eleven|“成双成对”才美，凭什么？丨“2”的专题( 二 ) 中国驻|朱晓燕|河南广电|哥伦

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AP轴与DV轴示意图。Developmental Biology. Eleventh Edition. By Scott F. Gilbert and Michael J. F. Barresi.
众所周知，胚胎发育的起点是看起来没有什么“轴”可言的一个细胞——受精卵。虽然受精卵的细胞质根据所含卵黄的多少就已经分出了植物极-动物极的极性，但前后轴和背腹轴的真正建立，始于动物界特有的胚胎发育阶段——原肠胚期。著名发育生物学家刘易斯·沃尔珀特（Lewis Wolpert）有云：“ 你一生中最重要的时刻不是出生、结婚或死亡，而是原肠胚形成。”在这一时期，胚胎卷曲折叠，内部的细胞迁移运动，形成了不同的胚层，两侧对称动物胚胎的前后轴和背腹轴基本架构也显现出来。

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两栖类胚胎的原肠化。（图片来源：www.zum.de）
说到这里，你肯定有一个疑问：胚胎的这种有规律的原肠运动，肯定不是随机的，得有个指挥信号，告诉胚胎在哪个方向上产生头尾的分化，哪个方向产生背腹的分化等等。这个信号，就是一些调控下游基因表达的转录因子蛋白。这些所谓的“形态发生素（morphogen）”在胚胎不同位置的浓度有所差异，所形成的浓度梯度，就定义了体轴。
例如，在发育生物学的模式物种果蝇中，只在卵细胞一侧与卵细胞接触的滤泡细胞，会向卵细胞内分泌一种激酶，让卵细胞内的微管结构定向排列；两个基因bicoid和oskar的mRNA在微管上结合不同的转运蛋白，分别沿微管向不同方向运输；这导致bicoid mRNA在卵细胞的“前端”聚集，而在“后端”，翻译产生的Oskar蛋白结合富集了nanos基因的mRNA。当卵细胞受精并开始细胞核的分裂时，前后端分别翻译出高浓度的Bicoid和Nanos蛋白，这两种形态发生素的相反浓度梯度，就定义了原肠胚时期胚胎运动的前后轴，并引发下游调控因子的区域性表达。一波又一波的形态发生素最终将胚胎划分成多个体节；最后，大名鼎鼎的Hox基因家族的不同成员在不同体节中顺序表达，定义了头、胸、腹部各个体节迥异的结构和功能。

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bicoid mRNA在果蝇卵细胞中的分布，左侧为前端。Developmental Biology. Eleventh Edition. By Scott F. Gilbert and Michael J. F. Barresi.
在果蝇所在的双翅目类群之外，绝大多数多细胞动物的前后轴都是由Wnt基因家族从胚胎后端表达的调控因子蛋白来定义的。同样地，在绝大多数两侧对称动物中，背腹轴的确立来自于BMP基因家族的调控因子浓度梯度。有趣的是，BMP家族蛋白的高浓度表达，在我们脊椎动物中定义了中枢神经所在的背部，而在其他两侧对称动物中定义的是同样包含中枢神经的腹部。经历了五亿年分道扬镳的独立演化后，我们人类身体的最基本结构，仍然与小小的昆虫使用着同宗同源的定义方式。
对称还是不对称，这是一个问题
说完我们的两侧对称性，就必须面对一个事实：我们体内的很多器官，都是不对称的——只有一套的心、肝、胃、肠道，左右大小位置不同的肺和肾脏等等。事实上，这种不对称的左右轴定义，在胚胎发育过程中也有专门的形态发生素来负责。在原肠胚之后的神经胚时期，胚胎中线附近的“左右组织中心”坐落着按照前后轴和背腹轴定位好的细胞，它们的纤毛同向摆动形成从右向左的液流。对这种液流的感知，使得左侧胚胎细胞中Nodal调控因子通路激活，由此定义了胚胎的左右差异。

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小鼠胚胎中Nodal定义左右的示意图。Fig. 2, Grimes DT, Development, 2019
然而左右有别的胚胎，仍然必须长出几乎完全对称的体节和附肢等等。对称和不对称的器官形成往往会共用调控路径，因而在前者的发育中，还需要主动维持两侧发育的对称性。研究表明，一些发育调控因子可以充当所谓的“平衡器”，例如控制上肢发育的TBX5和控制下肢发育的PITX1等等，这些基因变异所导致的发育缺陷往往是不对称的，在身体一侧比另一侧更为严重。另外，对称器官的发育很可能不是独立的，身体两侧的信号交流能够保证器官最终结构对称。

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猫头鹰头骨显示两耳高度不对称。（图片来源：animaldiversity.org）
在不同的两侧对称动物中，对称性经历了各种有趣的演化历程。猫头鹰的耳孔往往一高一低，而海豚的右脸比左脸大一些，这样的左右不对称很可能有助于它们在三维空间中用听觉更好地定位猎物；无独有偶，墨西哥丽脂鲤——著名的洞穴盲鱼，面部也是左右不对称的。比目鱼的眼睛，招潮蟹的大螯，以及交嘴雀和弯嘴鸻侧弯的喙，都是特殊的发育调控机制的产物，也都有着适应其生存环境的意义。