科技日报记者 张梦然
一项发表于最新一期《自然》杂志的新研究，揭示了脊椎动物如何演化出远超其他动物的复杂大脑。科学家发现，约4.5亿年前发生的两次全基因组复制事件，为不同类型脑细胞的出现提供了关键的遗传原料，这些细胞创新从原始鱼类延续到哺乳动物，构成了现代高级大脑的基础。
来自英国、中国、美国等多家机构组成的联合团队，此次比较了人类、小鼠、蜥蜴、七鳃鳗和文昌鱼五种生物的脑细胞基因活性，重建了脑细胞类型在漫长演化过程中的变化路径。他们发现，脊椎动物大脑中多数主要细胞类型家族，起源于约5.2亿年前脊椎动物共同祖先经历的一次全基因组复制，随后在约5亿年前又发生了一次类似的复制。
全基因组复制意味着生物体整套遗传物质被完整拷贝。科学家此前一直争论，脑细胞类型的扩展究竟源于这类罕见的全基因组事件，还是由更频繁的小规模基因复制驱动。新研究表明，通过全基因组复制保留下来的基因对，被称为“ohnologues”，在定义不同脑细胞类型中发挥了不成比例的重要作用。在分析的五个物种中，这些古老复制产生的基因在特定脑细胞类型中活跃的概率，显著高于通过其他方式复制的基因。它们尤其富含调控功能，帮助控制不同细胞类型的发育和分工。
研究还揭示了早期脊椎动物大脑演化的具体模式：祖先细胞类型通过分裂成更专门化的形式实现多样化。在与脊椎动物亲缘关系较近的简单动物（如文昌鱼）中，关键调控基因在各类细胞中广泛表达；而在脊椎动物中，这些基因的复制版本被分配到不同细胞类型中，协助建立起各自独特的身份。值得注意的是，大多数复制基因并没有演化出全新功能，而是将祖先基因原有的角色拆分给两个副本，从而精细调整脑细胞类型的多样性。
更重要的是，这些古老复制事件的影响并未停留在早期脊椎动物阶段。通过分析演化较晚出现的脑细胞类型，例如小脑灰质中的细胞，研究人员发现，源自这些复制的基因在数亿年间持续被用于定义新的细胞类型。这表明罕见的基因组事件能够产生持久的演化效应，深刻塑造整个动物类群的生物学复杂度。
团队指出，数据分析工作极为复杂，但结论清晰：新脑细胞的诞生需要新基因，而这些基因恰恰来自远古时期DNA意外加倍所留下的遗产。
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