头尾
现在，我们可以稍微放下有关大脑的话题，思考一下发育生物学中最令人惊叹的发现之一。这一发现来自一位身材矮小、有点害羞，但才华横溢的遗传学家——埃德·刘易斯（Ed Lewis）。刘易斯主要是在加州理工学院实验室的夜晚独自工作，在其漫长的职业生涯中，他几乎没有引起过多少关注。他在1957年研究了日本广岛和长崎原子弹爆炸幸存者的医疗记录
，这项研究警告世界，即使是最低剂量的辐射也会增加患癌症的风险。他被要求在参议院委员会中为其数据作证，这些数据随后在其他研究中也得到了证实。刘易斯的早期研究对促进颁布有关辐射暴露的各种政策起到了重要作用。但刘易斯更伟大的成就是他发现了一组能够调控果蝇胚胎不同体节发育的基因，这项重要研究为他赢得了1995年的诺贝尔奖。
刘易斯是阿尔弗雷德·斯特蒂文特（Alfred Sturtevant）的学生，而斯特蒂文特为20世纪初在哥伦比亚大学著名的果蝇遗传学实验室工作的托马斯·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan）的同事。该实验室收集了一种被称为黑腹果蝇（就是那些在你的果盘边飞来飞去的小家伙）的果蝇突变体。摩尔根实验室里有数千个奶瓶，里面装满了不同的突变体。这些突变体通常能通过其对成年果蝇结构的影响分辨出来，例如身体不同部位的存在、大小、颜色和形状。突变体包括翅突变体、眼突变体、腿突变体、刚毛突变体、染色模式突变体等。摩尔根及其同事使用这些突变体来揭示最重要的遗传学原理。例如，他们基于孟德尔（Mendel）在19世纪中期对豌豆所做的实验，“重新发现”有关显性基因和隐性基因的分离定律。斯特蒂文特更进一步，将突变定位到特定染色体的具体区域。这些区域是控制突变影响特征的基因所在区域。
刘易斯对这些突变体非常感兴趣，这些突变体的某个身体部位看起来像是变成了另一个身体部位。这一现象被称为“同源异体”（源自希腊语，意为“变得像”）。果蝇就是同源异体突变的一个例子，它的触角似乎变成了从头部前面长出来的一条腿。刘易斯研究了许多果蝇不同身体部位相互转化的同源变异突变。他的基因图谱实验显示，其中几项突变发生在一条染色体上的一小段距离上。最令人惊讶的是，这些突变可以有序排列，将其在染色体上的位置与其对身体的影响联系起来。刘易斯发现，这些突变在DNA上的线性顺序反映了它们在突变果蝇体内的同源异体突变的头尾位置。用另一种方式来说，就是相邻基因会影响相邻体节。
这些突变所在的DNA序列包含一组从头到尾排序的基因。其中，第一个基因在最前部的体节中起最大作用，第二个基因则作用在下一个体节中，以此类推。每个基因可生成一个略微不同的转录因子，这些转录因子共享着一个被称为“同源盒”（以表明这些转录因子的同源异体功能）的氨基酸序列。转录因子是一种蛋白质，它可以与细胞DNA中的特定位点结合，并激活或关闭这些结合位点附近的基因。通过这种方式，转录因子（比如这些同源基因转录因子）可以影响数百个其他基因。果蝇有8个这样的同源盒，我们姑且称之为“同源”基因。最前端的同源基因用于构建头部，而最尾端的则用于构建腹部。刘易斯指出，任何同源基因的缺失都会导致其在作用的特定体节向更中胸部的特性转化。在他一项著名实验中，去除作用在第三体节的同源基因导致该体节转化为中胸部体节（形成翅膀的地方），发育出一只有四个而不是两个翅膀的果蝇。
双翼蝇类的进化祖先是四翼昆虫，如蝴蝶和蜜蜂。大约在2.4亿年前，在蝇类起源中，一个关键的变化是这些昆虫失去了一对翅膀。这一同源基因的突变似乎可以逆转这一古老的进化事件。比昆虫更古老的是有着多体节的节肢动物，如千足虫和蜈蚣，它们的大部分体节基本都是相同的。这类生物的每个体节都拥有一对足和一小段神经索。人们认为，原始的同源基因被多次复制，形成了一组同源基因，这些基因以有序的方式排列，并控制特定体节的发育。每个同源基因都会为原来特性相同的体节赋予新身份。作用在昆虫尾部体节的同源基因去除了腿部，并使这些体节成为腹部。头部区域的同源基因将原本可能含有腿部的体节转化为具有典型头部结构（如触角或鼻子，而不是腿）的体节。面象虫和其他昆虫一样都有六条腿，但如果去除面象虫胚胎中所有的同源基因，那么发育出来的动物就有着15对腿。比起昆虫，它更像一只小蜈蚣。同时，这种做法也抹灭了这种昆虫4亿年来为进化所付出的努力。
在整个动物界，在胚胎发育期间，同源基因被用于根据胚胎的头尾位置来区分体节或胚胎区域。像大多数脊椎动物一样，人类最终拥有四个同源基因簇（A、B、C和D），每簇都包含10多个同源基因，名称类似HoxA1或HoxB2。字母A到D表示该基因属于哪个同源基因簇，数字1到13则表示该簇中的每一个基因。数字小的同源基因活跃在大脑的前部区域，而数字大的同源基因则活跃在脊髓的后部区域。
进化并不擅长创造全新的基因。相反，进化会利用先前存在的基因并做出改变，以使其拥有不同的功能。由于有四个同源基因簇，这些基因可以改变其用途，并拥有更特殊的功能，因此，同源基因突变在脊椎动物中并不总能产生像蝇类那样的影响。不过，同源基因的保守性，以及其在构建身体方面发挥类似功能的事实，确实是一个伟大的发现。例如，当小鼠体内某个特定的同源基因缺失时，小鼠后脑的特定部分就会受到影响。在人类中，同一同源基因的突变会导致“阿萨巴斯卡脑干发育不良综合征”，这一综合征最初发现于少数阿萨巴斯卡人或德涅人后裔的美洲原住民。如果影响小鼠后脑发育的基因在人类中发生突变，将导致耳聋、呼吸困难和面部瘫痪，以及与小鼠相似的凝视问题，因为这一基因所作用的体节包含了控制眼球转动的关键运动神经元。
