutionären Konservierung des Regulationsnetzwerks einer ganzen Gruppe von Genen gespochen werden[14].
Die Phasen der Augenentwicklung
Frühe Entwicklungseinleitung eines Augenfeldes
Das Linsenauge des Wirbeltiers kann als ein aus dem Gehirn auswachsendes Sinnesorgan gesehen werden. Bereits am Ende der Gastrulation werden die ersten Weichen für die Entwicklung des Auges gestellt. Das ist noch in einer frühen Phase der Embryonalentwicklung, wenn die Bildung der drei Keimblätter Entoderm, Mesoderm und Ektoderm (Innenschicht, Mittelschicht, Außenschicht) zum Abschluss kommt. Beim Auge wie bei den anderen Sinnesorganen ist das Ektoderm das wesentliche Keimblatt, aus dem sich die Strukturen entwickeln. Beim Mensch geschehen diese ersten Schritte ab dem 17. Tag der Schwangerschaft.
Die Entwicklung der schuhsohlenförmigen Neuralplatte auf der Gastrula (Abb. 4., hellgraue Fläche), aus der zuerst das Neuralrohr (Abb. 4, senkrechter Mittelstreifen) und daraus später das Gehirn und Rückenmark entstehen, wird durch das darunter liegende Mesoderm ausgelöst (induziert), und es kommt zur Ausbildung zunächst eines uniformen Augenfelds auf dieser Patte (Abb. 4). Die genannten Schaltergene Rx1, Sox3 und Pax6 sind wesentlich für die initiierenden Schritte. Während der Bildung des Neuralrohrs teilt sich das Augenfeld in zwei äußere Augendomänen, gesteuert durch das Gen Sonic hedgehog (Shh), das in einer Mittellinie zwischen diesen beiden Domänen aktiviert wird und Pax6 unterdrückt. Sonig hedgehog liefert damit die Erklärung dafür, dass das Wirbeltier zwei Augen hat. Eine ausbleibende Aktivierung (Expression) der genannten Schaltergene führt zum Verlust der Augenbildung.[8]
Bildung von Augenvesikel, Linse und Hornhaut
In der Folge kommt es beim Menschen etwa zum Beginn des 2. Schwangerschaftsmonats an den Augenfeldern zu einer beidseitigen Ausstülpung des vorderen Ektoderms und zu ihrem Auswachsen als optische Augenbläschen aus dem Zwischenhirn (Abb. 6),[8] Augenstiel genannt. Demnach erreichen die hierüber eingehenden Lichtinformationen zunächst das Zwischenhirn, die Verarbeitung erfolgt im Großhirn.
Das Ausstülpen der Augenbläschen (Vesikel) beruht auf individueller Zellmigration. Wie zuerst beim Fisch entdeckt, gibt das Protein Rx3 den Augenvorläuferzellen molekulare Wegweiser mit. Sie vermitteln diesen Zellen die Information, wie sie sich aus der Mitte des Gehirns in Richtung Augenfeld bewegen können, wo es zu größeren Ansammlungen dieser Zellen kommt[15][16]. Das auswachsende optische Vesikel interagiert mit der äußeren Schicht und löst als neuen wichtigen Induktionsschritt dort die Bildung der Linsenplakode aus, eine Verdickung dieses Ektoderms und Einbuchtung der Augengrube (Abb. 6 und 5). Ohne das Vesikel entstünde (mit Ausnahme von Amphibien) keine Verdickung und keine Linse. Durch verschiedene mesodermale Signalgebungen und Signale des optischen Vesikels wird das Oberflächenektoderm immer stärker auf die prospektive Linsenbildung vorbereitet. Das Gewebe wird zunächst für die Linsenbildung als kompetent bezeichnet und wird in weiteren Schritten Linsenspezifisch[17]. Das Gewebe kann nach dem Kontakt mit dem Vesikel und dessen Signalen nur noch Linse werden. Nur die Oberhaut des Kopfes (Epidermis) ist somit in der Lage, auf Signale des optischen Vesikels zu reagieren. In empirischen Versuchen konnte gezeigt werden, dass ein Vesikel, das man in eine anderen Region als dem Kopfektoderm einpflanzt und dort auswachsen lässt, zu keiner Linsenbildung führt. Aber auch verpflanztes Oberflächenektoderm des Kopfs führt zu keiner Linse, wenn dort der Kontakt zum optischen Vesikel fehlt.
Die Verdickung des Ektoderms führt zur Umformung des Vesikels zu einem Becher, dem Augenbecher. Dieser sorgt durch entsprechende Induktionssignale dafür, dass die zunächst noch nicht transparente Linse entsteht.[4] Nach deren anfänglicher Formation schließt sich das Oberflächen-Ektoderm wieder über dem Vesikel. Die Linse löst sich vom Ektoderm ab und sinkt in die Tiefe.
Im Anschluss daran erfolgt nochmals eine Induktion, diesmal der Linse mit dem Oberflächenektoderm. Sie führt dort zu einer neuen Verdickung, der Hornhaut (Abb. 5 u. 8)[4]. Der vordere Becherrand wird zur Pupille. Die Hornhaut (Cornea) entsteht durch eine Transformation des Oberflächenektoderms in anteriores Epithelium. Die Aderhaut (Chorioidea), Lederhaut (Sclera) entstehet aus dem mesodermalen Mesenchym des Kopfbereichs. Mit der Ausbildung der Lederhaut kann die Entstehung von Blutgefäßen einsetzen, die die Netzhaut durchziehen.
Die Linse kann bei einem Salamander regeneriert werden. Das geschieht durch Transdifferenzierung, eine schrittweise Rückentwicklung von Zellen am mesodermalen Irisrand in einen früheren Zustand (Wolffsche Linsenregeneration). Die Linse ist dabei bis zu 18 mal regenerierbar[18]. Auch bestimmte Gewebe der Iris und der neuralen Retina sind bei Salamandern regenerierbar[19].
Die Entwicklung der komplexen Netzhaut
Bevor es zur Differenzierung der Netzhaut kommt, besteht des Gewebe aus einem Feld undifferenzierter Retina-Vorläuferzellen. Vergleichbar zu den vorangegangenen Phasen der Vesikel- oder Linseninduktion müssen geordnete Schritte der Zelldifferenzierung etabliert werden. Alle diese Retina-Vorläuferzellen exprimieren zu diesem Zweck eine gemeinsame Suite von Transkriptionsfaktoren, das sind Gene, die wieder andere Gene exprimieren. Dies sind Pax6, Six3, Six6, Lbx2, Hes1. Die Zellen sind in diesem Stadium noch multipotente Stammzellen, das heißt sie können zu den gewünschten, unterschiedlichen Zielzellen differenzieren, darunter Ganglionzellen, bipolarzellen Nervenzellen, Amakrinzellen, Horizontalzellen, Fotorezeptorezellen und anderen[20].
Der Becher bildet jetzt eine innere und später zudem eine äußere Netzhautschicht aus (Abb. 7 einfach, Abb. 9 innere Schicht detaillierter). Die dünne, zum Gehirn weisende Schicht (Abb. 8) formt das retinale Pigmentepithel, das der Ernährung der Netzhautzellen dient. Im Folgenden wird die dickere innere Schicht näher beschrieben und in weitere innere und äußere Unterschichten unterteilt (Abb. 9). Im Laufe der Entwicklung bildet sich in der inneren Schicht eine weitere mittlere mit den bipolaren Zellen der Retina. Ihre Aufgabe ist es, die Informationen der lichtempfindlichen Fotorezeptoren (Stäbchen und Zapfen) zu sammeln, zu gewichten und an die Ganglienzellen der Netzhaut nach außen (Abb. 9 links) weiterzuleiten. Die Ausbildung von Zapfen und Stäbchen erfolgt auf der rechten Seite der inneren Schicht (Abb. 9 rechts, Zellkerne der Fotorezeptzoren vor weißer Hintergrundschicht, lichtsensitive, langgezogene Fortsätze vor brauner Hintergrundschicht). Die drei verschiedenen Zapfentypen beim Menschen dienen der Unterscheidung von gelben, roten und grünen Farbtönen. Die Stäbchen vermitteln die Intensität des Lichts. Da beim Menschen nur ein Typ von Stäbchen vorhanden ist, kann bei ihm in der Dämmerung kein Farbeindruck entstehen. Nachtaktive Wirbeltiere haben mehr Stäbchentypen entwickelt. Die hier beschriebene mehrschichtige Form der Netzhaut, Rezeptoren auf der einen Seite, bipolare Zellen in der Mitte und Neuronen auf der gegenüberliegenden Seite, stellt den typischen Aufbau beim Mensch und bei anderen Wirbeltieren dar. Nach diesem Muster entwickeln sich alle Sinnesorgane.
Der Großteil der komplexen Retinaentwicklung verläuft beim Mensch ab der Mitte des 3. Monats bis in den 4. Monat. Dann ist der Sehnerv für eine adäquate Signalweiterleitung vollständig myelinisiert. Der gelbe Fleck (Macula lutea) mit der größten Dichte an speziellen Zellen (Zapfen) beginnt sich erst nach 8 Monaten auszubilden[21]. Er wächst bis über die Geburt hinaus weiter. Nach fünf Monaten etwa ist die Nervenverbindung des Auges mit dem Gehirn abgeschlossen. Der Embryo zeigt bereits im 7. Monat der Schwangerschaft bestimmte Formen von Augenbewegungen, das sogenannte Rapid Eye Movement (REM), das die Synchronisation der Netzhaut mit dem visuellen Cortex im Gehirn unterstützt.
Nach innen gerichtete Fotorezeptoren
Das Wirbeltierauge wird als Teil des Gehirns gesehen, da es aus diesem auswächst. Dies ist zum Beispiel beim Oktopus nicht der Fall, da das Auge hier durch Einstülpung von außen entsteht. Der Entwicklungsvorgang beim Wirbeltier mit einer invertierten Retina hat mehrere Konsequenzen: Erstens generiert der gebündelt zuführende Sehnerv einen blinden Fleck, da sich an der Stelle, wo er in das Auge eintritt, keine lichtempfindlichen Sinneszellen befinden. Zweitens liegen Nervenfasern der Sehzellen an der zum Licht hin gerichteten Seite, so dass das Licht diese Nervenfasern durchqueren muss. Drittens sind die langen Fotorezeptorfortsätze der Zapfen und Stäbchen nach innen zum Pigmentepithel hin gerichtet - also vom Licht weg.[22][23] Das Licht muss demnach sowohl die zu den Sehzellen gehörenden Nervenbahnen, als auch die Fotorezeptoren selbst durchqueren, bevor es auf deren lichtsensitiven Außensegmente trifft (Abb. 9). Der Oktopus weist die genannten Eigenschaften nicht auf. Bei ihm trifft das Licht unmittelbar auf die Rezeptoren.
Die strukturellen Unterschiede bei Wirbeltier und Oktopus deuten auf eine voneinander unabhängige Entstehungsgeschichte dieser Augentypen. Dennoch liegen mit den Schaltergenen übereinstimmende (homologe) genetische Grundlagen vor. Die Entwicklungsgenetik des Auges gibt mit dem gleichzeitigen Bezug auf Homologie und Konvergenz somit mehrdeutige Hinweise auf seine Evolutionsgeschichte.
Ausbildung der Sehbahn und ihrer Bestandteile
Neben den Stäbchen und Zapfen als Fotorezptoren des Auges bildet die Netzhaut auch einige Millionen Nervenzellen für eine erste Informationsverarbeitung. Damit das Auge als Sinnesorgan funktionieren kann, müssen die eingehenden Lichtinformationen an das Gehirn als „Auswertestationen höherer Ordnung“ [4]weitergeleitet werden. Zunächst bilden sich Ganglienzellen auf der inneren Retinaschicht (Abb. 9, links). Diese Zellen bilden Nervenfasern Axone aus, die die Netzhautschicht durchdringen und in der Folge bestimme Zielgebiete im Gehirn suchen und finden müssen. Zur Steuerung dieser topografischen Zielerreichung sind komplizierte chemische Prozesse verantwortlich: Moleküle in der Netzhaut und im Gehirn (Tectum) bilden gestufte Gradienten aus. Deren durch Diffusion entstehende Konzentrationsgefälle helfen, die Wachstumsrichtung der Axone zu lenken[24]. Die Axone werden am Ausgang der Netzhaut, dem blinden Fleck, gebündelt und bei Säugetieren von dort als dem zentralen Nevernstrang, dem Sehnerv (Nervus opticus), über die Sehbahn mit verschiedenen neuronalen Strukturen an das Sehzentrum (visueller Cortex), weitergeführt (Abb. 10). Sie erreichen nach einer Zwischenstation zuerst das primäre Sehzentrum für eine Vorverarbeitung und danach das sekundäre Sehzentrum. Auf diesem Weg kommt es zu einer partiellen Sehnervenkreuzung (Chiasma opticum). Die Sehnervenzellen des linken Auges erreichen das primäre Sehzentrum sowohl der linken als auch der rechten Gehirnhälfte. Entsprechendes gilt für die Nervenzellen des rechten Auges. Im Empfangsbereichs des Gehirns müssen die bereits in mehreren Einzelsträngen ankommenden Nervenzellen weiter aufgefächert werden, damit eine präzise Verarbeitung möglich wird. Je nach ihrem Ursprungsort münden die Axone in verschiedenen, eng umschriebenen Arealen. Der Prozess heißt retinale Projektion. Einer Landkarte auf der Netzhaut entspricht dabei eine Kopie dieser Landkarte im Gehirn. Bei Nichtsäugern (Fische, Amphibien, Reptilien und Vögel) bildet sich eine vollständige Überkreuzung der Nervenbahnen aus. Dabei werden alle Axone einer Augenseite auf die jeweils gegenüberliegende Gehirnseite geführt[4].
Bildung der Anhangsorgane und Pupille
Äußere Augenmuskeln
Beim Wirbeltier werden in Abhängigkeit von ihrer Funktion und Lage die inneren von den äußeren Augenmuskeln unterschieden. Die äußeren, für die Augenbewegungen zuständigen Augenmuskeln entstehen zusammen mit der Tenonschen Kapsel (Teil des Bandapparates) und dem Fettgewebe der Augenhöhle (Orbita). Sie sind gemeinsame Abkömmlinge des embryonalen Bindegewebes (Mesenchym), das die Augenvesikel umgibt und werden aus sogenannten Somitomeren gebildet, bestimmten Mesodermsegmenten des Rumpfbereichs beim Embryo, die beidseitig auswachsen (Abb. 11). Die später durch den Augenbewegungsnerv versorgten Augenmuskeln (oberer gerader Muskel, unterer gerader Muskel, innerer, nasal gelegener, gerader Muskel und unterer, schräger Muskel) stammen dabei gemeinsam mit dem Lidheber aus den vordersten beiden Somitomeren 1 und 2, der obere schräge Muskel aus dem dritten und der seitlicher gerader Muskel, sowie der beim Menschen nicht mehr vorhandene Zurückzieher des Auges, aus dem fünften Somitomer.[25][26][27] Die Muskelzellen aus den Myotomen der Somiten migrieren hierbei in ihre Zielgebiete in den Augen, wo anschließend die Muskelstrukturen gebildet werden.
Die weitere Entwicklung wird von drei Wachstumszentren gesteuert, denen jeweils ein Nerv zugeordnet ist. Daraus entsteht die spätere motorische Nervenversorgung (Innervation) der Augenmuskeln durch die drei Hirnnerven Nervus Oculomotorius (III), Nervus trochlearis (IV) und Nervus abducens (VI). Die Entwicklung der äußeren Augenmuskeln ist abhängig von einer normalen Entwicklung der Augenhöhle, während die Ausbildung des Bandapparates davon unabhängig ist.[28] Die Augenmuskulatur entwickelt sich beim Mensch spät, erst im fünften Monat. Eine vollständige Koordination aller Formen von Augenbewegungen erfolgt erst nach der Geburt im Säuglingsalter.
Augenlider
In der 7. Woche entstehen die Augenlider in Form von zwei Hautfalten , die von oben und unten über das Auge wachsen und wegen der Verklebung ihrer Epithelränder zwischen der 10. Woche und dem 7. Monat verschlossen sind. An ihrem Rand entstehen die Wimpern, und es kommt durch Einsprossungen von Epithelsträngen in das Mesenchym zur Ausbildung der Meibom- und Moll-Drüsen. In dieser Phase entsteht zudem die als "drittes Augenlid" bezeichnete Nickhaut im nasalen Lidwinkel. Gleichzeitig bildet sich aus dem Kopfmesenchym die Bindehaut.[29][30]
Tränenapparat
In der 9. Schwangerschaftswoche zieht eine Reihe von Epithelsprossen aus dem seitlichen Bindehautsack in das darunter liegende Mesenchym, aus denen die Anlage der Tränendrüsen gebildet werden. Sie werden durch die Sehne des Musculus levator palpebrae superioris in zwei unterschiedlich große Anlagen geteilt. Aus der sogenannten Tränen-Nasen-Rinne, die sich etwa in der 7. Schwangerschaftswoche am äußeren Nasenwall bildet, entstehen die ableitenden Tränenwege. Deren Aushöhlung beginnt zwar bereits im 3. Schwangerschaftsmonat, jedoch öffnen sich ihre Ausflußstellen erst im 7. Monat der Schwangerschaft.[29]
Pupille und innere Augenmuskeln
Etwa in der 8. Schwangerschaftswoche bildet sich beim Mensch durch die Abrundung der Augenbecheröffnung die Pupille, die unter anderem als Lochblende dynamisch auf Lichteinfall reagiert. Zwischen dem Augenbecher und dem Oberflächenepithel entstehen die inneren Augenmuskeln, Musculus sphincter pupillae und Musculus dilatator pupillae. Ihre Zellen entstammen den ektodermalen Epithelzellen des Augenbechers.[30] Der Ziliarmuskel, der das Auge fortlaufend auf die unterschiedlichen Objektentfernungen einstellt, entsteht aus dem Mesoderm innerhalb der Aderhaut und wird als ein Derivat der Neuralleiste betrachtet[31].
Im Endstadium der Schwangerschaft kommt es beim Embryo zu Pupillenreaktionen, die entgegen früherer Anschauung bereits in der Gebärmutter möglich und notwendig sind. Eine Pupillenerweiterung durch den hierfür zuständigen Musculus dilatator pupillae, der über das Sympathische Nervensystem, einen Teil des vegetativen Nervensystems, gesteuert wird, kann insofern auch Ausdruck emotionaler Erregung sein. Die Lichtreaktion kontrolliert die Anzahl der Neuronen in der Netzhaut. Gleichzeitig reguliert sie die Entwicklung von Blutgefäßen in den Augen. Die Photonen im Mutterleib aktivieren im Mäuse-Embryo ein Protein Melanopsin, das die normale Entwicklung von Gefäßen und Neuronen in Gang setzt.[32]
Nach der Geburt
Die Entwicklung des Auges ist bei der Geburt noch nicht abgeschlossen. Es hat seine volle Größe erst zu Beginn der Pubertät erreicht und erfährt im ersten Jahr noch eine Reihe von Veränderungen. So vergrößert sich das Gesichtsfeld; die kristalline Linse, die Macula und die Pigmentierung der Iris erfahren strukturelle Verbesserungen. Eine vollständige Koordination aller Formen von Augenbewegungen und somit die Ausbildung von beidäugigem Sehen dauert bis einige Monate nach der Geburt. Viele Zellen des Corpus geniculatum laterale, eines Teils der Sehbahn, können noch nicht auf die von den Ganglienzellen der Netzhaut eingehenden Lichtreize reagieren. Die Sehschärfe (Visus) ist bei der Geburt auch auf Grund einer noch instabilen zentralen Fixation noch nicht vollständig ausgebildet. Tatsächlich entwickelt sich der Visus bis zum etwa 10. Lebensjahr.[33]
Chronologie wissenschaftlicher Entdeckungen zur Augenentwicklung
| Jahr | Forscher | Entdeckung |
|---|---|---|
| ca. 350 v.Chr. | Aristoteles[34] | Auswachsen des Auges aus dem Gehirn beobachtet am Hühnchenembryo |
| 1660 | Edme Mariotte | Blinder Fleck |
| 1817 | Christian Heinrich Pander | Das optische Vesikel entstammt dem Vorderhirn |
| 1830 | Emil Huschke | Linse bildet sich aus Oberflächen-Ektoderm-Zellen |
| 1830 | Emil Huschke | Optischer Becher wird aus dem Vesikel gebildet |
| 1850-55 | Robert Remak | Linsenhaut entwickelt sich aus dem Linsenvesikel |
| 1861 | Albert von Kölliker | Retina entsteht aus zwei Schichten des optischen Bechers |
| 1875 | Johannes Peter Müller | Die Fasern des Sehnervs beginnen in der Retina und wachsen bis ins Vorderhirn |
| 1895 | G. Wolff | Erste Beschreibung der Linsenregeneration durch Gewebetransformation aus der Iris beim Molch |
| 1920 | Hans Spemann | Die Linseninduktion erfolgt durch das optische Vesikel |
| 1963 | R.W. Sperry[24] | Wachstum und Zielfindung der Augennervenfasern |
| 1992 | R.M. Grainger[17] | Linseninduktionsschritte: Von der Linsenkompetenz bis zu Linsenspezialisierung des Ektoderms |
| 1995 | Walter Jakob Gehring | Entdeckung des Pax6-Gens als Schaltergen für alle Augentypen |
| 1999 | Robert L. Chow et al.[5] | Pax6-Gen wird als Induktor für das Auge beim Wirbeltier nachgewiesen |
| 2002 | A.K. Knecht & M. Bronner-Fraser[35] | Induktion der Neuralleiste als multigenetischer Prozess |
| 2005 | P. Purcell et al.[14] | Genregulationsnetzwerk für die Augenbildung relativert die Alleinstellung von Pax6 |
| 2006 | M. Rembold, F. Loosli , R.J., J. Wittbrodt[15][36] | Individuelle Zellmigration im Gehirn veranlasst die Ausbildung des optischen Vesikels. |
| 2008 | P. Betancour, T. Sauka-Spengler& T.M. Bronner-Fraser[37] | Ein Genregulationsnetzwerk steuert die Formation der Neuralleiste |
| 2013 | S. Rao et al.[32] | Lichtreflektionen im Mutterleib aktivieren Melanopsin zur Bildung von Gefäßen und Neuronen |
Weblinks
- Online Animation der Augenentwicklung
- Developmental origins of the eye
- PY4302 Developmental Neuroscience Eye Development - PowerPoint PPT Presentation
- Eye development auf YouTube (englisch)
- Bilder der frühen Ausbildung des Augenfelds bei Xenopus durch Pax6-Rx1-Sox3-Expression auf der Neuralplatte
- Ein tiefer Einblick in die Evolution der Augen. Ein Masterkontrollgen kontrolliert die Entwicklung. Neue Zürcher Zeitung 7. Nov. 2001
- Jakob Walter Gehring: Auge um Auge: Entwicklung und Evolution des Auges. Science Blog 25. Oktober 2012
- Zebrafisch: Augenenmorphogenese im Film
Einzelnachweise
- ↑ Mayr, Ernst: Das ist Evolution. Goldmann 2005, S. 250ff
- ↑ Joram Piatigorsky (2008): A Genetic Perspective on Eye Evolution: Gene Sharing, Convergence and Parallelism. Evolution: Education and Outreach 1(4): 403-414
- ↑ a b c d Trevor D. Lamb, Shaun P. Collin, Edward N. Pugh Jr.: Evolution of the vertebrate eye: opsins, photoreceptors, retina and eye cup. Nature Reviews, 8,2007, 960-975
- ↑ a b c d e Müller, Werner, A. & Hassel, Monika: Entwicklungsbiologie und Reproduktionsbiologie von Mensch und Tieren. Springer Spektrum, 5. Auflage 2012
- ↑ a b Robert L. Chow, Curtis R. Altmann, Richard A. Lang and Ali Hemmati-Brivanlou. Pax6 induces ectopic eyes in a vertebrate. Development 126, 4213–4222,1999
- ↑ D. Uwanogho, M. Rex, E.J. Cartwright, G. Pearl, C. Healy, P.J. Scotting, P.T. Sharpe. Embryonic expression of the chicken Sox2, Sox3 and Sox11 genes suggests an interactive role in neuronal development Mech. Dev., 49 (1995), pp. 23–36
- ↑ Reinhard W. Köste,Ronald P. Kühnlein, Joachim Wittbrodt, Ectopic Sox3 activity elicits sensory placode formation. Science direct Volume 95, Issues 1–2, 1 July 2000, Pages 175–187
- ↑ a b c Kühl, Michael & Gessert, Susanne: Entwicklungsbiologie. UTB Basics 2010
- ↑ Désirée White and Montserrat Rabago-Smith: Genotype–phenotype associations and human eye color. Journal of Human Genetics 56, 5–7 (January 2011)
- ↑ Jesper Kronhamn, Erich Frei, Michael Daube, Renjie Jiao, Yandong Shi, Markus Noll, and Åsa Rasmuson-Lestander. Headless flies produced by mutations in the paralogous Pax6 genes eyeless and twin of eyeless. Development 2002 129: 1015-1026
- ↑ Serikaku M.A., O'Tousa J.E. Sine oculis is a homeobox gene required for Drosophila visual system development. Genetics. 1994 Dec;138(4):1137-50
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- ↑ Heanue T.A., Davis R.J., Rowitch D.H., Kispert A., McMahon A.P., Mardon G., Tabin C.J. Dach1, a vertebrate homologue of Drosophila dachshund, is expressed in the developing eye and ear of both chick and mouse and is regulated independently of Pax and Eya genes. Mech Dev. 2002 Feb;111(1-2):75-87
- ↑ a b Purcell P., Oliver 8G., Mardon G., Donner A.L., Maas R.L. Pax6-dependence of Six3, Eya1 and Dach1 expression during lens and nasal placode induction. Gene Expr Patterns. 2005 Dec;6(1):110-8
- ↑ a b Rembold M, Loosli F, Adams RJ, Wittbrodt J.: Individual cell migration serves as the driving force for optic vesicle evagination. Science. 2006 Aug 25;313(5790):1130-4
- ↑ Ein wanderndes Auge. Das Biotechnologie und Life Sciences Portal Baden-Württemberg 2006
- ↑ a b Grainger, R. M. (1992). Embryonic lens induction: Shedding light on vertebrate tissue determination. Transgen. 8, 349-355
- ↑ Égouchi, Goro et al. Regenerative capacity in newts is not altered by repeated regeneration and ageing. Nature Communication, 2011, July 2, 384
- ↑ Stone, Leon S. Regeneration of the Lens, Iris, and Neural Retina in a Vertebrate Eye.Yale J Biol Med. 1960 June; 32(6): 464–473
- ↑ Wang, S.W., Mu, X., Bowers, W.J., Klein, W.H. Retinal ganglion cell differentiation in cultured mouse retinal explants. Methods. 2002 Dec;28(4):448-56
- ↑ Isenberg, S. J.: Macular development in the premature infant. Am J Ophthalmol. 1986 Jan 15;101(1):74-80
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