細胞分化
在個體發育（ontogeny）中，細胞後代在形態結構和功能上發生差異的過程稱為細胞分化（differentiation）。細胞分化不僅發生在胚胎發育中，而是在一生都進行著，以補充衰老和死亡的細胞，如：多能造血幹細胞分化為不同血細胞的細胞分化過程。
個體發育是指一個新個體從產生到死亡的全部曆程。對兩性生殖的生物來說，新個體始於兩性配子（精子和卵子）的結合——受精（fertilization）。卵子受精後啟動發育程序，形成一個新個體的過程叫做胚胎發育（embryogenesis）。胚胎發育包括受精、卵裂（cleavage）、原腸胚形成（gastrulation）、神經胚形成（neurulation）、器官形成（organogenesis）等幾個主要的發育階段，許多動物還必須經過胚後發育階段——變態（metamorphosis），才能發育為成體。
受精與胚胎發育
一、精子和卵的結構
在動物中精母細胞通過減數分裂後形成四個精細胞[1]，精細胞經過精子形成（spermiogenesis）的變態發育過程，排除大部分細胞質，內部發生一係列變化，成為精子。成熟的精子(spermatozoon)形似蝌蚪，分頭、尾兩部（圖14-1）。頭內有一個高度濃縮的細胞核，核的前2/3有頂體覆蓋（圖14-2）。頂體實質上是一個很大的溶酶體，內含多種水解酶，如頂體蛋白酶、透明質酸酶、酸性磷酸酶等。在受精時，精子釋放頂體酶消化卵子外麵的結構，進入卵內。精於尾部又稱鞭毛(flagellum)，是精於的運動裝置。尾部可分為頸段、中段、主段和末段四部分。頸段很短，其內有兩個相互垂直的中心粒。其他三段內的主要結構是由中心粒發出的軸絲，由9+2排列的微管組成。中段短，在軸絲外包有線粒體鞘，為鞭毛的運動提供能量。主段長，沒有線粒體鞘，代之以纖維鞘。末段短，僅有軸絲。個別動物如介殼蟲的精子沒有鞭毛。
圖14-1精子的結構模式圖
圖14-2 紹鴨精子頭部的縱切（左）和橫切（右）A：頂體；AS：頂體突起；N：細胞核
大多數動物的卵是一個大型的單個細胞，貯存有大量的營養供胚胎發育所用。卵的直徑在人和海膽中約為0.1mm，魚類和兩棲類中約為1-2mm，鳥類中可以達到幾厘米甚至十幾厘米。卵的細胞質中富含蛋白質、脂類和多糖的營養成分稱為卵黃（yolk），它們通常存在於卵黃顆粒中，有的種類中卵黃顆粒外還有膜包圍。在體外孵化的種類中卵黃的體積可達卵的95%以上。
卵的外麵具有外被（coat），其成分主要是糖蛋白，是由卵細胞或其它細胞分泌的。在哺乳動物中這種外被叫做透明帶（zona pellucida），其作用是保護卵子，阻止異種精子進入。許多卵的透明帶下麵（皮質部，cortex）還有一層分泌性的囊泡，稱為皮層顆粒（cortical granules），受精時以外排的方式釋放皮層顆粒能引起透明帶結構變化，形成受精膜，阻止其它精子進入。
卵細胞實際上是停留在第一次或第二次減數分裂階段的卵母細胞，直到受精以後，才完成減數分裂，並釋放極體。人類從卵巢排出的卵子處於第二次成熟分裂的中期，在受精時才完成第二次分裂。若未受精，則於排卵後12-24小時退化。
二、受精
受精包括精子的獲能（capacitation）、頂體反應（acrosome reaction）、皮層反應（cortical reaction）、原核形成和融合等過程（圖14-3）。
剛排出的精子雖有運動能力，但不能穿過卵子的放射冠和透明帶，隻有接受雌性生殖道的分泌物（獲能因子），才具有受精能力，這種作用稱為精子獲能。在體外條件下，血清白蛋白（serum albumin）、高密脂蛋白（high-density lipoproteins）、氨基聚糖（glycosaminoglycans）、孕酮、鈣離子載體（A23187）、ZP3、CO2等均可促進精子獲能。獲能後精子表麵阻止受精的附睾蛋白和精漿蛋白被除去或改變，質膜膽固醇流失，與卵子結合的受體暴露。獲能期間，鈣通道被激活、耗氧量和糖酵解明顯增加，pH升高，腺苷酸環化酶激活，導致胞內cAMP含量升高，蛋白激酶A活化，精子活力增加，頂體酶原轉化為有活性的頂體酶。
圖14-3 受精的早期事件 引自Janice P. Evans 2002
獲能的精子首先借助頭後部（頂體後區）質膜PH-20的透明質酸酶活性穿過卵母細胞外卵丘細胞層，到達透明帶，然後精子通過頭前部（頂體區）質膜表麵的ZP結合蛋白與卵母細胞透明帶發生識別，完成結合過程，誘發頂體反應，即：頂體以外排的方式釋放出水解酶，將卵子的透明帶和卵黃膜溶解，形成精子穿過的通道。在海膽中此時精子的前端在微絲的作用下還會形成頂體突起（哺乳動物不具有）。
精子進入卵子後，導致卵膜去極化，動作電位由受精點傳至膜表麵，使精子受體失活。在精子接觸點上，磷脂酰肌醇信號途徑啟動，產生DAG和IP3。DAG激活蛋白激酶C，啟動DNA的複製。IP3導致內質網中的鈣離子釋放，鈣濃度呈有規律的躍遷，稱為鈣波。鈣信號進而引起皮層反應，即：卵細胞膜下的皮層顆粒（內含酶類的囊泡），以外排的方式，進入卵黃膜和卵膜之間的腔隙，酶類引起透明帶“硬化”，形成受精膜。
精子的刺激使處於休眠狀態的卵子被激活，重新回到減數分裂階段，迅速完成第二次分裂，釋放極體。此時精子和卵子的細胞核分別稱為雄原核（male pronucleus）和雌原核（female pronucleus）。兩個原核逐漸在細胞中部靠攏，核膜隨即消失，染色體混合，形成二倍體的受精卵（fertilized ovum），又稱合子（zygote）。
通常一個卵子和一個精子結合，多精進入會形成多餘的分裂極和紡錘體，導致細胞異常分裂而使胚胎發育終止。受精後通過兩種機製阻止多精進入，一是膜瞬間去極化；二是通過皮層反應，破壞精子受體和形成受精膜。受精後精子的核、中心粒（鞭毛基粒）和線粒體均注入卵中。線粒體之所以表現為母係遺傳，是因為受精卵中隻有僅母本線粒體可以存活。
許多昆蟲、軟體動物、軟骨魚、有尾兩棲類、爬行類和鳥類在受精時有多於一個精子進入卵內，但隻有一個雄原核與雌原核發生融合，參與發育，其餘的精核逐漸退化消失。有時多餘的精於也發生一些畸形的分裂，但不妨礙正常卵裂和發育。這種多精受精稱為生理性多精受精。
三、精卵識別
自然環境中，幾種海膽的精子可以接觸一個卵子，產生頂體反應，但異種精子不能與卵子融合，這是因為精子表麵的結合素能與卵細胞膜上特異的受體結合，而達到同種識別的目的。
在哺乳動物小鼠中，精卵的識別同樣涉及表麵糖蛋白之間的相互作用，通常把卵子透明帶中與精子結合的蛋白（ZP）叫做精子受體，而把精子表麵與ZP結合的蛋白叫做卵結合蛋白。
小鼠透明帶中有三種糖蛋白，命名為ZP1、ZP2、ZP3，分子量分別為200、120和83KD。ZP2和ZP3形成異二聚體，ZP1與二聚體交聯，形成三維網狀結構。ZP3是第一精子受體，能誘發頂體反應。用ZP3蛋白處理精子，則失去受精能力。
β1，4-半乳糖轉移酶-I（β1，4-galactosyltransferase，GalTase）[2]是精子表麵負責與ZP3結合的蛋白（圖14-4）。GalTase-I能結合ZP3糖鏈末端的N-乙酰葡糖胺（N-acetylglucosamine）殘基，實驗證明純化的GalTase-I及其抗體均抑製精卵結合。GalTase-I能激活G蛋白，引起精子頂體反應，GalTase-I基因敲除的小鼠其精子缺乏頂體反應和穿越透明帶的能力。
精子穿過透明帶，到達卵周隙後位於精子頭後部質膜的受精素（fertilin，也叫ADAM）與卵母細胞質膜上的整合素發生識別和結合[3]（圖14-5），並啟動精子與卵母細胞的質膜融合係統，最終實現受精過程。
圖14-4 ZP3與GalTase 引自D. J. Miller 2000
圖14-5精子和卵子細胞膜的相互作用，引自Janice P. Evans 2002
四、卵裂與胚胎發育
卵裂（cleavage）是指受精卵經過分裂，將卵質分配到子細胞的過程，分裂產生的細胞叫做分裂球(blastomere)。卵裂和一般有絲分裂相似，但不經過間期，所以卵裂期間僅僅是細胞數目的增加，不伴隨著細胞生長。隨著細胞數量增加，子細胞的核質比逐漸增大，直到接近正常核質比時，分裂球才開始生長，進入到一般的有絲分裂過程。
卵裂的方式與卵黃含量和分布有關，較大、卵黃較多的卵是以偏裂的方式進行的（如昆蟲的表麵卵裂），反之多以均裂的方式進行（如哺乳動物的卵）。分裂麵與卵的極軸[4]一致的卵裂稱為經裂（meridional cleavage），與極軸垂直的稱為緯裂(latitudinal cleavage)。卵裂方向和紡錘體的方向有關，細胞質成分和環境信號均可以影響紡錘體的方向。
兩棲類的卵受精後兩小時就開始卵裂，第1、2次為經裂，第3次為緯裂，不對稱，在動物極形成4個較小的細胞，在植物極形成4個較大的細胞。
哺乳動物的卵裂較慢，受精1天後才開始卵裂，8細胞之前，分裂球之間結合比較鬆散，8細胞之後突然緊密化（compaction），即：通過細胞連接形成致密的球體。16細胞期，內部1-2個細胞屬於內細胞團，將來發育為胚胎，而其外周細胞變為滋養細胞，不參與組成胚胎結構，而是參與形成絨毛膜。
通常動物的胚胎在64細胞以前為實心體，稱為桑椹胚，在128細胞階段，細胞團內部空隙擴大，成為充滿液體的囊胚腔（blastocoel），此時的胚胎稱為囊胚。
囊胚繼續發育，部分位於外表麵的細胞通過各種細胞運動方式(如：移入、內卷、內陷)進入內部從而形成一個二層或三層的原腸胚。這種細胞遷移運動過程稱為原腸形成(gastrulation)。留在外麵的稱為外胚層(ectoderm)，遷移到裏麵的稱為內胚層(endoderm)或中、內胚層(meso-endoderm)。原來的囊胚腔亦隨原腸腔的形成而逐漸消失。
三胚層形成的組織和器官有：外胚層形成神經係統、表皮、皮膚腺、毛發、指甲、爪和牙齒等；中胚層形成骨骼、肌肉、泌尿生殖係統、淋巴組織、結締組織、血液；內胚層形成呼吸係統、消化道、肝、胰。
細胞分化的主要機製
前麵提到細胞分化是指細胞後代在形態結構和功能上發生差異的過程，通過細胞分化，使具有相同遺傳組成的細胞，選擇性地表達不同的基因，產生不同的結構蛋白、執行不同的功能，共同參與構成一個複雜的細胞社會——個體，所以細胞分化的實質是基因的差別表達（differential expression）。細胞分化與形態發生（morphogenesis）是相互聯係在一起的，後者是指通過細胞的增殖、分化和行為（如粘附、遷移、凋亡）塑造組織、器官和個體形態的過程。
隨著細胞的分裂和分化，細胞的發育方向逐漸被限定，當尚未定向的細胞不可逆地轉變為某種定向細胞的時刻，細胞的命運就被固定了，因而也稱之為決定（determination），如哺乳動物桑椹胚的內細胞團和外圍細胞，前者形成胚胎、後者形成滋養層。
不同種屬動物，其早期胚胎細胞出現決定的時間不同。無脊椎動物早期的卵裂球已經決定，每個卵裂球可以形成身體的一部分，但是任何一部分卵裂球都不能發育為完整的個體。而哺乳類胚胎在8細胞期以內，任何一個細胞都具有發育為一個個體的能力，即使在16細胞期，仍可發現個別細胞具有獨立發育成後代的能力。
細胞分化的機理及其複雜，概括而言細胞的分化命運取決於兩個方麵：一是細胞的內部特性，二是細胞的外部環境，前者與細胞的不對稱分裂（asymmetric division）以及隨機狀態有關，尤其是不對稱分裂使細胞內部得到不同的基因調控成分，表現出一種不同於其它細胞的核質關係和應答信號的能力；後者表現為細胞應答不同的環境信號，啟動特殊的基因表達，產生不同的細胞的行為，如分裂、生長、遷移、粘附、凋亡等，這些行為在形態發生中具有極其重要的作用。
以下我們對細胞的不對稱分裂、誘導機製、細胞數量控製、細胞行為變化等分化和發育的主要機製作簡要地介紹。
一、不對稱分裂
動物受精卵並不是均一結構，而是具有高度的異質性。首先，卵母細胞的核並不位於中央，而是在細胞外周靠近表麵的地方，極體就是從這裏形成並釋放出長的（圖14-3），通常把極體釋放的位點稱為北極或動物極，而相對的一極稱為南極或植物極。其次，卵細胞中的蛋白質、mRNA並非均勻分布的，而是定位於特定的空間。
動物卵細胞中，貯存有2-5萬種不同的mRNA，專供受精卵的啟動、分化和發育之用，用轉錄抑製劑放線菌素D處理海膽受精卵，使RNA的合成受到抑製，胚胎發育仍能進行至囊胚期，但如用蛋白質翻譯抑製劑嘌呤黴素或亞胺環己酮處理受精卵，則受精卵完全停止分化發育。
卵的異質性使卵的分裂必然是不對稱的，不同的子細胞得到的“家產”不同，因此具有不同的分化命運，例如昆蟲是以表麵卵裂的方式形成胚層細胞的，遷入卵的後端極質部的細胞發育為原始生殖細胞，用紫外線照射卵的這一區域，破壞極質，將會發育為無生殖細胞的不育個體。