主要内容
青蛙发育实例
你如何用一个细胞造出一只青蛙？了解体轴如何建立以及神经组织如何诱导青蛙胚胎。
要点
- 非洲爪蟾，Xenopus laevis，是一种很多发育生物学家研究的模式生物.
- Xenopus 的卵细胞由母蛙预先产生，将m
- 在精子进入卵细胞之后，体轴开始形成，建立起背腹轴和一块称为 灰新月 的区域。
- 灰新月区变成 施佩曼组织者，一个和其他组织“交流”来指导发育的信号中心。将一个额外的组织者移植到一个蝾螈胚胎中会产生两个腹部相连的蝾螈！
- 施佩曼组织者的信号传导是 诱导 的典型例子。在这个过程中，一个组织发送信号来改变另一个组织的发育。
介绍
当你很小的时候，你有没有在一个水缸里养过青蛙？看着蝌蚪孵化出来，再变形成成熟的青蛙，这一过程我既觉得有点恶心又觉得特别神奇，让我现在仍记忆犹新。
实际上，我对很多发育生物学的内容都有这种复杂的感受——不管青蛙是不是包含在内！在发育中，很多实验涉及到解剖、注射、分析，或者就是操纵小小一团的发育组织，有时却得到非常古怪的结果——例如两个头的蝾螈或者一只发育成一团神秘细胞的青蛙。
然而，这些实验是使我们能发现那些编排生物发育的精密基因网络的唯一办法。在一系列级联、大部分自我组织的事件中，这些网络协调并完成了从单个细胞到复杂有机体的发育过程。从一个更实际的角度来讲，发育常常和疾病紧密相连——例如，人类癌细胞重新激活了很多早期发育基因。
正如在 发育简介 这篇文章中提到的，几乎任何生物的胚胎发育都包括一些相同的过程，如细胞分裂、建立体轴（如头尾轴）、组织和器官的形成，还有细胞分化。在这篇文章中，我们会看看这些过程在青蛙中的例子，不过可能不是你小时候在水缸里养的那种青蛙！
Xenopus：我们的朋友非洲爪蟾
为了使发育的过程更具体一些，让我们来看一个例子：我们的朋友青蛙。更确切地说，我们来用发育生物学家们最喜欢的青蛙：Xenopus laevis，或称非洲爪蟾。这个奇怪的名字发音是 ZEN-oh-puss LAY-vis。
Xenopus 具有青蛙比较典型的生命周期。一只雌蛙在水中产卵，卵由来自雄蛙的精子受精。由此形成的受精卵经历胚胎发育过程变成一只独立生存的蝌蚪，之后变形为一只成年青蛙——举例来说，蝌蚪在变形过程中会通过程序性细胞死亡，即细胞凋亡，并失去它的尾巴。
因为 Xenopus 的胚胎在母蛙体外发育，所以它们的发育过程与哺乳动物的胚胎发育相比更加容易观察。
让我们来看一看几个 Xenopus 胚胎发育的步骤，看看它们是如何说明发育的基本过程的。
细胞分裂和胚轴形成
在青蛙里，卵细胞是一个巨大的细胞——比正常的青蛙细胞要大得多——而且不同的分子不均匀地分布在其中，这些在分子在受精之前就已经被母蛙的卵细胞中分布好了
胚胎发育开启的关键点是精子进入卵细胞，这可以在深色的上半部分（即动物极）的任何地方发生。
这是怎么运作的？当精子进入卵细胞的时候，周细胞质，即位于卵细胞边缘的细胞质，会朝向精子的进入位置旋转30度。
灰新月区对应胚胎未来的背面，而精子进入的位置则对应腹面。
细胞质的旋转是如何帮助建立背腹轴的？其基本思想是，指定背侧的分子——最初位于卵黄样底部的周细胞质中——向上移动，朝向受精卵的动物极。
在这时，我们仍然在观察一个大受精卵。那么，我们所说的这些细胞是从哪里来的呢？早期的 Xenopus 胚胎基本上就是一个细胞分裂机器。经过多次细胞分裂，受精卵——拥有来自母体的分布不均的 m
组织和器官的形成
我们的朋友青蛙是如何从一个细胞球变成一个更像青蛙的东西的呢？在胚胎发生过程中形成的蝌蚪是大量基因以特定的模式表达，它们的蛋白质产物以不同的方式相互作用，从而建立起其他的基因表达模式。青蛙胚胎是一个神奇的自主组织系统，在这个系统中，一个分子事件在时间和空间上引发另一个分子事件而形成级联反应。
理解所有这些事件将需要一生的努力——所以我们在本文中不打算去尝试！事实上，即使是最优秀的发育生物学家也离完全理解青蛙是如何发育的这一目标很远。然而，我们可以通过观察胚胎特定区域（从灰新月区发展而来的区域）中细胞的行为，来看一看级联事件在发育中的一个经典例子。
案例研究：施佩曼-曼戈尔德组织者（Spemann-Mangold organizer）
我们看到的受精卵中的灰色新月区之后变成什么样了？让我们来追踪这片区域内的细胞质在之后两个阶段——囊胚和原肠胚——中的去向吧。
囊胚是一个中空的细胞球。其中，灰色新月细胞在胚胎的一侧（即背侧）集中成一团。这差不多就是灰色新月区以前在受精卵之中的位置。
在 原肠胚 阶段，这些细胞开始做一些更有趣的事情了：它们开始向胚胎内部移动，导致组织开始内陷。细胞移动到胚胎内部的位置叫做 胚孔，灰色新月细胞组成它的 背唇。
所有这些复杂的细胞迁移的目的是什么呢？首先，它是胚胎形成多层组织的关键。但它不止是制造了多层细胞，它还让不同组织的细胞互相“交流”，并且在某些情况下改变对方的命运。比如说，我们现在知道向内迁移的细胞会指导它们上方的细胞，即一种叫做 外胚层 的组织，发展成为神经组织。
这个相互作用是由汉斯·施佩曼（Hans Spemann）和曼戈尔德（Hilde Mangold）第一次发现，现在是最经典的胚胎学实验之一。施佩曼和曼戈尔德把一只浅色蝾螈胚胎的胚孔背唇移植到了一只深色蝾螈胚胎的腹侧。这是一个在技术层面上非常困难的实验，曼戈尔德尝试了许多年才得到五只操作成功的胚胎！
正常情况下，移植部位的组织会变成蝾螈腹部（腹侧）的皮肤。然而，当背侧胚孔背唇被移植进去时，它的细胞向内迁移，形成了第二个有功能的原肠作用位置，和正常的位置相对。
这实验中究竟发生了什么？关于移植的组织是如何导致第二只蝾螈的形成的，现在有两种基本的可能性：
- 移植的组织可能自主发育成了第二只蝾螈，从那一小团移植的细胞开始建立起它的组织结构。
- 移植的组织可能和它周围的受体组织进行了“交流”，组织它们的行为从而使它们和移植的细胞一起协作形成了第二只蝾螈。
由于使用了不同颜色的蝾螈作为供体和受体，曼戈尔德和施佩曼可以得知哪种可能性是正确的。第二只蝾螈的身体结构包含有一些供体（浅色）细胞，但大部分细胞来自受体（深色）细胞，说明移植的组织中的细胞一定和周围的受体细胞进行了“交流”，并且诱导它们改变了它们的行为。
现如今，这些位于胚孔背唇的细胞和它们的后代被称为 施佩曼-曼戈尔德组织者。组织者的其中两个主要作用是确定背侧（而不是腹侧）位置，并且使周围的外胚层变为神经组织。不过，组织者也会引导头尾轴的发育和其他过程。
重要的是，组织者本身不会直接指导整个蝾螈的发育。换句话说，它不会全权掌控蝾螈大脑里每一个神经元或者它眼睛里每一个光感受器的发育。然而，它负责开启一条分子诱导的反应链，像推动第一个多米诺骨牌一样导致蝾螈身体里很多复杂结构的形成——或者，在这次移植中，形成第二个蝾螈的身体！
组织者大多数是通过分泌蛋白质来运作，这些蛋白质扩散进周围组织并且影响它们的行为。举例来说，组织者释放的一些蛋白质结合并中和 其他 分泌的蛋白质，这些蛋白质负责引导细胞发展成皮肤。通过妨碍这个“发育成皮肤！”的指令，组织者的信号让上层组织跟随它们默认路径，发育成神经组织。