古代基因加倍为复杂大脑奠定基础

据《牛津大学》最新研究，约5.2亿年前和5亿年前发生的两次全基因组重复事件，为脊椎动物进化出复杂大脑提供了关键的遗传原料。这项发表在《自然·生态与演化》上的研究，有助于解决一个长期争论：脑细胞类型的多样性究竟是源于罕见的全基因组重复事件，还是更渐进的微小基因变化。

由牛津大学领导的研究团队，通过对比人类、小鼠、蜥蜴、七鳃鳗和文昌鱼（脊椎动物最近的近亲无脊椎动物）五种物种的单个脑细胞基因活性，重建了脑细胞类型在漫长进化史中的演化路径。

牛津大学生物系：古代基因组重复为复杂大脑奠定基础

脑细胞的基因工具箱

研究人员发现，脊椎动物大脑中许多主要细胞类型家族，都起源于约5.2亿年前脊椎动物共同祖先的一次基因组重复，而约5亿年前的第二次重复则在此基础上进一步拓展。

“我们的发现表明，两次基因加倍事件是复杂大脑进化的基础，”资深作者、牛津大学生物系教授塞巴斯蒂安·希梅尔德说，“通过复制基因组中的每个基因，自然获得了可用作构建新脑细胞类型的原料。”

这些重复事件保留下的基因对——被称为“ohnologues”——在定义不同脑细胞类型中发挥了不成比例的作用。这些基因比通过其他机制重复的基因更有可能在特定脑细胞中活跃，尤其富集于控制不同细胞类型发育和功能的调控角色中。

新功能并非全新，而是分工合作

大多数重复基因并非进化出全新功能，而是将祖先基因的功能分工，从而细化脑细胞类型的多样性。在文昌鱼等简单动物中，关键调控基因广泛活跃于各种细胞；而在脊椎动物中，这些基因的重复版本被部署到不同细胞类型中，建立起独特的细胞身份。

这些古老事件的影响远不止于早期脊椎动物进化。研究团队表明，来自这些重复事件的基因持续定义了新的脑细胞类型——包括小脑灰质中的细胞——长达数亿年。

持久的遗产

研究合著者彼得·霍兰德教授总结了这项发现的广度：“数据分析极其复杂——研究生朱元振功不可没——但结论很明确：新脑细胞需要新基因。而且不是随便什么基因，正是那些在第一条鱼游进大海之前，因偶然的DNA加倍而产生的额外基因。”