古代の全ゲノム重複が複雑な脳進化の基盤を形成したことを解明(Ancient genome duplications laid the foundations of complex brains)

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2026-06-10 オックスフォード大学

英国オックスフォード大学を中心とする国際研究チームは、脊椎動物の複雑な脳の進化が、約5億年以上前に起きた2回の大規模な全ゲノム重複(Whole Genome Duplication: WGD)に強く支えられていることを明らかにした。研究では、多様な動物種のゲノムと脳で発現する遺伝子を比較解析し、重複によって生じた遺伝子群の多くが神経系の発達や神経細胞間通信に関わる機能へ特化して進化したことを示した。重複した遺伝子は、その後の進化過程で異なる役割を獲得し、神経細胞の種類や神経回路の多様化を促進したと考えられる。特に、脳の情報処理や学習・記憶に関与する分子機構の多くが、この古代の遺伝子重複に由来していることが判明した。研究成果は、脊椎動物が高度な認知能力や複雑な神経系を獲得した進化的背景を説明する重要な証拠となる。また、神経発達異常や神経変性疾患に関連する遺伝子の起源理解にもつながり、脳疾患研究への応用も期待される。

古代の全ゲノム重複が複雑な脳進化の基盤を形成したことを解明(Ancient genome duplications laid the foundations of complex brains)
A new Oxford-led study has shed light on how vertebrates evolved the complex brains that distinguish them from other animals. Image credit: nopparit, Getty Images.

<関連情報>

全ゲノム重複が脊椎動物の脳における細胞型の進化を形作った Whole-genome duplication shaped cell-type evolution in the vertebrate brain

Yuanzhen Zhu,Shuai Zhang,Jiankai Wei,Diego Dolgetta-Garcia,Katia Jindrich,Huimin Liu,Chenggang Shi,Rongrong Pan,Yuwei Chen,Yan Xu,Qiye Li,Günter P. Wagner,Peter W. H. Holland,Guang Li & Sebastian M. Shimeld
Nature  Published:10 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-026-10629-x

Abstract

The complex brains of vertebrates have more cell types than those of their closest relatives. Whole-genome duplications (WGDs) occurred during early vertebrate evolution1, but it is unclear whether the duplicated genes (ohnologues) facilitated cell-type evolution. Here using brain single-cell transcriptomes from five chordates—human2, mouse3, lizard4, lamprey5 and amphioxus—we report that many cell-type families with conserved core transcription factors in vertebrates do not show one-to-one homology with amphioxus. Moreover, ohnologues, particularly those from the first WGD, were more important than small-scale duplication paralogues for vertebrate cell-type evolution. To explore whether ohnologues are mechanistically important for this process, we predicted ancestral cell-type states and compared them to amphioxus and experimentally investigated macroglia. The findings indicate that ohnologues had a role in early vertebrate cell-type diversification. Moreover, by examining paralogue expression across cell types and species, we show that expression changes were mainly driven by dosage selection and subfunctionalization. We also link ohnologues to cellular diversity at different anatomical and cell-type scales. Our findings demonstrate the importance of WGDs for the evolution of early vertebrate brain complexity and highlight that the resultant ohnologues continued to capacitate cell-type evolution long after they were formed.

細胞遺伝子工学
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