这一节介绍形态发生的调控要素并在两种完全不同实验种类即两栖动物肢体和水螅头部的再生体系中定义形态发生调控。形态发生并不仅限于这些紧密调控系统，它同样发生于哺乳动物组织再生，但在这种情况下形态发生的调控显著有赖于外界环境因素以及内在因素。

有尾目两栖动物的截除肢体再生是逐渐恢复为外在和内在本质正常的形态，与正常主要的区别在于以从更多正常主要神经主干分出高度异常分支为特征的再生物神经分配形式。

形态发生的神秘之处在于生长的结构是如何知道何时开始与结束的?再生的肢体从截断处开始形成，这一过程通常持续到趾部最远端成形。再生的主要法则之一，有时被称为远移转化定律( law of distal transformation)，是指再生以极性方式在截断处更远中端形成。其最明确的示例之一就是Bulter的实验，他将火蜥蜴( salamander)的肢体的远中末端移植入体壁的凹陷处，再从肱骨水平进行截除。经过一段时期的复原后，被植入的极性相反的肢体产生了一个包含所有通常位于截除面远端的再生结构，同时这些结构多数是存在于被反向植入的残肢内的。根据研究目的对这一实验进行调整，将蝾螈的前肢腕部连接在一起，同时将右侧肢体去神经以便于神经纤维从左侧肢体生长进入右侧。几周后，在肩部水平截断右肢，近远中极性相反的右侧残肢以类似于Bulter实验的方式再生了一个正常极性的左肢。

另一个割处再生的基本特性就是嵌入( intercalation)，水平移动嫁接法( level-shift grafting)便是很好的例子。如果一个远端(比如腕部水平)芽基移植入一个近中残肢(例如肱骨中部)，结果上臂不会生长产生一个手腕，而是在形态学裂隙处被植入的芽基和残肢间的去分化和细胞增殖填充，这样的再生物便包含了原本位于残肢和芽基间的缺失部分(例如上臂远端以及前臂)。在相反的实验中，如果一个近中芽基移植到远端残肢则不会发生嵌入，而是从宿主的腕部肢体残端再生出一个几乎完整的臂部。

前面所介绍的移植实验有力地提示在近远中轴内存在差异从而形成嵌入现象的基础，细胞行为学实验研究为这一观点提供了进一步的支持。Nardi和Stocum研究了肢体不同近远中区域芽基细胞的表面黏附特性，结合截除水平的近、远中端聚集的胚基，他们发现近中芽基来源的细胞总是吞噬远中胚基来源细胞。与此相反的是，如果从相同水平来源的胚基相似则不会发生吞噬行为。

一项体内研究同样显示存在细胞表面特性在近远中端存在差异。Crawford和Stocum将上臂、肘部及腕部水平来源的前肢胚基移植到后肢胚基残端接合处，随着后肢胚基的生长，移植的前肢胚芽则伴随着再生的后肢发育。前肢/后肢再生接触面的位置取决于前肢胚基的来源，移植的前肢胚芽会被再生的后肢带到合适的近远中水平，因此上臂水平来源的胚芽保持在大腿中部水平，而腕部水平移植物则位于宿主再生结构的踝部水平，这一实验模型被称为“亲和电泳实验( affinophoresis assay)”。

再生领域中最具影响的发现之一就是维A酸能够引起肢体再生这一违背远端转移原则的探索。Niazi 和Saxena将蟾蜍蝌蚪的肢体从胫部截除，然后将蝌蚪放置于含有维生素A的水中，尽管原有肢体是从更远端的水平进行截除，一些蝌蚪从大腿开始再生出了完整的肢体。其后不久，Maden在美西螈上重复了该实验，发现暴露于不同的类维生素A中均毫无例外地从远中残肢再生出了近中肢体的结构，同时维A酸被证实是最有效果的类维生素A。维A酸实验模型为剖析近远中极性的基本原理提供了第一个具体工具。

数年来关于维A酸对再生影响的研究主要揭示了将再生系统暴露于类维生素A中所引起的现象学，而随后的研究则开始探究机制。一项从早期实验研究得出的结论认为维A酸重新指定了肢体近远中轴细胞的位置值，从而造成更多远中值近中化。关于维A酸引起的近中化的一项典型实验证明来源于Crawford和Stocum对亲和电泳实验系统的后续研究，他们将经维A酸处理过的虎螈幼虫上臂、肘部及腕部水平来源芽基移植到后肢大腿中部芽基，由于所有移植的胚芽的位置值已经近中化，从而所有这些不同水平移植物的再生均起于宿主大腿。

最早试图解释近远中转化的理论之一即平均模型，其沿着肢体的近远中轴假定了一个位置值的线性排列。根据平均模型，火蜥蜴的近远中轴由一系列从肢体基底到顶端的位置值代表，最远端的上皮作为固定的参考点，其下方位置值沿着近中方向逐渐增加。当一个肢体被截除时，在损伤的上皮之间造成了一个被分配为零值的不连续，最远中依然是其下部的组织。对不连续的识别将导致细胞去分化继而增殖和位置值的重新指定分配，从而远端细胞或其在肢体残端内的子代细胞将逐渐填充缺失的位置值形成再生过程。

近年从具体的分子水平上对远端和近端细胞差异的理解取得了重要进展，肢体发育过程中 HoxA和 D9-13基因以总体从近中向远中的方式进行表达，在以维A酸处理远端芽基后，关键的 Hox基因呈现出近中模式的表达，同时表达 T-box基因 NvTbox1，而该基因通常在再生肢体的近中区域表达。 Prod1是与哺乳动物的 CD59蛋白相关的小分子表面蛋白，参与补体活化终末阶段的抑制。在正常的火蜥蜴肢体中 Prod1呈近远中梯度表达，且相比于远中芽基细胞近中内表达更多。与维A酸引起的胚芽近中化相应，远中芽基细胞的 Prod1表达在经维A酸处理后相比对照组值上调了近15倍。Echeverri和Tanaka的实验提示了 Prod1对细胞行为的影响，通过电穿孔法将结合荧光标记的 Prod1导入远端胚基细胞结果发现这些细胞在再生中处于近中区域;与此相反的是，当在相同区域的胚基内只导入荧光染料时，标记的细胞出现在了再生的手部。这些实验显著提示 Prod1可能是位置记忆复杂系统的要素之一，在再生肢体的多数形态发生中起引导作用。蝾螈内的同源盒转录因子 Meis1、 2是维A酸的下游靶目标，在肢体再生中同样作为近中化因素发挥作用。远中芽基细胞内过表达 Meis1、 2，经过维A酸处理后这些远中细胞会重新定位于再生更近中的区域;有趣的是，敲除 Meis却不会影响近中截除后的再生。已有的证据提示 Meis在位置记忆体统中发挥效应蛋白作用，而不是记忆系统本身的组成部分。

这些新的分子基础研究提供了对Maden的近远中平均模型的补充修正，原始的模型中以远端损伤上皮作为参考点直接用于代表其正下方中胚层细胞的平均位置值。从更表浅的层面讲这似乎与Rose关于再生过程的远中极化抑制控制有相同之处，两者均预测结构最远中的组分应最先出现，只是在Rose的模型中是由于远中细胞抑制了更远中结构的形成，而越来越多的分子生物证据则显示近中细胞形成多于远中细胞是由于分子的位置记忆。因此，完整诠释近远中形态发生控制需要获取更多关于再生胚基内最远中和近中细胞间内的细胞动态信息。

扩展到两栖动物之外更广的范围，关于近远中模式形成的主要问题集中在是以相继发生还是同时发生的形式获得新的模式。如果是相继发生，则决定的方向性(近远中或远近中)是重要的考虑因素。关于真涡虫和简螅的研究提示为远近中决定，而脊椎动物体系则似乎正好相反。

每个水平轴(前后向和背腹向)也同样被发现存在着位置记忆且可受维A酸影响，现代关于水平轴形态控制的研究始于旋转或移植胚芽或残肢组织的相关实验。Lheureux和Carlson将一个截除肢体皮肤绕着残肢下组织旋转并进行了一系列的早期实验，他们发现经过这样的旋转可再生形成4倍于正常足趾的复杂多倍结构;将皮肤或其下方的组织暴露于高剂量的X线辐射，再生仍可发生但不会形成多倍结构。尽管正常皮肤包绕经辐射的下方组织能生成看起来正常的再生物(虽然没有肌肉)，但改变正常皮肤移植物的位置关系可极大地影响再生过程。如果将未经辐射的皮肤翻转90°包绕辐射的下层组织，这样所有腹侧或所有背侧皮肤毗邻损伤表面或者一小部分完全的腹侧或背侧皮肤包绕整个肢体一圈，则不能发生再生。这些实验提示形态发生对立面的并存将导致额余再生，而形态发生对立面的缺失则不能发生再生。后期的实验显示，位置替换而非角度旋转是重要的调控因素。真皮和肌肉是形成额余再生所必需的，而表皮、骨以及神经则不是;这些实验提示真皮和肌肉具备位置记忆，且旋转后仍然保持记忆。进一步的研究显示位置记忆在稳定的旋转组织中可至少保持数月，即使在经历了切除后退化和组织再生过程的旋转肌肉中仍然存留。故而，位置记忆很难擦除。

其他的实验设计将胚芽围绕肢体残肢的水平轴旋转，就像残肢组织旋转实验，这种处理同样可以产生额余的再生物。但与残肢组织旋转产生的形状奇怪的再生物不同，轴不连续处形成的是形态良好的肢体。

在组织旋转包绕水平轴后可形成额余结构的现象在两栖动物的再生中并不仅限于两栖动物的肢体再生，同样也可发生于昆虫肢体。这些观察可作为对极性调整模型的详细阐述，以作为统一的基本原理用于解释许多已报道的切除和旋转实验。极性调整模型将割处再生领域视为一组同心圆，而在圆形和放射状方向均嵌有位置信息，圆圈的中心则代表割处再生区域三维方向的最远端部分。这一模型包含两项基本原则，第一是最短嵌入原则，即当在圆周发生间断时缺失的位置值将从最近的路径进行嵌入填充。举例来讲，如果发生间断而将任意的3和6位置值的细胞带到了一起，则填充不连续处的嵌入将会以3、4、5、6的形式而不是6、7、8、9、10、11、12、1、2、3。第二个是远端转移的完整圈原则，如果在简单截除或组织换置后，已存在或者由嵌入产生了一个位置值的完整圈，则会发生远端生长(再生) ;但若完整圈缺失则不能发生再生。

最短嵌入原则在多种情况下能够很好地解释额余再生的形成和偏手性。在对远端转移的完整圈原则的验证中，Bryant制造了两个蝾螈前部前肢再截除它们，由于这样的肢体在截除表面不具备完整分布的位置值，故而不能再生。然而与这一原则显著相矛盾，Stocum在两个后部的后肢残余的大腿中部水平制造对称的双前部再生物，但双前部残肢只产生了截断的再生物。这些结果为极性协调模型提供了进一步补充修饰，即远端转移或许不是一个全或无的应答，而是由残肢圆圈周位置值数量以及这些值如何相互作用逐步形成的。

在对远中化模型的进一步研究中，Stocum和Thoms以维A酸处理蝾螈的双前肢残端，发现许多再生的前肢发生了远端转移并且完全沿着水平轴(背腹向)这一出乎意料的结果。这提示除远中化之外，维A酸也可在再生中后移肢体组织。通过追踪音猬因子( sonic hedgehog， shh)域这一通常在发育的再生肢体后端表达的信号分子的表达可提供后移化的分子证据，维A酸处理后正常内源的 shh表达很快下调，同时在再生芽基的前缘附近则出现了新的表达位点。

另一项实验提示维A酸也可使腹侧化，但缺乏确切的分子机制。尽管有很多关于类维生素A的研究，但关于其受体、细胞质结合蛋白以及再生过程中维A酸通过何种途径影响形态发生却所知甚少。

形态发生相反部位接触作为再生对其先决条件并不限于两栖动物肢体，Chandebois认为背、腹部的组织相邻是引发真涡虫头部再生的关键，接着的实验将真涡虫部分180°旋转和移植从而形成并列的背、腹部组织，胚基和再生生长发生于背、腹部组织相连接的区域。这类似于在两栖动物肢体神经背离部位需要前、后皮肤的交叉以获得较好形态的神经诱导额余结构再生。真涡虫的再生被认为是来源于干细胞样新胚叶再生的结果，其可迁移至损伤表面并形成再生胚基，而X线辐射可杀死新胚叶并阻止再生。当Kato和他的同事将经辐射和未辐射组织联合形成背、腹部结合物时，胚基仍可形成，而新胚叶来源细胞聚集在背、腹接触面的未经辐射组织内。这项研究提示至少在真涡虫内，位置记忆聚集位于抗辐射分化细胞，这些细胞将位置信息转化给形态发生信息空白的新胚叶。这些从真涡虫获得的研究结果与火蜥蜴的肢体不同，如果将辐射过的皮肤包绕未经辐射的下层组织或者进行与此相反的组合，则只能从未辐射组织形成单一再生物而很少见到多种再生物。这提示或许两栖动物内通过去分化进行割处再生与真涡虫由新胚叶引起的割处再生在形态发生调控间存在根本的区别。

再生生物学的实验科学始于18世纪40年代，Abraham第一个双向截除一个水螅，希望获知这些产物是动物还是植物。当他发现片段能够再生一个整体后，开始对他们的再生进行系统研究，而在十八世纪掀起了研究再生现象的风潮。水螅头部的再生和两栖动物肢体再生差别很大，一个截除肢体的远端部分通过割处再生过程而重组形成一个再生胚芽，而水螅头部再生则是利用其持续保持自身正常身体形态的分子和细胞机制。细胞分裂不是水螅头部再生所必需的，因此它是变形再生过程而非割处再生。

水螅是通常以毫米来计算的微小生物，其全身的结构非常简单，包含一个管状体( tubular body)、一个用于吸附物体的基盘( basal disk) (足)以及由一个口下板( hypostome) (嘴)和口下板下方呈圆周形排列的环形触须形成的头部。水螅的细胞组成也相对简单，管状体由两个同中心的内皮层组成，即外细胞层和内细胞层以及两者之间插入的被称为中胶层( mesoglea)的一层基底膜样薄细胞外基质。外层和内层的细胞均有丝分裂活跃且处于恒定的移动状态，从管状体始在一个稳定的涌流内向头部和尾部转移直到脱落，类似于哺乳动物的内皮细胞移动并沿着肠绒毛长轴脱落。一旦进入触须或者脚部细胞便不再进入细胞周期(处G ₂静止期)。表皮内存在的多能干细胞称作间质细胞( interstitial cells)，可分化为生殖细胞、分泌细胞、神经元以及一类被称为刺细胞( nematocysts)的特殊的刺状细胞等多种细胞类型。水螅通常通过管状体形成萌芽的无性生殖方式实现繁殖，随着萌芽的生长它们发育形成头部并从母体的管状体折脱。关于水螅生物学和再生最基本的问题之一是探索为体蒂迁移出的细胞提供形态发生和分化信息的细胞外信号的本质，以及同样重要的关于这些细胞如何接受、解读并对这一信息做出反应的问题。

如果一个水螅从管状体中部被截断，在头部末端的切断面将再生形成一只足而足部末端的切断面将再生一个新的头部。多数管状体的短小片段(短至管状体的5%)即可再生形成头和足末端，甚至分散的细胞团也能再生形成一个完整动物体。水螅再生迅速，通常30小时内足可再生而头部再生可在72小时内完成。截除头部后，3～6小时内两层片状上皮在截除表面伸展，这些细胞中的一些发生重组形成口下板的雏形并在30～36小时内形成第一个新触角，再生的触角内则开始进行特定细胞类型的分化。

从数年来进行的大量移植类型和引导实验中获得的结论是正常水螅的整体结构组成有赖于组织中心以及形态发生活性物质梯度的存在，相同的过程也被认为在再生中发挥重要角色。MacWillams提炼出提示头部活化和抑制四类实验:

( 1)如果供体水螅的管状体移植物被置于完整受体水螅的中下部，在移植物上只有少部分可形成头部。与此相反的是，如果受体水螅的头部被移除，可形成头部的移植物的比例将增大，这些提示原有头部的存在抑制身体其他部分形成新的头部。

( 2)来自相同区域的移植物如果被置于受体头部区域附近，移植物形成头部的比例将低于当移植物远离受体头部时，这提示移植物离头部越近则抑制效应越强。

( 3)当供体组织被移植到受体相同区域时，取自离供体头部越近的组织形成头部的比例越大，这提示了头部周围存在的离头部越近则越强的活性梯度。

( 4)如果在原始头部被截除后移植物来源于供体水螅最前部的区域，则头部形成的活性将像供体水螅再生自体头部一样强，这提示头部的存在或发育可强化头部激活物的刺激影响。

前面所述梯度的种类和方式提示了包含梯度的物质来源或宿，不论是头部活化还是头部抑制的移植实验均提示头部是其中之一。为了探寻移植实验产生不同效果的原因，MacWillams假定存在不同比率的活化分子(或宿)的下游或者其他因素的不同浓度曲线，如果没有特异性分子的贮备则不可能获得更多特化。最近的研究显示头部活化由两部分组成:一个以口下板为中心的头部组织导体(类似胚胎导体)以及主要作用于管状体的头部激活物梯度。目前认为头部区域的头部激活物的有效浓度高于抑制，且沿着管状体长轴距离越远则抑制效应越低于活化，否则自然萌芽过程将不能发生。以前基于抑制物相比激活物更短的半衰期来阐释头部再生，一旦抑制物的浓度相比于活化下降，则头部再生启动。在一个突变系中，其再生头部的概率只有10%～20%，拥有较高水平的抑制物并且不像正常动物在截除后迅速下降。正常头部再生的第一步是重组头部导体然后再开始形成头部激活物和抑制物梯度。

更多有关头部激活物和抑制物的动态信息有赖于确定形成梯度的具体分子机制，基于分子机制水平的探究尚不完整，但已有一些模式开始出现。到目前为止对头部激活物系统了解最多，早在1973年Schallaer就确定了一个与头部活化许多特性相关的物质，后面被发现是11-氨基酸多肽。头部激活物由神经细胞产生，也可在神经缺失的水螅内由内皮细胞产生。头部活化对水螅内几种细胞具促有丝分裂作用，不仅改变头部再生同时刺激发芽。后续为了确定头部激活物为多肽，一个国际联盟组织从成体水螅内确定了多于800种多肽，但仍然需要设计具有革命性意义的实验来探究这些多肽发挥什么作用以及如此大量的多肽是否是更高等动物的上限或者正好相反。

头部移除后的早期还表达另外两种分子且似乎在头部再生发挥重要作用，一个是被称为“ HEADY”的12-氨基酸多肽，其在头部截除后6小时内表达大量上调但至8小时即已下降，其似乎发挥了类似头部诱导物的作用。但与此相反，在足部切除后其RNA表达并不增加。表达更快的是信号分子 Wnt，其在头部截除后1小时内即出现，水螅表达几乎所有的 Wnt通路成分，提示这一通路确实发挥功能。Bode认为 Wnt通路的活化与头部组织活动密切联系。口下板内T-box转录因子Brachyury的同源物HyBra表达与头部活化变化相关联。

其他多肽与位置梯度引起的足部形成相关，多肽 pedibin/Hym-346和 Hym-323存在于下调的基底上皮梯度并通过沿着基底小体柱降低位置值梯度促进足形成。 Hym-323作用于基底上皮细胞，而 pedibin则在内层细胞内表达，并与将梯度内反映出的位置值转化为细胞行为的同源域因子 CnKK-2共表达。

目前不能知晓的是从水螅相关研究中获知的再生控制机制是否适用于更高等的动物，如果答案是肯定的，那么又是以什么样的形式和内容。有趣的是如果探究脊椎动物的简单伸长结构，例如同样在上皮层具有细胞流的肠绒毛，是否可用引导水螅形态发生的任一分子机制来解释。

形态发生仍然是割处再生中持续的主要前沿研究，目前为止我们对于形态发生现象的理解还是主要来源于各种切除干预和移植实验，尽管已建立了一些形式美观的模型，但我们仍然对形式发生和再生塑形的细胞或者分子基础所知甚少。越来越可以确定的是形态发生的边界条件非常重要，即便是在割处再生的启动中，这点可以从相反原则中反映出来，只有当相反的(背部和腹部或前部与后部)组织同时出现在截除表面时再生才能发生。关于形态发生的细胞和分子调控机制最多的理解来源于近远中轴涉及的实验，由维A酸引起的连续复制以及不同水平芽基细胞的不同黏附特性的相关实验获得了数据，并得出了再生芽基中从近中向远中存在表面特性的梯度变化这一结论。近期关于表面分子 Prod1的研究也为这些不同的特性提供了一个分子基础。但关于前后向或背腹向轴的形态发生调控，以及代表了具体化的形态发生信息的位置记忆之相关机制几乎不了解;为什么从组织学上看类似于一个再生肢体的再生尾部由于包含了多种组织调控而完全不同于肢体仍然是不解之谜。而在水螅等一些非脊椎动物系统中，大量的迹象则提示了存在既可刺激又可抑制再生的分子梯度。