主要内容：早在六年前就已经提出，脊椎动物在其祖先时期经历了全基因组重复（WGD）。这一观点后来被细化为'2R假说'，在有颌脊椎动物的早期演化中识别出两次WGD。最近的研究表明，第一次WGD发生在圆口鱼和有颌鱼类谱系分化之前，随后在每个谱系中独立发生了之后的WGD。WGD并不是基因重复的唯一方式，且必须与广泛的小规模重复（SSD）区分开来。大多数重复的基因在重复后会丧失，但保留下来的基因可能经历互补的功能丧失（亚功能化）和/或进化出新的功能（新功能化）。保留下来的基因也常常被纳入不断演化的基因调控网络中，这一过程被认为推动了组织、器官和细胞类型的发展与特性的新用途。已提出了一种基于共同祖先的细胞类型的进化定义，而不考虑其形态和功能。新的细胞类型可以通过重复和分化（姐妹细胞类型模型）进化，这本质上是一个层次化的概念。因此，在许多情况下，个体细胞类型是物种特定或类群特定的。这些问题突显了在不同层级和不同身体区域研究细胞类型进化的重要性。图1：定义主要细胞类型家族的脊椎动物大脑图谱和核心转录因子（TF）程序。该图像的替代文本可能使用AI生成。完整版图像a，系统发育树显示脊椎动物共享的自倍增（1R V）、有颌脊椎动物特有的异倍增（2R JV）和圆口鱼特有的六倍增（2R CV）的近似时间（百万年前），基于最近的研究。b，四种指示物种的综合神经元（左）和非神经元（右）图谱的统一流形近似与投影（UMAP）可视化。每个点代表单个细胞核或细胞。为确保数据集之间的平衡表示，仅显示每种物种中随机抽样的20,000个细胞或细胞核，适用于神经元和非神经元综合图谱。c，点图显示定义脊椎动物主要细胞类型家族的保守TF（完整列表见附表3）。点的大小表示每个细胞类型家族中表达该基因的细胞比例。每个点的颜色梯度是该物种中每个基因的标准化平均表达（物种颜色与b中相同）。对于在七鳃鳗中具有多个副本的TF基因家族，仅显示表达最高的副本。d，点图显示在成年文昌鱼大脑中脊椎动物星形胶质细胞簇的保守关键TF家族的表达（x轴）。点的大小表示每个细胞类型中表达该基因的细胞比例。颜色表示每个基因的标准化平均表达。文昌鱼所有脊椎动物细胞类型家族关键TF表达的完整点图显示在扩展数据图3中。AST，星形胶质细胞；CP-EC，脉络丛上皮细胞；DeExc，间脑谷氨酸能神经元；DeInh，间脑GABA能神经元；Epen，室管膜细胞；Fibro，成纤维细胞；MeExc，中脑谷氨酸能神经元；MeInh，中脑GABA能神经元；Micro，小胶质细胞；Oligo，少突胶质细胞；OPC，少突胶质前体细胞；ReExc，菱脑谷氨酸能神经元；ReInh，菱脑GABA能神经元；TeExc，端脑谷氨酸能神经元；TeInh，端脑GABA能神经元；Vasc，血管细胞。关于簇名称的附加信息见附表2。脊椎动物拥有发达的大脑，使其能够迅速协调地响应环境刺激，并促进适应多样的生态位。与它们最近的无脊椎近亲——海鞘和文昌鱼相比，脊椎动物的大脑高度区域化和复杂化。之前的研究已经证明了脊椎动物物种之间以及物种内神经细胞类型的相似性和差异性。然而，神经细胞类型的祖先谱系及其核心转录因子（TF）程序，以及早期脊椎动物细胞类型的起源，仍然不太清楚。WGD和SSD旁系同源基因在脑细胞类型演化中的潜在作用依然模糊。在本研究中，我们分析了四种脊椎动物（人（Homo sapiens）、小鼠（Mus musculus）、蜥蜴（Pogona vitticeps）和七鳃鳗（Petromyzon marinus））和一种文昌鱼（Branchiostoma floridae）的全脑单细胞转录组，以推断神经细胞类型家族的祖先谱系。然后，我们系统地分析了细胞类型演化中的WGD旁系同源基因（同源基因）和SSD旁系同源基因。我们的研究结果表明，2R WGD在早期脊椎动物的细胞类型创新中发挥了重要作用。