Is er net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd waarin wordt beweerd dat vogels in tegenstelling tot wat ornithologen en embryologen beweren de vingers I,II en III hebben (Birds Have Dinosaur Wings: The Molecular Evidence, is het tegencommentaar ook al gepubliceerd. En ook in het wetenschappelijk tijdschrift: JOURNAL OF EXPERIMENTAL ZOOLOGY. De schrijvers zijn Frietson Galis, Martin Kundrát en Johan A.J. Metz.

De theorie van Vargas en Fallon in het kort
Introductie
Hox genen en vingeridentiteit
Twee scenario's
De reactie van Frietson Galis et al.
Analyse van gemuteerde kippen en muizen
Phalanx nummer, vingeridentiteit en Hox genen
Analyse van andere gemuteerde ledematen van kippen
Prepollex in vleugels van vogels?
Discussie
Oplossing voor dit probleem?
Frame shift hypothese
Theropoden met vingers II,III en IV?
Aannemelijkheid van evolutionaire overgangen

Introductie

Vargas en Fallon beweren dat de gecombineerde expressie van Hoxd12 en Hoxd13 genen een betrouwbare marker zijn voor zowel de condensatie waaruit de vinger nummer I zich ontwikkelt bij amnioten (vinger I ontstaat uit condensatie I) als wel de condensatie waaruit een vinger met vingeridentiteit I zich ontwikkelt (dwz met dezelfde identiteit als een volgroeide vinger I) ongeacht de condensatie waaruit deze zich ontwikkelt.
Het tweede deel van het voorstel van Vargas en Fallon is moeilijk te testen door de grote verscheidenheid in identiteiten van vingers I onder amnioten wat tot uitdrukking komt in een grote verscheidenheid in vorm, aantal vingerkootjes en afmeting. Frietson Galis et al. gaan ervan uit dat de vingeridentiteit kan worden vastgesteld aan de hand van het aantal vingerkootjes, de grootte, vorm en structuur van de volgroeide vinger.

Hox genen en vingeridentiteit

Tijdens de ontwikkeling van ledematen spelen Hox genen een belangrijke rol in het anterio-posterior (A-P (van voor naar achter)) patroon van de ledematen, waaronder de vingers. Er is de laatste jeren veel vooruitgang geboekt in het herkennen van vingeridentiteiten maar de precieze rol van het Hox gen daarin is nog steeds onduidelijk. Het is moeilijk om de rol van Hox genen in de A-P patroonvorming te ontsluieren omdat signalering van deze genen onderdeel is van een gecompliceerde en dynamisch veranderende "feedback-loop" waarbij vele andere genen betrokken zijn. Alleen als de Hox genen al eerste tot uitdrukking komen en op een duidelijke gedifferentieerde manier correlerend met de vingeridentiteit, kan worden aangenomen dat zij het lokale netwerk sturen dat leidt tot de vorm van de vinger.

Vargas en Fallon wijzen op interessante overeenkomsten van de Hoxd12 en Hoxd13 expressiepatronen in de zich ontwikkelende vingers/tenen van muizen en kippen. Hoxd13 is in alle condensaties van de groeiende vingers aanwezig terwijl Hoxd12 niet aanwezig is in de voorste condensatie van de overgebleven vingers. Dit is de tweede condensatie in een kippenvleugel, de eerste is maar zeer kortstondig aanwezig en verdwijnt. Bij de handen en voeten van muizen en de voet van kippen is het de eerste condensatie. Geel is Hoxd12 en hoxd13 en Rood is alleen Hoxd13.

Twee scenario's

Vargas en Fallon stellen in hun eerste scenario voor dat bij vogels en zoogdieren de afwezigheid van het Hoxd12 gen, gecombineerd met de aanwezigheid van het Hoxd13 gen niet alleen een marker voorstelt van de verst naar voren gelegen condensatie van de overgebleven vingers/tenen maar specifiek van de condensatie van vinger I. D.w.z. Het lokale Hox expressiepatroon wijst op condensatie van vinger I bij amnioten, ongeacht de verschillen in identiteit van de volgroeide vinger I tussen taxa en tussen voor- en achterbenen. Logische gevolgtrekking hiervan is (volgens Vargas en Fallon) dat de tweede condensatie van de groeiende vogel de condensatie van vinger I moet zijn en de eerste condensatie de prepollex. In dit scenario zouden vogels de vingers I,II en III hebben en niet zoals aangenomen door ornithologen en embryologen de vingers II,III en IV. Dit zou een langslepend conflict oplossen hoe vogels met vingers II,III en IV zouden hebben kunnen evolueren uit theropode dinosaurussen met vingers I,II en III. Dit probleem komt door het verschil tussen een homologe interpretatie van vingers bij vogels dat is gebaseerd op een vroege amniote ontwikkeling, en een dat is gebaseerd op de volgroeide homologie van vingers van vogels en theropode dinosaurussen, waarbij de vingers I,II en III schijnen te zijn overgebleven terwijl vinger IV en V zijn gereduceerd.
In een alternatieve scenario stellen Vargas en Fallon dat de data van gemuteerde dieren ook de Frameshift hypothese ondersteunt van Wagner en Gauthier ('99). Deze hypothese stelt dat de vingers van vogelvleugels een homeotische verandering ondergaan van identiteit zodat een volgroeide vinger I zich ontwikkelt uit de condensatie waaruit vroeger vinger II groeide, en vinger II uit condensatie III enz. Deze hypothese was specifiek ontwikkeld om het hierboven beschreven probleem van de vingeridentiteit bij vogels en theropode dinosaurussen op te lossen. Vargas en Fallon hypothetiseren nu dat bij amnioten de afwezigheid van Hoxd12 gecombineerd met de aanwezigheid van Hoxd13 een indicatie is voor de condensatie waaruit een vinger/teen zich ontwikkeld met de identiteit van vinger I, en niet van vingers/tenen II,III,IV en V, ongeacht de positie van de vingercondensatie. Zij hebben hun hypothese getest op veelvingerige gemuteerde kippen, Silkie an Talpid.

Analyse van gemuteerde kippen en muizen

Ondersteunt de data van polydactyl kippen de hypothese?

De meest voorkomende variant in Silkie kippen (mutanten) heeft een extra teen met drie kootjes nog voor teen nummer I. De extra teen is morfologisch bijna gelijk aan teen II,III en IV van een normale voet. De meeste wetenschappers interpreteren de Silkie polydactyl als een gedeeltelijk spiegelbeeld van de voet met teen II vóór teen I (teen: 2-1-2-3-4). Zij baseren dit op de mate van diversiteit van tenen onder homozygous (met stabiele erfelijke eigenschappen) silkie kippen en hybride (kruising) rassen met normale tenen. Zo komen Hoxd12 en Hoxd13 patronen inderdaad gespiegeld voor in de condensatie van het duplicaat van teen II.
Als de polydactyl variant van Silkie kippen inderdaad als een gedeeltelijk gespiegeld duplicaat moet worden geïnterpreteerd, ondersteunen de Hoxd12 en Hoxd13 patronen in de zich ontwikkelende extra teen de hypothese van Vargas en Fallon niet omdat het waarschijnlijk upstream de Hox expressie wordt geïnduceerd voor dag 8 van het embryo, waardoor de mogelijkheid bestaat dat ook de vingeridentiteit door dezelfde upstream stimulanten wordt beïnvloed en dus ten minste gedeeltelijk onafhankelijk is van de Hox expressie. Dus is het belangrijk om eerst te onderzoeken of de Silkie polydactyl als spiegelbeeld moet worden gezien en wat tot deze duplicatie aanzet voordat Silkie kippen ten gunste van de hypothese van Vargas en Fallon kan worden gebruikt.

In Talpid mutante kippen hebben de ledematen veel vingers/tenen die de morfologie van in het wild voorkomende kippen hebben verloren en zijn samengegroeid. De A-P polariteit is gestoord en verzwakt, dat algemeen wordt aangenomen verband houdt met het verlies van de wild-type identiteit. In de voet hebben de tenen voornamelijk drie teenkootjes, hoewel sommige kootjes (en sommige tenen) tijdens de ontwikkeling verdwijnen door apoptosis (voorgeprogrammeerd afsterven van een cel na bereiken van een bepaalde ouderdom). Vargas en Fallon nemen aan dat de eerste teen naar achteren is geplaatst in voeten van Talpid mutanten, omdat in alle tenen het aantal teenkootjes hetzelfde is (drie) net zoals de laatste tenen van wildtype (normale, in het de natuur voorkomende) tenen. Hoxd12 en Hoxd13 zijn aantoonbaar in alle tenen vanaf dag 7 en dit is in overeenstemming met de hypothese van Vargas en Fallon, als het ten minste waar is dat de eerste teen de identiteit van de andere, meer naar achteren gelegen tenen heeft aangenomen. Frietson Galis et al. vinden dat alleen het aantal teenkootjes niet genoeg is om tot deze conclusie te komen gezien het feit dat alle tenen hun wildtype morfologie hebben verloren, waaronder de eerste teen. De aanname van de verplaatsing van identiteit van de eerste teen naar achteren, wordt niet ondersteund door de meerderheid van anatomische karakteristieken die de identiteit van een teen bepalen.

Van links naar rechts; Talpid vleugel, wildtype vleugel, Talpid voet en wildtype voet.

Phalanx nummer, vingeridentiteit en Hox genen

Voor wat betreft de relatie tussen phalanx nummer en de identiteit van een vinger is het belangrijk op te merken dat in kippenvleugels, het aantal vingerkootjes is verminderd ten opzichte van Archaeopteryx. Toch is de evolutionaire vermindering die in de middelste vinger plaats vond van vogels van drie naar twee kootjes nooit reden geweest te concluderen dat de identiteit van de vinger is veranderd naar de meest vooraan gelegen vinger, door de verschillen in andere anatomische karakters. Daar komt nog bij dat ook de Hox12 en Hox13 expressies dit niet ondersteunen, omdat in de vleugel van de kip Hox12 en Hox13 alle twee voorkomen in de condensatie van de tweede en derde overgebleven vinger. Dus houd de combinatie van Hoxd12 en Hoxd13 in kippenvleugels verband met de ontwikkeling van vingers met een, twee en drie vingerkootjes. Daarom is er geen nauwe correlatie tussen het nummer van de vinger en Hoxd12 en Hoxd13 genenexpressies in de ledematen van kippen.

Analyse van andere gemuteerde ledematen van kippen

Analyses van andere kippen- en muizenmutanten levert het bewijs dat identiteit van vinger/teen I (waaronder een phalanx nummer van twee) ogenschijnlijk tot ontwikkeling kan komen met Hox12d en, daarbij nog, dat de identiteiten van vingers II,III en IV (waaronder een phalanx nummer van drie) zich kan ontwikkelen zonder Hoxd12. Daarom is er onder gemuteerde ledematen geen nauwe correlatie tussen Hoxd12 en Hoxd13 genenexpressies en de identiteit van ledematen (waaronder het aantal kootjes). Zo is er nagenoeg geen enkele verandering in identiteit van vingers bij gemuteerden waarin Hoxd12 geheel afwezig is.

vijf initiële condensaties in de vleugel van een vogel

Prepollex in vleugels van vogels?

De samengroeiende vingers van een vleugel ontwikkelen zich, net zoals in de voeten, uit de middelste drie van de vijf initiële mesenchymale condensaties. Vargas en Fallon stellen dat de voorste condensatie, die maar zeer kortstondig aanwezig is, de prepollex voorstelt in plaats van vinger I zoals algemeen aangenomen. Dit is hoogst onwaarschijnlijk, omdat dit zou betekenen dat er condensaties zijn waaruit vingers groeien voor de prepollex (0) en vingers I,II,III en IV maar niet voor vinger V. Er is een algemeen consensus dat de prepollex veel eerder verloren is gegaan dan vinger V in de voorouderlijke lijn van vogels en reptielen. Daar komt nog bij dat een evolutionaire vermindering van vingers normaal gesproken erg langzaam en geleidelijk in zijn werk gaat. Deze twee factoren bij elkaar suggereren dat er nog altijd een condensatie aanwezig zou moeten zijn van de als laatste verdwenen vinger V in plaats van de prepollex. De interpretatie van een prepollex condensatie stemt ook niet overeen met het vertakkingspatroon van teencondensaties in de voeten van kippen en vleugels en van andere amniote ledematen die ook suggereren dat de overgebleven vingers van een vleugel van een vogel zich ontwikkelen uit condensaties II,III en IV (zie Fig-3). Dit ondersteunt het concept dat vogelvingers de nummers II,III en IV hebben in een fylogenetische homologische manier.

Discussie

De data van Hoxd12 en Hoxd13 expressies in ledematen van mutanten laten helaas geen onderscheid toe tussen de hypothese dat de meest vooraan gelegen vinger in de vleugel van een vogel homoloog is aan vinger I van andere amniote dieren en het alternatief dat het homoloog is aan vinger II, zowel in een fylogenetische als in een ontwikkelings zienswijze. De verstoorde aard van het vingerpatroon in de meeste behandelde mutanten maken een goede evaluatie van de stelling van Vargas en Fallon moeilijk. Een directe test van de hypothese zou zijn om Hoxd12 en Hoxd13 gen-expressiepatronen te testen in andere amnioten dan kippen en muizen. In het bijzonder van species die onafhankelijk vinger I in de armen of benen hebben verloren in de evolutie (Struisvogels, Honden en veel reptielsoorten). Het zou verder ook handig zijn om Hox gen-patronen in een nog vroeger stadium te onderzoeken, waaronder ook het Hoxd11 gen, als de vingeridentiteit nog niet vastgelegd is, hoewel het is aangetoond dat in latere stadia een deel van de specificatie nog niet onherroepelijk is. Helaas kan de latere Hox activiteit niet meer causaal in verband worden gebracht met de initiële specificatie van de vingeridentiteit, hoewel het natuurlijk mogelijk is dat het ermee correleert.

Omdat de data van gemuteerde ledematen geen bedreiging vormt voor de hypothese die is gebaseerd op embryologische data, dat de vingers van vogels homoloog zijn met II,III en IV van andere amnioten, blijft het probleem bestaan van hoe vogels met vingers II,III en IV kunnen zijn geevolueerd uit theropoden die naar aangenomen wordt vingers I,II en III hebben. Dit schijnbaar conflict tussen embryologische ontwikkeling en paleontologische data betekent niet dat we de afkomst van vogels uit theropode dinosaurussen in twijfel moeten trekken. Al in 2003 hebben Frietson Galis et al. twee mogelijke theorieen besproken, a) de al genoemde Frame shift hypothese, en B) de mogelijkheid dat ook dinosaurussen vingers II,III en IV hebben gehad.

De Frame shift hypothese

Ook de Frameshift hypothese heeft verscheidene problemen. De homeotische verwisseling van identiteit alleen (Frameshift) kan niet direct door identiteitsveranderingen in vier opeenvolgende vingers worden bereikt. Voor een Frameshift is ook nodig; a)het terugdraaien van de evolutionaire reductie van vinger IV in een volledig functionele vinger (een polydactilische verandering) en b)het voortbrengen van vingerreductie in vinger I (een oligodactilische verandering). Beide, polydactilische- en oligodactilische veranderingen worden sterk begrenst als een enkele stap in een mutatie en zijn nog nooit gedocumenteerd bij amnioten op een species level, ondanks dat ze algemeen voorkomen binnen species (hoge intraspecific -komt voor binnen een soort-, en geen interspecific -meerdere soorten- variatie). Daar komt nog bij dat een homeotische identiteitsverandering van vingers I,II en III in vingers II,III en IV bij theropoden zonder verdere anatomische veranderingen schijnbaar niet tot een adaptief voordeel leidt. Daarom lijkt het waarschijnlijk dat niet één maar meerdere, sterk onnatuurlijke mutaties nodig zijn om de Frameshift te bewerkstelligen, zonder dat er tot nu toe aanwijzingen zijn voor een selectief voordeel dat deze veranderingen zou begunstigen.

Theropoden met vingers II,III en IV ?

Het scenario waarin theropoden vingers II,III en IV zouden hebben is óók problematisch. Analyse van fossiele data wijst sterk op een reductie van de vingers IV enV bij vijfvingerige theropoden. De reductie van vinger IV is echter nog niet helemaal zeker en gezien de gaten in de fossiele theropode vondsten uit het Jura kan een bilaterale reductie van vingers I en V niet worden uitgesloten. Daarom denken Frietson Galis et al. dat de hypothese dat theropoden vingers II,III en IV hebben gehad beter onderzocht moet worden.

Aannemelijkheid van evolutionaire overgangen

Larsson en Wagner (2003) zijn het niet met Frietson Galis et al. eens en stellen dat de veronderstelde lage mechanistische aannemelijkheid van de Frameshift hypothese niet zo relevant is en mogelijk komt doordat onze wetenschappelijke kennis nog te kort schiet. Hier stellen Frietson Galis et al. weer tegenover dat de aannemelijkheid van evolutionaire transities op basis van morphogenetische- of selectieve gronden een essentieel bestanddeel moet zijn van iedere poging om zulke transities in een fylogenetische context te reconstrueren. Ook wijzen zij erop dat Wagner en Gauthier ('99) de Frameshift theorie naar voren hebben gebracht om de evolutionaire overgang van theropode handen met vingers I,II en III naar handen van vogels met vingers II,III en IV op mechanistische wijze aannemelijk te maken. Daar komt nog bij dat rekening houden met de aannemelijkheid van evolutionaire transities eigenlijk een routinehandeling is (hoewel meestal niet als zodanig erkent) in het construeren van cladogrammen als keuzes moeten worden gemaakt tussen meervoudig verlies of meervoudig verkrijgen van complexe karaktertrekken. Beide scenario's hebben op het ogenblik nog te weinig overtuigend bewijs. Hopelijk zal nieuw paleontologische data een overtuigende adaptieve scenario voor de Frameshift opleveren, of voor een bilaterale reductie in de handen van theropode voorouders van vogels (vingers (II,III en IV) of voor een geheel andere hypothese. Daarbij zal het verder testen van de hypothese van Vargas en Fallon bij amniote species waarbij onafhankelijk het aantal vingers verminderd is, nieuwe informatie over de moleculaire basis van evolutionaire vinger vermindering opleveren, en dus, over de overgang van theropode vingers naar vingers van vogels. Op dit moment echter blijft het enigma bestaan.

Hox genes, digit identities end the theropod/bird transition
Frietson Galis¹, Martin Kundrát² and Johan A.J. Metz^1,3

1. Institute of Biology, Leiden University, The Netherlands
2. Department of Zoology, Natural Science Faculty, Charles University, Prague, Czech Republic
3. Adaptive Dynamics Network, Institute for Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria