Nature：两次基因复制事件是复杂大脑进化的基础

发表在《自然》杂志上的最新研究成果，有助于解开脊椎动物如何进化出种类繁多的脑细胞这一谜题，而这些脑细胞正是它们区别于其他动物的关键所在。研究表明，4.5亿多年前，遗传工具包的显著扩张促成了不同类型脑细胞的出现。这些细胞创新在脊椎动物中普遍存在——从原始鱼类到哺乳动物——并构成了如今我们所见的复杂大脑的基础。

研究表明，4.5亿多年前，遗传工具包的显著扩张促成了不同类型脑细胞的出现。这些细胞创新在脊椎动物中普遍存在——从原始鱼类到哺乳动物——并构成了如今复杂大脑的基础。

2026 年 6 月 10 日，厦门大学李光教授及牛津大学Sebastian M. Shimeld教授、博士生Zhu Yuanzhen等，在国际顶尖学术期刊Nature期刊发表了题为：Whole-genome duplication shaped cell-type evolution in the vertebrate brain 的研究论文。

通过比较包括人类、小鼠、蜥蜴、七鳃鳗（一种原始的鳗鱼状鱼类）和文昌鱼（我们最亲近的无脊椎动物亲戚之一）在内的五种物种的单个脑细胞的基因活性，研究团队重建了脑细胞类型在漫长历史中的演化过程。他们发现，脊椎动物大脑中许多主要的细胞类型家族都起源于大约5.2亿年前脊椎动物共同祖先的一次基因组复制事件。随后，大约5亿年前的另一次基因组复制事件进一步丰富了这一过程。

资深作者、牛津大学生物系教授Sebastian Shimeld表示：“我们的研究结果表明，两次基因复制事件是复杂大脑进化的基础。通过复制基因组中的每个基因，自然界获得了可用于构建新型脑细胞的原材料。”

全基因组复制是指生物体的全部遗传物质发生重复。科学家们长期以来一直在争论，脑细胞类型的扩张是由这些罕见的全基因组事件驱动，还是由更渐进、小规模的基因复制驱动。虽然许多重复的基因会丢失，但有些基因会被保留下来，并逐渐承担新的或专门化的功能。研究人员发现，从全基因组复制事件中保留下来的基因对——被称为“同源基因”——在定义不同的脑细胞类型方面发挥着不成比例的作用。

在所分析的物种中，源自这些古老基因重复事件的基因，比通过其他机制重复的基因更有可能在特定脑细胞类型中保持活跃。这些基因尤其富集于调控功能，有助于控制不同细胞类型的发育和功能。由于大脑依赖于许多特化细胞类型的协同工作，因此细胞的这种多样化是其整体复杂性的关键组成部分。

研究团队还发现证据表明，早期脊椎动物的大脑是通过将祖先细胞类型分化成更特化的形式而进化的。在与脊椎动物亲缘关系较近的简单动物（例如文昌鱼）中，关键的调控基因在细胞中广泛活跃。而在脊椎动物中，这些基因的重复版本分布在不同的细胞类型中，有助于建立不同的细胞身份。研究表明，大多数重复基因并没有进化出全新的功能。相反，它们将祖先基因的功能在自身之间进行了分配，从而有助于微调脑细胞类型的多样性。

重要的是，这些远古基因重复事件的影响并未止步于早期脊椎动物的进化。通过分析进化较晚的脑细胞类型——例如小脑灰质中的细胞——研究人员发现，源自这些基因重复事件的基因在数亿年的时间里持续被用于定义新的细胞类型。这些发现凸显了罕见的基因组事件如何产生持久的进化后果，塑造了整个动物群体所呈现出的生物复杂性。

该研究的共同作者Peter Holland教授说：“数据分析极其复杂——Yuanzhen Zhu功不可没，但结论很明确：新的脑细胞需要新的基因。而且并非任何基因都一样——这些额外的基因是在第一条鱼游入大海之前，由于DNA意外复制而产生的。”