牛津大学研究揭示远古基因加倍与大脑进化的关联

根据周三发表于《自然》杂志的一项研究，发生在约5.2亿年前和5亿年前的两次全基因组复制事件，为脊椎动物进化出复杂大脑提供了必要的遗传原材料。

这项由牛津大学主导的研究，有助于解决学界长期以来的一场争论——大脑细胞类型的多样性，究竟源于罕见的全基因组复制事件，还是源于更为渐进的小规模基因变化？研究团队通过比较五个物种（人类、小鼠、蜥蜴、七鳃鳗，以及文昌鱼——脊椎动物最近的无脊椎动物近亲之一）单个脑细胞的基因活动，重建了大脑细胞类型在漫长历史中的演化过程。

大脑细胞的遗传工具箱

研究人员发现，脊椎动物大脑中许多主要的细胞类型家族，是在约5.2亿年前脊椎动物共同祖先发生一次基因组倍增之后出现的，而大约5亿年前的第二次倍增事件又在此基础上进一步发展。

"我们的研究结果揭示，两次基因组倍增事件是推动复杂大脑进化的根本基础，"牛津大学生物系资深作者Sebastian Shimeld教授表示，"通过将基因组中的每一个基因复制一遍，自然界获得了可被重新利用、用以构建新型脑细胞的原始材料。"

由这些倍增事件保留下来的基因对——称为"同源双倍体基因"（ohnologues）——被证明与特定脑细胞类型的定义有着不成比例的高度关联。与通过其他机制产生的重复基因相比，这些基因更有可能在特定脑细胞中活跃表达，并且尤其富集于调控不同细胞类型发育与功能的调节性角色。

并非全新功能，而是功能的分化

大多数重复基因并没有进化出全新的功能，而是将祖先基因的职能一分为二，从而有助于精细调控脑细胞类型的多样性。在文昌鱼等较简单的动物中，关键调控基因广泛活跃于各类细胞；而在脊椎动物中，这些基因的重复版本则被部署于不同的细胞类型，从而建立起各具特色的细胞身份。

这些远古事件的影响远不止于早期脊椎动物的演化。研究团队发现，这些重复基因在此后数亿年间持续参与新型脑细胞类型的定义——包括小脑灰质中的细胞类型。

永恒的遗产

研究共同作者彼得·霍兰教授概述了这一发现的深远意义："数据分析复杂得令人叹为观止——在此要特别致谢研究生朱远珍——但结论清晰明确：新的脑细胞需要新的基因。而且不是普通的基因，而是在第一条鱼游入海洋之前，DNA意外复制所催生出的那些额外基因。"