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Wissenschaftsgeschichte der Polydaktylie

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Die am zweithäufigsten vorkommenden Fehlbildungen beim Menschen[1] sind solche der Extremitäten und unter diesen Polydaktylie. Polydaktylie gehört daher zu den frühesten Forschungsobjekten der Wissenschaft. Im Verlauf der Wissenschaftsgeschichte werden unterschiedliche Schwerpunkte in der Polydaktylieforschung deutlich, von Vererbungsregeln über die evolutionäre Bedeutung, exakten anatomische Analysen bis zur Erforschung molekularer Ursachen und neuerdings verstärkt der Extremitätenentwicklung. Auch die Analyse der Variation der Zehenzahlen und die Genotyp-Phänotyp-Beziehung rücken wieder stärker in den Fokus der Forschung.

Hauptartikel: Polydaktylie

Aristoteles — Früheste Auseinandersetzung mit Entwicklung und Anomalien

Aristoteles (384-322 v. Chr.)

Der griechische Philosoph Aristoteles (384-322 v. Chr.) war ein bedeutender Naturphilosoph der griechischen Antike. Seine bis in die Neuzeit der Wissenschaft reichende Bedeutung als Naturforscher für die Embryologie lag primär darin, dass er die Präformationslehre, nach der die Form des Foetus bereits im Samen vorgebildet sei, strikt ablehnte. Aristoteles griff das Thema Polydaktylie unter anderem in seinem Werk de generatione animalium auf, in dem er sich mit der Zeugung und Embryologie der Tiere beschäftigt. Er verwendet nicht den Begriff Polydaktylie sondern spricht im Zusammenhang von Monstrositäten sowohl von "zu vielen" als auch von weniger Zehen. Monstrositäten sind hier keine Monsterbildungen, vielmehr verwendet Aristoteles den Begriff immer dann, wenn es um Ausnahmen von der Regel geht. So ist ein Kind, das seinen Eltern nicht ähnlich sieht, bereits in gewissem Sinn für ihn eine Monstrosity wie Zwillinge, aber ebenso ein menschliches Wesen, das durch Fehlbildungen eher einem Tier als einem Mensch ähnlich sieht. Zu viele Zehen werden im gleichen Sinn verwendet wie jede andere Verdoppelung eines Körperteils. Er verwendet das Phänomen beispielhaft. Die Verdoppelung von Teilen des Embryos hat dieselbe Ursache wie die Verdoppelung des Embryos selbst. Und zwar wird bei einer Monstrosity mehr Material in einem beliebigen Punkt des Embryos aggregiert als für die natürliche Entwicklung des Teils benötigt wird. In diesem Fall können größere oder mehr Teile entstehen, abhängig von der Bewegung des oder im Embryo. Das Bewegungsprinzip ist ein wichtiges Grundprinzip der Entwicklung neben anderen, von denen das zentrale der Unterschied von Hitze und Kälte im Uterus ist. Das Bewegungsprinzip wird deutlich, wenn Aristoteles das Entstehen einer Anomalie im Embryo mit Strudeln im Wasser von Flüssen vergleicht. Dort lässt ein potenzielles Hindernis zwei Strudel gleicher Bewegung aus einem entstehen, wenn Wasser mit einer bestimmten Bewegung vorbeifließt.[2] "Ein neues Teil kann an das Teil, das es verdoppelt, angebunden sein. Es kann sich aber auch in gewisser Entfernung zu diesem befinden, wenn nämlich die Bewegung im Embryo stark genug ist und ebenso wegen des Überflusses an Material, das zu dem Platz von dem es weg bewegt wurde, zurückfindet, während das Teil seine Form, die es fand, als es durch Überfluss entstand, beibehält."

Aristoteles verwendet somit das Phänomen Polydaktylie als Testfeld, an dem er seine Entwicklungsprinzipien, etwa das Bewegungsprinzip oder das Überflussprinzip, erhärten kann. Wenn das Prinzip dem natürlichen Fall und dem Ausnahmefall genügt, ist es zu einem höheren Grad verifiziert. Die Aggregation von ausreichend Material für die Bildung einer Verdoppelung könnte nach moderner Sicht als Zellproliferation verstanden werden. Sie ist bei einer Form der präaxialen Polydaktlyie mit der Mutation eines Sonic hedgehog cis-Elements Voraussetzung für die Bildung eines oder mehrerer neuer Finger bzw. Zehen. Die skelletäre Formbildung erfolgt hier anschließend im Zuge der Selbstorganisationsfähigkeit des Gewebes in der Knospe (Genetische Ursachen von Polydatkylie). Die dichte Anbindung oder das Entferntsein eines polydaktylen Fingers von einem der regulären Finger kann durchaus so aussehen, wie Aristoteles es beschreibt. Der Fall des Attachments ist bei der Hand Syndaktylie (Polydaktylie Abb.7), der Fall des Entferntseins existiert mit einer weit gespreizten Bifurkation, aber auch beim abgepreizten, verlängerten, polydaktylen ersten Zehs der Maine-Coon-Katze (Polydaktylie Abb. 5). Hier ist nicht bekannt, an welchen Beispielen Aristoteles seine Aussagen abgeleitet hat, bzw. ob er sie überhaupt an Extremitäten gesehen hat. Er macht dazu keine näheren Angaben. In jedem Fall zeigt Polydaktylie spezifische Variationsformen, wie sie Aristoteles allgemein verwendet.

Natürlich liegt Aristoteles nicht richtig, wenn er das Prinzip für die Verdoppelung bei einem Finger oder Zeh gleichsetzt mit dem der Verdoppelung des gesamten Foetus wie bei Zwillingen.

Pierre-Louis Moreau de Maupertuis — Mathematische Studie zur Vererbung von Polydaktylie

Pierre-Louis Moreau de Maupertuis (1698-1759)

Der französische Universalgelehrte Pierre-Louis Moreau de Maupertuis analysierte 1751 in einer mathematischen Studie in seinem Werk Système de la nature ou Essai sur les corps organisés. (Vom universellen System der Natur oder Essay über die organischen Körper).[3] an mehreren Generationen der Berliner Familie Ruhe die Vererbung von Polydaktylie. Maupertuis entwickelte dabei als erster Ideen zu dominanten und rezessiven Erbgängen, sowohl bei männlichen wie weiblichen Familienmitgliedern. Er entwickelte eine Theorie, dass Polydaktylie das Resultat einer Veränderung in kleinsten vererbbaren Partikeln eines Individuums ist. Diese würden sich auf eine Newtonsche Art anziehen. Er vertrat die Auffassung einer spontanen Entstehung des Lebens durch zufällige Aggregation dieser Partikel.[4] Seine Studien mündeten in ein mathematisches Modell mit dem Ziel, das Vorkommen des Merkmals in zukünftigen Generationen voraussagen zu können. Maupertuis verband mit Polydaktylie bereits evolutionäre Ideen, wenn er folgerte, dass Polydaktylie Veränderungen eines früheren "Prototyps" seien, der dieses Merkmal noch nicht aufweist. Erst bei ausreichend starker Vererbung über viele Generationen und durch beide Geschlechter käme es zu einer "Speziesänderung".[5] Eindeutig sprach sich Maupertuis gegen die Präformationslehre aus, wonach die Form des Phänotyps in den Geschlechtszellen bereits in Miniatur vorgebildet ist.[6]

Robert Chambers — Ein polydaktyler Wissenschaftler

Robert Chambers (1802-1871)

In Großbritannien war der schottische Forscher Robert Chambers selbst polydaktyl. Er und sein Bruder hatten an beiden Händen und Füßen 6 Finger bzw. 6 Zehen. Chambers, ein wichtiger Vorgänger Darwins, publizierte sein Hauptwerk Vestiges of the Natural History of Creation (dt.: Spuren der Naturgeschichte der Schöpfung) 1844 anonym. Es war nach den Überlegungen von Darwins Großvater Erasmus das erste verbreitete Buch in Großbritannien zu Evolution und zur Abstammung der Arten von einem gemeinsamen Vorgänger. Evolutionsmechanismen konnte er allerdings noch nicht ausmachen und sprach nur allgemein von Naturgesetzen. Es ist möglich, dass Chambers' eigene Polydaktylie ihn zu Überlegungen animierte, dass natürliche Bedingungen die primären Ursachen für evolutionräre Veränderung darstellen. Chambers' Buch wurde eines der erfolgreichsten populärwissenschaftlichen Bücher des 19. Jahrhunderts.

Chambers nennt das Beispiel von 6 Fingern an einer Hand und 6 Zehen an einem Fuß. Er sieht gleichermaßen Familien betroffen, die das Merkmal nicht vererben als auch solche, die es über einige Generationen vererben.[7] Chambers führt eine Überlegung von Lawrence [8] an, wonach die Vererbung des Merkmals durch beide Eltern zu Vorläufern einer neuen Rasse werden könnten. Er diskutiert also Polydaktylie prinzipiell als eine Qualität von Variation, die zu evolutionärer Veränderung führen kann. Die Ursachen, durch die eine solche Variation hervorgerufen werden könnte, vermag Chambers nicht zu nennen. Vielleicht sind es "symply types in nature", "die unter bestimmten Bedingungen realisiert werden können". Er stellt aber sofort in Frage, "dass diese Bedingungen so sein können, dass sie in ihrer Gesamtheit Aufmerksamkeit erregen", mit heutigen Worten, dass sie im Zusammenwirken empirisch festgestellt werden könnten. Chambers vermutet also mehrere zusammenwirkende Faktoren, sieht eher ein komplexes Szenario und versucht nicht, das Phänomen zu reduzieren. "Wir sind Unwissende in den Gesetzen der Erzeugung von Variation, aber wir sehen sie als ein Prinzip in der Natur auftreten." [9] An anderer Stelle spricht Chambers von "guten Bedingungen des Gesetzes in Entwicklung des generativen Systems", die es vorwärts bringen und "schlechten Bedingungen", die dazu führen, "dass es schwindet". Für den letzteren Fall nennt er die Verlängerung und Verkürzung ("attenuation") von Extremitäten, beruft sich jedoch in diesem Zusammenhang nicht die diskontinuierliche Veränderungen von Fingern oder Zehen.[10] Chambers ist sich der Bedeutung der embryonalen Entwicklung bewusst und weist darauf hin, dass die sehr langfristige Ausbreitung der Lebewesen auf der Erde "auf eine bestimmte Art mit dem kurzfristigeren Prozess, bei dem ein individuelles Wesen aus einer Zelle hervorgerufen wird, verbunden ist".[11] Das sind sehr frühe Überlegungen zur evolutionären Entwicklungsbiologie 150 Jahre später.

Charles Darwin kannte die Vererbung diskontinuierlicher Merkmale

Charles Darwin kannte das Merkmal Polydaktylie. In seiner 1875 erschienenen zweiten Auflage seines Buchs The Variation of Animals and Plants under Domestication (dt.: Das Variieren de Thiere und Pflanzen im Zustande der Domestication)[12] nennt Darwin Polydaktylie bei Hunden, insbesondere bei Doggen und ausführlicher bei Katzen. Er erwähnt, dass er von mehreren Familien mit sechszehigen Katzen gehört hat, wobei sich bei einer Familie die Besonderheit über mindestens drei Generationen vererbt hatte. Bei den vielen körperlichen Merkmalen, die Darwin bei Zuchttieren beschreibt und unter denen Polydaktylie nur eines ist, war Darwin bewusst, dass sich Variationen solch komplexer Art in einer einzigen Generation entwickeln und vererben können. Dies floss jedoch nicht in Darwins Evolutionstheorie ein und wurde auch von der späteren Synthetischen Evolutionstheorie übergangen. Marginale Änderungen wurden stets als die Rohmaterialgrundlage für die Veränderungen von Arten gesehen. Die englische Originalversion des genannten Werks von Darwin erwähnt die Vererbung der Polydaktylie, während die deutsche Übersetzung von Victor Carus das fälschlicherweise auslässt.

Bateson (1894): Polydaktyle Katze Vorderfuß links. Ein bifurkativer Zeh d3 am regulären ersten Zeh d2 und ein kompletter neuer Zeh d1 außen links. Vermutlich Hemingway-Mutant

William Bateson über diskontinuierliche Variation

William Bateson (1861-1926)

Eine bedeutende Arbeit im Hinblick auf die erst 35 Jahre alte Evolutionstheorie Darwins erschien 1894 von William Bateson. Bateson, ein Evolutionist, der sich gegenüber Darwin darin abgrenzte, dass er diskontinuierliche gegenüber graduellen Merkmalsänderungen als bedeutender für den evolutionären Wandel bewertete, analysierte hierfür unzählige Merkmale, darunter auch Polydaktylie auf 40 Seiten bei mehreren Arten.[13] Bei der Katze beschreibt Bateson detailliert je vier polydaktyle Fußformen an Vorder- und Hinterfuß, darunter auch die heute als Hemingway-Mutant bekannte Variation mit 7 Zehen am Vorderfuß, einem bifurkativen Zeh am ersten Zeh sowie einem zusätzlichen kompletten neuen, sehr dünnen Zeh an der (anterioren) Handinnenseite. Freilich konnte Bateson noch nicht wissen, dass sich einige der von ihm beschriebenen Mutanten auf dieselbe Mutation zurückführen lassen. Beim Mensch entdeckte Bateson einen neuen Mittelhandknochen, der notwendig wird, um an einer polydaktylen Hand mit 7 Fingern diese geordnet in den Handapparat und den Arm integrieren zu können. Ein Makaken-Affe mit 9 Zehen an einem Fuß wird beschrieben.

Vor 100 Jahren — Exakte anatomische Studien

Prentiss (1903): Muskulatur eines präaxial polydaktylen Schweinefußes vorne links. Aufsicht. Der linke Zeh auf dem Foto ist polydaktyl. Sein Streckmuskel Extensor proprior internus (ext. prp. i.) bedient beim Wildtyp den kleinen rechts anliegenden ersten Zeh. Dieser Muskel wird zu dem neuen Zeh umgeleitet.

Neben den genannten Studien erschienen in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts und Anfang des 20. Jahrhunderts mehrere Arbeiten zu Polydaktylie, darunter die älteste englischsprachige Arbeit dediziert über Polydaktylie von J. Struthers (1863).[14] 1902 publizierte F. Howe eine Arbeit mit dem Titel A case of Abnormality in Cats´ Paws.[15] Darin beschrieb Howe detailliert die Anatomie polydaktyler Vorder- und Hinterpfoten der Katze, wobei er sich nicht auf das Skelett beschränkte sondern Zeichnungen und Erläuterungen zur Muskulatur, den Nerven und zu Blutgefäßen lieferte. Howe nahm äußerst exakte Vermessungen von Länge und Gewicht der Extremitäten bis hin zu den einzelnen Zehen vor.

Eine ähnlich ausgerichtete Studie erschien 1903, ebenfalls in den USA von C. W.Prentiss über Polydaktylie beim Menschen und domestizierten Tieren mit besonderer Berücksichtigung von Zehenvariationen beim Schwein.[16] Auch Prentiss konzentrierte sich auf die anatomische Beschreibung und Zeichnungen polydaktyler Gliedmaßen. Er beschrieb als erster, wie eine Muskelumleitung des beim Wildtyp für den ersten Zeh zuständigen Streckmuskels Extensor proprior internus auftritt, um den neuen Zeh beim Schwein zu bedienen. Die Arbeit war mühsam, mussten doch im Glas präparierte in vitro Schweinfüße, die jahrelang im Museum gelagert waren, schichtweise seziert werden, um die Verläufe von Muskeln oder Nerven feststellen zu können. Bezüglich der Vererbung schloss Prentiss externe Einflüsse, insbesondere Polydaktylie als ein vererbtes Merkmal erworbener Eigenschaften im Sinne Lamarcks aus. Prentiss legte 8 Jahre nach der Entdeckung der Röntgenstrahlen eine Reihe solcher Aufnahmen vom Schwein zu Polydaktylie vor.

Bis 1945 waren verschiedene Formen von Polydaktylie beschrieben, darunter solche beim Mensch (Förster 1861, Gegenbauer, 1888 und 1890, Bardeleben 1895, Stockard 1921, Cummins 1922[17]) und bei einer Reihe von Tieren, neben den genannten Arbeiten mehrere andere zu Katzen, Pferd (Arloing 1867, Boss 1895), Rind (Boss 1890), Hühnchen (Ánthony 1899, Gabriel 1946) und Eule (Danforth 1919, Sturkie 1943, Warren 1944).

Sewall Wright — Schwellenwerteffekte in der Entwicklung

1934 publizierte der amerikanische Evolutionstheoretiker Sewall Wright eine erste von zwei Arbeiten über 23 Linien einer inzüchtigen Meerschweinchenpopulation.[18] Wright stellte erstmals maternale und damit nicht mendelsche Effekte bei Polydatylie fest. So nimmt laut seinem Ergebnis Polydaktylie mit dem Alter der Mutter signifikant ab. Auch einen saisonalen Einfluss konnte Wright feststellen, wonach der Anteil polydaktyler Jungen im Winter mit 37,5% der Geburten um die Hälfte höher ist als im Sommer mit 25,5% der Geburten. Er kam zu dem Schluss, dass das Auftreten eines atavistischen Zehs auf die Kombination genetischer Effekte und nicht-genetischer Schwellenwerteffekte zurückzuführen ist, eine zum damaligen Zeitpunkt sehr moderne Anschauung. 1947 erschien eine Arbeit über präaxial polydaktyle Katzen von C. H. Danforth, Stanford Universität Kalifornien.[19] Danforth unternahm eine Vererbungsstudie zu 97 polydaktylen Katzen über mehrere Generationen unter Laborkontrolle. Er stellte den autosomal dominanten Vererbungscharakter des Merkmals bei der Katze mit einer hohen Penetranz und variabler Expression fest, ordnete alle beobachteten Variationsformen ausdrücklich derselben Genmutation zu und war der erste Wissenschaftler, der die Häufigkeit alternativer Zehenformationen bei polydaktylen Maine Coon Katzen erfasste und quantitativ beschrieb. In einer weiteren Studie widmete Danforth sich nochmals intensiv der Morphologie der präaxial polydaktylen Katze.[20] Dabei beschrieb Danforth die Ausweitung und Unterteilung des Nervus saphenus weit proximal entfernt vom Fuß der Katze und konnte damit zur Aufdeckung der hohen Integrationsfähigkeit der embryonalen Entwicklung beitragen. Danforth spekulierte, dass die Evolution des Fußes mit Faktoren zusammenhängt, die die embryonalen Entwicklung der Zehen regulieren, ein vorsichtiger Vorgriff auf spätere EvoDevo-Gedanken.

Molekulare Ursachenforschung

Ektopische SHH-Expression auf der Daumenseite, entdeckt 2003

Nach der Entdeckung der DNA und mit den fortschreitenden Erfolgen der Molekularbiologie lag das Interesse seit den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts darin, die genetischen Ursachen von Polydaktylie zu erforschen. Signifikante Durchbrüche kamen vermehrt mit Beginn des neuen Jahrtausends zustande. Bis heute wurden mehr als 100 Polydaktylieformen aufgedeckt, viele davon als Syndrome, das heißt, dass Polydaktylie und gleichzeitig auch andere Fehlbildungen mit einer bestimmten genetischen Mutation assoziiert werden. Die Mutationsformen für Polydaktylie umfassen sowohl Mutationen in diversen Genen bzw. Proteinen wie (Sonic hedgehog, Indian hedgehog, Knochenmorphogenetische Proteine (BMP), Gli3, Hoxa, Hoxd etc.) als auch solche in cis-Elementen, die spezifische Genexpressionen während der Handentwicklung steuern. Die Entdeckung solcher cis-Elemente im Zusammenhang mit Polydaktylie trug seit 2002 stark dazu bei, das Verständnis nicht codierender DNA-Elemente für die Entwicklung zu erhöhen, hatte man doch nach der Entschlüsselung des menschlichen Genoms 2002 diese DNA-Bereiche noch voreilig als "DNA-Schrott" bezeichnet. Zu den herausragenden Arbeiten zählen hierbei die Studien aus dem Team Laura A. Lettice und Robert Hill in Edinburgh[21]. Die Forscher konnten den Locus für Polydaktylie beim Hemingway-Mutanten einer Punktmutation in einem nicht codierenden DNA-Element, der ZPA regulator sequence (ZRS) zuordnen, ein cis-Element, das die Expression von Sonic hedghog (Shh) steuert. Dieser in der Evolution hoch konservierte Enhancer ist mit mehr als 800.000 Basenpaaren Entfernung außergewöhnlich weit von seinem Zielgen entfernt. Die Mutation kommt beim Mensch, bei der Katze und der Maus vor. Die ektopische Expression von Shh auf der anterioren Seite der Knospe wurde in diesem Zusammenhang entdeckt. 2012 konnte im selben Team erstmals die komplexe Wirkweise dieses cis-Elements im Zusammenspiel mit mehreren Transkriptionsfaktoren auf das Zielgen Shh genauer aufgedeckt werden.[22]

Computersimulationen der Extremitätenentwicklung

Das Experiment von Saunders und Gasseling (1968): Zehenverdoppelung im Hühnchenflügel nach anteriorer Transplantation einer ZPA

Hauptartikel: Extremitätenentwicklung

Bei der Erforschung der Extremtitätenentwicklung hat Polydaktylie stets eine Rolle gespielt. Die Überlegung war: Könnte man erklären, wie ein separater neuer Finger entsteht, könnte man wohl auch die Entstehung der Hand erklären. So war das Experiment von Saunders und Gasseling 1968 epochal, bei dem es gelang, im Labor beim Hühnchen die Anzahl Zehen spiegelbildlich zu verdoppeln.[23] Der Erfolg des Experiments war die Entdeckung der Zone polarisierender Aktivität (ZPA) in der Extremitätenknospe.

Takashi Miura (2012): Simulierte Finger-Bifurkationsbildungen

Computermodellierungen der Handentwicklung, basierend auf Turing-Mechanismen existieren seit 1974.[24] Wenn die Entwicklung der Wirbeltierhand im Modell simuliert werden kann, muss nach der Vorstellung der Forscher dieser Gruppe mit solchen Modellen auch gezeigt werden können, wie Handfehlbildungen induziert werden und wie im Speziellen Polydaktylie die Musterbildung der Hand beeinflusst. Als einer der ersten konnte Takashi Miura, Kyoto, Japan, 2006 zeigen unter welchen Bedingungen polydaktyle Finger im Computermodell entstehen und wie sie aussehen. So demonstrierte er etwa Bifurkationen, das sind Abgabelungen neuer Fingerelemente aus bestehenden sowie dünne neue Finger bzw. Zehen, wie sie typischerweise bei der Katze oder der Maus (Doublefoot Mutant) auftreten.[25]

Ein Team um Stuart A. Newman, New York, demonstrierte 2010, dass man Polydaktylie in Simulationsmodellen darstellen kann, indem zum Beispiel die Breite der Extremitätenknospe - im Modell spricht man von Domäne - vergrößert wird, wodurch mehr Zellgewebe zur Verfügung steht, was wiederum die Bildung neuer Finger oder Zehen im Modell ermöglich[26] Einen anderen Polydaktylie-Modellansatz, zeigten Sheth et al. 2012. Er basiert ebenfalls auf einem Turingmodell.[27] Danach beeinflussen Hoxgene in der Extremitätenknospe die Abstände der Finger. Engere Abstände, verursacht durch Mutationen von Hoxgenen, geben mehr Fingern auf ähnlich großem Raum Platz.

EvoDevo — Perspektivenwechsel auf die Entwicklung

Eine empirische Studie der evolutionären Entwicklungsbiologie der Universität Wien von 2013 beschreibt Polydaktylie beim Hemingway-Mutanten der Maine Coon. Der Name entstammt einer Population polydaktyler Katzen von Ernest Hemingway in seinem Haus in Key West Florida.[28] Bei der Polydaktylieform des Hemingway-Mutanten liegt eine gerichtete Variation in dem Sinne vor, dass erstens die Anzahl der zusätzlichen Zehen variabel oder plastisch ist und zweitens die Anzahl zusätzlicher Zehen einer diskontinuierlichen statistischen Verteilung folgt und nicht gleichverteilt ist, wie man bei identischen Punktmutationen erwarten würde. Das Merkmal Polydaktylie beim Heminway-Mutant ist ein Polyphänismus, da ein- und dieselbe Punktmutation zu einer Reihe phänotypischer Variationsformen führt.[29] Bei der Maine Coon Katze (Wildtyp: 18 Zehen) tritt Polydaktylie in einigen Fällen mit 18 Zehen durch Verlängerung des ersten Zehs und seine Umbildung zu einem dreigelenkigen Daumen auf; wesentlich häufiger jedoch finden sich 20 Zehen und von diesen aus abnehmend häufig 22, 24 oder 26 Zehen, seltener auch ungerade Zehenkombinationen an den Füßen. Eine weitere statistische Gerichtetheit konnte bei der Differenz der Zehenzahlen an Vorder- und Hinterfüßen festgestellt werden, und auch eine leichte Links-rechts-Asymmetrie der Zehenzahl wurde beobachtet.[12].[29]

Präaxiale Polydaktylie, Hemingway-Mutant: Häufigkeit polydaktyler Zehenzahlen pro Individuum

Bei einer umfangreichen phänotypischen Variation wie dieser mit der Entwicklung eines oder sogar mehrerer kompletter neuer Finger und/oder Zehen einschließlich allen Blutgefäßen, Nerven, Muskeln, Sehnen sowie deren vollständiger Funktionsfähigkeit kann die genetische Mutation das umfangreiche phänotypische Resultat nicht hinreichend erklären. Sie sagt nur, wie die Variation angestoßen wird. In der Folge der Mutation kommt es zu zigtausenden kleinen Ereignissen auf unterschiedlichen Organisationsebenen, darunter Expressionsänderungen anderer Gene, ektopische Expression von Shh, Zellsignalaustausch, Zelldifferenzierung, Zell- und Gewebewachstum. Die summierten zufälligen Änderungen auf allen diesen Ebenen sind das Material für die Prozessschritte der Entstehung der plastischen Variation, in diesem Fall für die Entstehung eines oder mehrerer neuer Zehen. Die nach dem Zentralen Grenzwertsatz normalverteilten summierten genetischen und zellulären Effekte können die Gerichtetheit der Zehenzahlen in einer diskontinuierlichen Verteilung mit Schwellenwerten abbilden und so erstmals ein durchgängiges "Mapping" herstellen zwischen der molekularen Ebene bzw. Zellebene und dem Phänotyp.[29].

Diese Arbeit über Polydaktylie eröffnet erstens eine erweiterte Sicht darauf, wie Innovationen in der Evolution entstehen können. Da polydaktyle Finger oder Zehen kein homologes Merkmal besitzen, das heißt, da an der Stelle eines neuen Fingers beim Wildtyp weder Zellen noch Gewebe existieren, wird ein polydaktyler Finger oder Zeh als phänotypische Innovation gesehen. Art und Umfang, wie beim Hemingway-Mutanten neue Zehen entstehen, können als Beispiel dafür gesehen werden, wie in anderen Fällen evolutionär neue Elemente entstehen, die nicht nur zur Vorläufergeneration sondern auch zum selben Organismus nicht homolog sind.[30] Zweitens entsteht ein korrigierter Blick auf das Verhältnis zwischen Genotyp und Phänotyp, weil einmal mehr eine genetische Mutation nicht mehr zwingend in Verbindung mit einer bestimmten, eindeutigen phänotypischen Variation gebracht werden kann. Vielmehr ist das Genotyp-Phänotyp-Verhältnis wesentlich komplexer.

Die Form der beschriebenen Gerichtetheit (engl.: Bias) ist der synthetischen Evolutionstheorie fremd. Allenfalls kann dort die natürliche Selektion eine Gerichtetheit herbeiführen (direktionale Selektion). Gerichtete Variation bei Polydaktylie ist ein typisches EvoDevo-Beispiel. Hier bekommt die natürliche Selektion durch die Selbstorganisationsfähigkeit der embryonalen Entwicklung eine "turnkey Lösung" präsentiert. Die natürliche Selektion ist bei der Erzeugung der umfangreichen plastischen Variation nicht beteiligt. Sie kann erst nach Vorlage der Variation eingreifen und aus der Plastizität der verschiedenen Formen wählen, was ihren theoretischen Stellenwert relativiert. Die Entdeckung trägt dazu bei, Mechanismen der Entwicklung für die Evolution besser zu verstehen und das Gewicht der beteiligten Faktoren in der Evolution (Mutation, natürliche Selektion, embryonale Entwicklung) neu zu sondieren (siehe: EvoDevo).

Chirurgie der Polydaktylie

Polydaktylie war als Fehlbildung beim Mensch nie ein vorzeigbares Merkmal. Vom Mittelalter bis in die Neuzeit galt bei der Geburt eines Kindes die Frage danach, ob es 10 Finger und 10 Zehen habe symbolisch dafür, ob das Kind gesund sei. Die Frage war noch im 20. Jahrhundert sehr verbreitet. Während bei postaxialer Polydaktylie zusätzliche Finger sehr schön in den Handapparat eingebettet sein können aber nicht müssen, ist das bei präaxialer Polydaktylie der Hand nicht der Fall, da es in den meisten Fällen zu einer partiellen, unschönen Verdoppelung des Daumens kommt und auch eine seltene vollständige Verdoppelung eines oder beider Daumen unnatürlich aussieht. Eine erste kurze medizinisch wissenschaftliche Arbeit zur Behandlung von Polydaktylie findet sich daher bereits 1938.[31] Nach weiteren Studien 1969,[32] 1977 und 1978, erschien 1983 eine Studie zu 237 klinischen Operationen am polydaktylen Daumen, die über einen Zeitraum von 1960 bis 1981 an der Hand-Klinik des orthopädischen Departments der Universität Osaka, Japan, vorgenommen wurden[33]. 7 Formen von Polydaktylie am Daumen wurden hier großteils mit Bezugnahme auf Wassel (1969)[32] unterschieden, beginnend mit sehr distaler Bifurkation am letzten Fingerglied über zunehmend proximalere Formen am zweiten Fingerglied bis zu Abgabelungen am Mittelhandknochen des Daumens. Der seltene Fall, dass sich keine Bifurkation am Daumen ausbildet sondern es zu einer vollständigen Verdoppelung dieses Fingers kommt, wurde in dieser Arbeit ebenfalls beschrieben. In diesem Fall sind auch sämtliche Sehnen und mit ihnen auch die Muskeln verdoppelt, was nicht allein medizinisch beachtet werden musste, sondern generell für die Analyse der Entstehung der Formen von Polydakytlie eine neue Erkenntnis darstellt, ohne das die Arbeit von Tada et al. das wohl anstrebte zu zeigen. Auch freiliegende, nicht mit dem Skelett verbundene, polydaktyle Knochenelemente, ähnlich wie sie bei der Maine Coon Katze auftreten, wurden von Tada et al. beschrieben und operiert.

Der Bericht von Tada et al. nennt an 193 von 237 möglichen polydaktylen Händen operative Eingriffe und beschreibt summarisch 130 Ergebnisse hinsichtlich der Beweglichkeit, Gelenkstabilität und der postoperativen Ausrichtung des Daumens. 75% der Behandlungen in einer Gruppe von 93 Händen führten nach 35 Monaten zu guten, 4% zu unbefriedigenden Ergebnissen. Nach der Studie von Tada et al 2983 erschienen mehrere weitere klinische Berichte (1992, 2006, 2007, 2013) zu präaxialer Polydaktylie am Daumen.

Einzelnachweise

  1. ↑ M. Bamshad, R.C. Lin. etl al. (1997). Mutations in human TBX3 alter limb, aprocrine and genital development in ulnar-mammary syndrome. Nature Genetics 16: 311-5
  2. ↑ Aristoteles. De generatione animalium. Buch IV. Engl.: On the Generation of Animals (eBook)
  3. ↑ Système de la nature ou Essai sur les corps organisés
  4. ↑ The History of Evolutionary Biology: Evolution and Genetics
  5. ↑ Gregory, Mary Efrosiny. Evolutionism in Eighteenth-Century French Thought (Currents in Comparative Romance Languages and Literatures). Peter Lang Publishing, 2008.
  6. ↑ Emery, Alan, E.H. Portrait in medical genetics. Pierre Louis Moreau de Maupertuis (1698-1759). Journal of Medical Genetics. 1988, 25, 561-564
  7. ↑ Chambers, Robert. Vestiges of the Natural History of Creation. 1844. Ausg. Cosimo 2007. S.149
  8. ↑ John Zachariah Laurence (1829-1870),Ophthalmologe an einer Klinik in London, ist Mitentdecker des Laurence-Moon-Syndroms (1866), das als später als Laurence-Moon-Biedl-Bardet-Syndrom mit Polydakylie in Zusammenhang gebracht wird. Die 4 in der Publikation von 1866 genannten Patienten hatten jedoch keine Polydaktylie (Laurence Jz, Moon RC.. Four cases of retinitis pigmentosa occurring in the same family and accompanied by general imperfection of development. Ophthal Rev 1866; 2: 32-41). Es existiert daher kein überliefertes Dokument von Laurence über Polydakylie
  9. ↑ Chambers, Robert. Vestiges of the Natural History of Creation. 1844. Ausg. Cosimo 2007. S. 150
  10. ↑ Chambers, Robert. Vestiges of the Natural History of Creation. 1844. Ausg. Cosimo 2007. S. 115
  11. ↑ Chambers, Robert. Vestiges of the Natural History of Creation. 1844. Ausg. Cosimo 2007. S. 107
  12. ↑ Darwin, C. R. 1875. The variation of animals and plants under domestication. London: John Murray. 2d edition. Volume 1.
  13. ↑ William Bateson. Materials for the Study Of Variation: Treated with Especial Regard to Discontinuity in the Origin of Species. London. Macmillan and Co. 1894
  14. ↑ J. Struthers. On Variation in the Number of Fingers and Toes, and in the Number of Phalanges in Man. Edinb. New Phil. Journ., New. Ser. Vol. 18, pp 83-111, pl. 2
  15. ↑ Freeland Howe, jr. A case of Abnormality in Cats' Paws. Contributions from the zoological laboratory of the museum of comparative zoology at Harvard college. E. L. Mark, Director. No. 134
  16. ↑ C. W. PrentissPolydactylism in Man and the Domestic Animals with Especial Reference to Digital Variations in Swine. Contributions from the zoological laboratory of the museum of comparative zoology at Harvard college. E. L. Mark, Director. No. 141. Cambridge, Mass. USA, 1903
  17. ↑ Harold Cummins and Joseph Sicomo. 1922. A case of hyperdactylism: Bilateral duplication of the halux and first metatarsal in an adult negro. Anat. Rec. 23,211-235
  18. ↑ Sewall Wright (1934). An Analysis of Variability in Number of Digits in an inbred Stain of Guinea Pigs. Genetics, 19(6), 506-536
  19. ↑ Charles H. Danforth, (1947). Heredity of Polydactyly in the Cat. The Journal of Heredity, 38(4), 107-112
  20. ↑ Morphology of the feet in polydactyl cats. The amaerican journal of anatomy, vol. 80, no. 2, March 1947.
  21. ↑ Lettice, L. A., Hill, A. E., Devenney, P. S., Hill, R. E. (2008). Point mutations in a distant sonic hedgehog cis-regulator generate a variable regulatory output responsible for preaxial polydactyly. Human Molecular Genetics, 17(7), 978–985.
  22. ↑ Lettice, L.A., Williamson, I., Wiltshire, J. H., Peluso, S., Devenney, P. S., Hill, A. E., Essafi, A., Hagma, J., Mort, R., Grimes, G., DeAngelis, C. L., Hill, R. E. (2012). Opposing functions of the ETS factor family define Shh spatial expression in limb buds and underlie polydactyly. Developmental Cell, 22(2), 459-67.
  23. ↑ Saunders, W. and Gasseling, M T. 1968: Ectodermal-mesenchymal interactions in the origin of limb symmetry. Wilhelm Roux's archives of developmental biology 1977, Volume 182, Issue 3, S. 213–225.
  24. ↑ Newman, S. A. and Frisch H.L. 1979: Dynamics of Skeletal Pattern Formation in Developing Chick Limb
  25. ↑ Miura, T.; Shiota, K.; Morris-Kay, G.; Maini, P. K.;. 2006: Mixed-mode pattern in Double-foot mutant mouse limb - Turing reaction diffusion model on a growing domain during limb development. Journal of Theoretical Biology. 2006 Jun 21; 240(4):562-73. Epub 2005 Dec 2006.
  26. ↑ Zhu, J.; Zhang, Y.-T.; Alber, M.S.; Newman, S.A. 2010: Bare Bones Patterning Formation: A Core Regulatory Network in Varying Geometrics Reproduces Major Features of Vertebrate Limb Development and Evolution. Online 2010.
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