牛津大学团队与厦门大学队合作揭示全基因组复制与脊椎动物脑细胞类型演化之间的关系

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脊椎动物的出现是生命演化史上的一次重大跃迁，其标志是形成了脊柱、神经嵴和内骨骼等创新性特征。不仅如此，脊椎动物的脑也变得极度复杂，出现了具有明显形态和功能分化的端脑、间脑、小脑等结构，这大大增强了它们适应不同生态位的能力。发生在脊椎动物演化早期的全基因组复制 (WGD) 事件，一直被认为是推动脊椎动物器官结构创新和复杂化的关键诱因。然而，目前对于WGD在脊椎动物脑细胞类型演化以及脑复杂化进程中的贡献，仍缺乏有力证据支撑。

2026年6月10日，牛津大学生物系Sebastian Shimeld教授团队与学院李光教授团队在Nature期刊发表题为“Whole genome duplication shaped cell-type evolution in the vertebrate brain”的研究论文。该研究通过对人、小鼠、蜥蜴、七鳃鳗和文昌鱼5种不同脊索动物大脑细胞类型演化开展了系统比较分析，发现全基因组复制 (WGD) 保留的基因对脊椎动物早期大脑细胞类型多样化发挥重要作用。

研究从演化的视角构建了脊椎动物祖先状态的细胞类型家族及跨物种保守的核心转录因子集，通过比较文昌鱼与脊椎动物祖先状态的细胞类型，发现两者不存在1-to-1 同源细胞类型，因此在该论文和后续预印观点文章中作者提出，细胞类型在脊椎动物早期存在辐射演化 cell-type radiation的可能性。

通过分析WGD 保留下来基因 (ohnologues) 与不同层级细胞类型演化和多样性之间的关系，发现ohnologues 与脊椎动物细胞类型形成及后续演化存在密切因果关系。尤其是在星形胶质细胞、室管膜细胞以及少突胶质细胞等宏胶质细胞类型家族 (macroglia) 的演化中，通过功能验证和新的理论框架揭示了关键转录因子在WGD复制后的功能特化对脊椎动物大脑macroglia 早期演化和多样性产生至关重要。

作者同时系统地研究了细胞类型层面复制基因的演化规律，发现亚功能化 (subfunctionalization) 与剂量平衡 (dosage balance) 是 ohnologues 保留与分化的关键机制。研究进一步表明，从脑区尺度的细胞类型大家族、大脑区域化调控程序，到细胞亚类及小脑核间兴奋性神经元的特化，乃至其他器官与组织的演化，均与 ohnologues 的长期保留和功能分化密切相关。作者指出，WGD 不仅深刻塑造了早期脊椎动物脑细胞类型的演化轨迹，也持续推动了羊膜动物及哺乳动物起源过程中小脑核亚类的形成与功能创新。研究不仅揭示了WGD在脊椎动物脑细胞类型演化中的短期和长期影响，也为“新细胞类型如何产生”这一演化生物学核心问题提供了可靠视角。

与正文研究同步发布的这篇预印观点 “Towards a Rational Terminology for Cell Types”，则进一步从理论层面讨论了细胞类型本身作为进化单位的概念。观点尝试回答一个单细胞时代到来的核心问题：当越来越多跨物种细胞图谱被建立后，我们究竟应该如何定义、比较并命名不同物种中的细胞类型？作者提出，细胞类型不应仅依据功能、形态或 marker gene 命名，而应纳入系统发育与进化框架中理解。为此，文章提出“phylogenetic representation prefix (系统发育前缀) ”命名体系，在细胞名称中直接编码其进化起源，如 Vertebrata astrocytes、Gnathostomata oligodendrocytes，以体现细胞类型的同源性与创新层级。该体系可适用于从细胞亚型到大型细胞家族的不同层级。

与此同时作者更新了细胞演化理论中的一些核心概念，如新细胞类型的定义、姐妹细胞类型层级。结合脊椎动物光感受器细胞 (photoreceptors) 等案例，构建了photoreceptors演化树并强调了新命名体系的优势。文章指出，随着 Biodiversity Cell Atlas 等跨物种单细胞计划推进，兼容同源性、创新性与层级性的统一命名框架，将成为理解动植物细胞多样性的关键基础。

牛津大学博士生朱元镇、学院李光教授和牛津大学生物系Sebastian Shimeld教授为论文共同通讯作者。牛津大学博士生朱元镇为该文第一作者，李光教授课题组在读研究生张帅，以及已毕业硕士生刘惠敏、已毕业博士生石成刚和潘蓉蓉等也在本项研究中做出了重要贡献。该研究得到国家自然科学基金、崂山实验室科技创新项目、英国生物技术与生物科学研究理事会项目等资助。

来源：生物谷

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