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第1章 新个体的形成 发育的组织化机制 1

1.1 “你是怎样的？”——发育生物学问题的来源 2

1.2 生命周期 3

1.3 范例：蛙的一生 4

1.3.1 配子发生和受精 4

1.3.2 卵裂和原肠胚形成 5

1.3.3 器官发生 5

1.3.4 变态和配子发生 7

1.4 比较胚胎学 8

1.4.1 后成说与先成说 8

1.5 早期发育概述 10

1.5.1 卵裂图式 10

1.5.2 原肠胚形成：“你生命中最重要的时刻” 11

1.5.3 胚胎各部分的命名：初级胚层和早期器官 12

1.6 追踪运动细胞：命运图谱和细胞谱系 15

1.6.1 命运图谱 16

1.6.2 活体胚胎的直接观察 17

1.6.3 染料标记 17

1.6.4 遗传标记 18

1.6.5 转基因嵌合体 19

1.7 演化胚胎学 20

1.7.1 胚胎同源性 21

1.8 医学胚胎学和畸形学 23

1.8.1 遗传畸形与综合征 23

1.8.2 干扰和致畸因子 23

第2章 特征的特化 发育的图式化机制 27

2.1 命运定型的层次 28

2.1.1 细胞分化 28

2.1.2 命运定型 29

2.2 自主性特化 29

2.2.1 被囊动物的细胞质决定物和自主性特化 30

2.3 条件性特化 32

2.3.1 细胞的位置的重要性：海胆胚胎的条件性特化 33

2.4 合胞体性特化 35

2.4.1 反向的中轴梯度确立位置信息 36

2.5 彩虹般的细胞特征 38

第3章 差异性基因表达 细胞分化的机制 43

3.1 差异性基因表达的定义 44

3.2 中心法则的快速入门 44

3.3 基因组均等性的证据 45

3.4 调节基因的可及性 47

3.4.1 染色质的松解和致密：组蛋白作为门警 48

3.4.2 甲基化记忆的维持 49

3.5 基因的解剖结构 49

3.5.1 外显子和内含子 50

3.5.2 顺式调控元件：一个基因的开、关和调光器 52

3.5.3 转录因子功能 58

3.6 基因调控网络：确定单个细胞 62

3.7 差异性基因转录的机制 64

3.7.1 高和低CpG含量启动子差异调控的蛋白质 64

3.7.2 DNA甲基化——另一个关键的转录开关 64

3.8 差异性RNA加工 68

3.8.1 差异性核RNA加工产生一些家族的蛋白质 69

3.8.2 剪接增强子和识别因子 70

3.9 基因表达在翻译水平上的调控 72

3.9.1 差异性mRNA寿命 72

3.9.2 储存的卵母细胞mRNA：mRNA翻译的选择性抑制 73

3.9.3 核糖体选择性：mRNA翻译的选择性激活 75

3.9.4 微RNA：mRNA翻译和转录的特异调节 75

3.9.5 细胞质定位对RNA表达的调控 78

3.10 基因表达的翻译后调节 79

3.11 发育遗传学研究的基本方法 80

3.11.1 描述基因的表达 80

3.12 检测基因功能 82

第4章 细胞之间的信息传递 形态发生的机制 89

4.1 细胞之间信息传递的快速入门 90

4.2 黏附和分选：近分泌信号传递和形态发生的物理现象 91

4.2.1 差异性的细胞亲和力 91

4.2.2 细胞之间相互作用的热动力学模型 93

4.2.3 钙黏着蛋白和细胞黏附 94

4.3 细胞外基质作为发育信号的来源 97

4.3.1 整联蛋白：细胞外基质分子的受体 99

4.4 上皮到间充质转换 100

4.5 细胞信号传递 101

4.5.1 诱导和反应能力 101

4.5.2 相互诱导 103

4.5.3 上皮与间充质的相互作用 105

4.5.4 昆虫气管：诱导信号与钙黏着蛋白调节的结合 106

4.6 旁分泌因子：诱导物分子 107

4.6.1 形态发生素梯度 107

4.6.2 信号转导级联反应：对诱导物的应答 109

4.6.3 成纤维细胞生长因子及受体酪氨酸激酶途径 110

4.6.4 成纤维细胞生长因子和JAK-STAT途径 111

4.6.5 Hedgehog家族 113

4.6.6 Wnt家族 116

4.6.7 转化生长因子-β超家族 120

4.6.8 其他旁分泌因子 122

4.7 旁分泌信号转导的细胞生物学 122

4.7.1 局部的膜突出作为信号源 124

4.8 近分泌信号传递对细胞特征的作用 127

4.8.1 Notch信号途径：并置的配体和受体对图式形成的作用 127

4.8.2 旁分泌和近分泌信号的协调：线虫阴门的诱导 128

4.8.3 Hippo：信号途径的集成器 130

第5章 干细胞 干细胞的潜能和微环境 133

5.1 干细胞的概念 134

5.1.1 分裂和自我更新 134

5.1.2 潜能性确定一个干细胞 134

5.2 干细胞的调节 136

5.3 胚胎中的多能干细胞 137

5.3.1 内细胞团细胞 137

5.3.2 促进内细胞团细胞多能性的机制 138

5.4 成体干细胞微环境 139

5.4.1 果蝇干细胞促进生殖细胞发育 140

5.5 室管膜-室管膜下区的成体神经干细胞微环境 142

5.5.1 室管膜-室管膜下区神经干细胞微环境 143

5.5.2 细胞之间的相互作用维持神经干细胞储备 144

5.5.3 促进室管膜-室管膜下区微环境的分化 145

5.5.4 环境因素对神经干细胞微环境的影响 145

5.6 成体的肠干细胞微环境 147

5.6.1 肠隐窝中的克隆性更新 147

5.6.2 隐窝中的调节机制 149

5.7 干细胞补充成体血液的多种细胞谱系 150

5.7.1 造血干细胞微环境 150

5.7.2 骨内膜微环境的调节机制 150

5.7.3 血管周微环境的调节机制 152

5.8 间充质干细胞：支持各种成体组织 153

5.8.1 间充质干细胞发育的调节 153

5.8.2 参与成体组织的维持和再生的其他干细胞 154

5.9 研究发育和疾病的人类模型体系 155

5.9.1 实验室的多能干细胞 155

5.9.2 诱导多能干细胞 158

5.9.3 类器官：在培养皿中研究人的器官发生 161

5.10 干细胞：希望还是炒作？ 164

第6章 性别决定和配子发生 169

6.1 染色体性别决定 170

6.2 哺乳动物的性别决定图式 170

6.3 哺乳动物的初级性别决定 172

6.3.1 发育中的生殖腺 172

6.3.2 初级性别决定的遗传机制：决策 174

6.3.3 卵巢途径：Wnt4和R-spondin1 174

6.3.4 睾丸途径：Sry和Sox9 176

6.3.5 正确的时间和正确的位置 178

6.4 哺乳动物的次级性别决定：性别表型的激素调节 180

6.4.1 次级性别决定的遗传分析 181

6.5 果蝇中的染色体性别决定 184

6.5.1 性别致死基因 184

6.5.2 双重性别基因：性别决定的转换基因 187

6.6 环境性别决定 188

6.7 哺乳动物的配子发生 189

6.7.1 减数分裂：生命周期的交汇 190

6.7.2 哺乳动物的配子发生：精子发生 193

6.7.3 哺乳动物的配子发生：卵子发生 195

结束语 197

第7章 受精 一个新生物体的开始 201

7.1 配子的结构 202

7.1.1 精子 202

7.1.2 卵子 203

7.1.3 卵与精子的识别 205

7.2 海胆的体外受精 206

7.2.1 精子吸引：远距离作用 207

7.2.2 顶体反应 208

7.2.3 卵细胞外被的识别 209

7.2.4 卵与精子的细胞膜融合 211

7.2.5 一个卵子，一个精子 211

7.2.6 多精入卵的快阻断 211

7.2.7 多精入卵的慢阻断 212

7.2.8 钙离子启动皮质颗粒反应 214

7.3 海胆卵代谢的激活 215

7.3.1 细胞内钙离子的释放 216

7.3.2 钙释放的作用 217

7.4 海胆中遗传物质的融合 220

7.5 哺乳动物的体内受精 221

7.5.1 配子进入输卵管：转位和获能 221

7.5.2 卵母细胞附近：超活化、趋温性和趋化性 223

7.5.3 位于透明带的顶体反应和识别 224

7.5.4 配子融合与多精入卵的阻断 225

7.5.5 遗传物质的融合 226

7.5.6 哺乳动物卵的激活 228

结束语 228

第8章 蜗牛和线虫的快速特化 233

8.1 后生动物的发育图式 234

8.1.1 基础门类 234

8.1.2 三胚层动物：原口和后口动物 234

8.2 蜗牛的早期发育 236

8.3 蜗牛胚胎的卵裂 236

8.3.1 蜗牛卵裂的母体调控 238

8.3.2 蜗牛的命运图谱 240

8.3.3 细胞的特化和极叶 240

8.3.4 改变卵裂图式而改变进化：来自一个双壳类软体动物的例子 244

8.4 蜗牛的原肠胚形成 245

8.5 秀丽隐杆线虫 246

8.6 秀丽隐杆线虫的卵裂和体轴形成 248

8.6.1 旋转卵裂 248

8.6.2 前-后轴的形成 249

8.6.3 背-腹和左-右轴的形成 250

8.6.4 卵裂球特征的控制 250

8.7 线虫的原肠胚形成 253

第9章 果蝇体轴特化的遗传学 257

9.1 果蝇的早期发育 258

9.1.1 受精 259

9.1.2 卵裂 259

9.1.3 中囊胚期转换 260

9.1.4 原肠胚形成 261

9.2 果蝇躯体图式形成的遗传机制 263

9.3 分节和前-后躯体图式 264

9.3.1 卵母细胞的前-后极性 265

9.3.2 母体梯度：卵母细胞的细胞质对极性的调节 265

9.3.3 前部组织中心：Bicoid和Hunchback梯度 270

9.3.4 末端基因 272

9.3.5 果蝇早期前-后轴特化的总结 272

9.4 分节基因 272

9.4.1 体节和副体节 272

9.4.2 裂隙基因 274

9.4.3 成对规则基因 275

9.4.4 体节极性基因 277

9.5 同源异形选择者基因 279

9.6 背-腹轴的产生 281

9.6.1 卵母细胞中背-腹图式的形成 281

9.6.2 胚胎内部背-腹轴的产生 282

9.6.3 细胞核Dorsal梯度的建立 283

9.7 体轴和器官原基：直角坐标模型 285

结束语 285

第10章 海胆和被囊动物 后口无脊椎动物 289

10.1 海胆的早期发育 290

10.1.1 早期卵裂 290

10.1.2 囊胚形成 291

10.1.3 命运图谱和海胆卵裂球的命运决定 292

10.1.4 基因调控网络和成骨间充质的特化 293

10.1.5 植物极细胞的特化 297

10.2 海胆的原肠胚形成 297

10.2.1 成骨间充质的内移 297

10.2.2 原肠腔的内陷 301

10.3 被囊动物的早期发育 303

10.3.1 卵裂 303

10.3.2 被囊动物的命运图谱 304

10.3.3 被囊动物卵裂球的自主性和条件性特化 304

第11章 两栖类和鱼类 309

11.1 两栖类的早期发育 309

11.1.1 受精、皮质旋转和卵裂 310

11.1.2 两栖类的原肠胚形成 313

11.1.3 两栖类体轴的逐步决定 318

11.1.4 Hans Spemann和Hilde Mangold的研究工作 319

11.1.5 两栖类体轴形成的分子机制 322

11.1.6 神经诱导沿前-后轴的区域特异性 332

11.1.7 特化左-右轴 337

11.2 斑马鱼的早期发育 338

11.2.1 卵裂 340

11.2.2 原肠胚形成和胚层形成 342

第12章 鸟类和哺乳类 351

12.1 鸟类的早期发育 352

12.1.1 鸟类胚胎的卵裂 352

12.1.2 鸟类胚胎的原肠胚形成 354

12.1.3 体轴特化和鸟类的“组织者” 360

12.2 哺乳动物的早期发育 362

12.2.1 卵裂 362

12.2.2 哺乳动物的原肠胚形成 367

12.2.3 哺乳动物的体轴形成 369

12.2.4 孪生 375

结束语 376

第13章 神经管的形成和图式化 381

13.1 神经板转变成神经管：中枢神经系统的诞生 382

13.1.1 初级神经胚形成 384

13.1.2 次级神经胚形成 393

13.2 中枢神经系统的图式化 394

13.2.1 前-后轴 394

13.2.2 背-腹轴 395

13.2.3 反向的形态发生素 396

13.2.4 转录的交叉阻遏 399

13.3 综合所有的轴向 400

第14章 脑生长 403

14.1 发育的中枢神经系统的神经解剖学 404

14.1.1 发育的中枢神经系统细胞 404

14.1.2 发育的中枢神经系统的各种组织 406

14.2 调节脑生长的发育机制 410

14.2.1 分裂过程中神经干细胞的行为 410

14.2.2 神经发生：自下而上（或从内向外）的构建 411

14.2.3 神经胶质作为小脑和新皮质分层的脚手架 413

14.2.4 调控新皮质发育的信号机制 414

14.3 人脑的发育 417

14.3.1 出生后胎儿神经元的生长速度 418

14.3.2 山峦提升了学习视野 418

14.3.3 神经元生长的基因 421

14.3.4 高转录活性 421

14.3.5 青少年的脑：架线但没有连接 422

第15章 神经嵴细胞和轴突特异性 425

15.1 神经嵴 425

15.1.1 神经嵴的区域化 426

15.1.2 神经嵴：局限性多能干细胞？ 428

15.1.3 神经嵴细胞的特化 429

15.1.4 神经嵴细胞的迁移：上皮性到间充质性以及更多 432

15.1.5 躯干神经嵴细胞的迁移途径 435

15.1.6 颅神经嵴 441

15.1.7 “追逐和逃离”模型 443

15.1.8 源自神经嵴的头部骨骼 444

15.1.9 心脏神经嵴 446

15.2 建立神经系统中的轴突途径 447

15.2.1 生长锥：轴突寻径的驱动器和引擎 448

15.2.2 轴突导向 452

15.2.3 运动神经元内在的导航编程 453

15.2.4 轴突如何穿过了路径？ 456

15.2.5 视网膜神经节轴突的延伸 461

15.2.6 目标选择：“我们到达目的地了吗” 463

15.2.7 突触形成 466

15.2.8 细胞死亡的一个程序 467

第16章 外胚层基板和表皮 475

16.1 颅基板：我们头部的感官 475

16.1.1 视觉器官发育的动态：脊椎动物的眼睛 477

16.1.2 眼场的形成：视网膜的起点 478

16.1.3 晶状体-视网膜诱导级联反应 480

16.2 表皮及其皮肤附属器 485

16.2.1 表皮的来源 485

16.2.2 外胚层附属器 486

结束语 493

第17章 轴旁中胚层 体节及其衍生物 497

17.1 体节的细胞类型 499

17.2 沿前-后轴建立轴旁中胚层和细胞命运 500

17.2.1 轴旁中胚层的特化 500

17.2.2 同源异形基因的时空共线性沿躯干决定体节特征 502

17.3 体节发生 505

17.3.1 体轴延伸：尾部祖细胞区和组织间的力量 506

17.3.2 时钟-波阵面模型 509

17.3.3 时钟-波阵面与同源异形基因介导的中轴特征及体节发生终结 514

17.4 生骨节的发育 516

17.4.1 椎骨形成 516

17.4.2 腱的形成：生腱节 519

17.4.3 背主动脉的形成 521

17.5 生皮肌节的发育 521

17.5.1 中央生皮肌节的决定 522

17.5.2 生肌节的决定 523

17.5.3 神经嵴调节肌生成的一个新模型 525

17.6 骨发生：骨的发育 525

17.6.1 软骨内成骨 526

17.6.2 机械力转导与脊椎动物骨发育 529

17.7 肌肉的成熟 530

17.7.1 成肌细胞和肌纤维 530

17.7.2 卫星细胞：未融合的肌祖细胞 531

17.7.3 肌肉骨骼系统中的机械力转导 532

第18章 居间中胚层和侧板中胚层 心脏、血液和肾 535

18.1 居间中胚层：肾 536

18.1.1 居间中胚层的特化：Pax2、Pax8和Lim1 537

18.1.2 发育中的肾脏组织之间的互相作用 538

18.2 侧板中胚层：心脏和循环系统 543

18.2.1 心脏发育 545

18.2.2 血管形成 553

18.2.3 血细胞发生：干细胞和持久祖细胞 556

结束语 560

第19章 四足动物肢的发育 563

19.1 肢的解剖结构 563

19.2 肢芽 564

19.3 同源异形基因对肢骨骼特征的特化 566

19.3.1 近端到远端：肢中的同源异形基因 566

19.3.2 从鳍到手指：同源异形基因与肢的进化 567

19.4 决定肢形成的类型和位置 569

19.4.1 特化肢场 569

19.4.2 早期肢芽的诱导 569

19.5 外向生长：产生肢的近-远轴 574

19.5.1 外胚层顶嵴 574

19.5.2 特化肢中胚层：决定近-远端极性 576

19.5.3 图灵模型：近-远端肢发育的反应-扩散机制 579

19.6 前-后轴的特化 582

19.6.1 Sonic hedgehog确定极性活性区 582

19.6.2 Sonic hedgehog特化指的特征 584

19.6.3 Sonic hedgehog和成纤维细胞生长因子：另一个正反馈环 586

19.6.4 同源异形基因对指的特化 587

19.6.5 自我组织的指骨骼发生的图灵模型 589

19.7 产生背-腹轴 590

19.8 细胞死亡与指和关节的形成 592

19.8.1 雕塑肢梢 592

19.8.2 形成关节 593

19.8.3 持续的肢生长：骺板 594

19.8.4 成纤维细胞生长因子受体：侏儒 595

19.9 改变肢信号中心而发生的进化 595

第20章 内胚层 消化和呼吸的管道与器官 599

20.1 咽 602

20.2 消化管及其衍生物 603

20.2.1 肠组织的特化 604

20.2.2 附属器官：肝、胰腺和胆囊 605

20.3 呼吸管 610

第21章 变态 发育中激素的重新活化 615

21.1 两栖类的变态 616

21.1.1 两栖类变态的形态变化 616

21.1.2 两栖类变态的激素控制 618

21.1.3 区域性特异的发育程序 621

21.2 昆虫的变态 622

21.2.1 成虫盘（器官芽） 623

21.2.2 昆虫变态的激素调控 626

21.2.3 20-羟基蜕皮激素活性的分子生物学 626

21.2.4 翅成虫盘的决定 630

21.3 长腕幼体的变态 632

第22章 再生 635

22.1 多种方式的重建 636

22.2 水螅：干细胞介导的再生、变形再生、新建再生 637

22.2.1 三种干细胞的日常细胞替换 637

22.2.2 头部激活物 638

22.2.3 头部抑制梯度 640

22.3 扁形动物中干细胞介导的再生 642

22.4 蝾螈：肢的新建再生 647

22.4.1 顶端表皮帽和再生芽基的形成 647

22.4.2 芽基细胞的增殖：对神经和顶端表皮帽的需求 648

22.5 诱导斑马鱼器官再生的机制 652

22.6 哺乳动物的再生 655

第23章 老龄化和老年化 661

23.1 基因和老龄化 661

23.1.1 DNA修复酶 662

23.1.2 老龄化和胰岛素信号级联 663

23.1.3 mTORC1途径 665

23.1.4 染色质修饰 665

23.2 随机表观遗传漂移 666

23.3 干细胞与老龄化 667

23.4 老龄化规则的一些例外 669

第24章 健康和疾病中的发育 出生缺陷、环境激素和癌症 673

24.1 偶然性的作用 674

24.2 人类发育的遗传错误 674

24.2.1 一些人类综合征的本质 674

24.2.2 遗传和表型异质性 675

24.3 畸形发生：环境侵害对动物的发育 676

24.3.1 酒精是一种致畸因子 678

24.3.2 视黄酸是致畸因子 681

24.4 环境激素：成体疾病的胚胎起源 682

24.4.1 乙菧酚 683

24.4.2 双酚A 684

24.4.3 阿特拉津：通过激素合成的内分泌干扰 687

24.4.4 液压破碎法：内分泌干扰的潜在新来源 688

24.5 发育紊乱的跨代遗传 688

24.6 癌症是一种发育的疾病 689

24.6.1 癌症的发育疗法 693

结束语 694

第25章 发育和自然环境 发育的生物、非生物和共生调节 697

25.1 环境是产生表型的正常因素 698

25.1.1 食物诱导的非遗传多型性 699

25.1.2 反捕食多型性 701

25.1.3 温度是一种环境因素 703

25.2 多型性的生命周期 705

25.2.1 幼体附着 705

25.2.2 锄足蟾的艰辛生活 706

25.3 发育共生 707

25.3.1 发育共生的机制：使伙伴相聚 708

25.3.2 鱿鱼与弧菌的共生 709

25.3.3 专性发育互利共生 709

25.3.4 哺乳动物肠中的发育共生 711

结束语 713

第26章 发育与进化 进化的发育机制 717

26.1 渐变演替：为什么动物既相同也不同 718

26.2 进化的前提：基因组的发育结构 718

26.2.1 模块化：分离产生差异 719

26.2.2 分子简约性：基因重复和差异 720

26.3 深度同源性 723

26.4 进化的机制 724

26.4.1 异位发生 724

26.4.2 异时发生 725

26.4.3 异量发生 726

26.4.4 异型发生 727

26.5 发育限制对进化的作用 729

26.6 可选择的表观遗传变异 731

26.6.1 遗传同化 732

26.6.2 环境诱导的表型固定 734

结束语 735

术语表 739