**部分基础
第1章令人兴奋的发育生物学
发育生物学是研究生物形态如何随时间变化的科学。发育在胚胎中*显而易见，胚胎发育中，受精卵逐步发育成一个包含多种细胞类型、组织和身体部位的复杂动物个体。但发育也在其他情况下发生，如在缺失了身体部位后的再生中、在幼体动物向成体形态的变态过程中，甚至在我们自己体内，发育也以持续性的新细胞分化方式进行。
发育生物学在现代生物学中占有*特的中心地位，因为它整合了分子与细胞生物学、遗传学和形态学多个学科。分子与细胞生物学告诉我们单个基因和细胞是如何工作的。在发育中，这涉及细胞间信号因子、它们的受体、细胞内信号转导通路、调节基因表达的转录因子的运作方式。遗传学通常直接告诉我们单个基因的功能及其与其他基因活性的关系。形态学或解剖结构，既是分子事件的结果，也是其原因。这是因为，*初的发育过程产生了胚胎各部分的简单细分，然后在此基础上又发生了更多轮次的信号转导和响应，并*终创建了一个越来越复杂的形态。
因此，发育生物学是一门综合性的学科，它整合了上述三个科学领域的贡献。在思考发育问题时，必须能够同时运用来自这三个科学领域的概念。只有如此，才能对发育有一个完整的把握。
本学科从何而来
现代科学研究*令人惊奇的结论之一是所有动物（包括人类）的发育机制都是非常相似的。这个事实只有在人们能够研究发育过程的分子基础之后才为人所知。在1980年之前，我们对这些机制几乎一无所知，但40年后，我们知道了很多，并且已有几本关于该主题的本科教科书。在这段时间里，发育生物学一直是生物学研究中*令人兴奋的领域之一。现代发育生物学的每一个组成部分，包括实验胚胎学、发育遗传学和分子生物学，都有自己的历史传统，它们*终融合在一起，形成了目前的单一世界观。
实验胚胎学（experimental embryology）自19世纪末以来一直延续至今。在*初的几十年里，它主要包括对两栖动物和海胆胚胎的显微手术实验。这些实验证明了胚胎诱导（embryonic induction）的存在-化学信号控制了胚胎内细胞的发育途径。这些实验显示了这些化学信号在何时、何处起作用，但它们无法对这些信号以及对信号做出反应的分子性质进行鉴定。
发育遗传学（developmental genetics）自20世纪初就已存在，但它真正繁荣起来是在20世纪70年代后期，当时对果绳（Drosophila melanogaster）进行了大规模遗传筛选，对数千种影响发育的突变进行了检查。这些诱变筛选（mutagenesis screen）导致大部分控制发育的基因被鉴定，这些基因不仅控制果绳的发育，而且在所有动物中起作用。发育基因常具有奇怪的名称，即使在人类中也是如此，这些奇怪的名称往往反映了基因突变在果蝇中的效应。
分子生物学（molecular biology）实际上始于1953年DNA三维结构的发现，并在20世纪70年代成为基因操作的实用科学。分子生物学的关键技术创新包括：使单个基因能够被扩增到化学上有用的量的分子克隆（molecular cloning）方法；能够识别DNA或RNA样品的核酸杂交（nucleic acid hybridization）方法;可以确定基因的一级结构及其蛋白质产物的DNA测序（DNAsequencing）方法。一旦这个分子生物学工具包得以组装，它可以应用于较广范畴的生物学问题，包括发育的问题。其*初被用于克隆果蝇的发育基因。事实证明这非常重要，因为研究发现大多数关键的果蝇基因也存在于其他动物中，并且通常控制类似的发育过程。分子生物学方法也直接应用于脊椎动物胚胎，并用于鉴定从前神秘的诱导因子和受其调控的基因。
分子生物学技术的应用意味着发育机制可以**次从分子层面上得到理解。基因的活性区域可以通过整体原位杂交直接可视化；发育路径也可以通过引入新基因、有选择地移除基因或改变基因之间的调节关系来实验性地进行改变；分子生物学技术的应用还证实，所有动物都使用非常相似的机制来控制它们的发育，这特别令人兴奋，因为这意味着我们真的可以通过了解果蝇、斑马鱼、蛙或小鼠的发育过程来了解人类的发育。
发育生物学的影响
发育生物学除了在知识层面上令人兴奋之外，其某些领域还对社会产生了重大的实际影响。体外受精（invitro fertilization，IVF）现在是一项常规程序，已使数百万以前不育的夫妇能够生育孩子。据估计，发达国家现在有2%～3%的新生儿来自体外受精，其变化形式包括供体人工授精（artificial insemination by donor，AID）、卵子捐赠和冷冻储存受精卵。罗伯特？爱德华兹（Robert Edwards，1925—2013）因引入该技术而获得了2010年诺贝尔生理学或医学奖。此外，AID、IVF、胚胎冷冻和母体之间的胚胎移植对于农场动物也非常重要，这些技术已在牛身上使用了多年，以提高*优良动物的繁殖潜力。
发育生物学还促使人们认识到，人类胚胎在器官发生（organogenesis）期间，即在总体躯体模式（body plan）形成之后、各个器官正在形成之时，对损害特别敏感。畸形学（teratology）研究化学物质、病毒感染和辐射等环境因素对胚胎的影响，促使人们意识到需要保护孕妇免受这些因素的影响。例如，用于降低胆固醇水平的他汀类药物会累及信号分子Sonic Hedgehog的胆固醇修饰，可能导致在发育过程中依赖Hedgehog信号的多个系统发生各种缺陷，这些系统包括中枢神经系统（central nervous system，CNS）、四肢和椎骨。虽然正常剂量的他汀类药物不太可能对人类产生致畸作用，但这提示人们在怀孕早期应尽量避免使用它们。
发育生物学有助于理解许多人类出生缺陷（birth defect）的遗传或染色体基础。例如，唐氏综合征是由于额外的21号染色体引起的，还存在一些相对常见的性染色体异常。这些异常可以在从羊水中提取的细胞或DNA中检测到，这构成了每年数百万准妈妈接受的羊膜腔穿刺术（amniocentesis）检查的基础。这些异常也可以在绒毛膜绒毛（chorionicvilli）中检测到，绒毛膜绒毛是孕体（conceptus）衍生的胎盘的一部分，可以在怀孕的早期阶段对其进行采样。现在也可以对从IVF早期胚胎中移除的单个细胞进行缺陷筛查（植入前诊断，preimplantation diagnosis）。许多其他出生缺陷由控制发育的特定基因的突变引起。这些基因突变也可以通过分子生物学技术对父母的DNA、植入前孕体的DNA或绒毛膜绒毛的DNA进行筛选。
发育生物学研究还导致了几种新的生长调节物质的鉴定，其中一些已进入临床实践。例如，造血生长因子促红细胞生成素（erythropoietin）和粒细胞-巨嗤细胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）多年来一直被用于治疗因癌症化疗或其他原因而导致血细胞减少的患者。其他如血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF），已被用于辅助伤口愈合。
发育生物学也对其他科学领域产生了重大影响。尤其是制作转基因小鼠的方法，这些小鼠现在普遍用作人类疾病的动物模型（animal model），可以更详细地研究病理机制和测试新的实验疗法。这些绝不仅限于遗传性的疾病模型，因为小鼠中的靶向突变往往可以模拟由非突变原因引起的人类疾病。
*后，同样重要的是，发育生物学一直是干细胞生物学的“助产士”胚胎干细胞（embryonic stem cell）是由发育生物学家发现的，人类胚胎干细胞于1998年*次被分离出来。这些是多能（pluripotent）细胞，意味着可以通过体外定向分化的方法从胚胎干细胞获得体内的任何细胞类型。这些定向分化方法在很大程度上依赖于对胚胎中正常信号和响应序列的理解，这也是由发育生物学家建立的。现在还可以通过在皮肤或血液中的正常细胞中过表达某些基因，从任何个体制备诱导多能干细胞（induced pluripotent stemcell，iPS细胞）。从人类多能干细胞中获得的功能性细胞类型，特别是心肌和肝脏细胞，现己被用于新药的安全性筛选。一些临床试验正在研究使用源自多能干细胞的细胞移植来治疗各种疾病，例如，用视网膜色素上皮（retinal pigment epithelium）治疗黄斑变性，或用多巴胺能神经元治疗帕金森病。
未来影响
发育生物学在过去产生了相当大的影响，而未来的影响肯定会更为深远。一些应用，特别是那些涉及人类基因操作的应用，可能会引起一些严重的伦理和法律问题。这些问题必须由整个社会，而不仅仅是作为该学科当前实践者的科学家们来解决。出于这个原因，应尽可能促进人们对发育生物学的了解，这是很重要的，因为只有了解、认可科学，人们才能做出明智的选择。
随着从多能干细胞产生配子技术的不断完善，辅助生殖的范围将进一步扩大。这将使完全不育的人能够拥有源自自身iPS细胞的孩子，尽管在可预见的将来，由此产生的孕体仍将需要植入到生物母亲或代孕母亲的子宫中，以确保其发育到足月。
我们可以期待产前筛查（prenatal screening）将涵盖所有种类的单基因疾病。尽管这将作为消除人类先天性缺陷的又一举措而受到欢迎，但它也带来了一个问题，即对个体基因构成进行的测试越多，他（或她）就越有可能因为被发现对某种疾病具有易感性而被拒绝提供保险，或失去获得特定职业的机会。
发育生物学肯定会越来越多地用于产生移植（transplantation）所需的人体细胞、组织或器官。现在有可能从患者特异性iPS细胞制备移植物，这对患者将是完美的免疫匹配。干细胞技术正在与组织工程（tissue engineering）方法融合，这使得从组成（constituent）细胞类型产生更复杂的组织和器官成为可能。这一过程涉及产生新型的三维细胞外基质或支架（scaffold），使细胞在其上生长并与之相互作用。组织工程将需要更多来自发育生物学的输入，以便能够创建包含多种相互作用的细胞类型的组织，或具有适当的血管和神经供应的组织。干细胞技术还将纳入基因治疗（gene therapy），为治疗疾病而引入或修改特定基因。因此，源自干细胞的移植物可能也携带了特定的基因修饰，以纠正患者所遭受的问题。
*后，我们不应忽视发育生物学在农业中的可能应用。对于农场动物，公众期望牛、猪、羊和家禽保留“传统”外观的诉求可能在一定程度上限制发育生物学的应用。但已经开发出技术来生产快速生长的鱼，在羊奶中产生药物或在鸡蛋中生产疫苗。未来，无疑还会涌现出更多其他的发育生物学应用机会。
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