Nature｜厦大李光团队合作系统比较分析人、小鼠、蜥蜴、七鳃鳗和文昌鱼等脊索动物大脑细胞类型演化

2026-06-22 15:14:27
李明朝
快讯

厦门/牛津，2026年6月10日 — 厦门大学生命科学学院李光教授团队与牛津大学生物系Sebastian Shimeld教授团队合作，在国际顶级学术期刊Nature发表最新研究成果，首次系统阐明了全基因组复制（Whole-genome duplication, WGD）在脊椎动物大脑细胞类型演化中的关键作用。该研究为上世纪70年代提出的经典"2R假说"提供了直接的细胞水平证据。

该研究对文昌鱼、七鳃鳗、蜥蜴、小鼠和人共 5 种不同脊索动物的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(whole-genome duplication, WGD)保留下来的基因(ohnologues)对脊椎动物大脑细胞类型多样化产生具有重要作用，并且发现这种推动作用不只发生在脊椎动物起源早期，在后期脊椎动物大脑细胞类型演化中持续发挥作用。

本研究采用比较进化生物学、单细胞多组学、生物信息学分析、分子功能验证相结合的综合研究体系，以单细胞转录组为核心技术支撑，从细胞图谱构建、同源基因鉴定、演化模型验证、体内功能实验多个层面开展研究。

核心发现：WGD是细胞类型创新的主力军研究结果表明，全基因组加倍产生的同源复制基因（ohnologues）在脊椎动物神经细胞类型的演化中发挥了远比小规模基因复制更为重要的作用，尤其是第一次WGD产生的同源基因贡献最为显著。许多在脊椎动物中具有保守核心转录因子程序的细胞类型家族，并未与作为外群的文昌鱼表现出一对一的同源性，暗示这些细胞类型是在WGD之后才出现并多样化的。Ohnologues 对细胞类型进化贡献大于 SSD基因家族成员

机制解析：剂量选择与亚功能化驱动为了探究同源基因如何推动细胞类型创新，研究团队预测了祖先细胞类型的状态，并对大胶质细胞等进行了实验验证。结果表明，WGD产生的冗余基因为细胞类型的“复制与分化”提供了原材料。这些保留的同源基因主要通过两种方式被重新利用：一是剂量选择，即维持关键基因的表达水平以适应新的细胞功能需求；二是亚功能化，即祖先基因的功能被两个拷贝分担，各自精细化调控不同的下游通路。

整体而言，本研究首次将单细胞转录组技术与脊椎动物 WGD 演化假说深度结合，填补了基因组加倍与细胞类型演化之间的研究空白，完善了经典 2R 演化假说。研究清晰区分了两类基因复制的功能差异，解析了剂量选择、亚功能化等核心分子机制，建立了 “基因复制 — 单细胞表达分化 — 细胞类型创新 — 器官复杂化” 的完整演化链条。同时，本研究形成的跨物种单细胞比较演化研究范式，也为动物演化、神经发育、比较基因组等领域提供了重要参考。

单细胞测序凭借高通量、单细胞级分辨率解析生物动态过程的能力，革新了细胞异质性相关研究体系。该技术早期主要应用于哺乳动物模式生物体系，近年技术突破推动其拓展至生态与进化研究中极具代表性的低等脊椎动物（以鱼类为核心）及各类无脊椎动物。

这类非哺乳动物物种演化出独特的细胞结构与分子调控适应机制，是解析个体发育、免疫应答、造血分化、环境胁迫适应等核心科学问题的理想模式生物。寻因生物已沉淀大量水产类单细胞测序样本数据，伴随水产相关细分研究方向持续深耕，可全面支撑水生生物进化、水产免疫、养殖抗逆等前沿课题研究。