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在细胞里，打开“书页”的一个重要“开关”，就是组蛋白的“乙酰化”。从化学上讲，就是在组蛋白上面的一些带正电的基团（“氨基”-NH2）上面带一顶“帽子”，用“乙酰基”把“氨基”上面的正电荷“屏蔽”掉。组蛋白的正电荷一减少，通过带负电的分子（包括DNA）绕成紧密结构的力量就弱了，这一部分的DNA就会“松开”，相当于“书页”被打开，里面的信息即可以被读取了。
除了组蛋白，DNA里面的每个基因也带有自己的“开关”。就是“书页”被打开了，这些“开关”也能决定基因里面的信息是不是能被读取。这些“开关”本身也是DNA序列，叫做“启动子”（promoter）。它们和一些叫做“转录因子”的蛋白质相互作用，共同决定基因是“开”还是“关”。如果在“开关”里面的胞嘧啶（用字母C表示）上也戴个“帽子”，“转录因子”就“不认识”这个“开关”了，也就是不能和“开关”里面的DNA序列结合。这个DNA上面的“帽子”，就是由一个碳原子和三个氢原子组成的，叫做“甲基”的基团（-CH3）。给DNA戴上“甲基”“帽子”的活动叫做DNA的“甲基化”。这相当于给DNA戴上“隐身帽”，使基因里面的信息无法被读取。
所以DNA里面的信息能不能被读取，除了打开基因的开关（启动子）和直接读取信息的RNA聚合酶（把DNA里面的信息“转录”到“信使RNA”上去）外，还和DNA的“甲基化”状况与组蛋白的“乙酰化”状况有关。这些“修饰”并不改变DNA分子中核苷酸的顺序，但是却能影响基因中信息的读取。
而人一生的生活经验，无论是精神的还是身体的，都能改变组蛋白“乙酰化”和DNA“甲基化”的情形，影响我们的精神生活和身体状况。这些不通过DNA序列改变而影响身体性状，有时并且能传给后代的变化就叫做“外遗传”修饰，即发生在DNA序列外的变化。在英文中，“外遗传学”叫做“epigenetics”。其中“genetics”是“遗传学”，而前缀“epi-”则表示“在…之上”，“在…之外”的意思。在国内，“epigenetics”也被译成为“表观遗传学”，表达的是同样的意思。
这些“外遗传”修饰对身体的影响很大。比如同卵双胞胎的DNA序列是完全一样的，按说他们得病的类型和几率也应该是一样的。但是医生却发现，有时一个人会得病（如白血病和红斑狼疮），另一个人却不得。随后的研究表明，是他们的DNA的“甲基化”的情形不同。DNA“甲基化”的异常也和其它类型癌症的发生有关。比如一个负责DNA修复的基因叫做MLH1，它的异常“甲基化”就和结肠癌的发生有关。具有同样遗传物质的小鼠，毛色却常常不同。研究发现这是因为一个叫agouti的基因的“甲基化”程度不同。
“外遗传因素”也影响植物的性状。比如一种叫做“柳穿鱼”的植物（Linaria vulgaris），它的花就有两种形式。一种是两侧对称的，另一种却是中心对称的。这两种花细胞里面的DNA序列完全相同，不同的是一个叫Lcyc的基因的“甲基化”情形。
所以“外遗传”因素的作用，就是影响DNA里面的信息如何被读取。这和DNA中储存的信息同样重要。这就像读一本建造身体的“使用说明书”，里面的内容都是一样的。但是外遗传修饰能决定你是不是能打开应该“读”的那些书页，或者能不能避免本不该打开的书页被翻开。
如果DNA序列以外的修饰能够通过生殖细胞传给下一代，那就有了一种与DNA遗传不同的遗传方式，它可以把这一代身体的状况传给下一代。但是在实际上，我们的身体是极力避免这种情况发生的，并且在生殖的两个阶段“消除”这些“外遗传”的修饰。
在身体形成精子和卵子的时候，DNA上面的“甲基化”和组蛋白上面的“乙酰化”都是要被消除，重新设定的，以适应生殖细胞的功能。同样，受精卵在发育成胎儿时，里面DNA的“甲基化”和组蛋白的“乙酰化”也要重新设定，以适应胎儿发育的需要。这种消除细胞原来的“外遗传”修饰的机制，才是生殖细胞中真正的“孟婆汤”。而且和人过“奈何桥”时只喝一次“孟婆汤”不同，在生殖细胞的形成阶段和受精卵阶段都要喝“孟婆汤”，也就是要喝这种“汤”两次。看来生物为了下一代“重新开始”，真的是设了重重关卡，要把这一生的所有印迹都“抹掉”。
在过去，这个“抹去”印迹的过程被认为是非常彻底的，也就是觉得细胞里面的“孟婆汤”非常有效。比如在精子形成的过程中，不仅要先消除DNA原先的“甲基化”，而且还用另一种碱性蛋白质——精蛋白，来替换组蛋白。这相当于把书里面印字句的书页纸都换成了新纸，那原来在书页上做的“记号”（乙酰化）也同时被消除了。但是在本文中所列举的上一代的生活经历和身体状况对后代的影响却表明，细胞里面的“孟婆汤”在消除这一生的记忆上并非100%有效。有一些信息能够成为“漏网之鱼”，“逃”到下一代的细胞里面去，影响基因的功能。这种“逃”出“孟婆汤”作用的机制现在还不完全清楚，但是也有了一些初步的结果。比如为精子活动所需要的基因，它们所结合的蛋白就仍然是组蛋白，而没有完全被精蛋白取代。
“外遗传”机制可以使动物打破DNA序列变化缓慢的限制，使得后代能迅速获得上一代生物对环境因素做出反应而发生的变化，这对生物种群的生存和繁衍也许是有利的。但是通过“外遗传”因子传递下去的效果并不总是有利的，上一代不良的环境和生活惯对后代健康的不利影响就是明显的例子。
当然，外遗传并不是进化。在外因消失以后，这些外遗传现象也会逐渐淡化消失，DNA又回到原先的调控状态。但它在以后数代或数十代中造成的影响仍是不能被忽视的，有可能对我们的后代的健康状况造成不良的后果。另一方面，“外遗传”状况的改变又是可逆的。不良的生活惯（比如吸烟和吸毒）虽然会改变有关基因的“外遗传”状态，但是一旦这些不良惯被消除，这些“外遗传”的改变又会逐渐减弱以致消失。所以我们无论是为了自己的健康还是后代的健康，都应该改变不良生活惯。
对于外遗传学的研究目前还处于初期阶段，其中的许多机制还不很清楚。而且“外遗传”的机制也不限于组蛋白的“乙酰化”和DNA的“甲基化”，还包括小分子核糖核酸（RNA）的作用等等。但是近年来的研究已经开始改变人们对于遗传的思想和观念。了解一些外遗传学方面的知识，对我们自己和我们后代的健康，都是很有帮助的
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比如让果蝇接触一种叫做盖达纳霉素（geldanamycin）的药物，它们的眼睛上就会长出赘疣。即使它们的后代不再接触盖达纳霉素，这些后代还会继续在眼睛上长赘疣。这种现象甚至可以传到第十三代。 如果喂线虫（一种只有1毫米长的低等动物）某种细菌，线虫就会变得又小又圆。这种现象可以持续四十代，即使它们的后代不再接触到这种细菌。
用小鼠做的实验表明，即使像记忆能力（注意，不是记忆的信息）这样与精神活动有关的特性也可以通过上一代的生活经历传给下一代。比如给有遗传性记忆缺陷的小鼠玩具，让它们做练，用各种方法引起它们的注意，结果它们的后代在记忆能力上也有明显的改进，即使它们的后代没有得到这些练。
所有这些证据都表明，即使我们传给后代的DNA序列没有改变，这一代生活所造成的身体的变化也会通过某种途径传给下一代。这是达尔文的进化学说无法解释的，因为一两代人的时间对进化来说太短了，这些影响不可能通过DNA序列的变动来实现。那上面说的事实又该如何解释呢？
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2001年，瑞典科学家拜格林（Lars Olov Bygren）发表了他对瑞典北部一个地广人稀的叫做诺伯顿（Norrbotton）地方的人的寿命进行研究所得的结果。 诺伯顿位于北极圈以内，粮食收成极不稳定。如果年景歉收，人们就会挨饿；但如果获得大丰收，他们又会大吃大喝。
拜格林的研究表明，如果爷爷辈在9到12岁时有大吃大喝的经历，那他们的孙子的寿命就比较短，得糖尿病的几率会增加。而在青春期前挨饿的男性，其孙子就较少得心血管病。同样，在青春期前曾大吃大喝的祖母，她们的孙女的寿命也会明显缩短。这说明爷爷奶奶辈的生活状态对身体的影响可以遗传给它们的孙子，而且爷爷奶奶辈在进入青春期之前的那段时间对于这种能遗传的印迹最为重要。
随后，拜格林又和伦敦大学的著名遗传学家裴瑞（Marcus Pembrey）合作进行研究。他们发现，如果父亲在11岁之前（即进入青春期之前）就开始吸烟，那他们的儿子在9岁时就会超重。这些事实说明，在父亲产生精子之前，他的生活经历就会在他的遗传物质上打下印迹。这些印迹可以经由生殖过程传给它们的儿子，甚至孙子。
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清华大学出版社汇集出版，书名为《上帝造人有多难——生命的密钥》,本篇还没包括在内
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第二节四肢动物的肢体是如何形成的？
从外面来观察动物的身体结构，基本上可以分为头、颈、躯干、和四肢这几个部分，有些动物还有尾巴。其中四肢是负责运动的。没有四肢，动物就不能成为“动”物。动物的四肢分为一对前肢和一对后肢。它们基本上都由三个部分组成，分别是靠近躯干部分的节段（英文叫Stylopod，我们将其称为“近段”），中间区段（英文叫zeugopod，我们将其称为“中段”）和离躯干最远的手脚掌部分（包括腕或踝、掌、及指或趾，英文叫autopod，我们将其称为“掌段”）。近段和中段本身都不能弯曲，靠它们之间的关节改变彼此的相对位置。掌段部分也和中间区段以关节相连，因此无论是前肢还是后肢，这三个部分的相对位置都能够变化，以适应运动的需要。掌段部分又分为几个部分，分别是腕（踝）、掌、和趾。它们之间也以关节相连，所以也可以改变相对位置，比近段和中段有更大的灵活性。到了人类，由于直立行走的缘故，前肢变成为上肢（也叫手臂，包括上臂、前臂、手掌），后肢变为下肢（也叫腿，包括大腿、小腿和脚掌）。
如果我们考察支撑肢体各部分的骨头，也可以发现一个规律，就是这些骨头的数量和位置在不同的动物中是彼此对应的。以人为例，近段（上臂或大腿）只由一根骨头支撑，在上肢为肱骨（humerus），在下肢为股骨（femur）。中段（前臂或小腿）则由两根骨头支撑，在上肢为尺骨（ulna）和桡骨（radius），在下肢为胫骨（tibia）和腓骨（fibula）。手掌骨分为三部分，分别是腕骨（carpal bones），掌骨（metacarpal bones）和指骨（phalanges）。腕骨共8块，分成平行的两列，每列四块，彼此以关节相连。掌骨共5块，分别和指骨和腕骨以关节相连。指骨共14块，其中2块在拇指中，其余4指各有3块指骨。这些指骨之间也以关节相连。这样，手掌就有很大的弯曲性和灵活性。这些骨头的构成特点，在其它动物身上也可以看见，只是大小、长短和形状有些不同，说明这样的结构来自共同的祖先。
现在地球上所有的四肢动物（tetrapod，例如青蛙、蝾螈、蜥蜴、老鼠、以及人类自己）中，每肢都有5根手指或脚趾（英文叫digits）。虽然人和动物都有多指症，但是那多出来的指头在形态上都和五指中的一只（例如拇指或小指）相同，说明是某根手指加倍而形成的，而不是一根与其它指头不同的新手指。鸟类的翅膀相当于四肢动物的前肢，鸟类的腿相当于四肢动物的后肢，肢体各段的结构也彼此对应，只是鸟类的指头数量要少一些，翅膀只有3根指头，腿只有4根趾头。研究发现，这是由于从恐龙到鸟的变化中一些指（趾）头退化而造成的。例如鸟类的恐龙祖先“兽脚亚目恐龙”（theropod）的第IV、第V趾退化，使得鸟翅只有三根指头，所以鸟类的3根指头相当于四肢动物的趾头I、II、III。而鸟类腿上的四根趾头则相当于四肢动物的趾头I-IV。这说明无论是两栖类、爬行类、鸟类还是哺乳类，5根手指或脚趾都是普遍规律。
问题是，这样的结构是如何形成的？是什么原因使动物的四肢都发展出近段-中段-掌段这样的结构，而且都由一根骨头-两根骨头-五指（趾）骨头支撑？在人的DNA序列中，是找不到这样的“设计图”的，我们在DNA序列中能够看见的，只是为蛋白质编码的序列和控制编码序列转录的调控序列。那么一根骨头、两根骨头、五根手指（脚趾）的“设计”又在哪里呢？
所有这些都是科学家深感兴趣的问题，也进行了大量的研究，特别是用小鸡（chick，代表鸟类）和小鼠（mice，代表四肢动物）所进行的详细研究。这些研究揭示了动物四肢发育的分子机制，是动物身体结构形成原理很好的范例。研究结果表明，由Spemann提出的“组织中心”学说，Wolpert提出的“法国国旗学说”和由Turning提出的“反应-扩散学说，即图灵学说”在肢体的发育过程中都起作用。而在这些发育过程中起作用的“成型分子”，也都是我们前面介绍过的“工具分子”。
小鼠上肢和小鸡翅发育的“组织中心”
要知道小鼠的上肢是如何从肢芽发育成的，我们首先需要了解小鼠上肢结构的特点。这些结构特点也代表了其它动物上肢和鸟类翅膀的结构特点，所以对它的研究具有普遍意义。小鼠的前肢有三根方向轴，一个是近端-远端轴，它定义前肢各部分与躯干之间的相对位置。离躯干最近的为近端（proximal），是上臂（stylopod）的位置。离躯干最远的为远端（distal），是掌段中脚趾的位置。上肢的结构在这条轴线上是不对称的，例如上臂部分和脚掌部分就不以中段为对称中心而对称。这条轴线英文叫proximal-distal axis，简称为P/D轴。第二根是前后轴（anterior-posterior axis，简称A/P轴）。小鼠头的方向为前，尾的方向为后。上肢结构在这条轴线上的结构也是不对称的，例如5根脚趾（相当于人的拇指、食指、中指、无名指、小指）在前后轴方向上就不对称，拇指就不是小指的镜面结构（假设以中指为对称轴）。第3根轴是背-腹轴（dorsal-ventral axis，简称D/V轴）。这就类似于人的手心和手背，它们的皮肤结构是不一样的，手心无毛，而手背有毛。要成功地发育成一根完美的上肢，小鼠必须在这三个方向的轴上都有控制中心，告诉细胞它们在这三个方向上的位置，从而决定它们形成相应的结构。这相当于定义一点在空间中的位置需要X、Y、Z三根彼此垂直的轴。研究结果证明，小鼠在这三个方向轴上真的都有Spemann说的“组织中心”，它们通过如Wolpert的法国国旗理论说的那样，通过扩散性分子的浓度梯度，控制上肢的发育。小鸡翅的构造和小鼠的上肢类似，形成原理也相似，所以对这两个动物肢体发育的研究可以相互补充和促进。
小鼠的肢芽是由来自“侧板中胚层”（lateral plate mesoderm）的间充质细胞迁移到肢芽形成处大量增殖，使包在这些细胞外面的外胚层（ectoderm，也即外细胞层）向外突起而形成的。这些间充质细胞后来就发育成为骨骼和关节处的软骨细胞。由这些细胞形成的骨头和关节就决定了上肢的构造，肌肉、血管、神经都是围绕这些骨架建造的。
控制近-远轴方向结构形成的组织中心AER
在到达肢芽位置后，这些间充质细胞就分泌“成纤维细胞生长因子”（FGF）家族中的成员FGF7和FGF10（见文章第一部分，扩散性信号分子）。这些扩散性蛋白分子使得与其相邻的外胚层细胞发生变化，形成指挥近-远端轴（即P/D轴）的控制中心，也就是Spemann提出的“组织中心”。因为它处于肢芽的顶端（离躯干最远），所以叫做“外胚层顶脊”（Apical Ectodermal Ridge，简称AER，为了简洁，以后我们也使用AER这个简称）。这个细胞团对于肢体的发育非常重要，除去AER，肢体的发育就停止，而且除去AER的时间越早，则肢干的缺失程度越大，例如只形成近段（stylopod），而其它两部分（中段zeugopod和掌段autopod）缺失。反过来，如果把另一个AER移植过来，则会形成另一个肢体，常常是附近一个正在发育中的肢体的镜面结构。这些结果都说明，AER的确是动物上肢或翅的一个组织中心。
在外胚层下植入浸有FGF10的小珠，会诱导出新的肢芽，说明间质细胞分泌的FGF10是AER形成的“启动分子”。AER接收间质细胞发出的FGF10的信号，活化Wnt家族的蛋白质Wnt3a，Wnt3a又诱导AER中的细胞分泌FGF8。FGF8扩散回AER下面大约200微米范围内的间充质细胞之间，让这些间质细胞处于可塑状态，并且快速增生，形成一个由这些间质细胞组成的“增生区”（Progress zone，简称PZ区）。PZ区的细胞都按近-远端方向排列，它们的高尔基体都位于细胞的远端，这样PZ区间质细胞的增殖就会使肢芽在近-远端方向不断延长。控制细胞有方向排列的是Wnt5a蛋白，它是由来自AER的FGF信号诱导的。如果Wnt5a基因被突变，PZ区的细胞就失去方向性，形状变圆，这些细胞的增殖就会形成细胞团，而不是形成长度超过粗度的肢体。加入Wnt5a又会使细胞恢复方向性。
AER分泌的FGF8，还会使PZ区的间质细胞继续分泌FGF10，维持AER的存在。这样就在AER和PZ细胞之间形成互相依赖的正反馈循环。如果用非肢芽区的间充质细胞取代PZ区的细胞，AER就会退化，肢体的发育也会停止。
如果把肢体发育早期的PZ区的细胞移植到发育较晚期的肢芽上，会在已经形成的结构上重复形成同样的结构，例如在已经形成的桡骨和尺骨的远端再形成另一套桡骨和尺骨。但是如果把较晚期的PZ区细胞移植到较早的肢芽中，则会造成中间结构的缺失，例如桡骨和尺骨缺失，趾头直接连在肱骨上。这说明在肢体发育过程的不同阶段中，PZ区的细胞能够形成不同的结构，而且一旦PZ区的细胞确定了自己的“前途”，即使换一个地方，也会长出同样的结构。例如把前肢PZ区的细胞移植到后肢的肢芽上，会形成后肢的近段（例如股骨）和前肢掌段的趾头。与此相反，把早期的AER移植到晚期的肢体上，或者把晚期的AER移植到早期的肢芽上，肢体的发育都不受影响。把后肢的AER移植到前肢的肢芽上，长出来的仍然是前肢。这说明只有PZ区的细胞才能随着时间和空间（随着肢芽生长分化而不断移动的位置）的变化决定自己的命运，决定是分化形成前肢还是后肢的结构，是形成近段、中段、还是掌段。AER 只给出FGF信号，不决定前后肢的区别，也不决定肢体形成的结构是近段、中段、还是掌段。
控制前-后轴方向结构形成的组织中心ZPA
AER对肢芽生长的控制方向是沿着P/D轴的，即控制近端-远端结构的形成。但是肢体的发育还需要前-后端（沿着A/P轴）的控制机制，例如在中段中，桡骨位于前端，尺骨位于后端。在掌段中，拇指位于掌的前端，小指位于掌的后端。然而桡骨、尺骨、和5套指骨的方向都是和P/D轴平行的，AER不能有效地控制它们之间的区别性发展，而需要一个与P/D轴垂直的信号中心，控制肢体前后轴方向发育，这就是位于肢芽后端（相当于人的下端）部位的一团细胞，叫做“极性活化区”（Zone of polarizing activity，简称ZPA）。它分泌“音刺猬蛋白”Shh（见文章第一部分，扩散性信号分子）作为扩散性的信号分子，在肢芽中形成从后到前，浓度不断降低的浓度梯度，控制上肢沿前-后轴（A/P轴）的结构形成。与AER是由外胚层细胞组成不同，ZPA是由肢芽后端外胚层下面的间充质细胞组成的。
将额外的ZPA移植到肢芽的前端，就会使肢芽有两个A/P轴方向的ZPA信号中心，同时从前端和后端发出信号，结果就会形成以P/D方向为对称轴的镜面结构，例如在掌段，从前端到后端，会在同一个掌段依次形成第4、3、2、2、3、4趾，原来离ZPA最远，因而接收到最低Shh浓度的第1趾消失，第5趾也消失。把Shh基因插入病毒，感染鸡的成纤维细胞，再把这些表达Shh的成纤维细胞植入到肢芽的前端，同样会形成镜面结构。如果把小鼠的Shh基因敲除掉，肢芽的形状就会变瘦变尖，中段zeugopod和掌段autopod的发育都会出现异常。但如果小鼠中抑制Shh的Gli3基因敲除掉，肢芽就会变得很宽，并且形成多趾，说明Shh的确是控制肢芽前-后轴方向结构形成的扩散性分子。
ZPA和AER是互相依赖的。ZPA分泌Shh需要来自AER的FGF8的作用，Shh又会反过来诱导AER分泌FGF4。AER分泌的FGF4和FGF8会扩散到ZPA，维持Shh的表达。
控制背-腹轴方向结构形成的基因Wnt7a和En1
肢体，特别是肢体的掌段，明显地分为背-腹面。这个方向的轴线也被称为背-腹轴（dorsal-ventral axis，简称D/V轴）。例如掌的腹面（相当于人的手心）是不长毛的，而背面（相当于人的手背）长毛，皮肤的结构也不同。控制掌段背-腹轴分化的一个基因是Wnt7a基因，它表达于背面外胚层的细胞中。Wnt7a分子从这些细胞分泌出来以后，扩散到背面的间充质细胞之间，诱导这些间质细胞合成转录因子Lmx1，让肢芽发展出背面的结构。敲除Lmx1基因会使小鼠掌段的背面变成腹面，这样掌段的两面都会长出腹面的皮肤，相当于人的手两面都是手心。
另一个基因，engrailed，简称En1，表达在肢芽腹面的外胚层细胞中。它能够抑制Wnt7a的作用，使背面结构不能在腹面发展，使得腹面结构得以形成。
T盒子基因控制前肢和后肢的发育
既然前肢和后肢的发育都是由AER、ZPA和Wnt7a控制的，为什么还会有前后肢的区别呢？这是因为前后肢的发育还为另一组基因所控制，即T盒子基因（T box gene，简称Tbx基因）。
Tbx基因家族的产物是转录因子，都含有一个叫做T盒子的DNA结合区段。其中Tbx5蛋白控制前肢的发育，而Tbx4蛋白控制后肢的发育。如果把浸泡有FGF的小珠植入鸡的胚胎中，则会在植入处的前端诱导Tbx5基因的表达，在植入处的后端诱导Tbx4基因的表达，说明FGF可以控制这两个Tbx基因在胚胎的不同部位表达，形成前肢或后肢。
Tbx基因对于心脏的发育也是必要的。Tbx5基因的突变会导致Holt-Oram综合症。除了上肢畸形，例如拇指像其它指头，手指弯曲外，左心室和右心室也不能分隔开。
视黄酸RA的作用
除了在肢芽顶端的AER影响近-远轴（P/D轴）方向的结构以外，从P/D轴另一端来的视黄酸（retinoid acid，简称RA，见文章的第一部分）信号也参与肢体的发育。用化学药物阻断RA的合成，就会阻止肢芽的形成。如果把蝌蚪的尾巴切断，再浸泡在RA的溶液中，在尾巴的断处会长出许多只脚，说明RA对于肢芽的形成是非常必要的。但是RA只在诱导肢芽的形成过程中起作用，对于随后肢体结构的形成没有影响。RA可以抑制来自AER分泌的FGF8的作用。在近端RA的浓度高，活化为近端结构形成所需要的基因，而在远端FGF8的浓度高，活化为远端结构形成所需要的基因。视黄酸的作用，也符合Spemann的组织中心学说，即某些细胞分泌的扩散性分子控制远距离细胞的命运。
趾头的形成也遵循图灵原理
AER和ZPA的功能和它们分泌的扩散性分子说明，Spemann的组织中心学说是正确的，在指导动物肢体发育中发挥作用。另一方面，肢体中段的桡骨和尺骨，掌段的5指，又具有明显的周期性，即在A/P轴方向上显现出成骨-不成骨-成骨这样的周期。特别是在掌段，这样的周期达到5个，使人猜想图灵原理也在起作用。Spemann的组织中心学说只要求这些组织中心分泌出扩散性的信号分子，并不一定要求（但是也不排斥）这些分子之间要相互抑制。AER分泌的FGF8，ZPA分泌的Shh，都是很好的例子。但是图灵理论却是“反应-扩散理论”（reaction-diffusion theory），要求至少一个正调控的分子和一个抑制性分子。要在肢体的发育过程中证实图灵原理，鉴定出这两类分子，是很困难的，因此在长时期中，图灵学说只在身体表面的图案形成中（例如动物皮肤上的斑纹和毛囊位置的确定）被证实，而在动物身体内部器官的形成过程中是否也起作用，一直是一个未知数。
这种情形最近才改变。2014年，西班牙的科学家James Sharpe等人用小鼠五趾形成过程中各种基因表达区域的信息、基因敲除技术、以及计算机模拟等研究方法结合起来，证明了小鼠五趾的形成过程遵循图灵原理。
这些科学家首先测定了肢芽中要形成五趾的区域和五趾之间的区域中，各种基因的表达状况。他们发现，形成趾骨的关键基因Sox9在五趾形成区高度表达，而在趾间区域的表达水平很低。Sox9基因对于趾骨的形成是绝对必要的，如果Sox9基因失活，就没有趾头形成。与Sox9基因的表达区域相反，骨形态发生蛋白BMP（主要是BMP2、4、7）和Wnt蛋白的工作信号（分别为Smad和b-连锁蛋白，见本文第一部分）在趾间区最强，在成趾区很弱。而在前-后轴方向上，FGF的表达程度没有明显变化，这也和分泌FGF的AER在方向上是和前-后轴垂直的情形一致的。这些结果说明，BMP和Wnt两种扩散性分子可能在五趾的形成中起控制作用。
科学家早就知道，BMP能够增加Sox9基因的表达，即促进指骨的形成，而Wnt抑制Sox9基因的表达，阻止趾骨的形成。在成趾区，BMP的下游分子Smad有高表达，证明趾间区里面的间充质细胞分泌的BMP能够扩散到成趾区去，在那里诱导Sox9基因的表达。这样我们就已经有了一个正调控的扩散分子BMP和一个负调控的扩散分子Wnt，符合图灵反应-扩散学说的要求。而且肢芽外胚层细胞分泌的Wnt分子能够抑制靠近外胚层的间充质细胞形成趾骨，使得趾骨只能在趾头的中轴区域形成。
如果把Sox9基因敲除掉，BMP和Wnt信号区域就不再显示出周期性，而是在整个掌区均匀分布，说明在成趾区的Sox9蛋白并不是BMP和Wnt的下游分子，而能够抑制BMP和Wnt的信号传递链，是BMP-Sox9-Wnt作用系统的成员之一。如果用BMP信号通路的抑制剂LDN-212854阻断BMP的作用，Sox9的表达就消失，没有趾头形成。如果用Wnt信号通路的抑制剂IWP2阻断Wnt信号通路，Sox9就会在整个掌区表达，证明Wnt的确在掌段的趾间区抑制趾骨的形成。这样，BMP蛋白通过扩散作用促进成趾区Sox9基因的表达，Wnt蛋白通过扩散作用在趾间区抑制Sox9基因的表达，而Sox9又抑制BMP和Wnt在成趾区的表达，这些作用就是形成五趾的图灵机制。
趾骨形成的图灵机制还可以从另一个实验中得到证实。Sharpe等人把发育中肢芽的成趾区细胞（高Sox9表达）和趾间区细胞（低Sox9表达）提取出来，分别放在培养基中在体外培养，结果在十几个小时之后，这两种细胞都自动形成了图灵学说预期的图案，即Sox9高表达的区域散布在Sox9低表达的区域中，类似于豹子皮肤上的斑点。这说明无论是成趾区的间充质细胞，还是趾间区的间充质细胞，都还保留了自动形成周期性图案的能力，是图灵学说最直接的证明。
当然这样形成的斑点并不是趾头的形状。但是如果把趾芽的生长过程考虑进去，并且用FGF和它控制的Hox基因来调节图灵图案的周期，计算机模拟就能够准确地复制出小鼠上肢趾头形成的图案。
从以上的介绍可以看出，在趾头形成的过程中，图灵机制和前面谈到的AER和ZPA组织中心都在起作用，所以趾头形成的实际过程是非常复杂的，涉及到多种控制机制的共同作用。
为什么我们有5根指头？
我们在前面曾经谈到，目前地球上所有的四肢动物都有5根手指或脚趾。对这个现象有三种解释。
第一种是图灵学说。掌段的间充质细胞本身就具有形成周期性结构的能力，这从掌区的间充质细胞在体外就能自动形成高和低Sox9表达水平的斑点状图案就可以得到证明。而图灵图案的周期性是可以调节的。在四肢动物身上，这样的周期调节正好可以形成5根趾头。
第二种是从ZPA组织中心分泌的Shh的控制作用。完全去除Shh信号通路会使中段的两根骨头变成一根，前端的桡骨形成，后端的尺骨消失。完全除去Shh信号通路使掌段只形成最前端的第1趾，比第1趾后端的4根趾头都消失了。这说明位于肢芽后端的ZPA分泌的Shh对后端骨头的形成是必要的。如果不让Shh蛋白上有胆固醇分子，在前端会形成更多的趾头，说明Shh可以向肢芽前端扩散得更远，诱导更多的趾头形成。但是如果不让Shh蛋白带有脂肪酸分子，就会造成第2趾的缺失，以及第3趾和第4趾的融合。这些结果都说明Shh信号对于趾头的形成和数量是有控制作用的。
Shh的一个作用就是控制Gli3R的作用。在没有Shh信号的情况下，下游转录因子Gli会被“蛋白酶体”切断，被切下来的羧基端进入细胞核，抑制基因的表达（见本文第一部分）。Shh能够抑制Gli分子被蛋白酶切断，而全长的Gli蛋白则是促进基因表达的分子。研究表明，在Gli蛋白家族中，Gli1和Gli2和趾头的形成无关，而Gli3的羧基端对基因表达有抑制作用，叫做Gli3R。由于Shh的浓度在肢芽后端更高，Gli3R的浓度会在肢芽的前端更高，起到抑制更多趾头形成的作用。如果敲除Gli3基因，就会形成更多的趾头。Shh在肢芽后端的高浓度和Gli3R在肢芽前端的高浓度彼此协同，控制趾头的生成。由于最前端的第1趾在没有Shh信号的情况下也可以生成，可以认为第1趾不需要Shh信号。
Shh的浓度在肢芽后端最高，但是趾头形成的顺序却是4-2-5-3。如果在不同的时间切断Shh信号，则最先失去的是趾头3，然后是5、2、4，和正常情况下趾头形成的顺序正好相反。对此现象的解释是，Shh对趾头形成的作用决定于间充质细胞接触Shh分子的浓度和时间，后端趾头的形成需要较长时间地接触Shh。在肢芽发育过程中用“环巴胺”（cyclopamine）阻断Shh信号会缩短间充质细胞接触Shh的时间，影响后端趾头的形成。再一个因素是，后端的间质细胞和高浓度的Shh长时间接触，会形成“去敏化”，即对Shh不那么敏感，因此第5肢（最后端的趾头）并不是最先形成的。
按照这些推理，掌段5根趾头对Shh的要求是：
第1趾，不需要Shh。
第2趾，需要Shh的长距离传输，短时接触。
第3趾，第2趾的形成会延伸到第3趾的形成。
第4趾，需要长时间接触Shh。
第5趾，第4趾的形成会延伸到第5趾的形成。
第三种解释是同源异形盒基因（Hox基因，见本文第一部分）对5趾身份的规定。在肢芽发育的过程中，Hox基因组里面的Hoxd基因中，只有5个基因，即Hoxd4、5、6、7、8在肢芽中表达（注意不要把这些数字与趾头的命名混淆起来）。它们都在肢芽的最后端表达，但是向前端表达的范围逐渐增大。例如Hoxd8只在肢芽的最后端表达，Hoxd7也在肢芽的后端表达，但是范围要广一些，超出Hoxd8基因表达的范围。Hoxd6表达的范围又超出Hoxd7的范围，Hoxd5表达的范围更大，Hoxd4则在整个肢芽表达。这样，肢芽中Hoxd基因的表达情形就分为5个区，所有5个Hoxd基因都表达的区域（4、5、6、7、8），位于肢芽的最后端，然后是只表达4个Hoxd基因的区域（4、5、6、7），位于（4、5、6、7、8）区域的前端，然后是表达3个Hoxd基因的区域（4、5、6），再是表达2个Hoxd基因的区域（4、5），最后是只表达Hoxd4的区域，位于肢芽的最前端。
这5个表达不同数量的Hoxd基因的区域，就对应于5根指头的身份。由于只有5个Hoxd基因以这种方式参与动物趾头的形成，所以四肢动物的趾头应该是5个。人的多指并不是长出了和正常的5指不一样的指头，而是其中一根指头的复制品。也就是说，四肢动物只能有5个趾头类型。四肢动物中较原始的棘鱼（Acanthostega，也叫石螈）的前肢有8根趾头。似乎违背了这个规则。但是仔细检查这8根趾头，发现它们也只属于5种类型，其中第I、第III、和第IV趾被复制，是双份。棘鱼的这种情形也许和它仍然主要在水中生活，需要较大的鳍来游泳有关。在这方面，棘鱼多趾的功能更类似鱼的鳍，由多根细长的鳍条支撑。陆生动物需要比较强壮的趾头来支撑动物的重量，多而细的趾头是不利于陆上生活的。5根趾头看来最适合许多动物在陆地上生活的需要，进化也就把这样的“设计”固定了下来。
这三种假说都能够在一定程度上解释为什么四肢动物有5趾，但是都缺乏整个控制过程的细节，所以现在还难以判断哪一种机制是正确的。细节的阐明有可能将这几种机制统一起来。
为什么鸭掌有蹼而鸡没有？
无论是小鼠的四肢，还是人的手脚，都是有指头（趾头）的。这不仅要求有形成趾骨的机制，还需要趾间的组织消失。在掌段的发育过程中，在成趾区之间的间充质细胞会分泌BMP蛋白。这些蛋白不仅能够诱导成趾区的细胞变成软骨，随后变成趾骨，还使得趾间区的细胞“自杀”（也叫“凋亡”，即细胞的程序性死亡，英文叫apoptosis）。
如果在细胞中表达对抗BMP分子的蛋白质，让BMP分子失去作用，不但会影响趾头的形成，趾间区的细胞也不会凋亡。由于BMP蛋白可以扩散到成趾区，促使那里的间质细胞形成趾骨，而BMP同时又能够使间充质细胞凋亡，因此在成趾区，间充质细胞表达的Sox9基因的产物能够诱导BMP的拮抗物Noggin基因的表达。Noggin蛋白可以保护成趾区的间充质细胞，使它们不启动凋亡的程序。
许多水鸟如鸭、鹅、鸳鸯、天鹅，脚趾之间都有蹼，以利于划水。这就是趾间的细胞没有完全凋亡的结果。如果把鸡和鸭后肢的肢芽互换，具有鸭间充质细胞的鸡就会长出有蹼的后肢，说明这些间质细胞里面已经有不完全凋亡的指令。
鱼的鳍是怎样进化成为四肢动物的肢体的？
鱼类是没有四肢的，靠鳍（fin）来游泳。鳍通常也有两对，分别是前鳍和后鳍。研究发现，动物的四肢，是从鱼类的前后鳍进化而来的。鱼在水中生活，身体的比重与水相似，基本上没有承重的问题，所以不需要能够承重的趾，而主要是靠多条细长的鳍条（fin ray）来维持鳍的形状和柔韧性。例如“幅鳍亚纲”（Actinopterygians）中的“斑马鱼”（zebrafish）的鳍有10根鳍条，其中5根还分叉。“软骨鱼”（Chondrichthyan）中的鲨鱼（sharks）有11根鳍条，都不分叉。“肉鳍鱼”（Sarcopterygians）中的“古鳍鱼”（Sauripterus）有17根鳍条，其中12条分叉；“潘氏鱼”（Panderichthys）有13根鳍条，其中8根分叉；“提塔列克鱼”（Tiktaalik）也有13根鳍条，其中8根分叉。
四肢动物的肢骨是“内骨骼”(endoskeleton)，在软骨的基础上由成骨细胞钙化而成。四肢动物在陆上生活，没有水的浮力，必须有能够承重的肢体，细长柔软的鳍显然是不能满足需要的。如果动物要奔跑，在掌段接触地面的一瞬间要经受巨大力量的冲击，更需要强壮的脚掌和趾头来承受这样的力量。由鳍条变为趾骨，长度变短，数量从10根以上减少到5根，看来是陆生动物最佳的选择。
而鳍条是“外骨骼”（exoskeleton），又叫“膜骨”（membrane bones），不经软骨阶段，而是由间充质细胞直接钙化而成。而四肢动物的趾骨是“内骨骼”（endoskeleton），要经过软骨的阶段，由成骨细胞取代软骨细胞，再钙化而成。这样的转变是如何发生的？在胚胎发育的初期，鱼身体侧面的鳍芽（fin bud）发育成为鳍，动物身体侧面的肢芽（limb bud）发育成为四肢。又是什么原因使得鳍芽发育成为鳍，而肢芽发育成为肢？
从鳍到肢内骨骼的变化
如果检查各种鱼鳍内部的结构，就会发现鱼鳍的根部还是有一些内骨骼的，而且逐渐变化成为类似肢体中的肱骨、桡骨和尺骨。例如在幅鳍鱼的鳍中，在靠近身体的地方就有两列内骨骼，其中近端的较长，远端的短小，和鳍条相连。这些内骨骼占鳍很小的一部分，在结构上也难以和四肢动物的肱骨、桡骨和尺骨相比较。而到了被认为是四肢动物祖先的肉鳍亚纲的鱼，鳍中的内骨骼的组成就已经很像四肢动物肢体中的近段和中段。其中的“提塔列克鱼”（Tiktaalik）的内骨骼被认为是和四肢动物的肢骨最相似的。最靠近鱼身体的只有一根骨头，相当于四肢动物的肱骨。鳍中与这根骨头以关节相连的，是两根骨头，相当于四肢动物的桡骨和尺骨。与这两根骨头相连的，是多列短小的骨头，类似于四肢动物的腕骨和掌骨。不过再远端还没有指骨，而仍然是鱼的鳍条。所以提塔列克鱼的鳍其实是鳍和肢的混合物，提塔列克鱼也被称为是“会走路的鱼”。从鱼鳍到完全的肢体，最后一步是趾骨的出现。
鳍变为肢的过程中基因表达状况的变化
如果检查鳍和肢发育过程中基因表达的状况，可以发现它们之间有许多相似之处。例如鳍亚和肢芽都有位于顶端的AER组织中心，而且AER的标志性基因如Wnt2b、dlx2、dlx5a、sp8、sp9，在鳍和肢的AER中都有表达。抑制sp8和sp9的活性，鳍芽就消失。FGF信号对于鳍的发育也是绝对必要的。在鳍发育的初始阶段，鳍芽中的间充质细胞表达FGF24，而FGF24能够促使FGF10基因的表达，相当于肢芽的间充质细胞表达FGF10。如果FGF24的基因突变，这些间充质细胞就不再表达FGF10，鳍芽也消失。随后，FGF24的表达转移到鳍芽的AER中。由于FGF24与FGF8属于FGF超级家族里面的同一亚家族，这相当于鳍芽的AER也表达FGF8。在鳍的发育过程中，FGF24既在间质细胞中表达，也在AER中表达。而在四肢动物中，是间质细胞先表达FGF10，FGF10再诱导AER表达FGF8。Shh蛋白也在鳍芽中表达，对于鳍的形成也是必要的。
鳍和肢基因表达的一个关键性差别，也许是在近-远方向轴（P/D axis）上两个Hox基因的表达方式不同。无论是在鳍芽还是在肢芽中，最近端表达的基因都是Meis1，它负责肢体中肱骨的形成和鳍中最近端的内骨骼的形成。比Meis1基因表达区域远端的，在四肢动物中是Hoxa11和Hoxa13。在斑马鱼中是Hoxa9和Hoxa11，相当于四肢动物的Hoxa11和Hoxa13。在四肢动物肢芽发育的初期，Hoxa11和Hoxa13的表达区域是完全重合的，但是随着肢芽的发育，Hoxa11和Hoxa13的表达区域逐渐分开，Hoxa11的表达区域与Meis1的表达区域相邻，负责桡骨和尺骨的形成，突变小鼠的Hoxa11，桡骨和尺骨就消失。而Hoxa13的表达区域在肢芽的最远端，负责趾骨的形成。Hoxa13基因的突变会造成趾骨畸形和融合。但是在鱼鳍中，Hoxa9和Hoxa11的表达区域一直重合，没有彼此分离的情形。成年蛙上肢再生时，Hoxa11和Hoxa13都表达在再生肢的间充质细胞中，但是它们表达的区域相互重叠，并不分离，所形成的新肢也就像一个椎状物，而没有五趾。这些现象说明，Hox基因表达区域的区分看来是四肢动物中掌区骨头发育的关键。
这种Hox基因分段表达的一个后果就是AER内面间充质细胞形成的功能区域。在四肢动物中，与AER直接相邻的间质细胞形成“增生区”（Progress zone，简称PZ区，见本节前开始部分），它依次发育为肢体的近段、中段、和掌段。而在鳍芽中，AER会形成一个叫“顶褶”（Apical fold，简称AF）的结构。AF由两层上皮细胞组成，间充质细胞在这两层上皮细胞之间的空间中形成鳍条。四肢动物的肢芽不会形成AF，也没有鳍条区域。估计是基因表达方式的变化，很可能是两种Hoxa基因在近-远轴方向上的分段表达，使得AF结构消失，代之以增生区PZ，才使得四肢动物中的掌段得以发展出来。
鱼鳍和四肢动物的肢体之间的比较说明，许多为四肢动物肢体发育所需的基因，如Meis1、FGF、Wnt、Hox，在鱼类的鳍中就已经出现了。它们表达的位置和控制这些身体附件发育的方式也相似，也通过AER与下面的间充质细胞相互作用来引导这些结构的发展。这不但支持四肢动物的前后肢是从鱼鳍进化而来的理论，也表明生物在身体结构形成上所使用的“工具分子”是高度保守的。
为什么鲸鱼和海豚的趾骨数特别多？
鲸鱼和海豚是哺乳动物，是四肢动物下水演变而成的。它们和四肢动物一样，具有5根趾头。但是鲸鱼和海豚的五趾并不分开，而是在前肢位于像鱼鳍那样的器官中，后肢形成像鱼尾的结构，在方向上和鱼尾垂直。不仅如此，比起人和小鼠来，它们每根趾的趾骨数量要多得多。人手的拇指只有两个指骨，其余的手指有三个指骨。而鲸鱼和海豚的第2趾有7块趾骨，有的海豚第2可以有多达11块趾骨。这些趾骨数量的增加估计是和这些在水中生活的哺乳动物四肢变回鱼鳍形状的游泳器官有关。
四肢动物趾头中趾骨的数量看来和间充质细胞接触来自AER的FGF8信号在时间的长短有关。延长FGF8信号的作用时间，就会形成更多的趾骨，而在趾头发育过程中破坏AER，或者用FGF受体的抑制剂，FGF信号链消失，就会形成趾尖，结束趾头的发展，导致数量少于正常的趾骨。
小结
动物肢体的发育过程证明，是扩散性信号分子和它们的抑制物之间的相互作用在三个相互垂直的方向上控制着肢体形成的过程，特别是由Spemann组织中心分泌出的扩散性分子（AER分泌的FGF8和ZPA分泌的Shh）从两个相互垂直的方向控制肢体的发育。这个过程是动态的，随着肢芽的发育，AER内增生区（PZ区）的间充质细胞会有不同的命运，依次变为近段的肱骨，中段的桡骨和尺骨，掌段的腕骨、掌骨和趾骨。手掌的背-腹面则被Wnt7a和En1基因分别控制。在同时，增生区的间充质细胞又具有自我形成周期性结构的能力，通过BMP-Sox9-Wnt系统控制掌段成趾区和趾间区的形成，而这种周期的大小又由FGF信号和Hox基因调节，形成五趾，证明了图灵学说的正确性。这些基本的调控原理在鱼鳍的发育中就开始起作用，也许是两个Hox基因在近-远轴上表达区域的分离让鳍条的区域消失，掌区得以发展出来。
近年来的科学研究已经提供了动物肢体发育的大量信息，但是与动物肢体结构的复杂性相比，这些结果还是很初步的和粗线条的。例如五根趾头的长短和形状就彼此不同，每个指骨也是在靠近关节的地方较粗，中间部分较细。肱骨、桡骨和尺骨也不是粗细均匀的圆棍，而是各有特定的形状。这些特殊的形状都需要更精细的调节。围绕骨头的肌肉、血管、神经是如何生成的，还是尚未被解答的问题。尽管如此，已经获得的研究结果已经向我们展示生物结构形成的控制机制究竟是什么，DNA的蓝图功能是怎样实现的。虽然我们还不知道四肢形成的所有细节，但是从上面的研究结果可以推测，这些发育过程也是通过信号分子，包括扩散性信号分子和细胞-细胞之间直接相互作用来完成的。
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第三节 执行扩散信号分子命令的“专业户”基因——Hox和Pax基因
靠扩散来影响其它细胞的命运的分子，可以在远距离（即多个细胞的距离）上决定细胞的命运，从而在器官的尺寸水平上形成各种组织和结构。但是在形成各种器官时，还需要具体负责“建造工程”的基因。例如果蝇的身体外部就有口器、眼、触角、腿、翅膀等结构，要靠扩散分子来直接控制这些结构的形成，“线条”还太“粗”。这就像城市管理机构可以决定在哪里修建机场，在哪里建购物中心，在哪里建公园，但是具体建造这些场所还需要具体的“专业户”。他们各司其责，建机场的不负责建购物中心，建购物中心的不管建公园。在果蝇身体中，就有这样的“专业户”，有的负责触角的生成，有的复杂眼睛的生成，有的负责腿的生成。它们从扩散分子接到指令，动员下游的有关基因，具体去完成各种结构的建造。
这样的“专业户基因”有多种，其中一种就是“同源异形基因”（homeotic gene）。在这里homeotic的意思是如果这种基因发生突变，原先负责建造的结构就会变成另外一种结构，例如pb基因的突变会使原来应该长口器的地方长出腿来。另外一种叫做“Paired Box基因”，简称Pax基因，是与同源异形基因关系密切的基因。它们在生物结构中也起重要作用，例如Pax3的突变会造成耳聋，Pax6的突变会使眼睛不能正常形成，Pax2基因突变影响肾脏的正常形成等。
果蝇的Hox基因 同源异形基因也是发现“刺猬蛋白”（Hedgehog protein）的德国科学家Christiane Nüsslein-Volhard和EricWieschaus用突变剂“乙基甲磺酸脂”（EMS)对果蝇进行“饱和突变”时发现的。随后，美国科学家Edward B. Lewis具体研究了这些基因在果蝇胚胎发育中的作用，即发现了果蝇中具体实现结构形成的“专业户”。
对这些基因的研究发现，这些基因的蛋白产物都是转录因子，而不再是分泌到细胞外，通过在细胞之间扩散来发挥作用的分子。它们位于细胞内，管理为形成某个结构所需要的全部基因。例如果蝇的Antennapedia基因（简称Antp基因）是负责“包工”果蝇腿的形成的，这个基因的蛋白产物就可以调动为腿的形成所需要的全部基因。只要这个基因被表达，在表达基因的地方就会长出腿来，而不管是在身体的什么地方。例如果蝇头部的Antp基因被活化，在原来该长触角的地方就会长出腿来。所以这些基因相当于是“包工队”的“队长”，它根据自己的任务动员所需要的人员和设备来完成特定的建造工作。 这些“包工队”的“队长”也不是只做一种工作，这就要看在具体的生物中下游基因是什么。例如Ubx基因在果蝇中是控制平衡杆（Halteres）的生成，而在蝴蝶中是控制后翅的形成。这就像包工队的队长不是只会盖一种楼，而是可以盖彼此有相似性的楼一样。
这些基因还可以相互作用，例如Ubx基因的产物就可以结合在Antp基因的启动子上，抑制Antp基因的表达。在Ubx基因被活化的地方，Antp基因就不能起作用。这样，就不会出现数个专业户因为争夺工程而互相“打架”的情形。
果蝇的同源异形基因都位于第3染色体上，分为两群，分别是“双胸复合群”（Bithorax comlex，简称BX-C），和“触角复合群”（Antennapedia Complex，简称ANT-C），这两个homeotic基因群统称HOM-C。 对这些基因的DNA序列分析发现，每个基因都含有一个高度保守的，由180个碱基对组成的区段，为60个氨基酸编码。由这些氨基酸组成的肽链段负责和下游基因调控部位的DNA序列结合，而且各种同源异形基因的这段DNA序列高度相似，被统称为“同源异形盒”（Homeobox），这些基因也就在英文中被称为Homeobox基因，简称Hox基因。
既然不同的Hox基因的同源异形盒都高度相似，下游基因又如何区分这些基因，从而决定哪些Hox基因管控哪些下游基因呢？这就是盒子中第9位的氨基酸的作用。所有的同源异形盒都能够结合到下游基因调控部位的TAAT序列上，但是区分不同盒子的是DNA序列在这个TAAT序列旁边的核苷酸。例如果蝇的Antp基因的盒子在第9位上的氨基酸是“谷氨酰胺”，结合到TAAT序列旁边的腺嘌呤（A）上。而果蝇的Bicoid蛋白中，第9位的氨基酸是赖氨酸，结合到TAAT序列旁边的鸟便嘌呤（G）上。如果把Bicoid蛋白中的赖氨酸换成谷氨酰胺，它就会结合到Antp控制的基因上。通过这种方式，不同的Hox基因就可以特异地控制自己的下游基因，它们的作用就不会彼此混淆了。
Hox基因在果蝇第3号染色体上的排列方式也很有趣，即它们在染色体中的排列顺序和它们在果蝇身体上表达部位的空间顺序一致。位于DNA 3’端的Hox基因表达在果蝇身体的头部，而位于DNA 5’ 端的Hox基因表达在果蝇身体的尾部，位于这两端之间的Hox基因也按照它们在DNA中的顺序在身体中依次排列，这个现象叫做“同线性”（Co-linearity）。为何Hox基因在DNA上排列的顺序和它们在身体中表达的空间顺序相同，一直是使发育生物学家感到困惑的问题。控制性别的基因中，位于上游和下游的基因在DNA上就不按什么顺序排列，甚至可以不在同一条染色体上。Hox基因的同线性也许是这些基因需要排列在一起，以受一些共同的机制调控。
哺乳动物的Hox基因
由于180个碱基对的DNA序列（同源异形盒）在Hox基因中是高度保守的，用这部分DNA序列来和哺乳动物的DNA杂交，就可以找出哺乳动物中类似的基因。用这种方法，科学家在哺乳动物如小鼠（mouse）和人身上也发现了Hox基因。如果把果蝇的“双胸复合群”和“触角复合群”（称HOM-C）总共算做一组，那么哺乳动物中就有四组，分别叫做A、B、C、D，每一组里面有13个Hox基因的位置，其中一些和果蝇HOM-C中的Hox基因对应，因此哺乳动物有四套Hox基因。这四组Hox基因位于不同的染色体上，例如在小鼠中，它们分别位于第6、11、15、2号染色体上，在人体中这四组Hox基因则分别位于第7、17、12、2号染色体上。人类的Hox基因全用大写英文字母，例如HOXB1表示B组Hox基因中的第1号基因。小鼠的Hox基因则只第一个字母大写，例如Hoxa10表示小鼠a组Hox基因中的第10个。
如果把果蝇HOM-C中Hox基因的排列顺序和哺乳动物每组中Hox基因的排列顺序相比较，就会发现对应基因的排列顺序是一致的，即在进化过程中保留不变。例如果蝇中 Dfd-Scr-Antp-Ubx-abdA-abdB 的排列顺序，就和人对应的 HoxB4-HoxB5-HoxB6-HoxB7-HoxB8-HoxB9 基因的排列顺序一致。其中人的HOXB4就相当于果蝇的Dfd，人的HOXB7就相当于果蝇的Ubx，等等。不同组中号码相同的Hox基因功能相似，叫做“平行同源家族”（paralogs）。例如小鼠的Hoxa3、Hoxb3、Hoxd3都和颈部脊椎骨的形成有关。多个平行同源家族的基因由于功能相似，相当于具有备份，这样一个基因的突变就不容易造成重大的恶果。例如Hoxa11和Hoxd11都和手臂中的桡骨（radius）和尺骨（ulna）的形成有关。突变Hoxa11基因或者突变Hoxd11基因都只能对桡骨和尺骨的形成造成轻微缺陷，只有这两个基因同时突变才会使桡骨和尺骨无法形成。不同动物中同号的基因功能也相似。例如鸡的Hox基因就能取代果蝇的对应基因。但是同组中相邻的Hox基因功能却彼此不同。例如Hoxa11的功能就不能由Hoxa3基因取代。
在哺乳动物中，身体的发展和调节更为复杂，Hox基因不仅在胚胎发育中起作用，也在成年动物身上起作用，例如在血细胞的分化上，这就和Hox基因在结构上的作用无关了。反过来，身体里面一些结构的发育也不完全由Hox基因控制。例如在动物眼睛的发育中，Pax6 基因就起关键作用，敲除小鼠的Pax6基因，眼睛就不能形成。而且Pax6基因的作用是高度保守的，小鼠的Pax6基因甚至能够在果蝇中诱导眼睛的生成。所以在前面我们说Hox基因是“包工队”的“队长”，只是一个简化的比喻，Hox基因的工作方式是非常复杂的。
许多Hox基因受上游基因的控制，特别是我们前面讲到的成纤维细胞生长因子FGF和视黄酸RA。它们位于发育中的胚胎的两端，分别控制一些Hox基因。FGF主要控制DNA上5’端（对应于动物的尾端）的Hox基因，而DNA上3’端（对应于动物首端）的Hox基因主要为RA所控制。
水螅和酵母就有Hox基因
科学家在果蝇中发现Hox基因后，人们一度以为Hox基因只存在于两侧对称生物中（bilaterals），因为这些生物才有前后轴和背腹轴。然而在刺细胞动物（Cnidaria）如水螅（Hydra）中，科学家也克隆到了5个Hox基因，并且测定了其中两个的DNA序列（分别叫做Cnox-2和Cnox-3）。虽然水螅的身体像一根空管，是辐射对称的，Hox基因在水螅中被发现说明Hox基因很早就开始扮演结构形成的角色。Cnox-3主要集中在水螅身体的上1/8部分，在身体和触角的交界处，也在出芽水螅的顶端。如果水螅从中间切断，下半截朝上的部分（即原来的嘴的方向，也可以看出水螅的“头”的方向）就会表达比较高的Cnox-3，促使水螅长出新的“头”。而Cnox-2主要表达在身体的其余部分，而在水螅身体的上1/8部分很少表达，所以Cnox-2的作用可能是抑制“头”的生成。
从Cnox-2和Cnox-3蛋白的氨基酸序列来看，它们分别类似于小鼠的Hox-4和Hox-1，都是表达在靠身体靠前部的基因。如果把水螅的“头部”看成“前端”，而Cnox-3的表达位置比Cnox-2更靠前端，这说明水螅的Hox基因就已经根据身体的前后位置来表达了。也就是说，在两侧对称动物出现之前，Hox基因就已经在动物身体的发育上起作用了。这些事实说明，Hox基因组也许最先是由一个Hox基因经过复制然后分化形成的，而在哺乳动物中又整组Hox基因被复制。
Hox基因的出现甚至可以追溯到水螅之前，例如Hox基因在单细胞的裂殖酵母（Schizosaccharomycespombe）中就已经有了。它含有一个同源异形盒，被称为“裂殖酵母的Hox基因”（Pombe Homeobox），简称Phx1基因，说明Hox基因有非常久远的历史。目前测到的Phx1基因的功能是增加丙酮酸脱羧酶的合成，把原来用于三羧酸循环原料的丙酮酸变成乙醛，再变为乙醇，即对有机分子进行无氧代谢，增强酵母菌在生长停滞期和营养缺乏时生存的能力。Phx1是如何在多细胞动物中变为控制结构形成的基因的，或者哪一个单细胞生物的Hox基因后来演变为动物的Hox基因，是一个有趣的问题。
Pax基因家族
除了Hox基因，另一组基因，叫做Pax基因的，也在动物身体的结构形成上起重要的作用。它们含有部分的或者整个的同源异形盒（Homeobox），因此和Hox基因家族关系密切，可以看成是Hox基因的“亲戚”。和Hox相同的是，Pax基因也是转录因子，通过结合在基因的调控序列上影响基因的表达。和Hox基因不同的是，Hox蛋白只有一个DNA结合区段（即同源异形盒），而Pax蛋白有两个DNA结合区段，一个是同源异形盒，叫“同源异形区段”（Homeodomain，简称HD）。另一个叫“配对区段”（Paired domain，简称PD）。由于这些基因的产物有两个（成对的）DNA结合区段，这些基因也因此叫做“成对区段基因”（Paired Box）基因，简称Pax基因。Pax基因用这两个DNA结合区段分别执行不同的任务。例如Pax6蛋白用HD来控制眼睛的发育（包括晶状体和视网膜），而用PD来控制神经系统的发育。
像Hox基因家族一样，Pax基因家族也有多个成员，分别执行不同的功能。
在小鼠中，Pax1基因控制脊柱的发育和身体分为节段。估计在人体中也有类似功能。Pax1蛋白由440个氨基酸残基组成。
Pax2有417个氨基酸单位，主要控制肾脏的形成，Pax2基因的突变会造成肾功能缺失或者肾肿瘤的发生。
Pax3和耳朵、眼睛和面部的发育有关，有479个氨基酸单位。Pax3基因突变会导致耳聋。
Pax4基因和胰腺中分泌胰岛素的b细胞的形成有关，有350个氨基酸单位。
Pax5基因和神经系统发育和生精过程有关，和免疫系统中B细胞的分化也有关系。它有391个氨基酸单位。
Pax6基因是控制眼发育的关键基因，也和其它感觉器官（例如嗅觉）的发育有关。
Pax7基因和肌肉的发育有关，有520个氨基酸单位。
Pax8基因和甲状腺的发育有关，有451个氨基酸单位。
Pax9基因和骨骼牙齿的发育有关，有341个氨基酸单位。
从Pax基因以上的功能看出，Pax基因，同Hox基因一样，也是具体指导各种组织和器官形成的“专业户”。它们从扩散因子中获得指令，在具体的组织和器官中发挥作用。扩散因子正是通过这些“专业户”来具体形成各种组织和器官的。
以上的介绍说明，生物体从一个细胞（分生孢子或者受精卵）发育成为具有复杂结构的生物体，不是依靠DNA直接的结构指令（这些直接的结构指令也并不存在），而是依靠胚胎发育过程中一些细胞或细胞团分泌的扩散性分子控制大范围内其它细胞的命运，使它们向不同的细胞类型方向发展。这些扩散性分子通过具体的“专业户”（例如Hox基因和Pax基因）来具体动员形成一个结构的基因。这些基因再控制下游基因的表达，使细胞产生极性，再通过细胞-细胞之间的直接接触，同类细胞聚集在一起，成为片状或管状的结构，而不同类型的细胞则通过表面结合分子的差别彼此隔离，形成边界，最后导致各种结构的形成。也就是说，生物是通过若干总数不多的成型分子在不同发育阶段、分层次的调控来实现身体的发育过程的。
这是一个动态，多步骤的过程，每一步都会有新类型的细胞产生，而一些新形成的细胞又会通过分泌扩散性分子影像周围细胞的命运。每一步都在前一步的基础上活化新的基因，形成新的细胞和结构。虽然DNA并不含有形成生物结构的直接指令，但是通过多个步骤和层次控制这些基因的有序表达，却可以一步一步发展出各种复杂的结构，最后形成完美的生物体，实现DNA的“蓝图”功能。这真是一个奇迹。看看同窝蚂蚁彼此之间高度的相似性，看看人体结构在世界范围内不同人种之间高度的一致性，就可以体会到生物的成型系统是多么精妙。在随后的文章中，我们将用一些生物结构的形成过程为例，来具体地了解这个系统是如何工作的。
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让上皮里面的细胞在平面上也有方向性——促成“平面细胞极性”的基因
上皮里面的每个细胞都具有顶端-基底端方向的极性，这个极性的方向是与上皮的平面垂直的，通过Par、Crb、和Scrib三个蛋白复合物的不对称分布来调节控制的。除了这个垂直方向上的极性，上皮细胞还有另外一种极性，其方向和上皮的平面方向相平行。这种极性对于生物结构的形成也非常重要。例如昆虫体表和翅膀上的纤毛都朝向一个方向；鱼的鳞片都朝向尾部；哺乳动物皮肤上的毛发朝向一致；人眉毛的方向也都朝向脸的外侧；气管上皮细胞上的纤毛朝向口鼻的方向，摆动方向也一致，等等。这种和上皮的平面方向平行的极性叫做平面细胞极性（planar cellpolarity），其方向要根据一个器官（例如昆虫的翅膀）朝向身体的方向和远离身体的方向定义为近端和远端，或者根据生物身体的前后方向定义为前端和后端。
和顶端-基底端极性一样，平面细胞极性也是由不同蛋白质或蛋白复合物的不对称分布所造成的，不同的是在顶端-底端极性中，蛋白复合物都位于细胞内，由它们在细胞内的位置决定细胞极性的方向，这些蛋白复合物的位置是纵向（即顶端-基底端方向）不对称的。而在平面细胞极性中，有关的蛋白质或蛋白复合物的分布是在上皮的平面方向上不对称的，而且能够通过它们在细胞外的部分与相邻细胞表面对应的复合物相互作用。
引起平面细胞极性的蛋白质有两组，第一组包括“Fmi/Pk/Vang复合物” 和“Fmi/Fz/Dgo/Dsh复合物”。前者位于细胞侧面的前端或近端，后者位于细胞侧面的后端或远端。这两个复合物在细胞内的位置是互相排斥的。位于一个细胞远端膜上的Fmi/Fz/Dgo/Dsh复合物只能够和它远端方向相邻细胞上的Fmi/Pk/Vang复合物结合，同时，位于这个细胞上近端膜上的Fmi/Pk/Vang复合物又只能和位于它近端邻近细胞上的Fmi/Fz/Dgo/Dsh复合物结合。这样，上皮里面的细胞就能够以“首尾相连”的形式呈有方向性的排列和结合，导致平面极性。上面说的这些蛋白质的名称都是简称，它们的全称是：Fmi——Flamingo/starrynight；Pk——Prickle；Vang——Van Gogh/strabismus；Fz——Frizzled；Dgo——Diego；Dsh——Dishevelled。这些都是科学家发现这些蛋白或基因时根据它们的性质或功能给它们取的“小名”，例如“火烈鸟”、“凡高”、“星空”、“针刺”、“蓬乱”等等，不用感到奇怪。
另一组包括两个蛋白，分别是Ds（Dashsous）和Ft（Fat）。它们都是类似钙粘蛋白的分子，能够以它们的细胞外部分彼此结合。但是它们和钙粘蛋白不同的是，同种的分子并不彼此结合，例如Ds和Ds分子的细胞外部分就不能彼此结合，而必须与Ft的细胞外部分结合。Ds和Ft都是细胞侧面膜上的分子，在细胞中膜上的分布也是不对称的，Ft位于细胞的前端或近端，Ds位于细胞的后端或远端。它们在细胞膜上的位置也互相排斥。这样，相邻细胞间的Ft和Ds也能够使细胞以“首尾相连”的方式排列和结合，形成
“前端——Ft细胞Ds——Ft细胞Ds——Ft细胞Ds——后端
这样的连接方式，导致这些细胞的平面极性。
上皮细胞的平面细胞极性和顶端-基底端极性一样，都是为生物胚胎的正常发育所需要的，上面说的那些蛋白质基因的突变也会严重影响胚胎的发育，例如人类新生儿中的脊柱裂和无脑儿就是因为平面细胞极性的机制不正常引起的神经管畸形引起的。
使相邻的细胞有不同命运的蛋白质——Notch和它的底物分子
多细胞生物是由不同类型的细胞组成的。在细胞分化过程中，基因调控的改变可以使细胞朝向不同的路线转变，赋予它们不同的命运。除了细胞内的基因调控，细胞之间的相互作用也能够使相邻的细胞向不同的细胞类型发展，形成不同类型的细胞，这就是Notch及其底物分子的作用。
1914年，John Dexter 在美国科学家David P. Morgan的实验室工作期间，发现了一种果蝇的突变种，这些果蝇的翅膀边沿上有缺口。1917年，Morgan发现了引起这个缺陷的基因，并且把它叫做“缺口基因”（Notch）。
进一步的研究发现，Notch基因的产物是一个膜蛋白，有一个跨膜区段，一个比较长的细胞外区段，和一个比较短的细胞内区段。细胞外区段用来和它的底物（substrate）结合。Notch的底物分子有两种，在果蝇中分别叫做“Delta”和“Serrate”。在哺乳动物中，对应的底物分子是“Delta-like”和“Jagged”；在线虫中是“glp-1”和“Lin-12”。它们也都是膜蛋白，有一个跨膜区段和细胞外区段，其中细胞外区段用来和Notch的细胞外区段结合。由于Notch蛋白和底物蛋白都是膜蛋白，所以它们要彼此结合，需要细胞-细胞的直接接触。
底物蛋白Delta或者Jagged和Notch分子结合后，细胞膜内的一个蛋白酶就把Notch蛋白的细胞内部分切下来。这个被切下来的Notch细胞内部分随后进入细胞核，在那里影响一些基因的表达。因此，Notch蛋白是接收和传递来自另一个细胞信号的分子，是外来信号分子的受体，信号通过Notch的细胞内部分传递到细胞核中去。
在Notch蛋白和底物分子结合以前，细胞核中一个叫做CSL的转录因子处于和一些有抑制作用的蛋白质结合的状态，这时CSL蛋白质起到关闭基因的作用。（CSL是三个同类蛋白的合称，即哺乳动物中的CBF1/Rbpj，果蝇中的Su（H），以及线虫中的Lag-1）。Notch的细胞内部分进入细胞核后，会和CSL蛋白质结合，改变它的形状，使它和那些起抑制作用的蛋白质脱离，改而结合一些起活化作用的蛋白质，这样CSL蛋白的作用就从关闭基因转变为打开基因。被打开的基因（Hes-1）合成的蛋白质（HES蛋白）是具有抑制作用的转录因子，会关闭一些细胞里面的基因，这样，接受Notch底物信号的细胞和发出信号的细胞（即表面有Delta或Jagged的细胞）基因调控状态就不一样了，它们也会形成不同类型的细胞。
在一群细胞中，即使一开始每个细胞都表达Notch蛋白和底物蛋白，但这是一种不稳定的状态，Notch蛋白接收信号和改变细胞状态的作用会逐渐使得一些细胞只表达Notch蛋白，一些细胞只表达底物蛋白，这样，表达底物分子的细胞就能防止表达Notch蛋白的细胞和自己有一样的命运。
这个通过细胞之间的接触改变另一个细胞命运的机制叫做“侧向抑制”（lateral inhibition），它使相邻的两个细胞走向不同的命运。如果这两个细胞随后表达不同的钙粘蛋白，它们就会各自与和自己同类的细胞连接，形成不同类型细胞之间的边界。这个机制在胚胎发育过程中起到非常重要的作用。例如胰脏细胞分化为外分泌细胞（分泌消化液到肠腔中去）和内分泌的细胞（分泌胰岛素进入血液）这两种细胞时，Notch信号传递就起了关键的作用。许多组织器官的形成过程都和Notch信号传递链有关，例如血管生成过程中内皮细胞的形成、心脏形成过程中心肌细胞和心内膜细胞的分化、心脏瓣膜的形成、消化道中起分泌作用的细胞和起吸收作用细胞之间的分化、乳腺发育等，都是通过Notch信号传递来实现的。
小结
在这一节中，我们看到了4种细胞之间的连接方式和它们在形成生物结构过程中的作用。
首先是细胞之间通过钙粘蛋白的结合。只有同类的钙粘蛋白才能够彼此结合，因此，表达不同钙粘蛋白的细胞会按照它们所表达的钙粘蛋白的种类而“自动”分类聚集，形成不同的细胞团块。细胞之间的连接是对称的，即提供连接的分子都相同。这样的连接方式不会使一个细胞影响另一个细胞的命运。
第二种是细胞的极性连接，即钙粘蛋白只在细胞的侧面把细胞粘连在一起。这样细胞就不再形成团，而是形成片。在片中的细胞有顶端-基底端方向的极性，顶端面向外部空间，基底端和基膜相连，形成上皮。细胞之间不仅有由钙粘蛋白形成的粘合连接，还有由“紧密连接蛋白”caludin和eccludin组成紧密连接。这种顶端-基底端的极性是由Par、Crb和Scrib三个蛋白复合物在细胞内的不对称分布引起和维持的。Par复合物和Crb复合物位于顶端，而Scrib复合物位于细胞的基底侧部分。在这种连接方式中，每个细胞提供的粘连分子仍然是一样的，它们之间的连接也不改变彼此的命运，只是由于细胞的极化使细胞的聚集方式从团状变为片状。上皮细胞顶端的收缩还能够使片卷成腔和管。
第三种连接方式还是片状的，但是由于相邻细胞之间用于粘连的蛋白分子不同，即不对称，一边是Fmi/Pk/Vang复合物，一边是Fmi/Fz/Dgo/Dsh复合物；一边是Ft，一边是Ds，这样平面里面的细胞就有了在平面方向上的极性，叫做“平面细胞极性”，在决定上皮上面长出来的结构（如纤毛、羽毛、鳞片、毛发）的方向上起关键作用。但是细胞这样不对称的连接并不使细胞的基因调控彼此不同，也不使细胞向不同的方向分化。
第四种连接是通过Notch蛋白和它的底物分子之间的连接，一边是Notch受体蛋白，一边是Delta和Jagged信号蛋白。由于Notch蛋白接收信号后会改变细胞的基因调控状态，细胞之间这种方式的接触会使它们向不同命运的方向发展。如果随后它们表达不同的钙粘蛋白，这些不同的细胞就会各种聚集，形成不同细胞和组织之间的边界。
因此，通过细胞-细胞之间的直接接触，就可以通过不同的接触方式形成不同的细胞种类和结构。这是生物发育过程中所使用的一些“成型工具”，原理虽然简单，效果却非常好，所以从线虫和哺乳动物都共同使用这些工具。另一方面，这些工具的使用需要细胞-细胞的直接接触和相互作用，因而作用只能是短距离的。为了在整体上形成复杂的生物结构，生物还需要在长距离上起控制作用的信号分子。
第二节 远程控制生物结构形成的“上层指挥”——扩散性信号分子
通过接收外来分子的信号，改变自身状况的能力，在单细胞生物中就已经出现了。例如细菌能够感知周围营养物质浓度的差别，向营养物质浓度高的方向运动。粘菌中的“盘基网柄菌”（Dictyostelium discoideum）能够感知其它粘菌分泌的环单磷酸腺苷（cAMP），彼此相聚而形成孢子体，其中有的细胞变成柄部的细胞，而且分为柄的表面细胞和柄内部的细胞，有的则变成孢子。
多细胞生物则进一步发展这种能力，通过分泌可以在细胞之间移动的分子，影响近程或远程细胞的活动状况或者命运。与上面说的需要细胞-细胞直接接触的分子不同，由于这些分子可以在细胞之间移动，它们能够影响的细胞就不只一个，而是一群。改变了命运的细胞再表达出特殊的细胞之间作用的分子，从而形成生物体内的各种组织和器官。这类分子为数不多，但是由于它们的作用机制不同，再通过下游分子的相互作用，却可以在比较大的范围内控制各种复杂的结构的形成，是生物结构形成的上层控制机制。
Wnt基因和信号通路
1976年，Sharma 和 Chopra 发现，果蝇中的一个基因突变，会使果蝇的翅膀丧失，他们把这个基因取名为“无翅基因”（wingless，简称Wg）。6年之后，美国科学家Roel Nusse和Harold Varmus 发现在小鼠乳腺肿瘤病毒中含有一个致癌基因，他们把这个基因称为“整合基因”（integration 1，简称int1基因）。随后的研究发现，这两个基因实际上是同一个基因，从线虫、果蝇、斑马鱼、青蛙、小鼠到人类都含有这个基因，在动物胚胎的发育和器官形成中起重要作用，因而科学家把这两个名称综合起来，把这个基因称为“Wnt基因”，即Wg中的W和int中的nt的结合。
Wnt基因的产物是一个被分泌到细胞外的蛋白质，说明它的作用不需要细胞-细胞之间的直接接触，而可以在比较长的距离上起作用。Wnt蛋白由350-400个氨基酸残基组成，其中有23-24个半胱氨酸残基，这些半胱氨酸残基中的一些上面连有脂肪酸（棕榈酸，即软脂酸）。Wnt蛋白上还连有糖基，以保证它被细胞分泌出去。由于Wnt蛋白上有脂肪酸和糖基，这个蛋白能够和细胞膜相互作用，因此常常临时附着在细胞表面，通过不断地附着-解离，Wnt蛋白就能够在细胞之间移动，影响位置较远细胞的命运。
Wnt蛋白质传递信息的方式，是和细胞表面一个叫“卷曲蛋白”（Frizzled，简称Fz）的膜蛋白结合，使Fz蛋白活化。活化了的Fz蛋白把信号传给细胞质中的“蓬乱蛋白”（Dishevelled，简称Dsh）。Dsh蛋白能够阻止b-连锁蛋白（b-catenin）的降解，使b-连锁蛋白在细胞中集聚。b-连锁蛋白不仅在细胞之间通过钙粘蛋白（Cadherin）的结合中起重要作用，而且可以进入细胞核，与T细胞因子（Tcell factor / lymphoid enhancer factor，TCF/LEF）相互作用，影响一些基因的表达，从而改变细胞的命运。在没有Wnt信号时，细胞质中的b-连锁蛋白是不断被降解的，上述的基因调控也不会发生，而Wnt信号使得b-连锁蛋白不被降解，发挥调控基因的作用。这是Wnt蛋白作用的“经典途径”。除此以外，Wnt信号传递也可以走非经典途径，即不通过b-连锁蛋白，而是和细胞骨架起作用，使肌纤蛋白（actin）丝的方向极化，导致细胞的极性（顶端-基底端极性）和平面细胞极性。
Wnt蛋白质在动物的胚胎发育中起重要作用，它可以帮助形成动物身体的前后轴线和背腹轴线，而且通过影响细胞的增殖和运动，参与器官的形成，例如肺、卵巢、神经系统和四肢。我们将在后面谈一些器官的形成时再谈到Wnt蛋白的作用。
“刺猬蛋白”（Hedgehog protein）
同Wnt基因一样，为胚胎的正常发育所需要的另一个基因也是首先在果蝇中发现的。为了寻找为果蝇胚胎正常发育所需要的基因，德国科学家Christiane Nüsslein-Volhard和Eric Wieschaus用突变剂“乙基甲磺酸脂”（Ethyl methanesulfonate，简称EMS) 对果蝇进行“饱和突变”，然后观察这些突变的效果。他们的这项研究发现了一组与果蝇胚胎发育有关的基因，这些科学家也因此获得了1995年的诺贝尔生理或医学奖。
在Nüsslein-Volhard和Wieschaus在果蝇中发现的基因中，有一个叫做“刺猬基因”（Hedgehog，简称Hh）因为有这个突变的基因会使果蝇的胚胎变得短圆并有密集的刚毛，样子类似刺猬。哺乳动物有三个Hh基因，分别为三种刺猬蛋白编码，叫做“音刺猬因子”（Sonic Hedgehog，简称Shh）、“印度刺猬因子”（IndianHedgehog，简称Ihh）、和“沙漠刺猬因子”（Desert Hedgehog，简称Dhh）。它们在生物胚胎发育和组织器官形成上起非常重要的作用，其中音刺猬因子被研究得最详细。
音刺猬因子在细胞中首先被合成为一个45kDa的前体分子，这个分子随后被切成两段，其中氨基端部分约20kDa，羧基端部分约25kDa。在前体分子被切成两段时，羧基段把一个胆固醇分子加到氨基段的羧基端上，这个被加上胆固醇的氨基端部分随后被分泌到细胞外，作为信号分子，与细胞表面的受体相作用。所以Shh分子和Wnt蛋白一样，也是被分泌到细胞外，可以在细胞间移动的分子，能够在比较长的距离上传输信息。由于Shh分子上带有一个胆固醇分子，具有亲脂性，所以Shh蛋白也能够附着在细胞膜上，通过反复地附着-解离在细胞之间运动。
当Shh分子到达细胞表面时，它能够与一个叫“补片蛋白”（Patched，简称PTCH）的受体结合，抑制它的功能。在没有Shh分子存在时，PTCH有一个作用，就是不断地把膜上的另一个蛋白分子Smoothened（简称SMO）上的“氧化胆固醇”（oxysterol）分子除去。由于SMO需要结合氧化胆固醇分子才有活性，在没有Shh结合到PTCH上时，SMO的活性是被PTCH蛋白抑制的。Shh与PTCH的结合解除了PTCH对SMO的抑制，让它和细胞内的下游分子相互作用。
在果蝇中，SMO的下游分子是一个转录因子，叫做“Ci蛋白”，是Cubitusinterruptus的简称。在SMO被抑制的状况下，Ci蛋白被“蛋白酶体”（proteosome）切断，从155kDa全长的分子中产生一个75kDa长的片段，叫做CiR。CiR能够进入细胞核，抑制基因的转录。在SMO被活化的状况下，Ci蛋白的降解被抑制，CiR浓度下降，全长的Ci蛋白浓度上升。Ci蛋白进入细胞核，活化基因的表达，因此Shh蛋白能够把Ci蛋白从转录抑制分子转变为转录活化分子，从而改变受影响的细胞的状态。
在哺乳动物中，SMO蛋白在细胞内的下游分子叫做“Gli”，因为该蛋白的基因是最先从“神经胶质瘤”（glioma）中发现的。和Ci蛋白一样，Gli蛋白也是一种转录因子，能够控制基因的表达。在SMO被抑制的情况下（即没有Shh信号的情况下），Gli蛋白也是被“蛋白酶体”切断，其羧基端进入细胞核，抑制基因的表达。而在SMO被活化的情况下，Gli被切断的通路被阻断，导致全长Gli分子的浓度上升，并且以全长状态进入细胞核，启动一些基因的表达。因此，从果蝇到哺乳动物，刺猬蛋白是通过同样的机制影响细胞的命运的，即都是通过解除对SMO的抑制，再通过Ci/Gli转录因子影响基因的表达，从而控制细胞的命运。
不仅如此，全长的Gli蛋白还能够增加PTCH基因的表达，由于PTCH对SMO的抑制会导致Gli蛋白被切断，这就构成了一个负反馈回路。Shh结合到PTCH上后，细胞还会通过“胞饮作用”（endocytosis）把Shh连同受体PTCH一起“吞”到细胞内，减少细胞外Shh的浓度，降低Shh对细胞的影响，构成另一个负反馈回路。这些回路在Shh分子发挥结构形成的功能上也起重要的作用。
在果蝇中，一个细胞分泌的“刺猬蛋白”Hh能够和相邻细胞上的PTCH受体结合，使得相邻的细胞分泌Wnt蛋白。分泌出来的Wnt蛋白又能够反过来通过“卷曲蛋白”和“蓬乱蛋白”作用于分泌刺猬蛋白的基因，稳定这两个细胞之间的关系。因此，刺猬蛋白信号通路和Wnt信号通路可以相互作用，共同导致生物体中结构的形成。
成纤维细胞生长因子FGF 1973年，美国科学家Hugo A.Armelin在脑垂体提取液中发现了一种因子，能够促使小鼠成纤维细胞（NIH 3T3细胞）分裂增殖。这种因子分子量大，不能通过透析除去，对热和蛋白酶敏感，说明它是一种蛋白质。Armelin把这种蛋白质叫做“成纤维细胞生长因子”（FibroblastGrowth Factor，简称FGF）。除了促进细胞增殖，它们还能够诱导上皮细胞形成管状结构，因此在血管生成上起重要作用。在胚胎发育过程中，它们诱导中胚层（mesoderm）的发生、前后端的结构形成、肢体发育和神经系统的发育。在成体动物中，它们在血管生成、伤口愈合和内分泌信号传递上都起重要作用。人类有22种FGF分子。
和Wnt蛋白、刺猬蛋白Hh一样，FGF蛋白也是细胞分泌到细胞外的信号分子，通过结合到细胞表面的受体分子上起作用。和上面几种蛋白不同的是，FGF蛋白除了与受体蛋白结合外，还结合细胞表面“硫酸乙酰肝素”（Heparansulfate，简称HS，是一种与肝素类似的多糖分子），因此对细胞膜也有一定的亲和力。
FGF的受体（FGFR）有四种，都是含有单个跨膜区段的膜蛋白。其中细胞外的区段负责与FGF分子结合，同时协助FGF分子与硫酸乙酰肝素分子结合。受体细胞内的区段具有酪氨酸蛋白激酶的活性，可以使细胞内的下游分子磷酸化，把信号传递下去。每种受体可以与一组特定的FGF分子结合，多数FGF分子也可以和几种受体分子结合，但是要传递信号，必须是两个相同的FGF分子与两个相同的受体分子结合，形成四聚体。四聚体的形成使受体的酪氨酸激酶的活性被激活，再通过下游分子的磷酸化把信息传递下去。
与多数生长因子受体一样，FGFR都是酪氨酸激酶型受体。酪氨酸激酶能够使蛋白分子中的酪氨酸残基被磷酸化，改变蛋白的性质。其中一些被磷酸化的蛋白本身也是酪氨酸激酶，又能够使更下游的蛋白质磷酸化，是动物细胞中传递信息的重要方式。例如FGFR在与FGF结合而被活化后，就能够活化磷脂酶-g（Plcg），生成“磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸” PIP3，并且通过蛋白激酶C（PKC）、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, 简称JNK)、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated proteinkinase，简称MAPK）、细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，简称ERK)等多条途径影响基因表达。
骨形态发生蛋白BMP
1965年，美国的整形外科专家Marshall R.Urist发现，用酸除去骨里面的钙质，再植入兔的体内，可以诱导新骨的生成，他把里面负责诱导骨生成的因子叫做“骨形态发生蛋白”（Bone Morphogenic Protein，简称BMP）。随后的研究发现，BMP是“转化生长因子-b”（Transforming growth factor-b，简称TGF-b）超级家族的成员，是一种非常重要的形态发生蛋白，在身体各部分结构的形成中起不可缺少的作用。
BMP在细胞中也先是合成其前体蛋白，随后羧基端100-125氨基酸的部分被水解出来，形成二聚体，被分泌到细胞外作为诱导信号分子，所以BMP和Wnt蛋白、刺猬蛋白（如Shh）和FGF蛋白类似，也是通过在细胞外移动来传达信息的分子。BMP可以使间充质细胞变成骨细胞和软骨细胞，在动物肢体形成上起关键作用（见此文的第二部分，《我们的五根手指头是如何长出来的？》）。它也可以使“生肾芽基”中的间充质细胞发生间充质细胞-上皮细胞的转化，这样形成的上皮细胞后来形成肾小球和肾小管，并且通过抑制肾脏中上皮细胞-间充质细胞的转化，维持肾脏结构的稳定性。在斑马鱼（zebra fish）中，BMP的表达促使腹面结构的形成，而它在背面的活性被抑制，导致背面结构的形成，所以BMP在背-腹轴的形成中起关键作用。如果让所有细胞都表达BMP，那就只有腹面结构能够形成；如果用截短的BMP来对抗全长BMP的作用，斑马鱼就只形成背面结构。这些事实都表明BMP蛋白在生物体结构形成中的重要作用。
细胞表面有两类BMP受体分子，类型I和类型II。它们除了能够和BMP蛋白结合外，还有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的活性，能够在其他蛋白分子中的丝氨酸或苏氨酸残基上加上磷酸基团。由于BMP分子形成二聚体，和它结合的受体也是二聚体。类型I和类型II受体和BMP的结合会导致两类受体形成四聚体（包含两个I型受体和两个II型受体）。II型受体会使四聚体中的I型受体磷酸化，使I型受体活化。活化的I型受体又会使细胞内的下游分子磷酸化，活化这些分子，使信号传递下去。
细胞内传递BMP信号的分子叫做SMAD，由果蝇中MAD（mother against decapentaplegic）和线虫中同源分子SMA（small body size）两个名称合并而成。SMAD蛋白分为三类。一类是从BMP受体处接收信号的，叫做R-SMAD（其中的R表示Receptor），包括SMAD1、SMAD2、SMAD3、SMAD5和SMAD8/9。第二类是起协助作用的，叫做co-SMAD（其中co表示common-mediator），只有SMAD4一种。第三类是起抑制作用的，叫做I-SMAD（其中I表示inhibitory），包括SMAD6和SMAD7。它们能够抑制前两类SMAD蛋白的作用。在BMP结合到I和II型受体上，活化类型I受体时，R-SMAD中的SMAD1和SMAD5被磷酸化而被活化。活化的SMAD1和SMAD5再和SMAD4形成三聚物，在细胞核中起转录因子的作用，调控基因表达。
控制左右不对称的蛋白——Lefty和Nodal
动物的身体分为左右两半，而且是不完全对称的。例如人的心脏位于身体的左边，肝脏位于右边。肺脏虽然胸腔的左右两边都有，但是肺叶数也不同（右边三叶，左边两叶）。控制动物身体左右不同发育的分子被认为也是被分泌的信号分子，但是在长时期中具体的分子一直没有被确定。
1996年，日本科学家滨田宏（Hiroshi Hamada）的实验室发现了小鼠胚胎中决定左右的分子，它在原肠胚形成过程中只位于胚胎的左边，因而被命名为Lefty。同BMP蛋白一样，Lefty蛋白也是“转化生长因子-b”（TGF-b）超级家族的成员，而且也是先被合成为前体分子，被蛋白酶加工切短以后再被分泌到细胞外，成为可扩散的信号分子。
Lefty的主要功能是对抗另一个扩散蛋白——Nodal的功能。Nodal也是“转化生长因子-b”（TGF-b）超级家族的成员，而且也是先被合成为前体分子。与Lefty不同的是，Nodal前体分子是在被分泌到细胞之外以后，才被一个叫做“转换酶”（Convertase）的蛋白酶切短，成为成熟的信号分子的。在动物的胚胎早期发育中，Nodal信号对于内胚层（endoderm）和中胚层（mesoderm）的形成，以及随后身体左右轴的形成都起重要作用。Lefty的合成需要Nodal蛋白的合成，Lefty蛋白又反过来抑制Nodal的活性，组成一个负反馈系统。
Nodal蛋白质与细胞上的受体结合，这些受体具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性，可以使下游的蛋白信号分子被磷酸化。同BMP蛋白类似，Nodal的下游分子也是Smad蛋白。不过BMP磷酸化的是Smad1和Smad5，被磷酸化的Smad1和Smad5再和Smad4结合，进入细胞核调节基因表达；而Nodal受体分子磷酸化的是Smad2和Smad3，被磷酸化的Smad2和Smad3再和Smad4结合，进入细胞核，在那里它们再分别与p53、Mixer、FoxH1等蛋白质结合，与不同的基因启动子相互作用，调控这些基因的表达。 虽然Nodal和BMP都属于“转化生长因子-b”（TGF-b）家族的成员，下游的分子也都是Smad蛋白，但是它们的功能有所区别。BMP3和BMP7还能和细胞外的Nodal蛋白结合，彼此抑制对方的功能。
视黄酸RA
在控制动物结构形成的分泌分子中，视黄酸（Retinoic acid，简称RA）是一种非蛋白分子，从节索动物到脊椎动物，都需要它的诱导来形成身体中组织和器官。在动物早期的胚胎发育中，从身体特定区域分泌的RA能够在细胞和组织中扩散，形成RA的浓度梯度，使细胞能够根据这个梯度来获知自己在动物体内的位置，决定身体前后轴方向的结构形成。
RA由维生素A（即视黄醇retinol）经过两步氧化而成。第一步由RA脱氢酶催化，形成视黄醛（retinaldehyde），这是视网膜中感知光线的分子。视黄醛再经视黄醛脱氢酶催化，形成视黄酸RA。 RA是水溶性分子，能够比较自由地在细胞之间扩散，并且能够进入细胞，所以RA的受体不在细胞表面上，而是在细胞质中。RA的受体叫RAR，在结合RA后，RAR再和RXR（retinoid X receptor）结合，形成二聚体。这个RAR/RXR二聚体能够结合到DNA分子上的“RA反应序列”上，影响基因的表达。
小结
Wnt 蛋白、刺猬蛋白Hedgehog及其在哺乳动物中的同源蛋白音刺猬蛋白Shh、成纤维细胞生长因子FGF、骨形态蛋白BMP、以及非蛋白分子的视黄酸RA，都是由细胞分泌到细胞外，通过扩散影响其它细胞命运的的分子。它们和细胞上或细胞内的受体结合，触发信号传递链，最后在细胞核中影响细胞基因表达的状况，改变细胞的命运，即改变细胞的类型。细胞改变类型后，极性和表面蛋白的表达和分布状态也会改变，从而形成各种空间结构。这些扩散分子并不直接控制结构的形成，而是通过改变细胞的类型，让新形成的细胞“自行”组织成各种结构。
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