第二节 动物发育
动物的生活史包括生殖细胞发生、受精、胚胎发育及幼体到成体形成。胚胎发育一般分为胚前发育、胚胎发育和胚后发育三个阶段。胚前发育主要是指雌雄配子的分化成熟过程。即生殖细胞经过增殖、生长和成熟三个阶段，成为具有受精能力的精子或卵子。胚胎发育是指从一个受精卵开始，经过细胞的分裂、分化、相互诱导，最终形成生物雏形即胚胎的过程。胚后发育指从卵孵化后或从母体分娩出来后的胎儿，经过幼年期、性成熟的青春期，直到成年期和老年期。有些动物幼体出生后，除生殖器官尚未发育成熟外，幼体和成体形态结构基本相同，仅成熟与不成熟之分，生活习性、生态需求都基本一致，这称为直接发育。有些动物在胚后发育过程中，形态结构和生活习性上出现一系列显著变化，幼体与成体差别很大，而且改变的形态又是集中在短时间内完成，这称为变态发育。
一、生殖细胞的起源与分化
动物繁殖方式的进化从无性生殖(asexual reproduction)→无性与有性→有性生殖(sexual reproduction)。无性生殖是指不经过生殖细胞的结合，由母体直接产生新个体的生殖方式，如酵母、水螅的出芽、真菌的孢子(spore)等。在一定条件下，腔肠、扁形动物等无脊椎动物体细胞可以转化为生殖细胞，既可以行无性生殖，又可以行有性生殖。大多数高等动物，都需要经过亲本产生有性生殖细胞(配子，gamete)，经过两性生殖细胞(例如精子和卵细胞)的结合，成为合子(zygote)，再由合子经过一系列复杂的发育过程形成新的个体。
生殖细胞来源于它的前体——原生殖细胞(primordial germ cell，PGC)。它是胚胎发育初期能形成生殖细胞的细胞。只有发生迁移，PGCs以一定的方式迁移到发育时的生殖腺原基(genital anlage)－生殖嵴(genital ridge)才能分化为生殖细胞。生殖质(germ plasm)是卵母细胞当中具有一定形态结构的特殊细胞质，由RNA和蛋白质构成的颗粒状结构，是新一代生殖细胞的发源地，随着胚胎发育的进行，生殖质逐渐被分配到一定的细胞中，获得生殖质的细胞将来分化为生殖细胞。
(一)生殖质与生殖细胞的分化
1.线虫
线虫原生殖细胞的命运决定于分布于未受精卵卵质中的一种P颗粒，受精后集中位于预定胚胎的后部。第一次卵裂形成一个AB大细胞和一个含有P颗粒的P1小细胞。P1小细胞经过3次有丝分裂，得到的P4细胞含有原来卵质的全部P颗粒，生殖细胞最初的分化开始于P4细胞(图5－22)。
图5－22 线虫生殖细胞的起源
(a)P颗粒均匀分布于未受精卵的卵质中，受精后集中于预定胚胎的后部，第一次卵裂后形成一个AB细胞和一个含P颗粒的P1细胞。(b)卵裂时P颗粒全部分配到P细胞中，全部生殖细胞都由P4细胞产生。
2.果蝇
果蝇原生殖细胞最早发现于受精后约90分钟，它们位于胚胎后端，含有特殊的极质颗粒。如果用紫外线照射受精卵，破坏集中于后端胞质中的生殖质，在以后的发育中将没有生殖细胞分化。移植P基因型果蝇受精卵极质到Y型早期胚胎的前端，可使Y型胚胎前端细胞分化为原生殖细胞。再移植这些原生殖细胞到另一Y型早期胚胎后端，它们能发育成功能性配子(图5－23)。
有些母体效应基因(maternal effect gene)的表达对于果蝇极质的形成具有重要的作用。至少有8种基因的突变会导致果蝇不能形成极质，不能形成生殖细胞，因此是不育(sterile)的，其中oskar基因在果蝇极质的形成和装配过程中起着极其重要的调控作用。Oskar基因将其mRNA定位于胚胎的后极。
图5－23 移植果蝇的极质能够引起生殖细胞的分化
将P基因型受精卵后端生殖质移植到Y基因型卵裂早期胚胎的前端，可使Y基因型前端细胞分化成原生殖细胞。将这些原生殖细胞再移植到另一胚胎的后端，它们可以发育成为功能性生殖细胞。
3.爪蟾
两栖类的生殖质位于受精卵的植物极附近。无膜包围，但有明显界限，一般呈直径5～12μm的小斑，由许多生殖颗粒组成。在胚胎发育过程中，获得生殖质的少数分裂球发育为原生殖细胞。如果用紫外线照射爪蟾受精卵植物极，可导致胚胎缺乏生殖细胞。
图5－24 爪蟾的生殖质
(a)生殖质位于植物极附近;(b)卵裂开始后生殖质沿分裂沟移动;(c)囊胚期生殖质位于囊胚腔底部细胞的分裂沟附近。
4.哺乳动物
还没有证据表明哺乳动物受精卵中含有生殖质。对小鼠的研究表明，生殖细胞的发生涉及细胞之间的相互作用。将胚胎干细胞注射入早期囊胚的内细胞团，既可产生体细胞，也能产生生殖细胞。
(二)原生殖细胞的迁移
1.两栖类原生殖细胞的迁移
无尾两栖类在受精后生殖质聚集，位于质膜下，随卵裂过程沿卵裂沟迁移到囊胚腔底部。到原肠胚期，原生殖细胞(PGCs)位于原肠腔底部内胚层中，之后，通过肠壁内胚层进入背侧肠系膜，到达发育中的生殖嵴(图5－25)。
有尾两栖类蠓螈卵内似乎没有特殊定位的生殖质。PGCs的产生受内胚层的诱导。
图5－25 无尾两栖类生殖质的分别和原生殖细胞的迁移
2.哺乳动物生殖细胞的迁移
哺乳动物的原生殖细胞没有特殊的形态特征。
小鼠原始生殖细胞在原肠胚形成中期才开始出现，胚胎发育1周左右，通过特异性的碱性磷酸酶可以发现尿囊底部的胚外中胚层含有原始生殖细胞，在通过原条之前24 h，生殖细胞的前体细胞位于外胚层的头端区域，与胚外外胚层相邻。它们增殖并先在尿囊与后肠交界处聚集，迁移到卵黄囊附近分为两群，然后越过后肠沿背侧肠系膜向上迁移到发育中的生殖嵴。
在人胚胎发育第3～4周，位于近尿囊根部卵黄囊尾侧的内胚层内出现部分大而圆的细胞，称为原始生殖细胞(PGC)，它们沿后肠的背系膜向生殖嵴迁移，迁入、定居于初级性索内，并开始性别分化。
原始生殖腺有向卵巢方向分化的自然趋势。一般情况下，性染色体为XY的体细胞胞膜上具有组织相容性Y抗原(histocompatibility Y antigen，H－Y抗原)，而性染色体为XX的体细胞胞膜上则无H－Y抗原。若原始生殖细胞及生殖嵴细胞膜表面均有H－Y抗原时，原始生殖腺向睾丸方向发育，否则就向卵巢分化。胚胎发育第7周，在H－Y抗原的影响下，初级性索增殖，并与表面上皮分离，向生殖腺嵴深部生长，分化为生精小管。第8周时，分散在生精小管之间的间充质细胞分化为睾丸间质细胞。胚胎时期的生精小管为实心细胞索，内含两类细胞，即由初级性索分化来的支持细胞和原始生殖细胞分化的精原细胞。生精小管的这种结构状态持续至青春期前。
图5－26 人原始生殖细胞及其迁移示意图
3.鸟类和爬行类原生殖细胞的迁移
鸟类和爬行类动物的PGCs起源于原肠期胚胎的表胚层，如鸡的PGCs起源于胚盘明区，然后经过明区的中部迁移到明区前缘与暗区交界处，此区称为生殖新月(germinal crescent)。PGCs在生殖新月区内增殖，然后迁移进入胚外血管中，最终聚集在胚体后端的生殖嵴处(图5－27)。
图5－27 鸡胚原生殖细胞的迁移
(三)减数分裂
原生殖细胞进入生殖腺原基后不断地进行有丝分裂，产生生殖干细胞后代。由生殖干细胞分化成雌雄配子还要经过一系列复杂的过程，必须经过减数分裂(meiosis)使染色体数目减半，变成单倍体雌雄配子。在减数分裂过程中，通过联会配对、同源染色体间遗传信息的交换或重组，增加了遗传性质的复杂性，所以由一个个体可产生大量含不同染色体组合的生殖细胞。
二、精子的发生
(一)精子发生
1.精原细胞的增殖
哺乳动物的原生殖细胞到达生殖腺后，经过几次有丝分裂形成生殖母细胞或称为性原细胞(gonocytes)。当胚胎性别分化后，雄性胎儿性原细胞分化成精原细胞。精原细胞通过有丝分裂产生2个干细胞，一个A1型精原细胞和一个A2型精原细胞。A1型精原细胞分裂形成A3型精原细胞，后者经分裂形成A4型精原细胞。由A4型精原细胞分裂形成中间型精原细胞，这些中间型精原细胞分裂形成B型精原细胞，再由B型精原细胞通过有丝分裂形成初级精母细胞。从精原细胞的分裂开始，分裂产生的子细胞通过细胞间桥保持连接，成对存在，细胞间离子和分子通过细胞间桥相互影响，而达到同步成熟。然后进一步发育形成链状排列，开始是4个细胞的链，然后出现8个、16个，偶尔有32个细胞链，这种现象被称为同源群现象(图5－28)。
2.初级精母细胞的成熟分裂
B型精原细胞的最后一次有丝分裂，形成前细线期的初级精母细胞。初级精母细胞经过一段时间休止期，进入第一次减数分裂，形成2个单倍体的次级精母细胞。次级精母细胞的间期很短，很快进入第二次减数分裂，形成单倍体的精子细胞。
图5－28 精子形成过程
3.精子形成──精子细胞分化成为精子
精子细胞形成后，需经过一系列分化变化才最终成为精子。这种分化包括形态和体积的变化、核的变化、细胞质的变化、顶体的形成、线粒体鞘的形成、中心粒的发育和尾部的形成。
精子细胞在变形为精子的过程中，细胞核体积变小，形状由圆形变为流线形，同时核内染色质高度浓缩、致密化以减少核的体积，染色体上的组蛋白由鱼精蛋白替代，染色体变成致密的染色质纤维，使细胞核不再具有转录活性。在核发生变化的同时，核前端形成顶体，大部分细胞质被抛弃，仅留少量细胞质被质膜覆盖在顶体和细胞核上。顶体是高尔基复合体形成的，呈帽状覆盖于精子核顶部。内含水解酶，为精子穿透卵子透明带所必需，精子尾部由精子细胞变为长形后的下极所形成。线粒体在精子尾部近端融合，形成线粒体鞘，为精子运动提供能量。中心体是由2个中心粒组成。精细胞在经过精子形成的变迁中，不断移动到曲细精管的管腔部，当精子形成完成后，成熟精子被释放到管腔内，这一过程称为精子释放(spermiation)。成熟精子脱离曲细精管上皮进入管腔时，精细胞的一部分细胞质被残留下来，这部分细胞质称为残体。在大多数情况下，它将被相邻的支持细胞吞噬，经溶酶体降解(图5－29)。
图5－29 人类精子由头部、中部(颈部)和尾部组成
三、卵子发生
(一)卵子的发生过程
1.卵原细胞的形成和增殖
早期胚胎的卵黄囊中有一种起源于囊胚内细胞团的原生殖细胞，这些细胞体积大，有圆形的核，含一个或多个核仁，少量细胞器。这些原生殖细胞经肠系膜迁移到生殖嵴，成原始的卵巢，在原始卵巢内分化成卵原细胞。
2.卵母细胞的形成和生长
卵原细胞开始减数分裂后，称为初级卵母细胞，在初级卵母细胞中，母源性和父源性DNA发生遗传重组，也发生其他重要的改变。在细胞质中，线粒体数量增加，并沿着核膜外表面分布，常与微管联系，高尔基体靠近核，环绕着中心小体。发生重组后，初级卵母细胞保持静止状态，直到卵泡发育开始启动。
卵泡启动发育后，其卵母细胞进入迅速生长阶段，形成大量的细胞质。对大多数物种而言，卵泡发育到卵泡腔形成时，卵母细胞完成生长，达到最大体积。
3.卵母细胞的成熟
卵母细胞获得受精和早期胚胎发育能力是逐步获得的。最初，卵母细胞获得充分浓缩染色质的能力，这需要成熟促进因子(MPF)。然后，卵母细胞获得形成第一次减数分裂中期板和功能性纺锤体的能力，初级卵母细胞完成第一次减数分裂后，形成次级卵母细胞并排除第一极体。从此时开始，多数动物的次级卵母细胞需要精子等的激活才能恢复其内源性的过程，受精后完成第二次减数分裂，排除第二极体(图5－30)。
图5－30 哺乳动物卵子发生示意图
原生殖细胞进入胚胎卵巢后分化成为卵母细胞，通过几次有丝分裂进入第一次减数分裂前期。此时不再进行细胞增殖，卵母细胞迅速生长，其体积增加约100倍。在成熟的雌性个体中，卵母细胞进一步发育并形成质膜下皮质颗粒层。在卵巢内激素作用下，卵子继续成熟，以后停留在第二次减数分裂中期等待受精。受精后完成第二次减数分裂，经过减数分裂，一个卵母细胞形成1个卵子和2个极体。
4.排卵
卵泡发育成熟后破裂，排除卵子的过程称为排卵(ovulation)。
哺乳动物排卵有两种方式:
(1)交配刺激引起排卵。如家兔、水貂、袋鼠等，交配活动对子宫颈的刺激导致垂体释放促性腺激素，在激素作用下大多数的交配都能形成受精卵。
(2)周期性排卵。大多数哺乳动物只在一年中某特定的动情期排卵。在这种情况下，环境因素，主要是光照种类和光照时间刺激丘脑释放促性腺激素释放因子，后者又促进垂体释放FSH(follicle－stimulating hormone)和LH(luteinizing hormone)，导致滤泡细胞增殖并释放雌激素，引起动情和交配行为。促性腺激素还刺激滤泡增殖并启动排卵。因此，动情和排卵基本上是同步的，如牛、羊、猪、马等。
灵长类卵子的成熟和排卵的阶段性称为月经周期。月经周期是三个方面活动的综合表现:①卵巢周期使卵子成熟和排放;②子宫周期为发育中的胚泡着床提供合适的环境;③子宫颈周期使精子只能在某一适当的时间进入女性生殖道。这三个周期是通过垂体——下丘脑——卵巢轴综合协调控制的。
卵子发生与精子发生相比有相同之处，也有许多差异。相同之处是都经过减数分裂;不同之处是:(1)精子发生是连续的，而卵子发生是间断的过程;(2)精子发生中存在精原干细胞(spermatogonial stem cells)的自我更新，而排卵量少的动物的卵巢中可能不存在干细胞，排卵量大的动物的卵巢中通过卵原细胞(oogonia)产生生殖干细胞;(3)成熟的精子是能运动的细胞核，而卵子除提供单倍体核外，还提供酶、mRNA、细胞器等启动发育和维持代谢所需要的全部元件;(4)卵子发生减数分裂前期长(停止在第一次减数分裂前期)，排卵时停止在减二中期，受精后完成减数分裂;(5)1个初级精母细胞产生4个精子，而1个卵母细胞产生1个卵子和2个极体(polar body)，是不均等分裂。
四、受精
受精是新生命的起点，是指精子、卵子各自的单倍体基因组相融合形成二倍体合子的事件。在通常的情况下，受精过程包括精子获能、精卵识别、精子入卵和卵的激活等一系列变化，最终使二者原核融合，形成二倍体的合子。
(一)精子的获能
哺乳动物的精子虽有运动能力，却无穿过卵子周围滤泡细胞、透明带的能力。精子只有在经过子宫和输卵管的途中接受若干生殖道获能因子的作用才具备受精能力，这种作用称为精子的获能。
原因在于:(1)精子头的外表有一层能阻止顶体酶释放的糖蛋白，精子在子宫和输卵管中运行过程中，该糖蛋白被女性生殖管道分泌物中的酶降解，从而获得受精能力——获能(capacitation);(2)膜表面蛋白的重组;(3)精子在获能过程中产生生化和运动方式的改变。
精子在女性生殖管道内的受精能力一般可以维持1天。
1.精卵的接近和识别
(1)精卵的接近
①动物的精卵相遇的物理因素
大多数动物每次排出的精子数量相当多，且精子能自由活动，而卵子的体积较大。更重要的是，动物的卵子和精子彼此间有相互吸引的化学物质，使同种的精子与卵子能相互识别。
②精卵识别(recognition of egg and sperm)的分子基础
精卵识别分为距离识别和接触识别。
距离识别见于体外受精的水生生物。现已在许多动物(刺胞动物、软体动物、棘皮动物、尾索动物等)中发现，卵母细胞在完成第二次减数分裂后，可以分泌具物种特异性的向化因子，构成卵周特有的微环境——不仅有利于控制精子类型，而且可以使精子适时完成受精。
向化因子的作用机制存在种间差异。了解最多的为精子激活肽react——为14个氨基酸的多肽，分离自美国海胆卵胶。react的受体为跨膜蛋白;当react与受体的胞外部分结合——精子胞质内的鸟苷酸环化酶活化——cGMP浓度上升; cGMP浓度的增加使动力蛋白ATPase活化——刺激精子尾部摆动——向卵母细胞移动——适时与卵母细胞发生受精作用。
除距离识别外，体内受精的哺乳动物主要通过接触识别。在受精过程中，精子与滤泡细胞、透明带(ZP)、卵质膜在3个独立的水平上准确地相互作用。配子间特异性膜融合暗示有特殊的分子参与膜融合与膜间识别的调控。
③精卵的初次识别
当精子与卵子相遇时，精子释放放射冠穿透酶，溶解放射冠，精子穿越放射冠与透明带接触。精子表面蛋白如半乳糖基转移酶、SP56(透明带附着分子)等作为配体，与透明带中的受体ZP3特异性的识别和结合，诱发顶体反应，这是精卵的初级识别。
当精卵通过受体－配体结合相识别后，精子质膜的透性发生改变，主要表现为Ca2+内流和H+外流，使精子内部的pH升高;另外，磷酸肌醇－PKC通路激活，有第二信使IP3作用下，细胞内非线粒体贮存的Ca2+释放，使细胞内Ca2+的水平升高，从面激活一些顶体反应所需的关键酶，作为第二信使的DAG，活化PKC，使蛋白磷酸化，诱导顶体反应。
顶体反应是指顶体膜破裂，顶体内的酶类(放射冠穿透酶、透明质酸酶、蛋白水解酶、糖苷酶等)释放的过程。顶体反应的重要作用是释放顶体内的酶类，一方面使精子膜成分重新分配、暴露或被修饰。另一方面通过酶解作用溶解卵膜的胶状层和卵黄膜，形成通道。精子穿过通道，精卵质膜发生融合，随后精子的细胞核、线粒体和中心粒进入细胞内。在上述反应中，顶体的作用有如化学钻头，为精卵的结合打开通道(图5－31)。
图5－31 哺乳动物受精作用的顶体反应
④精卵的次级识别
精子在受精作用的开始，一个卵细胞常常被成百上千个精细胞包围。但在正常情况下只有一个精子能够同卵细胞的质膜融合，并将细胞核和一些细胞器注入到卵细胞质中。如果有多个精子与同一个卵细胞融合，则称为多精受精(polyspermy)，一般不会正常发育。有两种机制保证了只有一个精子与卵细胞融合，所以多精受精是很少发生的。
与卵子质膜接触时，精子膜上的受体如fertilin(受精素)等物种特异性蛋白与卵质膜上的配体－integrin识别和结合，这是精卵的次级识别。这一识别导致精卵质膜融合，并诱发皮质反应。
皮质反应是指卵内皮质颗粒释放和引起的一系列变化。皮质颗粒通过胞吐作用释放内容物到质膜外与卵黄膜的间隙中(如海胆)或与透明带的间隙中(哺乳动物)，卵黄膜的成分和结构发生改变，膨胀隆起，形成受精膜;哺乳动物卵质膜表面配体被修饰，与透明带之间的距离加大。
⑤阻断多精进入的机制
当精卵细胞融合时，通常是一个卵子只允许一个精子进入。有两种阻断多精进入的机制:一种称初级快速阻断机制。一旦有精子进入卵子，卵子上的精子结合受体随即失活，从而阻止更多精子附着;另一种为次级永久阻断多精进入机制。通过受精膜的迅速膨胀来实现的。
卵子激活时上述两种机制均被启动。对于大多数动物来说，多精进入是有害的，会导致胚胎早期死亡。然而，两栖类和鸟类似乎允许多精进入，多余的精子在卵内被破坏。
(二)卵子的激活(activation)
1.卵子的激活
未受精的卵RNA转录、蛋白质合成等细胞活动几乎处于静止状态，精子一旦与卵子接触，卵子本身就开始发生一系列的变化，从休眠状态进入活动状态，称为卵子的激活。
有两事说明精子诱导卵激活的假说:受体假说和融合假说。前一假说为精子与卵子表面的特异性受体结合，激活了信号转导和相应的生物学效应。主要通路是磷酸肌醇－PKC激酶通路。后一假说认为，精卵融合时，一种可溶性精子因子进入卵子，激活卵子。如注射精子抽提物或活精子均能非特异性激活卵子，诱发原核形成和分裂。
2.雌雄原核的形成和融合
精子进入卵细胞后，核膜破裂，组蛋白替换鱼精蛋白，染色质变得松散，之后破碎的核膜与松散的染色泡重新聚集，形成雄原核(male pronucleus);卵细胞核在完成第二次减数分裂之后，形成雌原核。在中心粒的微丝作用下，雄原核向雌原核方向迁移，雌雄原核相遇之后，核膜互融，形成共同的核膜，融合后的受精卵称为合子，融合成的核即为合子的细胞核。受精过程到此结束，紧接着第一次卵裂开始。
五、胚胎发育
(一)卵裂期
受精卵经过多次连续迅速的细胞分裂，形成许多小细胞的发育过程。每次卵裂产生的子细胞称卵裂球(blastomeres)。卵裂的主要特点是细胞周期短，G1期非常短甚至没有;每次卵裂，核物质重新合成增长，细胞质没有增长，但其理化性质发生变化，因而卵裂球几乎不生长即迅速地进行下次分裂，卵裂球体积越来越小，一旦核质比例达到平衡，细胞分裂速度开始减慢。卵裂可分为两大类型:完全卵裂和不完全卵裂。完全卵裂:卵裂面将受精卵完全分开，卵裂球大小相差不多，一般少黄卵(均黄卵)都为全裂。不完全卵裂:多黄卵进行这种卵裂，由于卵含大量卵黄，卵裂面不能通过整个卵，卵裂仅在卵的细胞质部分进行。
(二)囊胚期
卵裂早期，在分裂球之间产生一不规则的空腔。随着卵裂次数的增加，分裂球的数目增加，到形成一团细胞时，其内逐渐形成一圆形的空腔，而分裂球排列在四周成一层，此时称囊胚，其内的腔称囊胚腔或卵裂腔，囊胚壁的细胞称囊胚层。有些动物的囊胚无腔，称实心囊胚。
(三)原肠胚期
当细胞分裂成为囊胚之后，会经过一段称为原肠形成的形态发生过程，之后形成原肠胚。原肠形成过程有许多不同方式，能够大致分成5种:
内陷式(Invagination):植物极的细胞向胚胎内部凹陷，最后穿过胚胎在另一端开口。值得注意的是，后来出现的开口会成为动物的口部，原先的凹陷处则成为肛门，后口动物因此得名，例如海胆的内胚层。
衰退式(Involution):植物极的细胞向内沿囊胚腔内壁增生，外部则被动物极细胞取代，例如青蛙的中胚层。
进入式(Ingression):特定地方的细胞在分裂之后，移动到其他特定的位置，例如海胆的中胚层、果蝇的神经母细胞等。
脱层式(Delamination):外层的细胞滑动，原本只有一层的细胞增生为两层，例如哺乳类与鸟类的下胚叶(hypoblast)等。
包覆式(Epiboly):外层的细胞扩张，向植物极的凹陷处挤压，逐渐向囊胚腔内壁移动成为两层，例如青蛙与海胆的外胚层等。
动物的胚胎利用这5种方式形成了外胚层、中胚层与内胚层的组合，而这三种胚层在之后会形成各种细胞。例如由内胚层发展而来，具有多潜能性的的间叶细胞，可以分化成纤维母细胞、软骨母细胞、硬骨母细胞、脂肪细胞、平滑肌细胞、横纹肌母细胞、造血母细胞等等。
(四)神经轴胚期
主要是指脊索动物的胚胎发育由在原肠形成(或者原条期)之后，从出现中枢神经系统原基的神经板时期开始，到神经板闭合变成神经管期间的胚胎。其中外胚层分化为神经板及表皮区，在神经板之下的为头肠、前索板、脊索原基、预定体节的位置。主要器官原基在各胚层已开始出现，但组织分化尚未开始。
(五)器官形成期
胚胎的器官原基形成之后，按各自的方向进一步分化，并对周围的组织起诱导作用，使有关组织能协调地发育并进一步相互结合形成器官。
(六)胚后发育与生长
在动物个体发育过程中，从卵孵化后，或从母体生出后，经过幼虫或幼体至成虫，或成体达到性成熟时的发育过程，称为胚后发育。
由于动物的种类不同，胚后发育的情况也有区别。如无脊椎动物中的蚯蚓、蚂蟥和绝大多数脊椎动物的胚后发育，其幼体与成体极为相似，不经变态，逐渐长大成为成体(直接发育)。
另一些无脊椎动物有极为特殊的幼体期，幼体与成体极不相同，要经过形态和生理上的变化后，才能发育成为成体(变态发育)，如腔肠动物、扁形动物、软体动物、环节动物、节肢动物、棘皮动物中的许多种。其中以节肢动物中的昆虫最为特殊，它们从卵孵化后，要经过若虫(蝗虫)或稚虫(蜻蜓)而至成虫。在此过程中，若虫或稚虫随着蜕皮，发生了形态和生理上的变化。还有许多种昆虫(蚊、蝇、蝶、蛾、甲虫)的幼虫，尚需经过蛹期才能羽化成为成虫。又如脊椎动物两栖类的蛙，从卵孵化后，要经过蝌蚪期而至成体。蝌蚪的变态发育，反映了无尾两栖类可能是从有尾两栖类进化而来的。
在胚后发育过程中伴随着个体成长的过程，个体不再形成新的器官，幼体的器官逐渐发育完善，功能加强，个体长大。
六、发育的机制及调控
(一)细胞的命运决定
在个体发育中，细胞后代在形态结构和功能上发生稳定性的差异的过程称为细胞分化(cell differentiation)。细胞分化是一种持久性的变化，细胞分化不仅发生在胚胎发育中，而是在一生都进行着，以补充衰老和死亡的细胞。
细胞分化是一个非常复杂的过程，但总体上可分为两个基本阶段:一是细胞命运决定(determination)或定型(commitment)。二是细胞的分化。首先是细胞命运的决定，然后是细胞按决定的方向进行分化。定型是指细胞被赋予特殊的“使命”或“命运”，并进入程序性分化的过程。在这一阶段，细胞虽然还没显示出特定形态的、生理的和生化的特征，但已确定了向特定方向分化的程序。在胚胎细胞发育过程中，定型和分化是两个相互联系的过程。某一组织或器官的原基(anlage)首先获得定型，然后才能朝向预定的方向发育，也就是分化，形成相应的组织或器官。
胚胎细胞的定型有两种主要的方式:自主特化(autonomous specification)和渐进特化(progressive specification)，两者分别是通过胞质隔离(cytoplasmic segregation)和胚胎诱导(embryonic induction)实现的。
1.胚胎细胞的自主特化——胞质隔离
动物受精卵并不是均一结构的，而是具有高度的异质性。卵细胞中的蛋白质、mRNA并非均匀分布的，而是定位于特定的空间。有的动物的卵中还贮存有特异性的蛋白质。贮存的mRNA和蛋白质构成了卵质中胞质决定子，这些决定子被称为形态发生决定子(morphogenetic determinant)。大量研究表明，形态发生决定子在卵细胞质中有特殊定位，卵裂时被分隔到一定区域，决定卵裂球的发育命运。这一现象称为胞质定域(cytoplasmic localizition)，或称为胞质隔离(cytoplasmic segregation)。
卵的异质性使卵裂必然是不对称的，不同的卵裂球得到不同的卵质，因而具有不同的分化命运。如柄海鞘受精卵的细胞质根据所含色素不同可分为四个不同的区域。卵子受精分裂时，不同区域的细胞质分配到不同的卵裂球中，最终形成不同的器官。
图5－32 受精时细胞质决定子的隔离
(a)海鞘受精卵细胞质不同区域具有不同的发育命运;(b)海鞘幼虫器官。
2.胚胎细胞的渐进特化——诱导机制
胚胎发育过程中，相邻细胞或组织之间通过相互作用，决定其中一方或双方的分化方向即发育命运。渐进特化也称为有条件特化(conditional specification)或依赖型特化(dependent specification)。初始时，细胞可能具有多种发育潜能。因此，如果去掉一个或部分分裂球，余下的仍能发育为正常胚胎。以此种方式为主的胚胎发育模式称为调整型发育(regulative)，又称为有条件发育或依赖型发育。脊椎动物以此种方式为主。胚胎细胞的渐进特化主要是通过胚胎诱导来实现的。
诱导(induction)就是一部分细胞诱导其他细胞向特定方向分化的现象，也叫胚胎诱导(embryonic induction)。在胚胎诱导相互作用的两种组织中，产生影响并引起另外的细胞或组织分化方向改变的这部分细胞或组织称为诱导者(unductor)，而接受影响并改变分化方向的细胞或组织称为反应组织(responding tissue)。在动物胚胎发育过程中，存在着大量的和连续的诱导作用，它们对胚体的建成是至关重要的。其中原肠胚的脊索中胚层诱导其上方的外胚层形成神经管，被认为是初级胚胎诱导。神经管(如视杯)又可作为诱导者，诱导表面的外胚层形成晶状体，这称为次级胚胎诱导。而晶状体又作为诱导者诱导表面的外胚层形成角膜，此为三级胚胎诱导。胚胎中其他器官的形成也经过类似的诱导过程。
这种诱导是通过信号来实现的。其中有些诱导信号是短距离的，仅限于相互接触的细胞间;有些是长距离的，通过扩散作用于靶细胞。通常把响应诱导信号的同类细胞叫做形态发生场(morphogenetic field)。除了上述的典型的诱导方式外，还有其他一些方式，如:级联信号(cascade signaling)、梯度信号(gradient signaling)、拮抗信号(antagonistic signaling)、组合信号(combinatorial signaling)、侧向信号(lateral signaling)等(图5－33)。
图5－33 诱导信号的作用方式
(二)细胞分化的分子机制
1.细胞的全能性
在多细胞生物体内，每个细胞都有特定的性状，即细胞特定基因型在一定环境条件下的表现，也称为细胞表型(cell phenotypes)。根据细胞表型可以将细胞分为3类:全能细胞(totipotent cell)、多潜能细胞(pluripotent cell)和专能性细胞(differentiated cell)。全能细胞:在多细胞生物中每个体细胞的细胞核具有个体发育的全部基因，只要条件许可，都可发育成完整的个体。多潜能细胞(如原肠胚细胞):发育潜能受到一定的限制，仅能分化成为一定范围的细胞。专能性细胞(如造血干细胞):只能定向分化成一种类型的细胞。根据植物细胞表达全能性大小排列是:受精卵、生殖细胞、体细胞;全能性的物质基础是细胞内含有本物种全套遗传物质。一个生活的植物细胞，只要有完整的膜系统和细胞核，它就会有一整套发育成一个完整植株的遗传基础，在一个适当的条件下可以通过分裂、分化再生成一个完整植株，这就是所谓的植物细胞全能性(totipotency)。这是植物组织培养的理论基础(图5－34)。
图5－34 植物的组织培养
一般来说，细胞全能性高低与细胞分化程度有关，分化程度越高，细胞全能性越低。植物细胞全能性高于动物细胞，而生殖细胞全能性高于体细胞，在所有细胞中受精卵的全能性最高。
在动物方面，虽然在整体上，动物细胞的全能性随着细胞分化程度提高而逐渐受到限制，分化潜能变窄，但在细胞核方面，它含有保持物种遗传性所需的全套基因，而且并没有因细胞分化而丢失基因，因此在理论上，高度分化细胞的细胞核仍具有全能性。
早期的两栖类蛙的核移植实验证明完全分化的细胞核具有全能性。实验中用UV照射破坏成熟蛙卵的细胞核，然后将取自于成年蛙皮肤细胞的细胞核注入到去核的卵细胞中，以此检测完全分化的体细胞的细胞核是否具有发育成个体的能力。实验结果是核移植的卵不仅发育成正常的囊胚，而且发育成正常的蝌蚪(图5－35)。
图5－35 蛙的核移植实验
1997年英国科学家利用成年绵羊的体细胞成功克隆了一只小羊，从实践上证明了高度分化的哺乳动物细胞具有全能性。
2.细胞分化的基因表达调控机制
细胞分化是多细胞有机体发育的基础与核心，细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特异性蛋白质合成的实质在于基因差异表达。基因差异表达的调控机制发生在各种水平，主要包括:①差异基因转录——调节哪些核基因转录成mRNA;②核RNA的选择性加工——调节哪些核RNA进入细胞质并加工成mRNA;③mRNA的选择性翻译——调节哪些mRNA翻译成蛋白质;④差别蛋白质加工——选择哪些蛋白质加工成为功能性蛋白质。
(1)DNA水平的基因调控
DNA水平的基因调控是通过改变基因组中有关基因的数量和顺序结构而实现的基因调控。从表面上看，真核生物的体细胞都是受精卵通过有丝分裂而来的，应该都保留有全套染色体的基因组，但是实际上并不都是这样。例如，蛔虫和剑水蚤，在卵裂阶段，所有分裂细胞除一个之外，均将异染色质部分删除掉，从而使染色质减少一半，而保持完整基因组的细胞则成为下一代的生殖细胞，这种调控是不可逆的。最典型的例子是哺乳类的红细胞，它在成熟过程中整个核都丢失了。另一方面，一些基因在生物体发育的某一阶段可以扩增。例如，非洲爪蟾在核仁周围大量积累rDNA，这些rDNA的拷贝数目可由平时的1500份急剧增加到2×106份，其总量可达细胞DNA的75%。当胚胎期开始时，这些增加的rDNA便失去功能并逐渐消失。此外，在癌细胞中常可检查出有癌基因的扩增。
基因重排是基因差别表达的一种调控方式。重排就是一段序列从一个位点转移到另一个位点。重排可以使表达的基因发生切换，由表达一种基因转为表达另一种基因。例如，:哺乳动物能产生106～108种抗体，但产生免疫球蛋白的有关基因只有3种:一种是编码恒定区的蛋白质的，另一种是编码可变区的蛋白质的，第三种是编码连接链的。这三种基因处于同一条染色体上，但是相距较远。在产生抗体的浆细胞中，这三个DNA序列通过重排而成为一个完整的转录单位，进而产生抗体分子。免疫球蛋白的多样性主要来源于基因的重新组合。
(2)转录及转录前水平调控
差异基因表达的调控可以发生在不同水平，但是差异基因转录的调控是最重要的调控机制。近年来，研究者利用基因芯片技术系统分析各种不同基因的表达谱，采用Northern blot方法，研究某特定基因在不同发育时期的表达，获得特定基因的时间和空间表达模式。转录调控由为数众多的蛋白质即转录因子(transcription factors)的作用所主导。这类蛋白质从功能上可分为三类:通用转录因子(general transcription factors)，与结合RNA聚合酶的核心启动子位点结合;上游因子(upstream factors)，与启动子和增强子的上游控制位点结合;可诱导因子(inducible factors)，与特异基因的各种应答元件结合，促进或阻遏这些基因的转录。事实上，即使知道了一些转录因子的结构和它们与靶DNA序列之间的相互作用，但有时仍不能勾画出它们调控机制的统一蓝图。有时单个基因可能被许多不同的DNA调控位点调节，而这些位点又与各种不同的调控蛋白结合。另外，一个DNA结合蛋白又可联系周围的许多位点，从而控制许多不同基因的表达。基因转录水平的控制错综复杂，且受多种因素影响，包括转录因子与特异DNA序列的亲合力，及其与DNA邻近位点结合的转录因子之间彼此协同作用的能力。
(3)转录后调控
细胞的蛋白质通常是由多基因家族的成员编码的。构成多基因家族的各种基因是在进化过程中，从一个简单原始基因经过重复复制并产生序列分歧演化而来的。一个基因家族编码一组具有功能联系的同源蛋白质，因此多基因家族的形成是产生蛋白质多样性的一种进化机制。此外，蛋白质多样性也能在个体内，通过选择性拼接(alternate splicing)而产生，这是在RNA加工水平上调节基因表达的。
选择性拼接是一种广泛存在的RNA加工机制，大多数真核细胞的基因为不连续基因，除编码的外显子之外，还有较长的不编码的内含子。在转录时整个基因(包括外显子和内含子)都被忠实地转录，形成细胞内mRNA的前体。在细胞内mRNA的前体有两种基本拼接方式:一是编码蛋白质的不连续基因通过RNA拼接将内含子从mRNA前体中去除，然后规范地将外显子拼接成成熟的mRNA，这种拼接方式称为组成型拼接(constitutive splicing)。通过组成型拼接，一个基因只产生一种成熟的mRNA，一般也只产生一种蛋白质产物。另一种拼接方式是可调控的选择性拼接。真核生物中有些基因的mRNA前体有几种不同的拼接方式，因而产生不同的成熟mRNA，翻译产生不同的蛋白质。不过，一般情况下通过选择性拼接所导致的外显子改变并不产生根本不同的蛋白质，而是产生一套结构相关、功能相似的蛋白质异形体(protein isoforms)。
在许多情况下，一个特定的mRNA前体被加工的途径不只一条。一种最简单的情况是，一个特殊的内含子可以从转录物上剪切掉，也可以作为最后mRNA的一部分保留下来。这种类型的选择性拼接的一个典型例子是纤粘连蛋白的合成，这种蛋白在血浆和胞外基质中均存在，但由成纤维细胞产生并滞留在基质中的纤粘连蛋白与由肝细胞产生并分泌到血浆中的这种蛋白相比，多了两条肽段。这两条肽段是由mRNA前体的一部分编码的，这部分mRNA前体序列在成纤细胞中加工时被保留下来，而在肝细胞中加工时被切除。
在大多数情况下，某一特定基因经过选择性拼接产生的蛋白质在长度上是相等的，但在关键区域却有所不同，这些区域会影响一些重要性质，如蛋白质的胞内定位、它们所结合的配基类型或者其催化活性动力学性质。例如，抗体分子既可以是膜结合型蛋白，也可以是分泌型可溶性蛋白，这取决于两个可变外显子中哪一个定位在mRNA的3'末端。许多转录因子也是由能进行选择性拼接的基因产生的，所以这些转录因子产生许多变异体，决定细胞不同的分化途径。例如果蝇在胚胎发育过程中，导致胚胎性别决定的发育途径就是通过某些基因的转录产物经过选择性拼接决定的。
在成熟的mRNA产物中，可能存在的外显子的不同组合，使可选择性拼接变得十分复杂。根据这种机制，某一特定的外显子是否被包括在成熟的mRNA内，主要取决于它的3'和5'端拼接位点是否被拼接机器选择为切割位点。有些拼接位点可用“弱”来形容，表示在一定条件下，它们可以不被拼接机器剪切。这种弱拼接位点的识别和使用被一段RNA序列所主宰，这段RNA序列称为拼接增强子(splicing enhancer)。拼接增强子位于那些保留与否受到调节的外显子内，其功能是作为特殊的调节蛋白的结合位点。如果某种特殊的调节蛋白在细胞内产生，这种蛋白很容易与拼接增强子结合，并进一步募集某些必要的拼接因子到3'或5'弱拼接位点附近。这类拼接位点的使用导致外显子被包括在mRNA中。如果细胞内不产生某种特殊的调节蛋白，则外显子附近的拼接位点就不会被识别，这个外显子就会随同侧翼的内含子一起被切除。
图5－36 转录后加工调节
(4)翻译及翻译后调控
真核细胞翻译水平调控包括多种不同的影响mRNA翻译的调控机制，这些成熟的mRNA是事先从细胞核转运到细胞质中的。在多种不同的调控机制中，目前了解得较为清楚的是以下三个方面:①细胞内特定部位的mRNA的定位;②mRNA是否被翻译及其翻译的频率;③mRNA的半寿期或mRNA稳定性的问题。
翻译水平的调控机制，一般都是通过细胞质中特异的mRNA和多种蛋白质之间的相互作用来实现的。细胞质中的成熟mRNA在5'和3'末端都含有非编码片段，称作非翻译区(untranslated regions，UTRs)。5'UTR从信使起点的甲基鸟嘌呤核苷帽延伸到AUG起始密码子，而3'UTR从编码区末端的终止密码子延伸至多聚(A)(poly(A))尾巴的末端。多年来，mRNA非翻译部分大都被忽视了，但近年来人们注意到，UTR明显是大多数翻译调控的影响位点。
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