Vleermuisvleugel

Op het eerste gezicht zijn de zoogdieren vrij divers: van blauwe walvis van 150 ton tot Kitti’s hommelvleermuis Craseonycteris thonglongyai, van 1.5 gram.


Kitti’s hommelvleermuis, en blauwe walvis.

Op het tweede gezicht zijn de zoogdieren behoorlijk uniform: een beetje langer of een beetje korter, maar niets dat niet door geleidelijke verandering te bereiken is.

Vleermuizen bijvoorbeeld: is dat nu echt een heel ander bouwplan? Nou ja, de vleugels zien er anders uit. Veel groter ten opzichte van het lijf dan de voorpoot van een muis, de vingers zijn heel ongelijk in lengte en natuurlijk de vlieghuid.


Vleermuis en muis bij dezelfde lichaamslengte (Cretekos 2008 fig 1 AB)

De vraag is hoe verschillend die vleermuisvleugels zijn van de standaard zoogdiervoorpoot, of zelfs van de standaard voorpoot van de Tetrapoden. De Tetrapoden zijn de club van de amfibieën, hagedissen + slangen, schildpadden, krokodillen, vogels en zoogdieren, en nog wat uitgestorven beesten.


Voorpoten: Lichtbruin opperarmbeen; wit spaakbeen; rood ellepijp; geel handwortelbeentjes; donkerbruin handbotjes.

Een standaard voorpoot heeft een opperarmbeen (humerus) dat aansluit op de schoudergordel; twee onderarmbeenderen, het spaakbeen (radius) aan de duimkant en de ellepijp (ulna) aan de kant van de pink; acht handwortelbeentjes (carpalia) in twee rijen van vier; vijf middenhandsbeentjes (metacarpalia) en vijf vingers. De vingers worden genummerd 1 tot 5, duim tot pink. De duimkant is formeel de voorkant van de poot, de pinkkant de achterkant. Het aantal van vijf vingers is de tetrapode standaard.

Elke voorpoot heeft als schema: 1 bot, 2 botten, 2 rijen kleine botjes, 5 vingers. Trouwens, ook de achterpoot heeft dit schema. Dan heten de botten anders.


Poten van beesten en in schema.

De vleugel van de vleermuis is een standaard zoogdiervoorpoot. Een groot verschil met andere zoogdieren zit in de lengte van de botten. Het andere verschil met een standaard zoogdiervoorpoot is de vlieghuid tussen de vingers.

Een relatief lang opperarmbeen, twee nog langere onderarmbeenderen met een groot spaakbeen en een kleine en vergroeide ellepijp, polsbotjes, vijf middenhandsbeenderen waarvan vier heel lang, vier lange vingers. De duim is niet in de vleugel opgenomen, maar is een haakje om aan te hangen of om prooien mee te hanteren. Zie daarvoor HIER.


Vleermuisskelet, vlieghuid met de formele namen, en vleugel van het fossiel Icaronycteris index uit het Eoceen. (Sears CTO 2008)


Om iets te weten te komen over de lange botjes en de vlieghuid tussen de vingers bij de vleermuisvleugel gaan we kijken naar de ontwikkeling van de voorpoot in een vleermuis embryo, ten opzichte van het embryo van de muis. De embryo’s van de verschillende soorten zoogdieren ontwikkelen zich via vergelijkbare stadia, zodat de embryonale ontwikkeling van een vleermuis vergeleken kan worden met de embryonale ontwikkeling van een muis, of elk ander zoogdier. Muisembryo is de standaard voor zoogdierembryo, omdat de muis het standaard labbeest is.
Het meeste werk is gedaan met de vleermuis Carollia perspicillata. De soort is goed in gevangenschap te houden en te kweken.


Carollia perspicillata

De embryonale ontwikkeling is beschreven voor drie vleermuissoorten, de brilbladneusvleermuis Carollia perspicillata, de Natal langvingervleermuis Miniopterus natalensis, en de Japanse dwergvleermuis Pipistrellus abramus. Hun embryologie komt sterk overeen. De drie soorten behoren tot dezelfde grote familie, de gladneuzen Vespertilionidae.


De embryonale ontwikkeling van de vleermuisvleugel dus:
eerst morfologisch;
dan op celniveau;
dan op moleculair genetisch niveau.

Morfologisch:
Hieronder in de volgende figuur staan de ontwikkelingsstadia van de embryo’s van de vleermuizen Carollia perspicillata en Miniopterus natalensis. De eerste stadia vanaf bevrucht ei zijn niet gegeven. Dat zijn de stadia die er als bal cellen of streep cellen met groeve uitzien. Stadium 12 is het pharyngula stadium, het typerende embryologische stadium voor gewervelde dieren. Na stadium 24 is het embryo af, en moet alleen nog groter worden. Het embryo is dan embryo af, en heet foetus.


Ontwikkelingsstadia van de embryo van de vleermuizen Carollia perspicillata (links, in kleur) en Miniopterus natalensis ( rechts, in zwartwit). De stadia zijn beschreven aan de hand van morfologische kenmerken. Bij Miniopterus natalensis is de plaats van de voorpootknop (flb) met een wit pijltje aangegeven, en de plaats van de achterpootknop met wit driehoekje. In stadium 15 zijn links de handplaat hp en de voetplaat fp aangegeven. (Cretekow 2005 links, Hockman 2009 rechts)

Van voorpootknop tot gedifferentieerde voorpoot ziet het er bij vleermuis en muis als in het volgende plaatje uit:


Carollia perspicillata
De stadia zijn, van links naar rechts: voorpootknop, handplaat, aanleg vingers, gescheiden vingers (muis alle, vleermuis duim), groei vingers, uiteindelijke vorm zichtbaar. De rug van het embryo is steeds links op het plaatje, de kop boven (Cretekos 2008 fig 1C).

Er is grote overeenkomst tussen de voorpoten van de embryo’s van muis en vleermuis: eerst de aanleg van de voorpootknop, dan de differentiatie in armaanleg en handplaat, dan de aanleg van de vingers in de handplaat. Bij de aanleg van de vingers in stadium E12/CS16 komt het beginnende kraakbeenskelet van muis en vleermuis overeen. In stadium E12/CS16 is duidelijk te zien dat ook bij de muis de vingers beginnen met tussenliggend weefsel. Bij de vleermuis komt de duim los van de rest van de handplaat, terwijl bij de muis alle vingers van elkaar loskomen.
Er is verschil te zien tussen de muis en de vleermuis. Al voordat de vingers verschijnen, lijkt de voorpootknop bij vleermuis wat meer asymmetrisch en breder. Dat is te zien in het tweede plaatje van links, de stadia CS15 bij de vleermuis en E11.5 bij de muis. De vingers groeien sneller bij de vleermuis: al bij stadium CS18 van de vleermuis zijn de vingers langer dan die van de muis, bij zelfde lengte van de onderarm. De lengtegroei van de vingers gaat door in de volgende stadia. Het weefsel tussen de vingers verdwijnt niet bij de vleermuis, behalve bij de duim. Dat weefsel dat om te beginnen ook bij de muis aanwezig is, geeft bij de vleermuis de vlieghuid.

Celniveau:
Hoe worden die beginnende vingers en middenhandsbeentjes van de vleermuis langer ten opzichte van die van de muis? De lengtegroei van de vroege middenhandsbeenderen en vingerbeenderen is een balans tussen de snelheid van aanmaak van kraakbeencellen door deling en groei van een cel aan de ene kant, en hun rijping en afsterven aan de andere kant. Rijpe kraakbeencellen sterven af, en geven een substraat voor de aanmaak van bot. Bij vleermuizen delen de kraakbeencellen snel en groeien snel. In dezelfde tijd als de voorpoot bij de muis groeit, groeit de vleermuis vleugel sneller door de snelle lengtegroei van de botjes: er worden meer kraakbeencellen aangemaakt, ze groeien harder en geven daardoor een langer bot.


Bij de aanleg zijn de vingers van de muis en vleermuis gelijk. Een vleermuismiddenhandsbeentje of –vingerkootje groeit sneller. BMP2 is een regeleiwit dat aanzet tot vermeerdering van kraakbeencellen (pijltje) en de rijping van kraakbeencellen remt (dwarsbalkje). (Sears CTO 2008)

Moleculair genetisch niveau
Bij de moleculaire genetica van de embryonale ontwikkeling gaat het erom te vinden welke genen wanneer wat doen. Moleculaire genetica zit vol met namen: namen van genen en de bijbehorende eiwitten. Al die namen hebben afkortingen. Alle afkortingen staan onderaan uitgelegd, maar het doet er vaak niet toe wat de afkortingen betekenen.

De embryologische ontwikkeling van de voorpoot van gewervelde dieren is al een 100 jaar intens bestudeerd. Lang voordat de moleculaire genetica langs kwam, zijn er in de voorpootknop twee gebieden geïdentificeerd die signalen uitzenden naar de rest van de voorpootknop. Een van deze gebieden wordt gevonden aan de pinkkant van de voorpootknop en heet ZPA; de andere is het gebied aan het uiteinde van de voorpootknop, de AER. In die gebieden zijn veel regelgenen actief. Die regelgenen signaleren naar elkaar, en geven elkaar feedback: soms positief ter versterking van het signaal, soms negatief en remmend. Dat geven van een signaal gaat door middel van de regulatoreiwitten, de producten van de regulatorgenen. Die regeleiwitten diffunderen vanuit het centrum waar ze gevormd worden. Alleen de belangrijkste regeleiwitten worden hier genoemd.



De oriëntatie in dit schema van de voorpootknop is dezelfde als in de foto’s boven. De rugkant is links, de kopkant is boven. Binnen de voorpootknop is de duimkant (officieel de voorkant) bovenaan, en de pinkkant (officieel de achterkant) onderaan. De ZPA (paars) wordt gevonden aan de pinkkant van de voorpootknop, de AER (rood) aan het uiteinde van het lijf af. De zone met delende cellen is blauw aangegeven (progress zone, responding mesenchym). (Wikipedia)


Dit is een foto met van de voorpootknop met ZPA en AER ingekleurd. Met pijlen is aangegeven hoe ZPA en AER elkaar beïnvloeden door genetische signalen. (Zeller & Zuniga 2007)


De voorpootknop bevat een zelfregulerend signaalsysteem (Zeller, Lopez-Rios & Zuniga 2009, figuur 3). Regulatoreiwitten in hun gebied: BMP4 – licht blauw; SHH – rood; GREM1 – paars; AER-FGF – groen. Terugkoppelingslussen zijn aangegeven: doorgetrokken lijn is actief in het aangegeven stadium.

Het belangrijkste zijn de eiwitten FGF en SHH, de producten van de genen Fgf en Shh. SHH is specifiek voor de ZPA, en FGF voor de AER.
Bij het begin van de differentiatie binnen de voorpootknop zet het eiwit BMP4 het gen Grem1 aan tot produceren van het eiwit GREM1. GREM1 zet de Fgf genen in de AER aan tot het produceren van AER-FGF’s, door het gen Bmp4 te remmen het eiwit BMP4 te produceren De FGF eiwitten in de AER zijn verantwoordelijk voor het groeisignaal dat leidt tot lengtegroei van de voorpootknop. De FGF’s zetten het gen Shh in de ZPA aan tot het produceren van het eiwit SHH. Terwijl de voorpootknop groeit, zet het eiwit SHH het gen Grem1 aan tot hogere activiteit, het gevormde GREM1 versterkt de AER-FGF’s door het gen Bmp4 te remmen zodat de AER-Fgf genen harder gaan werken. Doordat er meer FGF komt, wordt het gen Shh sterker actief, en komt er meer SHH. Deze positieve terugkoppelingslus bevordert de groei van de voorpootknop. Doordat de voorpootknop groeit, komt het centrum van vorming van SHH steeds verder van het centrum van vorming van GREM1 te liggen. Bovendien wordt de remming van het Grem1 gen door de AER-FGF’s relatief belangrijker. Omdat GREM1 vorming afgeremd wordt, wordt het gen Bmp4 minder geremd, en wordt het signaal van BMP4 dat leidt tot aanleg van wat de botten worden sterker. BMP remt FGF, en de terugkoppelingslus valt stil.
Concentratie van cellen die later bot gaan vormen is er op vijf plekken, afhankelijk van de concentratiegradiënten van SHH en FGF over de handplaat. BMP doet nog meer: het bevordert de geprogrammeerde celdood van het weefsel tussen de vingers.

Dat is het basissysteem bij voorpootknopgroei. Hoe verschilt de vleermuis hierin van de muis? Een beetje meer, een beetje later, een beetje meer, een beetje minder. Maar wel hetzelfde systeem.


Fgf8 expressie in muis (beneden) en vleermuis Carollia perspicillata (boven) Er is aangegeven hoe wijdt de expressiezone is. (Cretekos 2007 Int j Dev Biol figuur 3).

Bij de vleermuis is er meer Fgf8 activiteit dan bij de muis: de activiteitszone is ongeveer drie keer zo breed. Dit betekent een aanzet tot snellere lengtegroei. Ook is in het latere getoonde stadium (CS14 vleermuis en E10.5 muis) de voorpootknop van de vleermuis al breder dan die van de muis.


Shh expressie in muis en vleermuis Miniopterus natalensis (Hockman PNAS 2008 fig 2 vroege stadia)

Hier is het verschil in expressie, dus activiteit, van het gen Shh te zien. De muis is wat vroeger, relatief, dan de vleermuis in expressie van Shh. Vergelijk de stadia E11.0 van de muis en CS14Early van de vleermuis, waar de hoogste Shh expressie zien is in de muis, en de stadia E11.5 van de muis en CS14 van de vleermuis, waar de expressie van Shh in de vleermuis hoger is. De Shh expressie is dus wat later, en wat sterker, in de vleermuis dan in de muis. Meer en wijder verspreide SHH leidt tot meer FGF vorming in de AER, waardoor de voorpootknop sneller gaat groeien. De hele terugkoppelingslus is actiever in de vleermuis.

Bij de muis valt de terugkoppelingslus na verloop van tijd stil: FGF remt de vorming van GREM1, GREM1 remt de vorming van BMP, BMP remt de vorming van FGF. Bij de vleermuis is de afstelling anders, en ontsnapt het gen Fgf. Het wordt niet stilgelegd, maar komt weer op in activiteit, in stadium 16. Met gevolg voor de rest van de lus, die ook weer tot activiteit komt.


Shh expressie in muis en vleermuis Miniopterus natalensis (Hockman PNAS 2008 fig 2 latere stadia.)

Die hernieuwde activiteit van Fgf in de AER brengt de terugkoppelinglus opnieuw op gang, maar omdat er nu al botbeginsels zijn, is dat voornamelijk het geval in het weefsel tussen de vingers. FGF zet het gen Shh weer aan. Het netto effect is dat SHH Gremlin1 aanzet, en GREM1 Bmp4 stopt, waardoor Fgf aan blijft staan en FGF’s gevormd worden. BMP bevordert geprogrammeerde celdood, FGF bevordert celgroei, en het weefstel tussen de vingers blijft in stand en groeit mee met de verlengende vingerbotten.


Als Gremlin Bmp blokkeert, krijgt Fgf de ruimte celdood te verhinderen. (Sears cto 2008 fig 2)


De vraag was of de vleermuisvleugel een ander, een nieuw, bouwplan heeft dan de muizenvoorpoot. Nee dus, niets nieuw, beetje anders.
Waarin verschilt de vleermuisvleugel van de voorpoot van de muis? In de fijnafstelling van de regulatie, het regulatiesysteem is hetzelfde als bij de muis. Er is geen nieuw gen nodig om een vleermuisvleugel te krijgen, alleen een beetje meer regelgen dit, een beetje later regelgen dat: kleine verschillen met morfologisch grote gevolgen.

************************
http://nl.wikipedia.org/wiki/Carollia_perspicillata
http://en.wikipedia.org/wiki/Miniopterus_natalensis
http://nl.wikipedia.org/wiki/Pipistrellus
http://nl.wikipedia.org/wiki/Gladneuzen

Afkortingen bij moleculaire genetica:
Fgf: Fibroblast growth factor: http://en.wikipedia.org/wiki/Fibroblast_growth_factor
Shh: Sonic Hedgehog http://en.wikipedia.org/wiki/Shh
Bmp: Bone morphogenetic protein http://en.wikipedia.org/wiki/Bone_morphogenetic_protein
Grem1: Gremlin: http://en.wikipedia.org/wiki/Gremlin_(protein)
AER: apical ectodermal ridge http://en.wikipedia.org/wiki/Apical_ectodermal_ridge
ZPA: zone of polarizing activity: http://en.wikipedia.org/wiki/ZPA

Zie http://sfmatheson.blogspot.com/2008/05/how-bat-got-its-wing.html voor meer genetisch detail.

- Cretekos CJ; Weatherbee SD; Chen CH; et al., 2005. Embryonic staging system for the short-tailed fruit bat, Carollia perspicillata, a model organism for the mammalian order Chiroptera, based upon timed pregnancies in captive-bred animals. Developmental Dynamics 233: 721-738
- Cretekos, C.J., Deng J-M, Green E.D., et al, 2007. Isolation, genomic structure and developmental expression of Fgf8 in the short-tailed fruit bat, Carollia perspicillata. International Journal of Developmental Biology 51: 333-338
- Cretekos, C.J. et al. 2008. Regulatory divergence modifies limb length between mammals. Genes & Development 22:141-151.
- Hockman Dorit; Cretekos Chris J.; Mason Mandy K.; et al., 2008. A second wave of Sonic hedgehog expression during the development of the bat limb. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 105: 16982-16987
- Hockman Dorit; Mason Mandy K.; Jacobs David S.; et al., 2009. The role of early development in mammalian limb diversification: A descriptive comparison of early limb development between the Natal long-fingered bat (Miniopterus natalensis) and the mouse (Mus musculus). Developmental Dynamics 238: 965-979
- Sears, K.E., 2007. Molecular determinants of bat wing development. Cells Tissues Organs 187: 6-12.
- Tokita M., 2006. Normal embryonic development of the Japanese pipistrelle, Pipistrellus abramus. Zoology 109: 137-147.
- Zeller, R., J. Lopez-Ris & A. Zuniga, 2009. Vertebrate limb bud development: moving towards intergrative analysis of organogenesis. Nature Reviews Genetics 10: 845-858