Forscher am Whitehead-Institut haben einen Meilenstein in der biologischen Kartierung erreicht, indem sie den ersten umfassenden Ganzkörper-Einzellzell-Atlas eines erwachsenen Wirbeltiers erstellt haben. Die Studie konzentriert sich auf Danionella cerebrum, einen winzigen, transparenten Teleost-Fisch mit einer Länge von etwa 12 Millimetern. Durch die Profilierung von mehr als 600.000 Zellen, die aus dem gesamten Körper des Tieres gesammelt wurden, erstellte das Team einen detaillierten Transkriptom-Atlas, der identifiziert, welche Gene in bestimmten Zelltypen aktiv sind und wo sich diese Zellen befinden.
Die resultierenden Daten dienen als molekulare Referenz zum Verständnis der zellulären Vielfalt und Gewebefunktion im gesamten Organismus. Diese Ressource bietet eine Basis für die Untersuchung, wie Verletzungen, Alterung, Medikamente oder andere Faktoren Zellen im gesamten Tier beeinflussen. Das Team hat den Atlas über DigiFish öffentlich zugänglich gemacht, eine interaktive Plattform, die Forschern hilft, Zelltypen und Genaktivität zu erkunden. In Kombination mit der optischen Transparenz des Fisches und bestehenden experimentellen Werkzeugen ermöglicht dieser Atlas Wissenschaftlern, spezifische Ziele für Manipulationen zu identifizieren und ihre Aktivität in lebenden Tieren zu verfolgen.
Kutay Deniz Atabay, PhD, der die Arbeit als Postdoktorand im Labor von Peter Reddien, PhD, leitete, betonte den Wert der räumlichen Auflösung. Er stellte fest, dass das Wissen nicht nur darüber, welche Zelltypen existieren, sondern auch über ihre Nachbarn innerhalb des Gewebekontextes, Zugang zu mehreren Ebenen biologischer Komplexität bietet, von der molekularen bis zur Systemebene. Atabay ist der Erstautor der Studie, während Reddien als leitender und korrespondierender Autor fungiert. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Danionella cerebrum ist eines der kleinsten Wirbeltiere der Welt und besitzt das kleinste bekannte Wirbeltierhirn, das etwa 650.000 Neuronen in einem Volumen von 0,6 Kubikmillimetern enthält. Trotz seiner geringen Größe umfasst das Gehirn alle wichtigen Wirbeltierregionen und ist durch die Oberseite des Fischkopfes sichtbar. Diese einzigartige optische Transparenz macht es zu einem unübertroffenen Modell für nicht-invasive Live-Bildgebung mit Einzellzellauflösung bei erwachsenen Wirbeltieren. Seit der Einführung für die neurowissenschaftliche Forschung im Jahr 2018 und der formellen Beschreibung im Jahr 2021 hat die Art aufgrund ihrer einzigartigen Biologie erhebliches Interesse geweckt.
Die Forscher wählten diese Art aus, weil ihre Miniaturgröße das Einzellzell-Profiling des gesamten Tieres technisch machbar macht, eine Aufgabe, die bei größeren Wirbeltieren oft zu teuer oder aufwendig ist. Darüber hinaus ist Danionella eng mit dem Zebrafisch verwandt, was es Wissenschaftlern ermöglicht, ein umfangreiches molekulares Werkzeugset zu nutzen, das für diesen weit verbreiteten Modellorganismus entwickelt wurde. Das Genom des Fisches ist etwa halb so groß wie das des Zebrafisch-Genoms, was hochdurchsatzmolekulare Studien weiter erleichtert.
Um den Atlas zu erstellen, setzte das Team die Einzelzell-RNA-Sequenzierung ein, um die Genaktivität in einzelnen Zellen aus Gehirn, Rückenmark, Augen, inneren Organen, Flossen, Kopf und Rumpf zu messen. Sie kombinierten diese Daten mit räumlichen Methoden, einschließlich multiplexierter Hochdurchsatz-fluoreszierender In-situ-Hybridisierung (MERFISH) und Hybridisierungs-Kettenreaktion-fluoreszierender In-situ-Hybridisierung (HCR-FISH), um Zelltypen zurück an ihre spezifischen Gewebelokalisationen zu kartieren. Dieser Ansatz ermöglichte es dem Atlas, sogar außergewöhnlich seltene Zellpopulationen zu erfassen.
Die Analyse der Daten ergab, dass Neuronen aus derselben Gehirnregion oft ähnliche Genaktivitätsmuster aufweisen, selbst wenn sie unterschiedliche Neurotransmitter nutzen, was darauf hindeutet, dass die regionale Identität ein wichtiges organisatorisches Merkmal von Wirbeltiernervensystemen ist. Die Studie fand auch Hinweise darauf, dass erwachsene Zellen eine molekulare Erinnerung an ihre Position im Körper bewahren. Beispielsweise behielten Fibroblasten in den Brust- und Beckenflossen Genprogramme bei, die mit der Entwicklung von Vorder- und Hintergliedmaßen verbunden sind, was Geweben helfen kann, während der Regeneration geeignete Strukturen aufrechtzuerhalten oder wiederherzustellen.
Der Atlas wurde auch verwendet, um die regenerativen Fähigkeiten des Fisches zu untersuchen. Nach einer Verletzung des Telencephalons, eines Bereichs des Vorderhirns, beobachteten die Forscher eine zeitlich geordnete molekulare Kaskade, die Wundreaktion, Rekrutierung von Immunzellen, Proliferation radialer Gliazellen sowie die Produktion und Reifung neuer Neuronen umfasste. Peter Reddien, der auch Professor am MIT und Investigator des Howard Hughes Medical Institute ist, beschrieb diesen Fortschritt als einen Wendepunkt in der Erforschung der Organismenbiologie, der über die Genomsequenzierung hinausgeht, um zu verstehen, wie Genome in verschiedenen Zelltypen genutzt werden.
Die Autoren schlossen, dass diese Ergebnisse Danionella cerebrum als ein leistungsfähiges Modell für Systemneurowissenschaften, Stammzellbiologie, Regeneration, Biomechanik, kollektives Verhalten und Evolutionsbiologie positionieren.