Take-home messages

Basic concepts
1. Evo devo (evolutionary developmental biology) - 动物的形态（form）由发育过程（developmental process）决定；不同的发育过程导致了形态的多样性。要理解动物形态的多样性和进化历史必须在在development的框架下研究——这是evo devo这一学科的基础。

2. Toolkit gene - Toolkit gene的发现将人们对发育过程的理解深入到分子层面。这里的toolkit gene其实是指指导发育过程的转录因子（transcriptional factor），可以开启或关闭特定基因的表达。toolkit gene通过基因调控区一段特异的增强子（enhancer）序列识别基因。增强子可以决定基因的表达时间，地点和表达水平，有序的指导发育过程的进行。evo devo的研究发现，不同物种间发育过程的差异主要在于toolkit gene表达模式的差异；toolkit gene表达模式的差异源于其本身的增强子的差异。Nusslein-Volhard和她的同事Wieschaus在上世纪80年代通过系统的工作筛选出了果蝇发育中大部分的toolkit gene，和Ed Lewis共同分享了1995年的Nobel Prize。

3. Hox gene - Hox gene，Hox gene是一大类toolkit gene，决定着动物的体节的发育和分化，重要性可见一斑。Hox gene出名的另外一个原因是它极其保守，在无脊椎动物和脊椎动物中都存在——这说明它早在著名的寒武纪生物大爆发前就已经有了。其他著名的古老的toolkit gene还有调控眼睛发育的Pax6和心脏发育的tinman。Hox、Pax6和tinman给了我们综合进化论的老祖宗Dobzhansky重重的一拳，因为老爷子说同源基因只在近缘物种中存在。而恰恰是因为hox gene和其他toolkit gene表达模式的变异，导致了物种形态的多样性。

4. Willstone’s Law - “It is [also] a law in evolution that the parts in an organism tend toward reduction in number, with the fewer parts greatly specialized in function”. 进化里的law其实是很少的。Willstone’s Law基本上能算是evo devo的指导思想了。本书中的大量的例子都是Willstone’s Law的具体例证。

Evolutionary strategy
5. Evolution很少de novo的设计一个东西。许多特化的结构，如翅膀，都是从简单的结构进化而来。 昆虫的翅膀是从甲壳类的呼吸瓣进化而来，翼龙的翅膀是前肢的第四指延长形成，鸟的翅膀是由前肢特化形成。形态上的特化的分子机理是toolkit gene的功能的改变和创新。


6. Parallel evolution - 不同的物种会面临类似的环境改变或挑战。因此它们会发生平行进化（parallel evolution）。昆虫，鸟和翼龙的翅膀就是一个很好的例子。在这个case里，不同的物种利用不同的方法进化出翅膀。在其他一些case里，不同物种利用相同方法产生平行进化，例如蝴蝶和果蝇的wing spot。

7. Protein coding region vs. regulatory region - 大部分toolkit gene都是转录翻译成蛋白质来执行发育过程。很容易想到toolkit gene的改变和创新是通过改变组成蛋白质的氨基酸序列来实现。实际上事实没这么简单。King和Wilson早在1975年就提出，人和黑猩猩蛋白质的氨基酸组成高度相似，所以导致人和黑猩猩差异的变异大部分位于基因的调控区。最近一系列evo devo的研究表明，evolution通过添加和删除调控区域的增强子，可以特异改变该基因的表达模式，进而改变表型。

King, M. and A. Wilson (1975). "Evolution at two levels in humans and chimpanzees." Science 188(4184): 107-116.

Carroll, S. B. (2005). "Evolution at two levels: on genes and form." PLoS Biol 3(7): e245.

Some intriguing examples
8. Stickleback fish - Stickleback是进化学家的宠儿。stickleback有两种ecological types：在海洋里的stickleback腹鳍处有明显的棘突，在淡水里的stickleback则丢掉了棘突。科学家认为这是一个很好的适应性进化的例子。海洋里的stickleback需要通过棘突扩大身体的直径，使其更难被大鱼吃掉。而在淡水里，stickleback如果长着棘突，会被其天敌，一种叫dragonfly的幼虫抓住并吃掉。stickleback的棘突是由一个叫Pitx1的toolkit基因调控。生活在海洋里的stickleback的Pitx1在pelvis有更高的表达量，因而长着长棘突。

Comment - 2010年David Kingsley group发现淡水型的stickleback通过丢掉调控区的enhancer而失去了Pitx1的表达，从而丢掉了棘突。有意思的是，这一段区域有强烈的达尔文正选择的信号，印证了淡水型stickleback失去棘突是适应性进化的说法。

Chan, Y. F., et al. (2010). "Adaptive evolution of pelvic reduction in sticklebacks by recurrent deletion of a Pitx1 enhancer." Science 327(5963): 302-305.

9. Wing spots of butterfly - Butterfly的spot具有多种生物学功能，例如调节温度，模仿吓人的大眼睛吓走捕食者，或者模仿有毒的蝴蝶使捕食者不敢下手（Bates拟态）。Sean Carroll group发现一个古老的、决定附肢发育的toolkit gene，Distal-less (Dll)居然调控wing spot的发育！这正好为evolution喜欢运用古老的基因做新的事情提供了新的例证。他们兴奋的把文章投到nature，结果nature连审都不审。Ouch。他们接着把文章投到science，文章不但很快发表，还获得了广泛的关注。Times还因此专门做了一个专辑，名为”the secret of beauty”。

Comment - 关于Dll调控wing spot的故事远远没有结束。Carroll和他的学生们在Dll在果蝇里同样调控wing spot的发育。最新的一篇报道发现，在果蝇的一些species里面（Drosophila biarmipes等），Dll通过调控yellow和ebony两个黑化基因形成新的wing spot。

Arnoult, L., et al. (2013). "Emergence and diversification of fly pigmentation through evolution of a gene regulatory module." Science 339(6126): 1423-1426.

10. Peppered moth - 著名的英国大黑蛾，是适应性进化最有利的例证。英国的工业污染将Peppered moth的栖息树染成了黑色，peppered moth为了躲避鸟的捕食进化成了深色。遗传学家将深色变种和浅色种杂交，发现深色的phenotype是由一个主效基因控制。

Comments - 近几年来，genome study基因组序列为genetic研究提供了有力的工具。导致peppered moth黑化的基因（carbonaria）已经在2011年发现。

van’t Hof, A. E., et al. (2011). "Industrial melanism in British peppered moths has a singular and recent mutational origin." Science 332(6032): 958-960.

11. Human evolution - Human的进化特征非常引人注目，包括脑容量增大，直立行走，丰富的语言功能，幼态延长，面部特征的改变等。但是由于human无法进行遗传学实验，关于这些表型的遗传学证据我们知道的非常少。这本书写成的时候只发现FOXP2基因可能和语言的形成相关，MYH16和面部特征的改变相关。

Comment - mouse model是human evolution的一个解决方案。Kingsley group用mouse model发现AR基因调控区域的丢失可能导致人的penile spine的丢失；GADD45G基因调控区域的丢失可能导致人的脑容量扩大。此外，Sabeti group发现EDAR基因的一个氨基酸的改变可能导致东亚人的毛发和乳腺特征的改变。但是，mouse model非常难做，而且不一定适用于所有的情况，毕竟human和mouse还是存在着一定大的差异。

McLean, C. Y., et al. (2011). "Human-specific loss of regulatory DNA and the evolution of human-specific traits." Nature 471(7337): 216-219.

Kamberov, Y. G., et al. (2013). "Modeling recent human evolution in mice by expression of a selected EDAR variant." Cell 152(4): 691-702.